История звукозаписи: от механики к цифре

Звуки и музыка сопровождают человечество на протяжении всего его существования. Возможность слушать музыку достаточно быстро стала одним из притягательных факторов цивилизации. Сегодня сложно себе представить, что когда то для этого пришлось бы приглашать музыкантов и при этом довольствоваться небогатым репертуаром и спорным мастерством исполнения. Поэтому стремление записать музыку и затем использовать эти записи в любое время вполне объяснимо. Как же развивалась звукозапись?

30 картинок с текстом.

Началось все в 875 году, в Персии, где братья Бану Муса построили первый механический музыкальный инструмент, названный водный орган. Он состоял из трубок, через которые продувался воздух, каждая из трубок была настроена на определенную ноту. Задвижки, подававшие воздух в трубки, открывались выступами на валике, которые были расположены таким образом, чтобы при вращении валика воспроизводилась определенная мелодия.

В XIV веке был построен механический карильон, принцип работы которого был схож с принципом работы водного органа, но вместо трубок использовались колокола. Причем карильон позволял не только механически воспроизводить мелодию, но и имел клавиатуру, позволявшую извлекать звуки вручную или совмещать эти два действия.

Во Франции в XVII веке веке появились механические духовые инструменты для воспроизведения музыкальных произведений, представлявшие собой миниатюрные органы, но не имевшие клавиатуры. Таким образом извлекать музыку из них мог любой, знай вращай рукоятку привода. Мелодия воспроизводилась валиками с шипами-кулачками, которые открывали ту или иную трубку. Наиболее популярной мелодией, на этих устройствах, была Charmante Catherine — «Прекрасная Катрин», откуда и пошло название шарманка или катеринка.

В течении нескольких веков шарманка трансформировалась в миниатюрные музыкальные шкатулки, в которых колокола были заменены на особым образом настроенные металлические гребни. А в 1870 году цилиндр был заменен на диск, что ознаменовало новую эру – производство шкатулок со сменными дисками.

Другой разновидностью автоматизированных музыкальных устройств стали механические спинеты, которые воспроизводили мелодию все по тому же принципу, за счет набора штырьков на барабане или прорезей в диске. Появившееся позже механическое пианино было большим шагом вперед, так как проигрывало мелодию, набранную прорезями на бумажной ленте, что позволяло не только воспроизводить сложные мелодии на привычном инструменте, но и легко их менять путем смены ленты и даже самостоятельно набирать новые музыкальные произведения. Выпуск механических пианино продолжался до середины XX века.

Все эти музыкальные устройства имели один основной недостаток: они не могли воспроизводить человеческий голос. В 1857 году француз де Мартенвиль запатентовал, а спустя три года построил первое устройство для механической записи звука - фоноавтограф. Он состоял из конуса с мембраной, которая была соединена с иглой. Игла соприкасалась с поверхностью вращавшегося цилиндра, покрытого сажей. Звуковые колебания, проходя через конус, заставляли мембрану вибрировать, передавая колебания игле, которая прочерчивала на саже форму звуковых колебаний. Устройство имело всего один недостаток: оно не могло воспроизводить записи. Воспроизвести записи, сделанные на фоноавтографе удалось только в 2008 году с помощью компьютера.

Несколькими годами спустя будущий изобретатель телефона Александр Белл сообщил знакомому врачу Кларенсу Блэйку, что собирается создать механическое устройство, имитирующее работу человеческого уха. Блэйк с радостью прислал Беллу вырезанные в морге у мертвого пациента составные части человеческого слухового аппарата. Из этих деталей Белл соорудил подобие фоноавтографа, которые демонстрировал студентам.

Первый аппарат, который мог записывать и воспроизводить звуки, был представлен 21 ноября 1877 года Томасом Эдисоном. Изначально Эдисон пытался создать устройство для записи азбуки Морзе, которой передавались телеграммы. Аппарат состоял из механического привода и иглы, которая царапала канавку на вращающемся барабане, покрытом фольгой. Однажды Эдисон запустил устройство на повышенной скорости и обнаружил, что оно начало издавать какие то звуки. Эдисон предположил, что если соединить иглу с мембраной, то можно будет записать звук на барабан. И звук реально записывался и воспроизводился, а чтобы увеличить время записи, Эдисон придумал сделать дорожку спиральной, то есть при записи игла постоянно смещалась по барабану. Фонограф, который стоил всего 18 долларов, произвел самое неизгладимое впечатление на публику. Во время его демонстрации во французской академии наук профессор-филолог Буйо начал кричать: «Негодяй! Плут! Вы думаете, что мы позволим чревовещателю надувать нас?!». А после первой демонстрации аппарата в России его владелец был привлечён к суду и приговорён к трём месяцам тюрьмы и большому денежному штрафу за «мошенничество».

При всей своей фантастичности фонограф имел ряд недостатков. Время записи было ограничено, ее качество оставляло желать лучшего, а громкость была очень небольшой. Детали конструкции быстро изнашивались, частично проблему удалось решить заменой фольги на воск. Но тем не менее фонографы быстро обрели популярность, они использовались в качестве диктофонов, на них записывались звуковые книги и голоса членов семьи. Фонографы даже использовались в качестве будильников, что позволяло просыпаться не под неприятный звонок, а под спокойную мелодию. Вскоре для этих устройств стали выпускаться записи, которые приносили звукозаписывающим компаниям неплохой доход.

В 1887 году другой американец, Эмиль Берлинер, модернизировал конструкцию фонографа, заменив цилиндр на диск. Запись стала вестись в поперечном направлении, а не по глубине, как у фонографа, что значительно повысило ее качество и громкость. Изначально пластинка была цинковой, позже ее стали изготавливать из эбонита, резины или шеллака. Использование этих материалов позволило производить массовое тиражирование пластинок, в результате чего устройство Берлинера, названное граммофоном, приобрело просто огромную популярность.

В 1907 году французская фирма Pathé, выпускавшая граммофоны, представила его усовершенствованную модель под названием патефон. Патефон был компактным и оснащался спрятанным в корпус рупором, который усиливал звук. В остальном принцип остался прежним: игла двигалась по спиральной прорези, ее вибрации передавались на мембрану, которая была размещена в рупоре. Для привода диска использовался пружинный механизм, которого хватало на воспроизведение одной пластинки. Качество воспроизведения зависело от степени изношенности иглы, которая требовала регулярной замены. В СССР патефоны выпускались до 1961 года.

У первых граммофонов и патефонов скорость вращения пластинок составляла от 70 до 80 оборотов в минуту, а единого стандарта не существовало. Он появился только в 1925 году благодаря замене механического пружинного привода вращения на электрический. Наиболее популярные в то время электродвигатели имел частоту вращения 3600 оборотов в минуту, которая после понижения через систему шестерен в приводе превращалась в 78 об/мин. Ставшие уже стандартными шеллачные пластинки диаметром 10 дюймов обеспечивали по 3 минуты записи с каждой стороны. В 1948 году Columbia Records выпустила первые пластинки со скоростью вращения 33⅓ об/мин. Через год компания RCA выпустила пластинку, рассчитанную на скорость 45 об/мин. В начале 1950-х годов стали выпускать пластинки со скоростью 16⅔ оборотов, при такой скорости запись звука была слишком низкого качества и ее использовали только для записи речи.

Первые пластинки со скоростью вращения 33⅓ об/мин, выпущенные Columbia Records, имели диаметр 12 дюймов (300 мм), что позволило увеличить время записи каждой стороны до 15-22 минут. Пластинки RCA на 45 об/мин имели диаметр 7-дюймов (175 мм) и позволяли записать на каждую из сторон по одной 5-минутной композиции. Сорокопятки дали толчок к развитию музыкальных автоматов, позволявших проигрывать любую выбранную пластинку из заранее загруженных. Помимо основных форматов, существовали и другие, например пластинки миньон или EP, на каждой стороне которой помещались от 2 до 4 музыкальных композиций общей длительностью звучания 15-20 минут.

