Оптическая запись звука

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Опти́ческая за́пись зву́ка — запись звуковых колебаний соответствующим изменением оптической плотности или отражательной способности носителя[1]. Развитие оптической звукозаписи тесно связано с появлением звукового кинематографа, где звук фиксируется на движущейся светочувствительной киноплёнке. Использование для записи звука и изображения общего носителя исключает проблемы их синхронизации при демонстрации фильма[2].

Совмещённая фильмокопия с цифровыми и аналоговой оптическими фонограммами

В дальнейшем аналоговая, а затем цифровая оптическая запись звука получила распространение в оптических дисках и некоторых музыкальных устройствах. При аналоговом способе производится непосредственная запись электрических колебаний звуковой частоты, а при цифровом — запись звуковых данных в виде прозрачных и непрозрачных участков, соответствующих двоичным битам.

История изобретения[править | править вики-текст]

Лазердиск с оптической записью аналоговых звука и изображения

Впервые модуляция света звуковыми колебаниями осуществлена в 1907 немецким физиком Эрнстом Румером году во время опытов с дуговым генератором Поульсена на основе электрической дуги[3]. Пульсирующий ток звуковой частоты, подведённый к электродам дуги, заставляет излучаемый ею световой поток изменяться в соответствии с электрическими колебаниями. При этом, за счёт изменения температуры и давления в зоне пламени, создаются звуковые колебания, соответствующие подведённому сигналу, благодаря чему такая дуга получила название «говорящей»[4][5].

Передача звуковых колебаний при помощи света впервые использована в корабельном беспроводном телеграфе. Первые эксперименты по передаче и записи человеческой речи оптическим способом осуществил американский физик Теодор Кейс. В 1914 году он создал лабораторию для изучения фотоэлектрических свойств различных материалов. Результатом исследований стало изобретение «Талофида» — серно-таллиевого фотосопротивления в виде вакуумной радиолампы[6]. Открытие было сразу же использовано в сверхсекретной системе инфракрасной межкорабельной связи ВМС США, разработанной Кейсом совместно с ассистентом Эрлом Спонсэблом. Первые испытания, в которых принял участие Томас Эдисон, состоялись в штате Нью-Джерси и были признаны успешными. Система связи была принята на вооружение после окончания Первой мировой войны.

Одновременно с Кейсом аналогичную систему «Паллофотофон» разрабатывал Чарльз Хокси при софинансировании компании General Electric. Разработка также предназначалась для трансатлантической связи, но позднее была использована для звукозаписи и в звуковом кино под названием RCA Photophone. Звукозаписывающее устройство Хокси впервые позволило осуществить предварительную запись обращения президента США Калвина Кулиджа по радио. В СССР подобное устройство под названием «Шоринофон» создано в 1931 году Александром Шориным[7]. Несмотря на успехи оптических телеграфа и звукозаписи, они оказались менее удобны, чем радиосвязь и грамзапись. Основная область применения оптической звукозаписи связана со звуковым кино.

Первые системы, пригодные для записи фонограммы на киноплёнку, использовали лампу накаливания. Такой принцип применил Ли де Форест в своей системе «Фонофильм Фореста», разработанной в 1922 году[8]. Однако, инерционность ламп накаливания так и не удалось преодолеть, и качество звука системы оставалось неудовлетворительным. Поэтому в дальнейшем для получения фонограммы переменной плотности стали применять газосветные лампы. Впервые такая технология появилась в 1919 году в немецкой системе «Триэргон», но использование нестандартной киноплёнки не позволило ей получить распространения[9]. Позднее успеха достиг Кейс, применив разработку в стандарте «Мувитон», права на который в 1926 году приобрела студия «XX век Фокс»[10]. Лампа, специально созданная в лабораториях Кейса для записи звуковой дорожки, получила название англ. AEO-light.

