2.5.Пластинка как средство хранения информации

Пластинка является средством хранения информации. Об информации с художественной точки зрения будет сказано при рассмотрении вопросов коллекционирования пластинок, сейчас же рассмотрим только технические проблемы хранения информации.

Долгоиграющая пластинка представляет собой плоский диск из синтетического материала диаметром 300 мм и толщиной 1,5 — 2,0 мм с отверстием в центре диаметром 7.24^+0,09. Раньше масса пластинки составляла 160—180 г, но с уменьшением толщины, предпринятым для экономии материала, масса снижена до 120—135 г.

Вначале звук записывался по разработанному Берлинером способу в виде отклонений канавки, происходящих в плоскости пластинки. При проигрывании такой пластинки звук исходил из одной точки, отсутствовала пространственная картина.

Этот недостаток стремились устранить еще во времена рупорных граммофонов: в Парижском Национальном музыкальном собрании демонстрируется граммофон, два рупора которого расположены относительно друг друга на расстоянии примерно одного метра. Каждый рупор сочленен с отдельной мембраной. Две мембраны проигрывали канавку пластинки с разницей примерно в половину оборота.

При частоте (вращения 78 мин^-1 это означает задержку по времени в 0,3—0,4 с, создающую впечатление пространственного звучания. Для создания пространственного звука уже давно возникла мысль модулировать канавку пластинки не только горизонтально (запись Берлинера), но и вертикально (запись Эдисона). Путем объединения двух видов модуляций в одной канавке можно записать две различные звуковые информации, например сигналы левого и правого каналов.

Были проведены экспериментальные записи по способу 0°/90° (поперечная и глубинная модуляция канавки), но оказалось, что такая модуляция не дает возможности воспроизведения звука с одинаковым качеством (отношение сигнал/шум в канале с вертикальной модуляцией оказалось хуже, чем с горизонтальной).

Вторая проблема заключалась в том, что, проигрывая пластинки, записанные таким способом, на монофонических проигрывателях, можно прослушивать только один из каналов программы; вертикально модулированная канавка не вызывала сигнала в монофоническом звукоснимателе, чувствительном только к горизонтальным колебаниям. Если вышеописанную систему 0790° мысленно повернуть на 45°, то сигналы двух независимых каналов будут записываться на две стенки канавки, перпендикулярные друг другу.

Таким образом, возникли стереофонические пластинки, записанные по способу 45°/45°, совместимые с монофоническими пластинками.

Так как внутренняя и внешняя стенки канавки одинаковы, качество хранимой на них информации в принципе также должно быть одинаково. На практике эффект скатывания позволяет получить с двух стенок канавки только приблизительно одинаковое качество звучания. В то же время движения, составляющие с плоскостью грампластинки угол ±45°, можно разложить на горизонтальную и вертикальную составляющие. Благодаря этому чувствительные к традиционным горизонтальным колебаниям монофонические звукосниматели получают полезный сигнал с обоих каналов, т. е. стереофоническая пластинка получается совместимой с монофонической. Проигрывание монофонических пластинок стереофоническим звукоснимателем не вызывает затруднений.

На рис. 1,а показана смодулированная канавка, а на рис. 1,б канавка, у которой звуковую информацию несет только внутренняя стенка; направление механических колебаний составляет угол +45° с плоскостью пластинки. Модуляция внутренней стенки канавки вызывается сигналами левого канала. Подобным же образом колебания внешней стенки канавки (относительно ее края), направленные под углом —45°, соответствуют сигналу правого канала. Они представлены на рис. 1,в. Можно отметить, что направления колебаний внутренней и внешней стенок канавки перпендикулярны друг другу, поэтому колебания одной стенки не имеют проекции на другую. В то же время движения, происходящие под углом в 45° к плоскости пластинки, проектируются как на горизонтальную, так и на вертикальную плоскости.

Рис. 1. Различные канавки: а — немодулированная канавка; б — канавка, модулированная сигналом левого канала: в — канавка, модулированная сигналом правого канала; г — канавка, модулированная сигналами обоих каналов (сигналы левого и правого каналов имеют одинаковую фазу); д — сигналы левого и правого каналов противофазы. Стрелки на верхней части рисунка показывают направления движения иглы.

Если на оба канала рекордера поступают сигналы с одинаковыми фазами, получаются такие отклонения канавки, в которых присутствуют только горизонтальные составляющие, а вертикальные отсутствуют (рис. 1,г). Два звуковых сигнала с одинаковыми амплитудами и фазами физически означают, что источник звука расположен на одинаковом расстоянии от левого и правого микрофонов, т. е. находится посередине и является монофоническим источником звука. В этом случае записывается монофоническая канавка, имеющая только горизонтальные отклонения.

