Nagrywanie dźwięku to po prostu proces wychwytywania wibracji powietrza i zapisywania ich na nośniku danych, który można przechowywać. Podczas odtwarzania urządzenie działa odwrotnie, zamieniając te fizyczne sygnały z powrotem w fale dźwiękowe docierające do błony bębenkowej. Ten cykl – nagrywanie, a następnie odtwarzanie – jest podstawą praktycznie każdego doświadczenia dźwiękowego, z jakim się dzisiaj spotykasz.
Od dziesięcioleci walka o wierność i trwałość toczy się na trzech głównych frontach: dyskach mechanicznych, taśmie magnetycznej i optycznych nośnikach cyfrowych. Każda metoda rozwiązała różne problemy dla różnych użytkowników. Układy mechaniczne zapewniały długowieczność, ale ulegały degradacji z każdą iteracją. Taśma magnetyczna ułatwiała edycję i usuwanie nagrań, ale była narażona na hałas i fizyczne zużycie. Optyczne nośniki cyfrowe zapewniały nienaganną jakość przy wielokrotnym odtwarzaniu, ale wymagały skomplikowanego dekodowania.
Płyta gramofonowa: oryginalne archiwum mechaniczne
Płyta gramofonowa pozostaje archetypem mechanicznego przechowywania dźwięku. Działa poprzez wycięcie fizycznego rowka w powierzchni. Pręt podąża za tym rowkiem, przekształcając mikroskopijne nierówności i rowki w ruch mechaniczny, który jest następnie wzmacniany i przekształcany w dźwięk.
Metoda ta ma charakter analogowy. Kształt rowka bezpośrednio odzwierciedla kształt fali dźwiękowej. Jest niezawodny. To dotykowe. Ale jest to również ograniczone prawami fizyki. Za każdym razem, gdy igła uderza w płytę, trochę ją zużywa. Stosunek sygnału do szumu jest ograniczony przez zdolność materiału do utrzymania wyraźnego wydruku bez dodawania własnego syku lub trzasku.
Pomimo tych niedociągnięć płyta gramofonowa wyznaczyła standard masowej konsumpcji. Przekształciło dźwięk z wydarzenia na żywo w towar, który można kupować, sprzedawać i przechowywać. Stworzył format albumu. Definiował doświadczenia konsumentów przez większą część XX wieku.
Dlaczego nagrywanie mechaniczne wciąż ma znaczenie
Możesz pomyśleć, że systemy mechaniczne to przestarzały relikt. To jest błędne. Płyty winylowe przeżyły ogromny renesans wśród audiofilów i kolekcjonerów, którzy doceniają rytuał odtwarzania i osobliwe ciepłe zniekształcenia, jakie wytwarzają urządzenia analogowe. „Ciepło” to często po prostu zniekształcenie harmoniczne dodawane przez rysik podczas śledzenia rytmu, ale słuchacze kojarzą to z bogactwem dźwięku.
Mechanika jest prosta. Niektóre projekty nie wymagają zasilania do obracania dysku. Do dekodowania danych nie jest potrzebny żaden kod. To jest czysta fizyka. Ta prostota jest zarówno jego siłą, jak i słabością. Nie można go kopiować w nieskończoność bez utraty jakości z każdą nową generacją kopii, tak jak w przypadku plików cyfrowych. Nie można go łatwo edytować. Ale on jest niezmienny. Po zastosowaniu płyty głównej nagranie staje się ostateczne.
Przełącz na taśmę magnetyczną
Taśma magnetyczna zmieniła grę, umożliwiając zmianę dźwięku. Zamiast wycinać rowek, mikrofon przekształca dźwięk w sygnał elektryczny, który następnie służy do namagnesowania cząstek na plastikowym pasku pokrytym tlenkiem metalu. Umożliwia to pisanie, wymazywanie i przepisywanie.
