Optisk ljudinspelning

Optisk ljudinspelning  är registrering av ljudvibrationer genom en motsvarande förändring av bärarens optiska densitet eller reflektionsförmåga [1] . I de flesta fall används begreppet optisk ljudinspelning i förhållande till inspelning av ljud med en fotografisk metod, som har blivit utbredd tack vare ljudfilm . I det här fallet fixeras ljudet med hjälp av ljus på en rörlig ljuskänslig film som ändrar sin optiska densitet efter laboratoriebehandling . Denna teknik på bio kallas ibland fotografisk ljudinspelning eller ljudfilm . Användningen av ett vanligt medium för att spela in ljud och bild eliminerar problemen med deras synkronisering vid visning av en film [2] .

Därefter blev analog och sedan digital optisk ljudinspelning utbredd i optiska skivor och vissa musikapparater. Med den analoga metoden registreras ljudfrekvensens elektriska svängningar direkt , och med den digitala metoden spelas ljuddata  in i form av transparenta och ogenomskinliga sektioner motsvarande binära bitar . För närvarande (2020) har optiska ljudinspelningsmetoder digitaliserats helt och blivit en del av digital ljudinspelning .

Uppfinningshistorik

För första gången utfördes moduleringen av ljus genom ljudvibrationer 1907 av den tyske fysikern Ernst Rumer under experiment med en Poulsen -båggenerator baserad på en elektrisk ljusbåge [3] . Den pulserande strömmen av ljudfrekvens, ansluten till bågens elektroder, gör att ljusflödet som avges av den ändras i enlighet med de elektriska svängningarna. Samtidigt skapas, på grund av förändringar i temperatur och tryck i flamzonen, förutom lätta vibrationer, ljudvibrationer, motsvarande den applicerade signalen, på grund av vilken en sådan båge kallades "talande" [4] [5 ] .

Ljudöverföring med ljusmodulering användes först i fartygsburen trådlös telegrafi . De första experimenten med överföring och inspelning av mänskligt tal med optiska medel utfördes av den amerikanske fysikern Theodore Case. 1914 inrättade han ett laboratorium för att studera olika materials fotoelektriska egenskaper. Resultatet av forskningen var uppfinningen av "Talofid" - talliumsulfid fotoresistens i form av ett vakuumradiorör [ 6] . Upptäckten användes omedelbart i den amerikanska flottans topphemliga infraröda intership-kommunikationssystem , utvecklat av Case med assistent Earl Sponsable. De första testerna, där Thomas Edison deltog , ägde rum i delstaten New Jersey och ansågs vara framgångsrika. Kommunikationssystemet antogs efter slutet av första världskriget . Samtidigt som Case utvecklades ett liknande Pallofotofonsystem av Charles Hoxsey med medfinansiering från General Electric . Utvecklingen var även avsedd för transatlantisk kommunikation, men användes senare för ljudinspelning och ljudfilm under namnet RCA Photophone . Hoxseys ljudinspelare gjorde det för första gången möjligt att förinspela USA:s president Calvin Coolidges radiotal. Trots framgångarna med optisk telegrafi och ljudinspelning visade de sig vara mindre bekväma än radiokommunikation och grammofoninspelning . Det huvudsakliga användningsområdet för optisk ljudinspelning är förknippat med ljudfilmer.

De första systemen som är lämpliga för att spela in ett ljudspår på film modulerade ljus genom att ändra glödtråden i en elektrisk lampa . Denna princip tillämpades av Lee de Forest i hans Forest Phonofilm- system, utvecklat 1922 [7] . Men på grund av trögheten hos glödlampor var inspelningskvaliteten extremt dålig. Mer framgångsrik var utvecklingen av den sovjetiske uppfinnaren Vadim Okhotnikov , som 1929-1930 använde en specialdesignad glödlampa med en tunn glödtråd för inspelning [5] . På grund av sin lilla massa var det möjligt att spela in frekvenser på cirka 3-5 kilohertz mot 200-400 Hertz, vilket är gränsen för konventionella glödlampor. Det var enligt detta schema som ljudet spelades in i filmerna Glory of the World av Vladimir Vainshtok och Arkady Koltsatoy (1932), Do I Love You? Sergei Gerasimov (1934) och "Kupp". En mer gynnsam frekvensrespons gavs av gasljuslampor . För första gången dök sådan teknik upp 1919 i det tyska Triergon- systemet, men användningen av icke-standardfilm tillät inte att den fick distribution [8] .