На рис. 1,д представлена канавка, образованная сигналами двух каналов, находящимися в противофазе. В этой канавке отсутствуют горизонтальные составляющие колебаний. Хорошо видно, что линия дна канавки, если смотреть сверху, прямая, т. е. у канавки в вертикальном направлении изменяется только ее глубина. Из рассуждений следует, что этот источник звука воспринимается по всему пространству, за исключением точки, находящейся посередине между двумя микрофонами.

Если кратко сформулировать изложенное, можно сказать, что горизонтальная проекция отклонений стенок стереофонической канавки содержит сумму сигналов двух каналов, в то время как вертикальная проекция — разницу информаций этих каналов. Указанные два крайних положения на практике встречаются редко, обычно модуляция стереофонической канавки имеет как вертикальную, так и горизонтальную составляющие.

Исследуем, какими может быть наибольший записываемый сигнал при данных условиях. При разработке долгоиграющей пластинки Петер Голдмарк исходил из того, что время звучания должно составить 20 мин, радиус начала зоны записи R_к — 145 мм, радиус конца зоны записи R_н = 65 мм и частота вращения 33^1/3 мин^—1. Принимая указанные значения, в зоне записи шириной R_н — R_к = 80 мм нужно было разместить 20x33^1/3=666 канавок. Для каждой канавки, таким образом, отведено место не более 120 мкм. Если принять, что ширина немодулированной канавки составляет 50 мкм, а расстояние между двумя модулированными канавками 5 мкм, тогда максимальное отклонение канавки в обоих направлениях (максимальная амплитуда записи) составит

А = ¹/₂(120 — 50 — 5) = 32 мкм.

На монофонических пластинках с постоянным шагом максимальную амплитуду 32 мкм записывают на частотах ниже 500 Гц. На более высоких частотах амплитуду записи следует снижать, иначе отклонение канавки будет непропорционально большим по отношению к длине волны и размерам резца (рис. 2). Уменьшение амплитуды должно происходить обратно пропорционально частоте; в числовом виде А=v/ω или v=Aω, где v — колебательная скорость записи; ω — угловая частота сигнала. Это означает, что выше частоты 500 Гц постоянной является не величина максимального отклонения, а скорость отклонения.

При амплитуде 32 мкм и частоте 500 Гц колебательная скорость v=Аω=0,0032-2π-500=10 см/с. Это значение остается постоянным и на частотах выше 500 Гц, поэтому максимальная колебательная скорость сигнала на частоте 1000 Гц также равна 10 см/с. Частота 500 Гц является точкой пересечения прямой линии постоянной колебательной скорости с линией, имеющей крутизну 6 дБ/октава, соответствующей 1/ω (рис. 3). На практике ломаную линию заменяют плавной кривой, поэтому максимальная амплитуда на этой частоте отличается от теоретического значения приблизительно на —3 дБ и составляет 23 мкм. Эту амплитуду находят в соответствии с наибольшим отклонением, определенным по размерам канавки и по форме резца (см. рис. 2).

Рис. 2. Наибольшее значение отклонения канавки А в зависимости от радиуса канавки, формы резца и длины волны колебания

Рис. 3. Амплитудно-частотная характеристика канала записи: пунктирная линия — теоретическая характеристика; толстая линия — амплитудно-частотная характеристика канала записи монофонических и стереофонических пластинок; кривые, обозначенные тонкими линиями, относятся к старым монофоническим пластинкам

Следует напомнить, что первые долгоиграющие пластинки изготовляли с постоянным шагом записи, поэтому при заданных размерах канавки и времени звучания 20 мин максимальная колебательная скорость получается около 10 см/с. Очевидно, что увеличение времени звучания при данных геометрических размерах может произойти только за счет уменьшения колебательной скорости записи, т. е. снижения уровня громкости. С введением переменного шага записи эта зависимость становится более гибкой.

На стереофонических пластинках для получения такого же времени звучания ширина канавки уменьшена на 20% (40 мкм) и в том же соотношении снижена максимальная колебательная скорость записи в каждом канале (v=8 см/с). При этом поперечная колебательная скорость получается путем сложения проекций колебательных скоростей левого и правого каналов и ее значение 2*8√2=11,3 см/с.