Патефоны и граммофоны очень быстро изнашивали пластинки, так как масса их звукоснимателя была слишком высока. Выход был найден благодаря использованию электромагнитных звукоснимателей. В них используется сравнительно легкая игла, магнит и магнитная катушка, которая преобразует колебания иглы в электрические сигналы. Такие звукосниматели позволили не только снизить износ пластинок, но и обеспечить возможность усиления звука электронными лампами. Однако в силу сложности конструкции наибольшее распространение изначально получили пьезоэлектрические звукосниматели, которые используют эффект, при котором некоторые вещества при деформации генерируют электрический ток. Но так как такие звукосниматели имеют неравномерную частотную характеристику, грампластинки стали записываться с искажениями спектра. Соответственно, для электромагнитных звукоснимателей эти частотные искажения компенсируются специальными корректорами.

Сам процесс изготовления грампластинок был разработан еще Эмилем Берлинером. Металлическая пластина покрывалась воском, на котором иглой производилась запись, при этом игла сдирала воск в соответствии со звуковыми колебаниями. Затем пластинка обрабатывалась кислотой и на металле в местах, не защищенных воском, протравливались бороздки, повторяющие спираль звуковой дорожки. После удаления воска получалась металлическая матрица, с которой которой штамповались уже готовые к использованию грампластинки из твёрдой вулканизированной резины. В 1898 году на смену резине пришел шеллак - природная смола, экскременты некоторых тропических насекомых.

Шеллак имел одну неприятную особенность: он кололся, как стекло, поэтому при падении грампластинки чаще всего разбивались. К тому же цена этого материала была немалой, что привело к поискам альтернатив. Полистирол оказался недолговечным. А вот винил, он же ПВХ, оказался долговечным, крепким и дешевым. Помимо обычного ПВХ, для производства грампластинок использовалась тонкая пленка, такие гибкие пластинки были популярны в СССР. Они имели отвратительное качество звучания, зато могли вкладываться в виде приложений в журналы. Кроме того, в СССР были распространены пластинки кустарного изготовления, которые в обиходе назывались «рёбрами» или «записями на рёбрах». Кустарные пластинки нарезались непосредственно на рентгеновской пленке, откуда и пошло их название.

Практически параллельно со звукозаписью развивался кинематограф. Первые фильмы были немыми, без звука, первое звуковое кино впервые было продемонстрировано в 1900 году. Основной проблемой была синхронизация изображения и звука. Более того, многие кинодеятели, в том числе актеры и режиссеры, противились приходу звука, опасаясь утраты универсальности киноязыка и потери интернациональной аудитории. Первая массовая система звукового кино, вайтафон, появилась в 1926 году. Она состояла из кинопроектора и граммофона, причем вращение пластинки в нем синхронизировалось с движением ленты, а при съемке использовался принцип синхронной записи. Вайтофоны применялись недолго, так как они не обеспечивали возможность звукового сопровождения фильмов, состоящих из нескольких частей и не позволяли монтировать звук.

В 1919 году в Германии изобретатели Энгель, Фохт и Массоль создали систему звуковой записи непосредственно на кинопленке, назвав ее в честь собственного тройственного союза триэргон - «работа трех». Они увеличили ширину стандартной, 35-мм кинопленки, до 42 мм, разместив рядом с обычными кадрами звуковую дорожку, благо принцип преобразования звука в свет и обратно тогда уже был известен. Однако распространения триэргон и его американский аналог, фонофильм Фореста, не получили. Не произвела революции и похожая система мувитон, хотя звуковые фильмы с ее использованием позволили на какое то время потеснить основных конкурентов на рынке звукового кино.

Полностью решить все проблемы с синхронизацией удалось только компании RCA (созданной, кстати, выходцем из России Давидом Сарновым). Способ фотозаписи звука на киноплёнку, или «тонфильм», получил широчайшее распространение не только в кинематографе, но и в радиовещании и записи музыки, составив серьёзную конкуренцию механической граммофонной записи. Фотозапись не имела ограничений по длительности, так как киноплёнка могла быть любой длины. Запись на кинопленку использовалась даже для подготовки записей для грампластинок, но не получила распространения из-за необходимости проявки пленки перед контрольным воспроизведением. Помимо кинопленки с оптической записью, использовались и пленки с нанесенным магнитным слоем, звук с которого воспроизводился встроенным в киноаппарат магнитофоно

Оптическая запись звука легла в основу технологии LaserDisc. Это была первая технология, позволявшая записать звук и изображение на специальный носитель и затем воспроизвести эту запись лазерным лучом. Запись велась в аналоговом формате в очень высоком качестве, благодаря чему проигрыватели LaserDisc составляли серьезную конкуренцию другим аналоговым проигрывателям и видеомагнитофонам. Эпоха LaserDisc закончилась с появление цифровых методов записи.

Всего через год после изобретения граммофона, в 1888 году, американский инженер Оберлин Смит опубликовал статью, в которой был описан аппарат для записи звукового сигнала с помощью явления магнетизма. Датчанин Вальдемар Поульсен, прочитав статью Смита, после серии экспериментов изготовил первый прибор магнитной записи на стальной проволоке, который он назвал телеграфон. Изначально телеграфон планировали продавать как телефонный автоответчик, однако устройство не нашло спроса, и к 1903 году его производство практически прекратилось.

В 1924 году Курт Штилле усовершенствовал телеграфон Поульсена, заменив проволоку лентой. Через 4 года Фриц Пфлеймер изобретает технологию нанесения магнитного порошка на бумагу, что позволило избавиться от проволоки, которая была ломкой и тяжелой, а установка ее на шпиндель являлась целой наукой. Объединив идеи Поульсена, Штилле и Пфлеймера, фирма AEG в 1932 году выпускает прибор Magnetophon K1, который, благодаря компании BASF, применившей в качестве покрытия пленки оксид железа, положил начало производству ленточных магнитофонов. Проволока в качестве носителя длительное время использовалась в промышленных системах, где требуется высокая устойчивость к повреждениям, например, в авиационных самописцах.

Магнитофоны стали совершенствоваться даже быстрее устройств для механической записи. Качество записи неуклонно повышалось, практически сравнявшись с качеством записи на грампластинках. Появились многодорожечные магнитофоны, позволявшие не только выполнять монтаж, но и синхронно накладывать записи друг на друга. Большую роль в развитии магнитной записи сыграла стандартизация, прежде всего к ширине дорожек и скорости ленты. У Magnetophon K1 скорость ленты была 1 метр в секунду, в послевоенной модели K4 скорость уменьшили до 77 см/с, а уже после войны в аппаратах AEG эту скорость подогнали для американского рынка под дюймовый стандарт и получили 76,2 сантиметра или 30 дюймов в секунду. Такая скорость хорошо подходила для использования магнитной записи в кино, так как синхронизировалась со скоростью движения кинопленки. С ростом качества лент стали использоваться половинные скорости: 38,1; 19,05; 9,53; 4,76 см/с и 2,38 см/с. Чем ниже скорость - тем ниже качество записи, но больше время воспроизведения.

Лента или проволока в первых магнитофонах наматывалась на катушки. Такой способ имел определенные недостатки, прежде всего относительно большие размеры катушек и необходимость заправки ленты в лентопротяжный механизм. Немецкая фирма C. Lorenz AG с 1935 года применяла в своих проволочных магнитофонах специальную кассету с двумя шпульками проволоки. В 1950-м в магнитофоне Loewe Optaphon две стандартные катушки для ленты были помещены в общий разъёмный корпус. Другие компании также разрабатывали аналогичные системы, но они не были стандартизованы. Лишь в 1963 году компания Philips представила новый формат, названный Compact Cassette. При этом в Philips отказались взымать лицензионные отчисления за свою кассету, что привело к массовому распространению этого формата. Теперь магнитофоны стали компактными и экономичными.