Ta elastyczność umożliwiła rozwój transmisji radiowych, wielościeżkowych nagrań studyjnych i przenośnych odtwarzaczy muzycznych. Walkman nie tylko odtwarzał muzykę; pozwoliło to na skomponowanie własnej ścieżki dźwiękowej. Ale taśma magnetyczna jest delikatna. Jest zdezorientowana. Jej stan się pogarsza. Wychwytuje szum tła. A kopiowanie wprowadza szum pokoleniowy.
Optyczne systemy cyfrowe i nowoczesny standard
Systemy optyczne, w szczególności płyty kompaktowe (CD), a później DVD, ponownie zmieniły paradygmat. Zamiast fizycznych rowków lub pól magnetycznych dane są przechowywane w postaci mikroskopijnych wgłębień i płaskich obszarów na odbijającej powierzchni. Laser odczytuje te dane, przekształcając je w kod binarny (zera i jedynki), który komputer interpretuje jako dźwięk.
To cyfrowe podejście
Jak dźwięk jest nagrywany w rytmach winylowych
Wszystko zaczyna się od spirali. Kanał w kształcie litery V pod kątem 90 stopni wycięty w plastikowym krążku. Obracasz go z prędkością 33 i jednej trzeciej obrotów na minutę. Rysik – „igła”, jeśli chcesz zachować nostalgiczny charakter – porusza się wzdłuż tego rowka. Nie tylko przesuwa się do przodu. Wibruje. Tam i z powrotem. Równolegle do powierzchni dysku, ale prostopadle do ścianek rowka. Ruch ten odtwarza rzeczywisty kształt fali dźwiękowej.
Na górze rysika znajduje się mały magnes. Magnes ten porusza się wewnątrz małej cewki. Resztę robi fizyka. Indukcja magnetyczna wytwarza napięcie elektryczne. To napięcie jest „duchem” oryginalnego dźwięku. Częstotliwość zależy od szybkości wibracji rysika. Objętość zależy od szerokości tych drgań.
Stereo: tworzenie głębi za pomocą dwóch ścian
Dźwięk monofoniczny jest płaski. Brakuje mu objętości. Stereo koryguje to, symulując ludzką percepcję. Dwoje oczu daje poczucie głębi. Dwa mikrofony tworzą obecność. Nagranie rejestruje dźwięk pod dwoma różnymi kątami. Odtwarzanie wykorzystuje dwa oddzielne głośniki.
Rowek jest modyfikowany, aby to uwzględnić. Zamiast jednego sygnału są dwa. Oscylują one prostopadle do lewej i prawej ścianki rowka w kształcie litery V. Ściana wewnętrzna to lewy kanał. Zewnętrzna ściana jest w porządku. Znika monofoniczny przetwornik z pojedynczą cewką. Zastępują go dwie cewki. Każdy z nich rejestruje ruch względem swojej ściany. Sygnały są mieszane we wzmacniaczu. Następnie są one ponownie rozdzielane dla głośników. Dostajesz miejsce. Dostajesz immersję.
Oswajanie wibracji, trzepotania i buczenia
Kontrola częstotliwości ma znaczenie. Jeśli wysokość dźwięku się zmienia, ucho to zauważa. Próg czułości jest niski. Odchylenie mniejsze niż 0,1 procent. Wszystko inne brzmi jak zniekształcone nagranie na taśmie.
Aby zatrzymać powolny spadek wysokości dźwięku (wow) i szybkie wibracje (trzepotanie), odtwarzacz musi być stabilny. Ciężki dysk pomaga. Jest odporny na zmiany prędkości. Precyzyjny silnik zapewnia spójność. Ale sama masa nie wystarczy. Wibracje mechaniczne muszą być izolowane. Jeśli dysk wibruje, rysik to wyczuwa. To dudnienie. Chcesz ciszy, gdy nie gra muzyka.