Senare nådde Case framgång genom att tillämpa utvecklingen i Movieton- standarden , till vilken rättigheterna förvärvades av XX Century Fox 1926 [9] . Lampan, speciellt skapad i Cases laboratorier för att spela in ett ljudspår, kallades den engelska.  AEO-ljus . Driften av de första ljudbiosystemen visade att moduleringen av ljus genom att ändra glödlampans glödlampa är olämplig för att erhålla ett högkvalitativt fonogram. Som ett resultat dök nya teknologier baserade på användningen av en mellanmodulator upp: American Western Electric och den sovjetiska " Tagephone " utvecklad av Pavel Tager [9] . Den senare 1926-1928 utvecklade och använde för första gången en polariserande ljusmodulator. "Tagephone"-systemet användes under inspelningen av den första sovjetiska ljudfilmen " Start i livet " [10] [7] .

1923 demonstrerade danskarna Axel Petersen och Arnold Poulsen sitt system, där ljud spelades in på en separat synkroniserad film i ett spår med variabel bredd [9] [11] . Kommersiell användning av denna inspelningsmetod började på ett kombinerat fonogram i den amerikanska RCA Photophone -teknologin , utvecklad 1929. I Sovjetunionen utfördes moduleringen av ljus med längden av ett slag 1926-1928 av Alexander Shorin . För att göra detta använde han en stränggalvanometer i ett oljebad, vilket förhindrar mekanisk resonans hos modulatorn. Galvanometerns glödtråd är placerad så att vid nollvärdet för signalen är exakt halva bredden av registreringsslaget upplyst [12] . Den fotografiska inspelningen av ljudvibrationer på film, eller "tonfilm", i mitten av 1930-talet blev utbredd inte bara på film, utan också i radiosändningar , såväl som i musikalisk ljudinspelning, som på allvar konkurrerade med grammofonmetoder . Den grundläggande fördelen med tekniken var den praktiskt taget obefintliga begränsningen av den primära inspelningens varaktighet. Till skillnad från grammofonskivor, lämpliga endast för korta fonogram, kan filmen vara av vilken längd som helst [13] .

1940 dök världens första flerkanaliga ljudinspelningssystem " Phantasound " upp, baserat på den optiska metoden. Det tre-kanaliga soundtracket användes i fullängdstecknad film " Fantasy " av Walt Disney Studios [14] . Spridningen av optisk flerkanalsljudteknik i musikproduktion efter andra världskriget hämmades av bandspelarens tillkomst . Flerspårs optiskt ljud inspelat på 35 mm och 70 mm filmmaterial har dock ibland använts som ett mellanmedium i produktionen av högkvalitativa grammofonutgivningar av vissa musiker. Så 1959 använde Command Records, när de förberedde albumen av Dick Hyman , Ray Charles, Doc Severinsen och andra, primär optisk inspelning på film. LP -skivorna placerades som skivor för audiofilsamlingen och innehöll ljudspår av mycket hög kvalitet. Trots detta, på grund av besväret med att spela in på film, vilket kräver laboratoriebearbetning , slog tekniken inte in i musikbranschen [15] .

Optisk inspelning av analogt ljud patenterades 1961 av David Gregg som en del av Laserdisc- standarden . På en av de första optiska skivorna lagrades ljud som ett spår med variabel bredd, vilket var genomskinligt under uppspelning. En senare standard 1969 använde reflekterat ljus, och en tid senare ersattes det analoga ljudspåret mot ett digitalt. Utvecklingen som användes för Laserdisk blev senare grunden för det digitala optiska ljudinspelningssystemet Audio-CD .