В 1929—1930 гг советский изобретатель В. Д. Охотников осуществил запись фонограммы переменной плотности, применив специально сконструированную лампу накаливания с тонкой нитью и напрямую регулируя ток её накала напряжением звуковой частоты[5]. Благодаря малой массе тонкой нити ему удалось получить приемлемую характеристику записи для частот около 3—5 килогерц, при том, что инерционность стандартных ламп накаливания полностью «гасит» колебания с частотами выше 200—400 Гц. Именно по этой схеме производилась запись звука в фильмах «Слава мира» Владимира Вайнштока и Аркадия Кольцатого (1932), «Люблю ли тебя?» Сергея Герасимова (1934) и «Переворот».

Эксплуатация первых систем звукового кино показала, что модуляция света изменением накала лампы непригодна для получения качественной фонограммы. В результате появились новые технологии, основанные на использовании промежуточного модулятора: американская Western Electric и советский «Тагефон», разработанный Павлом Тагером[10]. Последний в 1926—1928 годах разработал и впервые применил поляризационный модулятор света. Система «Тагефон» впервые использована во время съёмки первого советского звукового художественного фильма «Путёвка в жизнь»[11][8].

В 1923 году датчане Аксель Петерсен и Арнольд Поульсен продемонстрировали свою систему, в которой звук записывался на отдельной синхронизированной киноплёнке дорожкой переменной ширины[10][12]. Коммерческое использование такого способа записи началось на совмещённой фонограмме в американской технологии RCA Photophone, разработанной в 1929 году. В СССР модуляция света длиной штриха была осуществлена в 1926—1928 годах Александром Шориным. Для этого он использовал струнный гальванометр. Нить гальванометра располагается так, чтобы при нулевом значении сигнала была освещена ровно половина ширины записывающего штриха[13].

В 1940 году появилась первая в мире система многоканальной звукозаписи «Фантасаунд», основанная на оптическом методе. Трёхканальное звуковое сопровождение использовано в полнометражном мультфильме «Фантазия» студии Уолта Диснея[14]. Однако, распространившаяся после Второй мировой войны магнитная звукозапись, вытеснила менее удобный оптический метод из музыкального производства, сохраняя безраздельное господство только в кинематографе. Тем не менее, многодорожечный оптический звук, записанный на 35-мм и 70-мм киноплёнках иногда использовался в качестве промежуточного носителя при подготовке высококачественных граммофонных релизов некоторых музыкантов. Так, в 1959 году компания Command Records при подготовке альбомов Дика Хаймена, Рэя Чарльза, Дока Северинсена и других, использовала первичную оптическую запись на киноплёнку. Грампластинки LP позиционировались, как записи для коллекции аудиофилов, и содержали фонограммы весьма высокого качества. Несмотря на это, из-за высокой стоимости записи на киноплёнку технология не получила распространения в музыкальном бизнесе[15].

Оптическая звукозапись аналогового звука в 1961 году была запатентована Дэвидом Греггом в качестве составной части стандарта Laserdisc. На одном из первых оптических дисков звук сохранялся в виде дорожки переменной ширины, которая при воспроизведении просвечивалась. В более поздем стандарте 1969 года использовался отражённый свет, а ещё через некоторое время аналоговая звуковая дорожка была заменена цифровой, обеспечивающей более высокое качество звучания. Разработки, использованные для «Лазердиска», позднее стали основой для системы цифровой оптической звукозаписи Audio-CD.

Оптические синтезаторы звука[править | править вики-текст]

Фотоэлектрический метод воспроизведения звука, лежащий в основе оптической звукозаписи, использовался также в первых музыкальных синтезаторах, разработка которых велась в 1930-х годах в СССР и позднее в США. Коллектив советских изобретателей задался целью создания принципиально новых звуков, недоступных существующим музыкальным инструментам. Добивались этого, «рисуя» оптическую дорожку на киноплёнке светом при помощи различных приспособлений. Конструктор Евгений Шолпо разработал оптический синтезатор «Вариофон», создающий при помощи набора механических световых модуляторов не только единичные музыкальные тона, но и целые аккорды[16][17]. Полученные звуки могли фиксироваться на киноплёнке.