Sam rysik jest bardzo dokładny. To nie jest okrągłe. Jest eliptyczny. Jego długa oś przebiega w poprzek rowka. Ta forma poprawia zgodność (elastyczność). Zgodność oznacza identyfikowalność. Rysik powinien podążać za krzywiznami rowka, nie pomijając ich. Końcówka powinna być mała. Mniej niż 25 mikrometrów. To jest 0,025 milimetra. Tysiąc. Przemysłowy diament. Musi być wystarczająco twardy, aby wytrzymać tarcie.
Fizyka indukcji i problem hałasu
Zasada indukcji elektromagnetycznej Faradaya reguluje odbiór. Napięcie indukowane w cewce zależy od dwóch rzeczy. Siły poruszającego się magnesu. I okres wahań. Prosta zależność odwrotna.
To stwarza problem. Wysokie częstotliwości wibrują szybko. Niskie częstotliwości poruszają się powoli. Aby utrzymać stałą głośność dla wszystkich tonów, nie można zastosować tej samej amplitudy fizycznej dla obu. Wysokie częstotliwości wymagają małych ruchów. Niskie częstotliwości wymagają ogromnych ruchów. Rysik sobie z tym nie radzi.
Spróbuj wyrzeźbić głęboki rowek dla nuty basowej, a igła straci ślad. Nie będzie w stanie nadążyć za takim odchyleniem. Naruszone zostały limity zgodności systemu. Masz zniekształcenia. Tracisz dźwięk.
Jest jeszcze jeden problem. Syk. Plastik nie jest idealny. Ma ziarnistą strukturę. Mikroskopijne niedoskonałości. Kiedy rysik porusza się wzdłuż rowka, napotyka te ziarna. Występują wibracje o wysokiej częstotliwości. Słyszysz to jako hałas. Maskuje najcichsze fragmenty muzyki.
Rozwiązywanie problemu ścieżki audio za pomocą przedwzmacniacza
Podczas odtwarzania nie można korygować ziarnistości tworzywa sztucznego. Należy temu zapobiec podczas nagrywania.
Rozwiązaniem jest preemfaza. Zanim sygnał dotrze do głowicy tnącej, inżynierowie manipulują nim. Tłumią niskie częstotliwości. Wzmacniają wysokie częstotliwości. Częstotliwości średnie pozostają liniowe. Dlaczego? Ponieważ niskie częstotliwości są tłumione, rysik nie musi się tak bardzo poruszać. Pozostaje pod kontrolą. Wysokie częstotliwości są wzmacniane, ale jest to normalne, ponieważ system odtwarzania będzie je przetwarzał inaczej.
Kiedy odtwarzasz płytę, proces jest odwrotny. Wyrównanie wchodzi w grę. Wzmacniacz odcina wysokie częstotliwości. Wzmacnia spadki. Rezultatem jest płaska, liniowa charakterystyka. Syczenie zostaje stłumione. Bas wraca do zdrowia. Słuchacz słyszy to, co zostało pierwotnie wykonane. Nie na to, na co pozwalało środowisko.
To kompromis. Ostrożny taniec pomiędzy fizyką i inżynierią. Winyl nie tylko przechowuje dźwięk. Przeżyje razem z nim.
Jak brzmi dźwięk nagrany na taśmie magnetycznej
Kaseta audio nie była tylko plastikowa. Był to magnetyczny nośnik danych. Taśma z tworzywa sztucznego pokryta cząsteczkami tlenku żelaza lub dwutlenku chromu. Głowicą rejestrującą jest elektromagnes w kształcie litery C. Dźwięk dociera do mikrofonu. Jest on przetwarzany na sygnał elektryczny. Sygnał ten wytwarza pole magnetyczne w szczelinie głowicy.
W miarę przesuwania się paska cząstki układają się w określonej kolejności. Rejestrują kształt fali dźwiękowej. Częstotliwość określa, jak blisko siebie znajdują się przełączniki magnetyczne. Amplituda określa siłę magnesowania.