Optiska ljudsynthesizers

Den fotoelektriska ljudåtergivningsmetoden som ligger till grund för optisk ljudinspelning användes också i de första musikaliska synthesizers, som utvecklades på 1930 -talet i Sovjetunionen och senare i USA. Ett team av sovjetiska uppfinnare satte sig för att skapa fundamentalt nya ljud som är otillgängliga för befintliga musikinstrument . Detta uppnåddes genom att "rita" ett optiskt spår på film med ljus med hjälp av olika enheter. Designern Yevgeny Sholpo utvecklade Variofon optiska synthesizer, som, med hjälp av en uppsättning mekaniska ljusmodulatorer, skapar inte bara enstaka musikaliska toner, utan också hela ackord [16] [17] . De resulterande ljuden kunde spelas in på film.

"Vibroexponator" av Boris Yankovsky genererade teckningar på film som återgavs med en godtycklig klangfärg. Nikolay Voinov , för att skapa optisk musik, designade Nivoton för att markera "optiska kammar" som återfilmades på ett optiskt spår med hjälp av animationsmetoder [17] . På grund av mallmaterialet som används kallas hans soundtrack till The Thief "pappersljud" i krediterna. Ljudspår skapade på detta sätt återgavs på samma sätt som i ljudblocket på en filmprojektor. Idén om Arseniy Avraamov , som föreslog att förvandla ljud till bilder med hjälp av Metamorphon-enheten, förverkligades aldrig, liksom hans eget projekt med en optisk synthesizer av mänskligt tal [18] . Det "prydnadsljud" som han spelade in i NIKFI-laboratoriet på 2000 meter film förstördes som ett resultat av en absurd uppsättning omständigheter.

På 1970-talet skapade det amerikanska företaget Mattel den optiska orgeln "Optigan" enligt samma princip, och syntetiserade ljud från ringoptiska spår på en transparent roterande skiva med en diameter på 12 tum [19] [20] . Spåren innehöll optiska inspelningar av olika toner av ljud motsvarande instrumentets tangenter. Att trycka på varje tangent utlöste uppspelningen av ett specifikt spår på ett fotoelektriskt sätt med hjälp av en lampa och fotodioder. Enhetens uppsättning innehöll flera skivor med inspelningar av olika klangfärger.

Fotografisk ljudinspelningsteknik

Grunden för fotografiska ljudinspelningsanordningar är en ljusmodulerande anordning som utför två funktioner: bildandet av ett skrivdrag på filmens yta och en förändring av en av dess parametrar i enlighet med den inspelade ljudsignalen [21] . Under större delen av historien om optisk inspelning har olika typer av elektromekaniska modulatorer använts, som har begränsningar i naturliga frekvenssvar på grund av resonans . Moderna enheter använder laserbaserade elektrooptiska modulatorer [22] .

Själva ljudinspelningsapparaten är en ljustät kamera där en ljuskänslig film rör sig förbi en 6 mikron bred ljuslinje med hjälp av en banddrivmekanism [23] [24] [25] . Till skillnad från en filmkamera , där filmen rör sig intermittent, i optisk ljudinspelningsutrustning används dess enhetliga rörelse, vars hastighet sammanfaller med den genomsnittliga rörelsehastigheten i filmkameran.

Synkronisering uppnås genom sammanträffande av rotationshastigheten för växeltrummorna i apparaten för filmning och ljudinspelning [26] . Med en standardljudfilmsinspelningshastighet på 24 bilder per sekund är hastigheten för en 35 mm film som rör sig förbi en ljusstapel 45,6 centimeter per sekund [27] . För 16 mm film är samma parameter 18,3 centimeter per sekund [28] . Ljudvibrationer kan spelas in genom att ändra ljusstyrkan eller bredden på skrivslaget.

Ett fonogram med variabel densitet (eller ett intensivt fonogram ) erhålls genom att exponera en fotografisk emulsion för ljus med variabel intensitet [29] [30] . Som ett resultat erhålls ett fonogram med en variabel optisk densitet på filmen . Fördelen med denna inspelningsmetod är ett bredare frekvensband, men det dynamiska omfånget för ett fonogram med variabel densitet är mindre än det för ett fonogram med variabel bredd [23] [31] . I modern film används inte fonogram med variabel densitet på grund av svårigheterna med deras replikering.