«Виброэкспонатор» Бориса Янковского генерировал на киноплёнке рисунки, воспроизводившиеся с произвольным тембром. Николай Воинов для создания оптической музыки сконструировал «Нивотон» для разметки «оптических гребёнок», переснимавшихся на оптическую дорожку методами мультипликации[17]. Из-за использованного материала шаблонов его фонограмма к фильму «Вор» в титрах названа «бумажным звуком». Созданные такими способами звуковые дорожки воспроизводились таким же образом, как и в звукоблоке кинопроектора. Идея Арсения Авраамова, предложившего превращать звук в картины с помощью прибора «Метаморфон», так и не была реализована, как и его же проект оптического синтезатора человеческой речи[18]. Записанный им в лаборатории НИКФИ «орнаментальный звук» на 2000 метрах киноплёнки был уничтожен в результате трагического стечения обстоятельств.

Американской компанией Mattel в 1970-х годах по такому же принципу был создан оптический орган «Optigan», синтезирующий звук с кольцевых оптических дорожек прозрачного вращающегося диска диаметром 12 дюймов[19][20]. Дорожки содержали оптическую запись разных тонов звука, соответствующих клавишам инструмента. Нажатие каждой клавиши запускало воспроизведение определённой дорожки фотоэлектрическим способом при помощи лампы и фотодиодов. В комплект аппарата входило несколько дисков с записями разных тембров звучания.

Технология оптической звукозаписи[править | править вики-текст]

Звукозапись может производиться как обычным светом на светочувствительный фотоматериал, так и лазером на поверхность органического или неорганического красителя компакт-диска. Основой приборов оптической звукозаписи служит светомодулирующее устройство, выполняющее две функции: формирование пишущего штриха на поверхности носителя и изменение одного из его параметров в соответствии с записываемым звуковым сигналом[21]. На протяжении большей части истории оптической звукозаписи использовались электромеханические модуляторы разных типов, обладающие естественными ограничениями амплитудно-частотной характеристики вследствие резонанса. В современных устройствах применяются электрооптические модуляторы на основе лазера[22].

Сам звукозаписывающий аппарат представляет собой свето­непроницаемую камеру, в которой с помощью лентопротяжного механизма мимо светового штриха шириной 6 микрон движется светочувстви­тельная киноплёнка[23][24][25]. В отличие от киносъёмочного аппарата, в котором плёнка движется прерывисто, в аппаратуре оптической звукозаписи используется её равномерное движение, скорость которого совпадает со средней скоростью движения в кинокамере.

Синхронизация достигается совпадением частоты вращения зубчатых барабанов аппаратов для съёмки и звукозаписи[26]. При стандартной частоте съёмки звукового кино 24 кадра в секунду скорость перемещения 35-мм киноплёнки мимо светового штриха составляет 45,6 сантиметров в секунду[27]. Для 16-мм киноплёнки этот же параметр составляет 18,3 сантиметров в секунду[28]. Запись звуковых колебаний может производиться изменением яркости или ширины пишущего штриха.

Аналоговые оптические фонограммы переменной плотности (слева) и переменной ширины (справа)

Фонограмма переменной плотности (или интенсивная фонограмма) получается экспонированием фотоэмульсии светом переменной интенсивности[29][30]. В результате на киноплёнке получается фонограмма с переменной оптической плотностью. К преимуществу такого способа записи относят более широкую полосу частот, однако динамический диапазон фонограммы переменной плотности меньше аналогичного параметра фонограммы переменной ширины[23][31]. В современном кино фонограммы переменной плотности не используются в связи с трудностями их тиражирования.