Если пластинку с модулированными канавками осветить под определенным углом параллельными лучами света, то на ее поверхности можно наблюдать интересное оптическое явление—«блики», т. е. световую полоску различной ширины. Этот эффект вызывается отражением света от отдельных поверхностей стенок канавки. Математически можно доказать, что ширина световой полосы Ь зависит от колебательной скорости записи. Для синусоидальных сигналов эта зависимости определяется выражением

где п — частота вращения пластинки в минуту. Измерив ширину полосы блика, можно проверить колебательную скорость записи. Например, при ширине световой полосы 4,6 см колебательная скорость для поперечной записи

Точка перегиба кривой характеристики записи на частоте 500 Гц определена теоретически. Однако по практическим соображениям кривая характеристики записи имеет еще две точки перегиба. Одна из них находится на частоте 50 Гц; на меньших частотах колебательная скорость записи вновь устанавливается постоянной, что делает возможным записать сигналы, амплитуды которых больше, чем на участке с постоянным отклонением. Однако в действительности увеличение амплитуд сигналов на этих частотах не происходит из-за частотного распределения плотности энергии естественных звуков, которая уменьшается в сторону низких частот, цель этого перегиба — улучшение соотношения сигнал/шум.

Форма характеристики записи с частотами разделения на 50 и 500 Гц задается простыми RС-цепочками, включенными в усилитель станка записи. При дальнейших пояснениях целесообразно использовать не частоты точек перегибов частотной характеристики, обусловленные RС-цепочками, а произведение номиналов резисторов и конденсаторов, так называемые постоянные времени. Постоянная времени, рассчитанная для частоты 50 Гц:

В то время как постоянная времени, относящаяся к частоте 500 Гц, τ₂=318 мкс. Эти две постоянные времени применяют во всех странах мира.

На заре производства пластинок сильный шум от материалов, из которых их изготовляли, стремились уменьшить предварительной коррекцией на высоких частотах во время записи пластинкb. Такая коррекция оказалась возможной благодаря статистике амплитуд колебаний, встречающихся в музыке. Однако начало подъема на высоких частотах определялось во многих странах по-разному: стандарт ВВС (США) предписывал этот подъем начинать с 25 мкс, стандарт DIN45533 (ФРГ) — с 50 мкс, более поздний стандарт DIN45536, а также стандарты NAB (Англия) и RIAA — с 75 мкс. Для измерительных целей была введена характеристика записи без подъема, т. е. с точкой перегиба 0 с. Эти кривые представлены на рис. 3.

Такое разнообразие характеристик было применимо только для записи монофонических пластинок. Для стереофонических пластинок была принята одна характеристика записи с постоянными времени 3180/318/75 мкс, предложенная IEC. Отклонения от теоретической характеристики записи не должны превышать ±2 дБ в диапазоне между 50 Гц и 10 кГц. При проигрывании, естественно, предварительный усилитель должен иметь частотную характеристику, обратную характеристике записи.

Уровень шума современных грампластинок, отнесенный к сигналу частотой 1000 Гц, записанному с колебательной скоростью 8 см/с, колеблется от —55 до —60 дБ. Обычно при измерении уровня шума пластинок включают фильтр, ослабляющий сигналы на частотах ниже 500 Гц.

Верхняя частота f_в сигнала, записываемого на пластинку, определяется совокупностью свойств всех студийных аппаратов (микрофон — усилитель — магнитофон — станок записи). Принятое ослабление —3 дБ, как правило, попадает на граничные значения полосы частот 40—15 000 Гц или вне ее^1.

^{1 В Советском Союзе по ГОСТ 7893—79 ширина полосы частот на пластинках составляет 20—20 000 Гц.}

Скорость передачи информации с помощью пластинки на основе вышеизложенного

Количество информации на пластинке при времени ее звучания 2x30 мин составляет 1080 Мбит.

Так как объем грампластинки составляет примерно 290 000 мм³, то плотность информации равна 3,74 кбит/мм³. Для сравнения подсчитаем данные, характеризующие запись информации на магнитную ленту в кассете, если уровень шума равен —50 дБ, верхняя частота f_B—12 500 Гц, а объем кассеты равен 127 000 мм³.

Скорость передачи информации

что составляет только две трети величины, характеризующей пластинку. Эту разницу взыскательные слушатели музыки выяснили быстро. На кассете с временем звучания 2х30 мин хранится 748 Мбит информации, а плотность информации 5,9 кбит/мм³ Плотность информации стереофонической пластинки составляет только 2/3 этого значения.

Результаты теоретических расчетов должным образом подтвердились опытом повседневной жизни. Пластинки, в первую очередь, удовлетворяют условиям качественного воспроизведения музыки, в то время как кассета предназначена для звуковое производящей аппаратуры, сконструированной для экономии объема.