Ett fonogram med variabel bredd (eller ett tvärgående fonogram ) erhålls genom att ändra längden på det lätta skrivslaget [1] [32] . Det finns enkelspåriga och flerspåriga fonogram med variabel bredd. De senare består inte av ett, utan av flera spår, vars bredd ändras synkront och motsvarar en enda inspelningskanal. I Sovjetunionen, liksom i de flesta andra länder, är det mest utbredda ett tvåspårs monofoniskt fonogram med variabel bredd, som sammanfaller på plats med ett tvåkanaligt stereofoniskt fonogram. Båda spåren innehöll information om samma ljudinspelningskanal. I modern biograf används inte enkelspåriga fonogram alls på grund av det minskade motståndet mot felaktigheter i inriktningen av den optiska vägen för ljudavläsningsenheter. Tvåspåriga fonogram, som har fått den bredaste spridningen över hela världen, anses vara optimala [33] .

Att läsa fonogram med variabel bredd skiljer sig inte från fonogram med variabel densitet och utförs med hjälp av en glödlampa eller LED , såväl som ett optiskt system som bildar en bild av ett smalt ljudavläsningsslag över fonogrammet. På grund av förändringen i ljustransmission av en film med ett fonogram som rör sig förbi ett slag, ändras intensiteten av ljus som kommer in genom den på en fotoelektrisk sensor (flera sensorer i flerkanalsinspelning) i enlighet med de inspelade ljudvibrationerna. Som ett resultat genereras en pulserande ström av fotocellen , vars amplitud omvandlas av ljudfrekvensförstärkaren till den nivå som är nödvändig för normal drift av högtalarna . Inom kinematografi utförs återgivningen av ett optiskt ljudspår av ljudavläsningssystemet (ljudblocket) på en filmprojektor . På senare tid har ljudavläsningssystem med laserljuskälla använts i stor utsträckning [34] .

Soundtrack simning

I processen för produktion och kopiering av ett optiskt fonogram är ackumuleringen av distorsion associerad med den så kallade fonogramsimningen (" Donner-effekten ") oundviklig [35] . Anledningen till flytandet är uppkomsten av ett område med variabel optisk densitet ("fransar") runt de skarpa kanterna på spåret med variabel bredd, vilket bör vara en linjebild, inte en gråskalebild . Simning leder till uppkomsten av harmoniska förvrängningar och det så kallade "simbruset" [36] . För att minska effekterna som är förknippade med simning används ett kompensationsläge för inspelning och kopiering av ett fotografiskt ljudspår, vilket möjliggör införandet av förförvrängningar i den inspelade signalen och optimering av lägena för kopiering och fotografisk bearbetning [35] . Dessutom väljs den optimala kompensationstätheten för negativet på fonogrammet, vilket ger ömsesidig kompensation för simningen av negativet och det positiva vid utskrift av filmkopior [37] . Flerspårsljud med variabel bredd minskar också distorsion av oskärpa [38] . Ett av sätten att minska fonogramsuddar som används i svartvita filmer var att skriva ut ljudspåret med ultraviolett strålning [39] . På färgfilmer för samma syften trycktes ljudspåret endast i det övre lila lagret genom ett grönt ljusfilter [40] . På detta sätt minimerades påverkan av ljusspridning i de nedre emulsionsskikten [* 1] .

Brusreducering av fonogram

Under produktionen av ett analogt optiskt ljudspår läggs bruset som genereras av filmkornet till bruset från den elektroniska förstärkningskanalen, eftersom bilden av ljudspåret är byggd av korn av metalliskt silver. Under driften av en filmkopia läggs mekanisk skada på substratet och emulsionen av filmen till fonogrammets granulära struktur. För att förbättra signal-brusförhållandet vid produktion av fonogram och utskrift av filmkopior används därför speciella finkorniga filmer och speciella brusreducerande tekniker. Det senare uppnås genom artificiell avsmalning av de ljusa sektionerna av fonogrammets positiva i ljudpauser, vilket orsakar den största mängden brus [41] . Två huvudsakliga metoder för brusreducering har funnit praktisk tillämpning: med hjälp av dämpare och "midline shift" [42] .