Фонограмма переменной ширины (или поперечная фонограмма) получается при изменении длины пишущего светового штриха[1][32]. Различают однодорожечную и многодорожечную фонограммы переменной ширины. Последние состоят не из одной, а из нескольких дорожек, ширина которых изменяется синхронно и соответствует единственному каналу записи. В советской и зарубежной практике наибольшее распространение получила двухдорожечная монофоническая фонограмма переменной ширины, совпадающая по расположению со стереофонической двухканальной. Обе дорожки содержали информацию об одном и том же канале звукозаписи. В современном кинематографе однодорожечные фонограммы не используются в связи с повышенной устойчивостью многодорожечных фонограмм к неточностям юстировки оптического тракта звукочитающих устройств. Оптимальными считаются двухдорожечные фонограммы, получившие наиболее широкое распространение[33].

Чтение фонограмм переменной ширины ничем не отличается от фонограмм переменной плотности, и осуществляется с помощью лампы накаливания или светодиода, а также оптической системы, формирующей изображение узкого звукочитающего штриха поперёк фонограммы. Из-за изменения светопропускания движущейся мимо штриха киноплёнки с фонограммой, интенсивность света, попадающего сквозь неё на фотоэлектрический датчик (несколько датчиков при многоканальной записи) изменяется в соответствии с записанными звуковыми колебаниями. В результате, фотоэлементом генерируется пульсирующий ток, амплитуда которого преобразуется усилителем звуковой частоты до уровня, необходимого для нормальной работы громкоговорителей. В кинематографе воспроизведение оптической фонограммы осуществляется звукочитающей системой (звукоблоком) кинопроектора. В последнее время широко используются звукочитающие системы с лазерным источником света[34].

Заплывание фонограммы[править | править вики-текст]

В процессе производства и копирования оптической фонограммы неизбежно накопление искажений, связанных с так называемым заплыванием фонограммы («Доннер-эффект»)[35]. Причиной заплывания является появление области переменной оптической плотности («каймы») вокруг резких границ дорожки переменной ширины, которая должна представлять собой штриховое, а не полутоновое изображение. Заплывание приводит к появлению гармонических искажений и так называемых «шумов заплывания»[36]. Для уменьшения эффектов, связанных с заплыванием используется компенсационный режим записи и копирования фотографической фонограммы, предусматривающий внесение предыскажений в записываемый сигнал и оптимизацию режимов копирования и фотографической обработки[35]. Кроме того, подбирается оптимальная компенсационная плотность негатива фонограммы, обеспечивающая взаимную компенсацию заплывания негатива и позитива при печати фильмокопий[37]. Многодорожечная фонограмма переменной ширины также снижает искажения заплывания[38]. Один из способов уменьшения заплывания фонограммы, использовавшийся в чёрно-белых киноплёнках, предусматривал печать звуковой дорожки ультрафиолетовым излучением[39]. На цветных киноплёнках в этих же целях фонограмма печаталась только в верхнем пурпурном слое через зелёный светофильтр[40]. Таким способом сводилось к минимуму влияние светорассеяния в нижних эмульсионных слоях[* 1].

Обесшумливание фонограмм[править | править вики-текст]

При изготовлении аналоговой оптической фонограммы к шумам электронного канала усиления добавляются шумы, образованные зерном киноплёнки, поскольку изображение фонограммы строится зернами металлического серебра. В процессе эксплуатации фильмокопии к зернистой структуре фонограммы добавляются механические повреждения подложки и эмульсии киноплёнки. Поэтому для улучшения отношения сигнал/шум при изготовлении фонограмм и печати фильмокопий применяются специальные мелкозернистые киноплёнки и специальные технологии обесшумливания. Последнее достигается искусственным сужением в звуковых паузах светлых участков позитива фонограммы, вызывающих наибольшее количество шумов[41]. Практическое применение нашли два основных способа обесшумливания: с помощью заслонок и «смещением средней линии»[42].

Однако, собственные шумы фонограммы на киноплёнке неизбежны и, в сочетании с относительно небольшой шириной дорожки звукозаписи, это накладывает строгие ограничения на максимальный динамический диапазон, составляющий для большинства аналоговых фотографических фонограмм не более 45—50 Дб. Поэтому, кроме оптического обесшумливания чаще всего используются различные системы компандерного шумоподавления, расширяющие динамический диапазон до 60 дБ[42]. Цифровые оптические фонограммы обладают динамическим диапазоном, задаваемым при кодировании и не зависят от киноплёнки.

