Звукозапись

История изучения звука насчитывает почти три тысячи лет, но реально продвинуться в технологиях его обработки и пользоваться их плодами человечество смогло относительно недавно.

Одной из основных проблем, не позволявших записывать звук, было почти полное непонимание его природы. И хотя серьезное изучение этого явления началось еще в VI в. до н.э., когда античные ученые Пифагор и Аристотель одними из первых сформулировали ряд постулатов о звуке, которые всего лишь приоткрыли завесу тайны над его природой.

Ощутимых результатов в этой области не было вплоть до XV века. Именно тогда Леонардо да Винчи выработал принцип независимости распространения звуковых волн от различных источников. Большой вклад в акустику внес Исаак Ньютон. Его теория о волновой природе звука вдохновила английского физика Томаса Юнга на ее доказательство. Томасу Юнгу впервые удалось зафиксировать звук в 1807 г. Он записал звуковые колебания камертона на закопченной бумаге, расположенной на барабане, – первое в истории устройство записи звука.

Спустя некоторое время акустика стала одной из самых изучаемых областей физики. Были разработаны различные приборы, позволяющие измерять и записывать графики звучания не только камертона, но и музыкальных инструментов. В то время акустика являлась частью механики, и все устройства, созданные в этот период, требовали механической связи между источником и записывающим устройством.

Впервые идея о записи звуковых колебаний без использования механической связи появилась у Леона Скотта, и в 1857 г. им был создан звукозаписывающий прибор, использующий мембрану в качестве звукоулавливающей части (рис. 10) и названный им фонаутографом. Все подобные устройства обладали серьезным недостатком – они не могли воспроизводить записанные звуки.

Рис. 10. Запись звука на закопченной бумаге

Теория об обратимости звукозаписи была разработана поэтом Шарлем Кро. 30 апреля 1877 г. он передал в канцелярию французской Академии наук письмо, озаглавленное «Процесс записи и воспроизведения явлений, воспринимаемых слухом». В нем он впервые предложил записать звук в виде канавки на диске из мягкого материала при помощи иглы, а затем воспроизвести эту запись. При воспроизведении звука игла, связанная с мембраной, должна была двигаться по канавке и передавать колебания мембране, которая колеблет воздух, поступающий в окружающее пространство через рупор. По стечению обстоятельств Кро не получил патент на свое устройство – палеофон. А спустя три недели после отказа официально признать разработки французского изобретателя, патент на идентичное приспособление получил американский электротехник, изобретатель Томас Алва Эдисон. Он изобрел фонограф (рис. 11), в котором звук записывался на восковом валике (глубинная запись). Для воспроизведения звука игла в фонографе двигалась по канавке вращающегося валика и при помощи мембраны и рупора воспроизводила записанный звук. Такая запись звука называется механической. Основной недостаток фонографа – невозможность получить копию записанного звука.

Рис. 11. Общий вид фонографа

На смену фонографу в 1888 г. пришел граммофон, предложенный Эмилем Берлинером. В этом изобретении применена поперечная запись на диске, используемая и в наше время. Механический способ записи-воспроизведения звука широко использовался до 80-х годов XX в.

Первый аппарат «для магнитной записи речевых сообщений, передаваемых по телефону», создан в 1898 г. датским инженером Вальдемаром Поульсеном и получил наименование телеграфона (рис. 12).

Рис. 12. Телеграфон Поульсена

Магнитная запись в телеграфоне производилась на стальную проволоку диаметром 0,5–1 мм. Разработанный им принцип лег в основу функционирования пленочных магнитофонов, звукового кино, накопителей данных на гибких и жестких магнитных дисках и др.

Аппарат под наименованием магнитофон был сконструирован германской фирмой AEG в 1934 г. В нем применялась порошковая магнитная лента (т.е. принципиально такая же, как и применяемая в настоящее время); магнитные головки кольцевого типа и электронные усилители записи и воспроизведения звука. Массовой магнитная запись стала лишь к 1963 г., когда была выпущена компакт-кассета. Стандарт успешно конкурировал с виниловым диском и используется в настоящее время.

