Эволюция грамзаписи
В 1869 г. Томас Алва Эдисон совершенствует телефонный аппарат, только что запатентованный Г. Беллом: в частности — ставит на выходе аппарата повышающий трансформатор. Эти и ряд других изобретений позволили в сотни раз увеличить длину телефонных линии а также сконструировать устройство, которое давало возможность слушать передававаемую речь и музыку. Затем Эдисон улучшил угольный микрофон, который в дальнейшем использовался во всех телефонах до 1980-х годов.
Первый патент на звукозапись голоса был получен Эдисоном 01.06.1869 г., а изобретением принесшим ему мировую известность стал фонограф, запатентованный в 1878 г.
В первых фонографах запись производилась на оловянной фольге, покрываю щей поверхность цилиндра-валика, приводимого в движение рукояткой. Игла, связанная с мембраной, перемещалась вдоль валика, оставляя модулированный по глубине винтовой след. Недостатков было много: нестабильность скорости вращения валика приводила к искажениям тональности звука, и запись на оловянной фольге быстро портилась. Тем не менее успех фонографа был огромным.
В 1889 г. Эмилем Верлинером был изобретен граммофонный диск и предложена методика записи и воспроизведения звука на граммофоне. Диски значительно легче изготавливать, транспортировать и хранить, чем барабаны Эдисона, кроме того звукозапись на грампластинке звучала громче. К концу Первой Мировой войны дисковая звукозапись стала доминантным форматом и даже в наши дни еще используются стандартные двухсторонние виниловые (шеллаковые) диски на 78, 45 и 33 1/3 оборотов в минуту. Так как основным элементом звукоснимателя является металлическая игла, срок службы дисков был невысоким.
Вплоть до 20-х гг. XX в звукозапись была чисто механическим процессом, пока не развилась новая — электронная — звукозаписывающая индустрия. Для этого потребовалось изобретение микрофона, динамических головок и усилителей. В 1906 г. появились первые вакуумные катодные лампы (Ли де Форест), которые стало возможно использовать в усилителях звука. Помимо этого, в промежуток между 1914 и 1922 гг. Эдвин Армстронг патентует различные виды супергетеродинных радиоприемников и передатчиков. Примерно в то же время Вольдемар Полсен изобретает метод записи звука на магнитный шнур. Качество записи оставляло желать лучшего, поэтому метод Пол сена использовался лишь для записи голоса. В 1930 г. Гуглиелмо Маркони разработал систему магнитной записи звука на стальную ленту. Скорость записи была довольно большой и металлическая лента в случае разрыва представляла реальную опасность. В то же время был разработан метод оптической записи звука на кинопленку. Кинематограф перестал быть немым!
В 1930-х гг. немецкие изобретатели предложили осуществлять звукозапись на полиэстровую пленку, покрытую слоем магнитного вещества. Звукозапись на магнитной пленке стала популярной повсеместно к началу Второй Мировой войны. В 1943 г. немецкие инженеры разработали методику стереофонической звукозаписи на магнитную ленту, которая стала стандартом к концу Второй Мировой.
Изобретение в 1949 г. полупроводникового транзистора положило начало эпохе дешевых и компактных средств записи и воспроизведения звука. В 1964 г. фирма Филипс предложила меломанам новый формат магнитной ленты - компактную кассету. Благодаря компактности и намного большему удобству в обращении, кассеты вытеснили магнитные бобины с рынка звукозаписи.
В 1966 г. Рэй Долби предложил систему уменьшения шумов, названную его именем, которая положила начало звукотехнике класса hi-fi. В 1970-х годах появились звуковые системы квадрозвука, однако, они не получили популярности. К идее многодорожечной записи вернулись уже в более позднее время (системы «звук вокруг», DVD).
Электрическая звукозапись
Изобретение в 1983 г. цифровой записи звука и компакт-дисков значительно продвинуло качество «популярного» звука. Аналоговый сигнал разбивается по амплитуде с определенным шагом дискретизации и кодируется двоичной информацией. Для уменьшения объема, занимаемого полученными данными, используются различные методы сжатия (наиболее популярными являются форматы трЗ и более качественный ogg). С появлением флэш-карт памяти стало возможным создавать сверхкомпактные музыкальные проигрыватели.
Устройство микрофона
Микрофоном называют устройство, преобразующее энергию звуковых колебаний воздуха в электрическую энергию. Наиболее популярны микрофоны, работающие на основе эффектов электромагнитной индукции, изменения емкости конденсатора или пьезоэлектрическом эффекте. Пьезоэлектрические микрофоны в наши дни наиболее популярны, их используют, например, в звукоснимателях акустических гитар.
В конденсаторном микрофоне диафрагма является одной из пластин конденсатора. При вибрации диафрагмы расстояние между пластинами меняется, это приводит к изменению емкости конденсатора. Пластины конденсатора заряжаются некоторым постоянным зарядом Q. В результате изменения емкости конденсатора напряжение на его обкладках тоже меняется по закону U = C/Q. Данный тип микрофонов используется в звукозаписи, т.к. позволяет получить сигнал очень высокого качества.
Динамические микрофоны генерируют электрические колебания за счет эффекта электромагнитной индукции. К диафрагме подключается легкая катушка индуктивности, размещенная в поле постоянного магнита. При колебании катушки в ней возникает ЭДС индукции, т.е. принцип действия таких микрофонов с точностью до наоборот аналогичен принципу действия динамических головок.
Угольные микрофоны наиболее часто используются в телефонах. Онипредставляют собой капсюль, содержащий угольные гранулы, запрессованные между двумя металлическими пластинами, к которым приложено постоянное напряжение. В спокойном состоянии через уголь протекает небольшой электрический ток. Когда на одну из пластин, играющую роль диафрагмы, попадают звуковые волны, меняется ее давление на угольные гранулы. Это приводит к изменению сопротивления микрофона, и протекающий через него ток меняется. Данный тип микрофона прост в изготовлении и очень дешев. Однако, низкое качество звука и ограниченный частотный диапазон не позволяют применять его нигде, кроме телефонии.
Пьезоэлектрические микрофоны представляют собой пластинки из пьезоэлектрического вещества, к которым припаяны контактные проводки. При колебании такой пластинки происходит вырабатывание электрической энергии. Данный тип микрофонов имеет отличные частотные и амплитудные характеристики, что позволяет использовать его в звукозаписи. Кроме микрофонов пьезоэлементы используются и в звукоснимателях виниловых проигрывателей. Игла звукоснимателя передает колебания со звуковых дорожек на пьезоэлемент, генерирующий звуковые частоты.
Первые динамические головки динамики), появившиеся в начале XX в., использовали электромагниты, т.к. мощные постоянные магниты не были доступны за разумную цену. Скачки постоянного напряжения, приложенного к электромагниту, искажали звук. До 1950-х гг. качество динамиков было низким, пока в их конструкции не стали использоваться постоянные магниты.
Динамик состоит из диафрагмы, соединенной наружной стороной с каркасом, а внутренней — с цилиндрической обмоткой катушки индуктивности, перемещающейся относительно постоянного магнита. При подаче на катушку электрического тока, вокруг нее возникает магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита, приводит в движение диафрагму.
Динамики различают по мощности и частотным характеристикам. Для воспроизведения низких частот используются басовые динамики (woofer), средних частот - squawker, высоких - tweeter. Звуковые колонки, используемые для воспроизведения звука во всех областях частот, содержат обычно не менее трех динамиков с различными частотными характеристиками. Отдельно для воспроизведения низких частот используется сабвуфер (subwoofer).
Динамики бывают не только электромагнитными. Так, например, пьезокерамические динамики, использующиеся в наручных часах, воспроизводят звук за счет колебания пьезоэлемента под действием переменного электрического тока (т.е. принцип, обратный принципу пьезоэлектрического звукоснимателя). Электростатические динамики работают по принципу, обратному конденсаторным микрофонам. Плазменные динамики генерируют звуковые частоты за счет колебаний плазмы в электрическом поле.
Цифровая звукозапись
Магнитные носители информации
Долгое время основным устройством хранения данных в компьютерном мире были перфокарты. И только в 1949 году группа инженеров и исследователей фирмы IBM приступила к разработке нового устройства хранения данных. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного накопителя IBM 726 для вычислительной машины IBM 701. Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, небольшая команда разработчиков все той же фирмы IBM объявила о создании первой дисковой системы хранения данных — 305 RAMAC (RandomAccessMethodofAccountingandControl). Эта система могла хранить 5 млн. символов (5 Мбайт!) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см). В отличие от ленточных устройств хранения данных, в системе RAMAC запись осуществлялась с помощью головки в произвольное место поверхности диска. Такой способ заметно повысил производительность компьютера, поскольку данные записывались и извлекались намного быстрее, чем при использовании ленточных устройств.
Устройства магнитного хранения данных прошли путь от RAMAC до современных жестких дисков емкостью в сотни ГБ и размером 3,5 дюйма и меньше. Практически все устройства магнитного хранения данных были созданы в исследовательских центрах фирмы IBM; например, команда разработчиков под руководством Алана Шугарта (AlanShugart) в 1971 году представила накопитель на гибких дисках диаметром 8 дюймов.
Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного ферромагнитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле. При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты, полярность которых можно очень быстро изменить, переключив направление пропускаемого электрического тока.
Магнитное поле в сердечнике частично распространяется в окружающее пространство благодаря наличию зазора, «пропиленного» в основании буквы U. Если вблизи зазора располагается другой ферромагнетик (рабочий слой носителя), то магнитное поле в нем локализуется, поскольку подобные вещества об-
Рис. 1: Головка чтения/записи
ладают меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух. Магнитный поток, пересекающий зазор, замыкается через носитель, что приводит к поляризации его магнитных частиц (доменов) в направлении действия поля. Направление поля и, следовательно, остаточная намагниченность носителя зависят от полярности электрического поля в обмотке головки.
Гибкие магнитные диски обычно делаются на лавсановой, а жесткие — на алюминиевой или стеклянной подложке, на которую наносится слой ферромагнитного материала. Рабочий слой в основном состоит из окиси железа с различными добавками. Магнитные поля, создаваемые отдельными доменами на чистом диске, ориентированы случайным образом и взаимно компенсируются на любом сколько-нибудь протяженном (макроскопическом) участке поверхности диска, поэтому его остаточная намагниченность равна нулю.
Итак, в результате протекания переменного тока импульсной формы в обмотке головки чтения записи на вращающемся диске образуется последовательность участков с различной по знаку (направлению) остаточной намагниченностью. Причем наиболее важными в аспекте последующего воспроизведения записанной информации оказываются те зоны, в которых происходит смена направления остаточного магнитного поля, или просто зоны смены знака. Во время считывания информации с диска головка ведет себя как детектор зон смены знака, выдавая импульсы напряжения при каждом пересечении такой зоны. На тех участках, где не происходит смены знака, импульсы не генерируются (выбросы отсутствуют).
Оптические носители информации
В 1978 году фирмы Sony и Philips объединили свои усилия в области разработки современных звуковых компакт-дисков. Philips к тому времени уже разработала лазерный проигрыватель, а у Sony за плечами были многолетние исследования в области цифровой звукозаписи. В 1982 году обе фирмы обнародовали стандарт, в котором определялись методы обработки сигналов, способы их записи, а также размер диска — 120 мм, который используется и по сей день.
Компакт-диск диаметром 120 мм (около 4,75 дюйма) изготовлен из полимера и покрыт металлической пленкой (обычно каким-нибудь сплавом алюминия). Информация считывается именно с этой металлической пленки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения. Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приемник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был он рассеян или поглощен. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления (штрихи). Сильное отражение луча происходит там, где этих углублений нет. Фотодатчик, размещенный в накопителе CD-ROM, воспринимает рассеянный луч, отраженный от поверхности диска. Затем эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или в звук.
Большие партии компакт-дисков производятся в три этапа:
1. С мастер-диска методом гальванопластики снимается первичная матрица.
2. С помощью этой матрицы изготавливается копия мастер-диска из более прочного металла.
3. Копию мастер-диска можно многократно использовать для изготовления вторичных (рабочих) матриц.
Если на компакт-диске (звуковом или информационном) необходимо отыскать место записи определенных данных, то его координаты предварительно вчитываются из оглавления диска, после чего считывающее устройство перемещается к нужному витку спирали и ждет появления определенной последовательности битов.
Алгоритм работы CD-ROM.
1. Полупроводниковый лазер (см. рис. 2) генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало.
2. Серводвигатель по командам, поступающим от встроенного микропроцессора, смещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт-диске.
3. Отраженный от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму.
4. Разделительная призма направляет отраженный луч на другую фокусирующую линзу.
5. Эта линза направляет отраженный луч на фотодатчик, который преобразует световую энергию в электрические импульсы.
6. Сигналы с фотодатчика декодируются встроенным микропроцессором и передаются в компьютер в виде данных.
Диск CD-RW также имеет слой, который изменяет отражающую способность при попадании луча лазера, но в отличие от диска CD-R это обратимо.
Активный слой диска CD-RW при обычном состоянии обладает отражающими свойствами. Активный материал расположен поверх поликарбонатной основы, на которой создан спиральный образец для точного позиционирования диска и правильного расположения канавок.
При записи диска в накопителе CD-RW лазер работает на полной мощности и разогревает активный материал до температуры 500-- 700°C, расплавляя его.
В таком состоянии материал теряет отражающие свойства.
Для возврата диска в первоначальное состояние лазер на низкой мощности разогревает активный материал до температуры 200°С, и отражающие свойства восстанавливаются.
Тема №6