To nie było idealne. Domeny magnetyczne mają bezwładność. Są odporne na przełączanie. To histeretyczne odkształcenie zniekształca sygnał. Inżynierowie rozwiązali ten problem, stosując stronniczość. Przed nagraniem dodawana jest fala sinusoidalna o częstotliwości 100 kiloherców. Wyrównuje liniowo charakterystykę taśmy. Eliminuje zniekształcenia.
Potem jest syk. Losowy szum powodowany przez źle ustawione domeny magnetyczne. Występuje w wysokich częstotliwościach. Niskie częstotliwości są lepiej namagnesowane. Gorsze są wysokie częstotliwości. Dlatego w obszarze wysokich częstotliwości dominuje syk.
Standardowym rozwiązaniem był system redukcji szumów Dolby. Wzmacnia wysokie częstotliwości przed nagrywaniem. Tłumią syczenie. Podczas odtwarzania wysokie częstotliwości są ponownie tłumione. Syczenie również pozostaje stłumione.
Dlaczego dyski cyfrowe zmieniły grę
Płyty CD zastąpiły analogowy chaos. Technologia cyfrowa umożliwiła uniknięcie fizycznych ograniczeń taśmy i winylu. Płyty gramofonowe mają ograniczony zakres dynamiki. Szum taśmy jest zawsze obecny.
CD zapewnia zakres dynamiki przekraczający 90 decybeli. Idealnie. To ogromny margines poziomu sygnału. Pasmo przenoszenia jest liniowe. Od 20 herców do 20 000 herców. Obejmuje cały zakres ludzkiego słuchu. Koniec z wahaniami prędkości taśmy. Koniec z hałasem powierzchniowym. Tylko dane.
Jak samplowanie CD imituje ludzki słuch
Dźwięk cyfrowy to nie magia. To jest matematyka. W szczególności jest to proces przechwytywania ciągłej fali dźwiękowej poprzez rejestrowanie „migawek” w precyzyjnych, regularnych odstępach czasu. Próbki te są zbliżone do oryginalnej fali. Celem jest naśladowanie tego, co słyszy ludzkie ucho. Ludzie są w stanie wykryć częstotliwości do 20 kiloherców. Aby uchwycić ten zakres bez utraty danych, stosuje się twierdzenie Kotelnikowa (twierdzenie o próbkowaniu). Wymaga to częstotliwości próbkowania nieco wyższej niż dwukrotność częstotliwości maksymalnej. Właśnie dlatego płyty CD wykorzystują częstotliwość 44,1 kiloherca. To jest specyficzna norma. Nie pozostawia miejsca na błędy.
Sygnał nie jest tylko przechwytywany. Jest skwantowany. Amplituda jest podzielona na 32 768 różnych poziomów. To jest 2 do potęgi 15. Przy tej liczbie kroków dokładne i dokładne odtwarzanie głośnych i cichych dźwięków. Szczegóły są na tyle dobre, że wychwytują zmiany intensywności o mniej niż jeden decybel. Jest to ledwo zauważalne dla ludzkiego ucha. Jednak format cyfrowy zachowuje te niuanse w całym zakresie dynamiki.
Od bitów binarnych do dźwięku analogowego
Każdy „zrzut ekranu” jest konwertowany na kod binarny. Bity te są nakładane na powierzchnię dysku. Rozmnażanie odwraca ten proces. Głowica odczytująca skanuje dysk. Dane wchodzą do bufora FIFO (pierwsze weszło, pierwsze wyszło) w pamięci komputera. To rodzaj urządzenia pamięci masowej. Ułatwia to przepływ informacji.
Wewnętrzny zegar 44,1 kHz steruje procesem konwersji. Bufor uwalnia punkty jeden po drugim. Są one konwertowane z powrotem na sygnały analogowe. Sygnały te podawane są do standardowego wzmacniacza mocy. Następnie – do głośnika. Czas jest dokładny. Oś czasu nagrania jest wiernie odtwarzana. Eliminuje to dryft częstotliwości i niestabilność typową dla starszych formatów analogowych. Rezultatem jest stabilność. Każde odtwarzanie jest identyczne z poprzednim.