Частотные характеристики[править | править вики-текст]

Частотный диапазон классической аналоговой фотографической фонограммы ограничен разрешающей способностью используемого фотоматериала. Для аналоговой оптической фонограммы 35-мм фильмокопии, непрерывная скорость движения которой составляет 456 мм/сек, максимальная воспроизводимая частота не превышает 8—9 кГц[43]. На современных киноплёнках частотный диапазон аналоговой оптической фонограммы не превышает 40 Гц — 10 кГц[42]. Для 16-мм фильмов, скорость движения которых составляет 183 мм/сек, частотный диапазон ещё уже: оптическая фонограмма таких фильмов не может воспроизводить звук с частотой больше 6—6,3 кГц. Улучшить частотные характеристики оптической фонограммы можно при её записи ультрафиолетовым излучением, которое рассеивается эмульсией в значительно меньшей степени, чем белый свет[39]. Подобный эффект достигается использованием синего светофильтра перед пишущим штрихом. В современной аппаратуре оптической звукозаписи используются светомодуляторы на основе лазера, позволяющие довести частотный диапазон аналоговой 35-мм фонограммы до 16 кГц[44].

Значительное ухудшение частотных характеристик происходит при контактной печати из-за взаимного проскальзывания негатива фонограммы и позитивной киноплёнки, имеющих разную степень усадки. Для уменьшения этого эффекта в кинокопировальных машинах применяются специальные компенсаторы проскальзывания. При использовании цифровых фонограмм частотный диапазон не зависит от фотографических свойств киноплёнки, а определяется частотой дискретизации. Современные цифровые фонограммы, как правило, передают полосу частот от 20 Гц до 20 кГц.

Преимущества и недостатки[править | править вики-текст]

Оптическая фонограмма получила наибольшее распространение в кинопоказе, так как не требует синхронизации изображения и звука, записанных на одном носителе. Кроме того, достигается бо́льшая долговечность, благодаря отсутствию размагничивания и отслоения, присущих магнитным фонограммам, получившим распространение в середине 1950-х годов. Недостатками аналоговых оптических фонограмм того времени были невысокий динамический диапазон, узкая полоса воспроизводимых частот и зависимость уровня гармонических искажений от фотографических свойств киноплёнки. Все эти недостатки устранены в современных цифровых фонограммах, пришедших на смену многодорожечным магнитным. Аналоговые оптические фонограммы современных стандартов Dolby также значительно превосходят по качеству классическую одноканальную фонограмму, позволяя записывать до 4-х каналов звука[45]. В настоящее время магнитные фонограммы на фильмокопиях не используются, полностью уступив место оптическим.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Это относилось к наиболее распространённым позитивным киноплёнкам с «перемещёнными» слоями, в верхнем слое которых синтезируется пурпурный краситель. Современные циановые фонограммы печатаются другим способом

Источники[править | править вики-текст]

  1. 1 2 ГОСТ 13699-91, 1992, с. 114
  2. Модуляторы света, 2003, с. 4
  3. От электрической дуги Петрова — к радиопередаче речи, 2008, с. 27
  4. Ли де Форест, 2013, с. 7
  5. 1 2 Основы кинотехники, 1965, с. 379
  6. Своя лаборатория (рус.). Заметки программиста. Проверено 20 июля 2015.
  7. Шоринофон — магнитофон Великой Отечественной (рус.). «Военные материалы». Проверено 23 июля 2015.
  8. 1 2 Д. Меркулов. ...И НЕ СЛЫШНО, ЧТО ПОЕТ (рус.). Архив журнала. «Наука и жизнь» (август 2005). Проверено 7 января 2015.
  9. Конец немого кино, 1929, с. 17
  10. 1 2 3 Cinema Technology, 1998, с. 8
  11. Фотокинотехника, 1981, с. 91
  12. Petersen & Poulsen (датск.). Film Sound Sweden. Проверено 9 января 2015.
  13. Как экран стал говорящим, 1949, с. 33
  14. Cinema Technology, 1998, с. 9
  15. David Edwards, Patrice Eyries, and Mike Callahan. Command Album Discography (англ.). Discographies. Both Sides Now Publications (2 September 2005). Проверено 20 июля 2015.
  16. Рисованный звук в СССР, 2008, с. 27
  17. 1 2 Технология «рисованного звука»: cинтез звука в СССР 30-х годов XX века (рус.). «Хабрахабр» (10 июня 2013). Проверено 21 июля 2015.
  18. Рисованный звук в СССР, 2008, с. 28
  19. Оптиган (рус.). «Кардиограмма» (18 января 2014). Проверено 21 июля 2015.
  20. Optigan Timeline (англ.). Info. Optigan. Проверено 21 июля 2015.
  21. Модуляторы света, 2003, с. 5
  22. Модуляторы света, 2003, с. 10
  23. 1 2 Фонограмма фильмокопий, 2012, с. 10
  24. Основы кинотехники, 1965, с. 101
  25. Кинопроекционная техника, 1966, с. 66
  26. Киносъёмочная техника, 1988, с. 194
  27. Кинопроекция в вопросах и ответах, 1971, с. 189
  28. Кинопроекционная техника, 1966, с. 73
  29. ГОСТ 13699-91, 1992, с. 115
  30. Кинопроекционная техника, 1966, с. 71
  31. АУДИОИСКУССТВА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ. ЗАПИСЬ ЗВУКА
  32. Кинопроекционная техника, 1966, с. 69
  33. Фонограмма фильмокопий, 2012, с. 11
  34. Сергей Алёхин Звуковое оборудование кинотеатра (рус.) // «Техника и технологии кино» : журнал. — 2006. — № 5.
  35. 1 2 ГОСТ 13699-91, 1991, с. 116
  36. Кинокопировальная аппаратура, 1962, с. 35
  37. Фонограмма фильмокопий, 2012, с. 32
  38. Основы кинотехники, 1965, с. 107
  39. 1 2 Основы кинотехники, 1965, с. 100
  40. Кинофотопроцессы и материалы, 1980, с. 138
  41. Кинопроекционная техника, 1966, с. 70
  42. 1 2 3 Фонограмма фильмокопий, 2012, с. 12
  43. Кинопроекционная техника, 1966, с. 78
  44. Фонограмма фильмокопий, 2012, с. 15
  45. Сергей Алёхин Звуковое оборудование кинотеатра (рус.) // «Техника и технологии кино» : журнал. — 2006. — № 3.

Литература[править | править вики-текст]

  • Вейсенберг Е. Конец немого кино. — Л.: «Теакинопечать», 1929. — 32 с.
  • Голдовский Е. М. Кинопроекция в вопросах и ответах. — М.: «Искусство», 1971. — С. 46. — 225 с.
  • Е. М. Голдовский. Основы кинотехники / Л. О. Эйсымонт. — М.: «Искусство», 1965. — 636 с.
  • Н. А. Изволов Рисованный звук в СССР (рус.) // «Мир техники кино» : журнал. — 2008. — № 10. — С. 27—28.
  • Е. А. Иофис. Фотокинотехника / И. Ю. Шебалин. — М.: «Советская энциклопедия», 1981. — С. 90—91. — 447 с.
  • Е. А. Подгорная. Модуляторы света для записи и воспроизведения фотографических фонограмм фильмокопий / Н. Н. Калинина. — СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2003. — 33 с. — ISBN 5-94760-027-7.
  • С. М. Проворнов, И. С. Голод, Н. Д. Бернштейн. Кинокопировальная аппаратура / Л. Эйсымонт. — М.: «Искусство», 1962. — 315 с.
  • Шорин А. Ф. Как экран стал говорящим / Б. Н. Коноплёв. — М.: «Госкиноиздат», 1949. — 94 с.

Ссылки[править | править вики-текст]