Det inneboende bruset från ett fonogram på film är dock oundvikligt och, i kombination med den relativt lilla bredden på ljudinspelningsspåret, innebär detta strikta begränsningar för det maximala dynamiska omfånget, som inte är mer än 45-50 dB för de flesta analoga fotografier fonogram. Därför, förutom optisk brusreducering, används oftast olika compander brusreduceringssystem , vilket utökar det dynamiska området upp till 60 dB [42] . Digitala optiska ljudspår har ett dynamiskt omfång som ställs in under kodning och är inte beroende av filmen.

Frekvensegenskaper

Frekvensområdet för ett klassiskt analogt fotografiskt ljudspår begränsas av upplösningen hos det använda fotografiska materialet och kapaciteten hos den inspelningsljusmodulerande enheten. För ett analogt optiskt ljudspår av en 35 mm filmkopia, vars kontinuerliga hastighet är 456 mm/sek, överstiger den maximala reproducerbara frekvensen inte 8-9 kHz [43] . På moderna filmfilmer överstiger inte frekvensområdet för ett analogt optiskt ljudspår 40 Hz - 10 kHz [42] . För 16 mm filmer, vars rörelsehastighet är 183 mm/sek, är frekvensområdet ännu snävare: det optiska ljudspåret för sådana filmer kan inte återge ljud med en frekvens som är större än 6–6,3 kHz. Det är möjligt att förbättra frekvensegenskaperna hos ett optiskt ljudspår genom att spela in det med ultraviolett strålning , som sprids av emulsionen i mycket mindre utsträckning än vitt ljus [39] . En liknande effekt uppnås genom att använda ett blåljusfilter framför skrivstrecket. I modern optisk ljudinspelningsutrustning används laserbaserade ljusmodulatorer som gör det möjligt att få upp frekvensområdet för ett analogt 35-mm ljudspår till 16 kHz [44] .

En betydande försämring av frekvensegenskaperna inträffar vid replikering av filmkopior genom kontakttryckning på grund av den ömsesidiga glidningen av negativet från fonogrammet och den positiva filmen, som har olika grader av krympning. För att minska denna effekt används speciella glidkompensatorer i filmkopieringsmaskiner . När du använder digitala fonogram beror frekvensområdet inte på filmens fotografiska egenskaper, utan bestäms av samplingsfrekvensen . Moderna digitala fonogram sänder som regel ett frekvensband från 20 Hz till 20 kHz.

Fördelar och nackdelar

Det optiska fonogrammet används mest vid filmvisningar, eftersom det inte kräver synkronisering av bild och ljud inspelade på samma medium. Dessutom uppnås större hållbarhet på grund av frånvaron av avmagnetisering och delaminering som är inneboende i magnetiska fonogram som blev utbredd i mitten av 1950 - talet [45] . Nackdelarna med analoga optiska fonogram på den tiden var ett lågt dynamiskt omfång, ett smalt band av reproducerbara frekvenser och beroendet av nivån av harmonisk distorsion på filmens fotografiska egenskaper. Alla dessa brister har eliminerats i moderna digitala fonogram, som har ersatt flerspåriga magnetiska. Analoga optiska ljudspår av modern Dolby -standard är också avsevärt överlägsen i kvalitet jämfört med det klassiska enkanaliga ljudspåret, vilket gör att du kan spela in upp till 4 kanaler med ljud [46] . För närvarande används inte magnetiska ljudspår på filmkopior, eftersom de helt har gett vika för optiska ljudspår.

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Detta gällde för de vanligaste "överförda" positiva filmerna, där magentafärgämne syntetiseras i det övre lagret. Moderna cyan fonogram trycks på ett annat sätt