Одновременно с развитием и совершенствованием механической и магнитной записи звука многие ученые и изобретатели продолжали искать другие способы записи-воспроизведения звука. Наш соотечественник А.Ф. Викшемский в 1889 г. впервые в мире предложил аппарат для оптической записи звука на светочувствительный материал. В 1888 г. выдающийся русский физик А.Г. Столетов создал первый в мире фотоэлемент, а в 1900 г. И.Л. Поляков, используя фотоэлемент, предложил воспроизводить звук с оптической фонограммы.

Все рассмотренные выше способы записи и воспроизведения оперировали исключительно с аналоговым звуком. Наука о звуке получила новый импульс к развитию в 20-х годах XX в., что было связано с появлением радио и электроакустики. Точкой отсчета цифровой эры можно считать 1933 г., когда русским ученым В.А. Котельниковым был опубликован труд «О пропускной способности эфира и проволоки в электросвязи», в котором излагалась знаменитая сейчас на весь мир теорема Котельникова. Теорема решила очень важный вопрос – как без потерь перевести сигнал в цифровой вид.

Первые попытки цифрового представления звукового потока предпринимались уже в 1937 г. Французский инженер Алек Ривз, сотрудник телефонной компании, изобрел импульсно-кодовую модуляцию (Pulse Code Modulation, или просто PCM). Это был несложный способ кодирования аналогового сигнала (например, речи) для передачи его в форме цифрового потока. Тогда метод использовался для кодирования телефонных переговоров, и цифровые данные не фиксировались на носителях. О безоговорочном признании новой технологии говорит и тот факт, что импульсно-кодовая модуляция применялась для кодирования переговоров Уинстона Черчилля и Франклина Рузвельта во время Второй мировой войны. Однако для кодирования сигнала требовалась огромная по тем временам вычислительная мощность. Например, в Лондоне аппаратура для кодирования занимала все подвальные помещения департамента связи. Спустя тридцать лет, благодаря прогрессу вычислительной техники, импульсно-кодовая модуляция стала широко использоваться в обычной телефонии. В 1977 г. первые цифровые АТС стали применяться в Чикаго, в 1983 г. был проложен оптоволоконный канал связи между Нью-Йорком и Вашингтоном, а в декабре 1988 г. был запущен знаменитый проект ТАТ-8 – трансатлантический оптоволоконный телефонный канал.

Вторая мировая война послужила катализатором развития технологий. Одним из последствий стало изобретение в 1948 г. транзистора. Именно это изобретение стало материальным фундаментом, на котором выросли все современные технологии обработки информации.

Изобретение лазера в 1958 г. сыграло чрезвычайно значимую роль в истории цифрового звука. Впоследствии именно лазерные разработки позволили действительно донести цифровые технологии до масс.

В начале 70-х годов голландские физики Пьет Крамер и Клаас Компаан разработали устройство, способное считывать данные с оптического носителя при помощи лазерного луча. В 1980 г. компании Philips и Sony разработали цифровой оптический компакт-диск Audio CD (CD-DA, CD Digital Audio). Главным обстоятельством, способствовавшим появлению CD-DA, было создание компактных образцов полупроводниковых лазеров с длиной волны 780 нм и длительным сроком службы. Будучи цифровым форматом, CD-DA обеспечил уровень удобства и комфорта выше, чем на виниловых пластинках и магнитных пленках. При этом он оказался более дешевым, надежным и долговечным. Системе компакт-диск было суждено не только практически вытеснить аналоговую запись звука, но и стать основой многочисленных современных оптических систем накопления и хранения информации.

В 1985 г. появилось описание стандарта хранения произвольных данных CD-ROM (Readonly memory – «память только для чтения»), являющийся надстройкой над форматом музыкального компакт-диска (CD-DA). Он имел небывалую по тем временам емкость – 700 Мбайт. Емкость носителя и удобство использования этой системы в немалой степени способствовали начавшемуся стремительному росту производства и совершенствованию персональных компьютеров. Появление понятия «мультимедиа» неразрывно связано с CD-ROM. В свою очередь, задачи, выдвигаемые развитием информационных систем, обусловили совершенствование самой технологии хранения данных на компакт-дисках.

Совершенствование технологии систем оптического хранения информации шло по трем основным направлениям.

Появилось множество вариантов организации данных на CD. Это логические форматы CD-I и форматы Video CD, Karaoke CD, Kodak Photo CD. Стремление создателей мультимедиаприложений объединить на одном диске различные данные привело к созданию группы смешанных форматов Mix Mode, CD-plus, CD-extra. Поддержка всех этих форматов традиционно входит в спецификации самых современных оптических приводов.

Вторым направлением – стало увеличение скорости считывания данных, вплоть до скорости 52^x (за единицу скорости принята скорость 150 Кбайт/с, т.е. скорость считывания информации с CD-DA).

Третьим направлением – стала разработка дисков, позволяющих пользователю не только считывать, но и записывать на них информацию. В 1987 г. компания Sony представила новый стандарт CD-R (CD-Recordable). Почти одновременно с дисками CD-R появились перезаписываемые диски CD-RW.

Новым качественным шагом стала технология DVD (Digital Versatile Disc), которая была представлена в 1995 г. компаниями Toshiba и Sony. Применение нового лазера с длинной волны 650 нм и усовершенствованный способом слежения за дорожкой записи позволили увеличить информационную емкость до 4,7 Гбайта, используя тот же 12-сантиметровый диск. Сохранение в новом формате основных принципов предыдущего формата (CD) дало возможность при минимальных затратах, применяя механику приводов CD-ROM, создать универсальные устройства для чтения дисков всех рассмотренных ранее форматов. Потребовалось лишь внести некоторые изменения в электронный блок управления и оборудовать оптико-механический узел чтения дополнительным лазерным диодом.

Вначале единственным назначением DVD было распространение видеофильмов с разрешением до 720×572 точек и многоканальным звуком формата 5.1. Спустя три года разработчики расширили функциональность DVD – был представлен новый формат аудио-DVD.

Впоследствии технология DVD была перенесена и на ПК. Появились встраиваемые DVD-проигрыватели, затем устройства Combo, объединявшие в одном корпусе устройство чтения DVD и записи CD-RW. Относительно быстрое появление технологий DVD±R, DVD±RW и DVD-RAM было закономерным, поскольку их теоретические и технологические основы были отработаны при создании CD-R и СD-RW.

Развиваясь, технология DVD проходила те же стадии, что и технология записи на CD. Увеличение скорости воспроизводящих, а затем и записывающих устройств остановилось на отметке 16^x (за единицу скорости потока данных принята скорость системы DVD-video – 1350 Кбайт/с).

До весны 2004 г. запись дисков DVD±R и DVD±RW производилась только в одном слое (DVD-5) и позволяла записать на диск не более 4,7 Гбайт данных. В начале 2004 г. компания Philips, анонсировала формат DVD+R DL (двухслойный или DVD-9), позволяющий записать до 8,5 Гбайт информации на одной стороне диска. Максимальная емкость DVD-дисков – 15,9 Гбайта (по 7,95 Гбайта на каждую сторону двухстороннего двухслойного диска). Распространения двухсторонние двухслойные диски не получили из-за высокой стоимости и неудобства обращения к произвольным данным.

В 2002 г. компании Nec и Toshiba представили прототип AOD (Advanced Optical Disc), созданный по технологии, аналогичной используемой в DVD-дисках, но с большей плотностью записи. Через год организация DVD Forum признала AOD официальным преемником DVD, дав ему наименование HD DVD (High Definition Digital Versatile Disk). Стандарт HD DVD был поддержан большинством производителей DVD-приводов и дисков, так как является эволюционным продолжением стандарта DVD и требует минимального переоборудования существующего производства. Отличие в основном заключается в плотности записи (до 15 Гбайт – на каждый слой), которая обеспечивается за счет применения более коротковолнового лазера. За однократную скорость передачи данных принята скорость 36,5 Мбит/с, что соответствует 27^х для DVD и 243^х для CD. В 2008 году стандарт прекратил свое существование, в результате конкуренции со стандартов Blu-ray Disc, как по техническим характеристикам, так и по степени защищенности данных правообладателей.

В начале 2002 г. стало известно о новом стандарте Blu-ray Disc (BD). В стандарте Blu-ray применен сине-фиолетовый лазер, имеющий диаметр пучка 58 нм (DVD – 132 нм, HD DVD – 82 нм). Принципиальное отличие от HD DVD – это уменьшение расстояния между питами в пределах одной дорожки (в сочетании с увеличением числа самих дорожек). Технология Blu-ray является более прогрессивной, так как емкость диска составляет более 25 Гбайт/слой. Максимальная емкость диска с учетом нескольких слоев может достигать 200 Гбайт. На данный момент существуют три основных вида BD-носителей: BD-ROM – обычные, штампованные и выпускаемые заводским тиражом, BD-R – однократно записываемые и BD-RW – перезаписываемые. Поскольку для штамповки BD производителям приходится целиком менять оборудование, такие диски стоят ощутимо дороже.

В настоящее время проводятся исследования и разрабатывается технология записи на оптические диски с использованием ультрафиолетового лазера с длиной волны порядка 70 нм. Таким образом, теоретически появится возможность записывать на один оптический диск до 500 Гбайт данных.

В 2005 г. началась разработка стандарта голографических носителей HVD (Holographic Versatile Disc). Емкость первых дисков составила 200 Гбайт. В перспективе технология позволит создавать носители емкостью до 1 Тбайта данных. Новая технология отличается тем, что два луча в одной точке одномоментно записывают не один бит, а целый блок данных. При чтении диск может сохранять неподвижность, а подвижной станет оптическая система. Технология AO DVD (Articulated Optical Digital Versatile Disc) предусматривает использование нанорешеток с размерами меньше длины волны лазера для многоуровневого кодирования информации. Таким образом, мы видим, что замена для HD DVD и Blu-ray готовится уже сейчас и развитие оптической записи будет продолжено.

Параллельно с развитием оптической технологии записи аудиовизуальной информации развивались технологии цифровой магнитной записи, но из-за высокой стоимости оборудования и носителей информации не нашли широкого распространения.

К концу 80-х годов цифровая звукозапись была уже достаточно широко распространена. Одновременно стремительно росла популярность персональных компьютеров. Вначале ПК оснащался лишь небольшим динамиком, предназначенным для воспроизведения системных звуков. Необходимость в более качественном звуке появилась позже, благодаря развитию индустрии компьютерных игр.

И в 1989 г. появились первые платы расширения для IBM-совместимых компьютеров, предназначенные для озвучивания игр с поддержкой стереофонического воспроизведения, со встроенным MIDI-интерфейсом (рис. 13). Практически одновременно компания Microsoft начинает развивать концепцию мультимедийного персонального компьютера МРС (Multimedia PC).

Рис. 13. Звуковая карта Game Blaster
канадской компании AdLib

Проблема эффективного хранения цифровых данных возникла одновременно с появлением первых компьютеров; ее актуальность возрастала вместе с увеличением объемов обрабатываемой информации. Для того чтобы решить задачу обеспечения пользователей накопителями сообразного запросам времени объема, ведутся разработки различных типов носителей информации: магнитные, оптические и твердотельные технологии хранения данных.

Дата добавления: 2014-01-03