Källor

  1. ↑ 1 2 GOST 13699-91, 1992 , sid. 114.
  2. ↑ Ljusmodulatorer, 2003 , sid. fyra.
  3. ↑ Från Petrovs elektriska ljusbåge till radioöverföring av tal, 2008 , sid. 27.
  4. ↑ Lee de Forest, 2013 , sid. 7.
  5. ↑ 1 2 Fundamentals of film technology, 1965 , sid. 379.
  6. ↑ Eget laboratorium (otillgänglig länk) . Programmerarens anteckningar. Hämtad 20 juli 2015. Arkiverad från originalet 22 juli 2015. 
  7. ↑ 1 2 D. Merkulov. ... OCH DET HÖRS INTE VAD SJÖGER . Tidskriftsarkiv . " Vetenskap och liv " (augusti 2005). Tillträdesdatum: 7 januari 2015. Arkiverad från originalet 7 januari 2015.
  8. ↑ The End of Silent Cinema, 1929 , sid. 17.
  9. ↑ 1 2 3 Cinema Technology, 1998 , sid. åtta.
  10. ↑ Photokinotechnics, 1981 , sid. 91.
  11. ↑ Petersen & Poulsen  (danska) . Film Sound Sweden. Hämtad 9 januari 2015. Arkiverad från originalet 9 januari 2015.
  12. ↑ Hur skärmen blev en högtalare, 1949 , sid. 33.
  13. ↑ Ljudtekniker, 2001 , sid. 60.
  14. ↑ Cinema Technology, 1998 , sid. 9.
  15. ↑ David Edwards, Patrice Eyries och Mike Callahan. Kommando albumdiskografi  . Diskografier . Both Sides Now Publications (2 september 2005). Hämtad 20 juli 2015. Arkiverad från originalet 13 augusti 2015.
  16. ↑ Drawn sound in the USSR, 2008 , sid. 27.
  17. ↑ 1 2 Teknik för "ritat ljud": ljudsyntes i Sovjetunionen på 30-talet av XX-talet . "Habrahabr" (10 juni 2013). Hämtad 21 juli 2015. Arkiverad från originalet 3 juni 2015.
  18. ↑ Drawn sound in the USSR, 2008 , sid. 28.
  19. ↑ Optigan (otillgänglig länk) . "Kardiogram" (18 januari 2014). Hämtad 21 juli 2015. Arkiverad från originalet 4 mars 2016. 
  20. ↑ Optigan  Timeline . info . Optigan. Hämtad 21 juli 2015. Arkiverad från originalet 22 juli 2015.
  21. ↑ Ljusmodulatorer, 2003 , sid. 5.
  22. ↑ Ljusmodulatorer, 2003 , sid. tio.
  23. ↑ 1 2 Soundtrack av filmkopior, 2012 , sid. tio.
  24. ↑ Fundamentals of film technology, 1965 , sid. 101.
  25. ↑ Filmprojektionsteknik, 1966 , sid. 66.
  26. ↑ Filmutrustning, 1988 , sid. 194.
  27. ↑ Filmprojektion i frågor och svar, 1971 , sid. 189.
  28. ↑ Filmprojektionsteknik, 1966 , sid. 73.
  29. ↑ GOST 13699-91, 1992 , sid. 115.
  30. ↑ Filmprojektionsteknik, 1966 , sid. 71.
  31. ↑ LJUDKONSTTEKNIK OCH UTRUSTNING. LJUDINSPELNING  (inte tillgänglig länk)
  32. ↑ Filmprojektionsteknik, 1966 , sid. 69.
  33. ↑ Soundtrack av filmkopior, 2012 , sid. elva.
  34. ↑ Sergej Alekhin. Ljudutrustning för biografen  // "Teknologi och bioteknik": tidning. - 2006. - Nr 5 . Arkiverad från originalet den 16 oktober 2012.
  35. ↑ 1 2 GOST 13699-91, 1992 , sid. 116.
  36. ↑ Filmkopieringsutrustning, 1962 , sid. 35.
  37. ↑ Soundtrack av filmkopior, 2012 , sid. 32.
  38. ↑ Fundamentals of film technology, 1965 , sid. 107.
  39. ↑ 1 2 Fundamentals of film technology, 1965 , sid. 100.
  40. ↑ Film- och fotoprocesser och material, 1980 , sid. 138.
  41. ↑ Filmprojektionsteknik, 1966 , sid. 70.
  42. ↑ 1 2 3 Soundtrack av filmkopior, 2012 , sid. 12.
  43. ↑ Filmprojektionsteknik, 1966 , sid. 78.
  44. ↑ Soundtrack av filmkopior, 2012 , sid. femton.
  45. ↑ Soundtrack av filmkopior, 2012 , sid. tio.
  46. ↑ Sergej Alekhin. Ljudutrustning för biografen  // "Teknologi och bioteknik": tidning. - 2006. - Nr 3 . Arkiverad från originalet den 16 oktober 2012.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk