レコードはどうやって音を記録するのか

この模型で見られること

レコードを光にかざすと、うっすらと音楽が見えます。大きな音の部分は静かな部分より粗く幅広く見え、曲と曲の間は滑らかに光る輪になって現れます。肉眼では見えないのは、プラスチックについた一本の傷が、どうやってオーケストラ全体を、それもステレオで運べるのかということです。

この模型は、音を溝から電線までたどります。12 インチ LP を載せたプレーヤー、回転式のトーンアーム、MM 型（ムービングマグネット型）カートリッジがあり、さらに針の下の溝を約 2,000 倍まで拡大して見せる第二の場面があります。33⅓・45・78 回転を切り替え、針を最初の溝から最後の溝へ動かし、時間を最大 1,000 倍まで遅くし、ページが Web Audio API でつくる短い曲を聴くことができます。音はオンにするまで出ません。

溝のうねりが音そのもの

空気中の音は圧力の波です。マイクはそれを同じ形で上下する電気信号に変え、カッティングレースがその信号をふたたび動きに戻します。鋭いカッターが左右に振れ、その下でラッカー盤が回ります。カッターは、信号のうねりとまったく同じようにうねる渦巻きの溝を残します。再生ではこの流れが逆になります。針が溝をたどり、うねりが針を左右に押し、カートリッジがその動きを電圧に戻します。

つまり溝は音のグラフで、時間は渦巻きに沿って進みます。うねり一つが波の一周期です。このページの曲は左チャンネルで中央のドの上のミ、659 Hz から始まるので、この音の溝は針の下を通る 1 秒ごとに 659 回うねります。

うねり一つの長さは？　それは溝の速さで決まります。面の始まりでは針は中心から 146 mm にあり、33⅓ 回転では溝は 2π × 0.146 m × 33.33 / 60 = 0.510 m/s で通り過ぎます。これを 659 Hz で割ると、うねり一つは 0.774 mm。同じ音でもレーベル近く、半径 60.3 mm では 0.210 m/s で進み、0.319 mm に縮みます。溝の画面で「スロー」をオンにすると、このうねりが針の横を流れていくのが見えます。

顕微鏡で見た溝

現代のステレオ溝はビニールに刻んだ V 字で、二つの壁は互いに 90° をなし、それぞれの壁は鉛直から 45° 傾いています。この模型の溝は上端の幅 60 µm、深さ 30 µm です。レコードの片面は 22 分で、33⅓ 回転では 22 × 33.33 = 733 周の渦巻きになります。これを半径 146 mm と 60.3 mm の間に収めるので、隣の周までの平均間隔は (146 − 60.3) / 733 = 0.117 mm。1 mm あたり 8.6 本、1 インチあたり約 217 本です。実際のレコードは間隔を変えています。カッティングレースは大きな低音では溝の間隔を広げ、静かな部分では詰めるので、曲間の明るい帯がよく目立つのです。

針は先端を丸く磨いたダイヤモンドです。この模型の先端半径は 1000 分の 0.7 インチ、つまり 17.8 µm。この大きさの球は 90° の溝の底に届きません。球の中心は底から 17.8 × √2 = 25.2 µm 上にあり、それぞれの壁に表面から約 17 µm 下の一点で触れます。これはわざとです。針は二つの壁に載っているので両方の壁に導かれ、溝の底にたまったごみには触れません。

うねりは横にどれくらい振れるのでしょうか。カートリッジの性能は、よく使われる基準レベルである溝速度 5 cm/s で表します。1,000 Hz でこの速度を出すには、ピーク変位 0.05 / (2π × 1,000) = 8.0 µm が必要です。模型の曲は左チャンネルで 10 µm、右チャンネルで 12 µm を使うので、振れ幅は溝の幅の 6 分の 1 です。3D 表示ではうねりを実物の 2 倍に描いています。そうしないと見えないからです。

45 度の二つの壁が二つのチャンネルを運ぶ

モノラルの溝は横に動くだけで十分です。ステレオでは一本の溝に二つの独立した信号を入れ、一本の針で読まなければなりません。レコード業界が採用した方法を 45/45 方式といいます。カッターを互いに直角な二つの方向に動かし、どちらの方向も鉛直から 45° 傾け、それぞれを一つのチャンネルに割り当てます。標準のレコードでは、左チャンネルは針を内側の壁（レーベルに近い方）に直角な方向に、右チャンネルは外側の壁に直角な方向に動かします。顕微鏡の画面では内側の壁を青、外側の壁をオレンジに色分けしています。

うまくできているのは、両チャンネルが同じ音のときです。左上へ 45° の押しと、同じ大きさの左下へ 45° の押しを足すと、上下の成分が打ち消し合い、純粋な横の動きだけが残ります。これはまさにモノラル盤の溝なので、モノラルのプレーヤーでステレオ盤を、ステレオのプレーヤーでモノラル盤をかけられます。二つのチャンネルが逆向きのときは横の成分が打ち消し合い、針は上下にしか動きません。三つの場合は次のようになります。左だけなら (0.707, 0.707)、左と右が等しければ (1.414, 0)、左と右が逆なら (0, 1.414) です。

「チャンネル」の操作で、これを聞いて見ることができます。左チャンネルだけをオンにすると、針は外側の壁に沿って滑り、形が変わるのは内側の壁だけです。1958 年の雑誌記事も同じことを述べています。チャンネルを運ぶのは針先の動きで、「壁ごとに一つの録音」というのは便利な言い方にすぎず、すべてを語ってはいないのです。

カートリッジが動きを電圧に変える仕組み

針はカンチレバーの先にあります。カンチレバーは長さ約 5.5 mm の細いアルミ管です。もう一方の端の近くでカンチレバーは支点となるゴムのダンパーを通り、支点の奥に小さな磁石をつけています。溝が針を一方へ押すと、磁石は固定された四つのコイルの間で反対側に振れます。コイルはチャンネルごとに二つずつで、溝の壁に合わせて 45° に置かれています。

動く磁石はコイルを貫く磁束を変え、ファラデーの法則によれば、コイルの電圧は磁束の変化の速さに比例します。そのため磁気カートリッジが測っているのは位置ではなく速度です。典型的な MM 型カートリッジは 5 cm/s の基準で 3 から 6 mV を出し、模型では 5 mV としています。左チャンネルの 659 Hz のミは振れ幅 10 µm で、ピーク速度は 2π × 659 × 10 µm = 4.1 cm/s、電圧にして約 4.1 mV です。ステージ下のコイル出力の画面は、両チャンネルの直近 6 ms の電圧を描きます。

ただし問題があります。どの周波数でも同じ電圧が出るように溝を刻むと、低音にはとてつもなく大きな横の振れが必要になって隣の溝に食いこみ、高音の振れは小さすぎてノイズに埋もれてしまいます。そこでレコードは低音を下げ高音を上げて刻まれます。これは時定数 3,180・318・75 µs の RIAA カーブに従います。フォノイコライザーはそのちょうど逆のカーブをかけます。この模型の曲は 196 から 880 Hz の範囲にあり、カーブの変化が小さいので、模型では省いています。

33⅓・45・78 回転での針の下の速さ

回るレコードの上の点は、どれも一回転で一周しますが、外側の点ほど長い道のりを進みます。針の下の溝の速さは v = 2πr × rpm / 60 です。

外周と内周の比は、どの回転数でも 146 / 60.3 = 2.42 です。LP の面の始まりでは、溝は 1.8 km/h、ゆっくり歩くほどの速さで針を通り過ぎます。レーベル近くでは約 0.8 km/h まで下がります。

内周の溝がうまく鳴らしにくいわけ

溝が遅いほど、うねりは短くなります。LP の外周で 20 kHz の音の波長は 0.510 / 20,000 = 25.5 µm。レーベル近くでは 10.5 µm です。この模型の針先は幅 35.6 µm で、内周のうねりの 3 倍以上あります。丸い先端は自分よりずっと急なカーブを追えないので、面の終わりに近づくと高音は細部を失い、ひずみが増えます。マスタリングエンジニアが静かな曲や負担の小さい曲を最後に置くことが多いのも、オーディオファン向けの再発盤の一部が 45 回転・2 枚組で刻まれるのもこのためです。45 回転なら、どの波長も 1.35 倍長くなります。

回転式のアームは、もう一つ小さな影響を加えます。カッティングレースはカッターを半径に沿って直線で動かしますが、針は円弧を描いて振れます。模型ではヘッドシェルを 20.7° 曲げ、半径 100 mm でカートリッジが溝の向きにそろうようにしています。それ以外の位置では少しずれ、アームは最初の溝から最後の溝まで 22.6° 回ります。

回転数を変えると音の高さが変わる

溝には時計が入っていません。並んだうねりがあるだけで、それがどれだけの速さで届くかはプレーヤーが決めます。模型のレコードは 33⅓ 回転用に刻まれています。45 回転でかけると、うねりは 45 / 33.33 = 1.35 倍の頻度で届き、すべての周波数が 1.35 倍になります。音楽でいえば 12 × log₂(1.35) = 5.2 半音高く、完全 4 度より少し上で、曲のテンポも 1.35 倍速くなります。78 回転では倍率が 2.34、14.7 半音で、1 オクターブを超えます。440 Hz のラは 45 回転で 594 Hz、78 回転で 1,030 Hz になります。

音をオンにしてステージ下の回転数ボタンを押すと、まさにこれが聞こえます。ページは同じ録音済みのバッファーを再生し、再生速度だけを変えています。ターンテーブルが回る速さだけを変えるのと同じです。

片面の溝の長さは？

渦巻きの一周一周は、前の周より少しだけ半径の小さい円です。面全体で平均すると半径は (146 + 60.3) / 2 = 103.15 mm なので、平均的な一周の長さは 2π × 103.15 mm = 0.648 m。これに 733 周を掛けると、片面には 475 m、ほぼ 0.5 km の溝があります。両面を合わせると約 0.95 km です。正確な渦巻きに沿って数値的に足し合わせると 475.28 m になり、平均の円を使う近道の誤差は一周あたり 1 mm をはるかに下回ります。

きれいな検算があります。22 分で 475 m は 0.360 m/s で、これは平均半径 103.15 mm での溝の速さにぴったり一致します。片面を通して針はサッカー場およそ四つ半分の長さを進みますが、中心へはわずか 85.7 mm しか近づきません。

円筒、78 回転盤、LP、45 回転盤を並べる

ステージ下の一覧では、エジソンの錫箔から RCA の溝式ビデオディスクまで 23 の音の媒体を比べています。そこで円盤を選ぶと、模型はその大きさの円盤に替え、その回転数で回します。違いの大半は二つの数で説明できます。溝の速さと、溝の長さです。

一覧を見ると、円筒の大きな利点がはっきりします。円筒の溝はどの周も同じ長さなので、表面速度が変わりません。標準的なろう管は直径 2¼ インチで、初期の録音で使われた 120 rpm では、表面は最初の音から最後の音まで π × 0.0572 m × 120 / 60 = 0.36 m/s で動きます。米国議会図書館は、円筒の速度が一定であることが音のよさの理由の一つだったと記しています。円盤はこれを手放す代わりに、平らで、安くプレスでき、しまいやすくなりました。

外周の速さは π × 直径 × rpm / 60 で、溝が盤のいちばん端にあった場合の速さです。音楽はそれより少し内側から始まります。78 回転盤は LP の 2 倍の速さで溝を動かすので、溝の粗いシェラック盤でも高音を記録できました。LP は速度を落とし、その分をずっと細いマイクログルーブで補ったので、同じ 12 インチに約 4 分半ではなく 22 分が入ります。45 回転シングルは大きさで逆の道を選びました。7 インチ盤を 45 回転で回すと、外周の溝は 10 インチ LP とほぼ同じ速さで動きます。韓国では 78 回転盤をよく SP 盤と呼び、中心の穴が大きい 45 回転盤はドーナツ盤として知られています。

CED ビデオディスクは 12 インチ盤の片面に 60 分の映像を収めました。針が溝に記録された信号を読み取りました。

溝の速さと長さを自分で計算する

前の節の数字は、一行ずつの計算で確かめられます。自分で手を動かすのがいちばん確かです。33⅓ 回転で片面が始まる位置から考えます。一周は 60 ÷ 33.33 = 1.8 秒です。そこの溝は半径 146 mm の円なので、一周は 2π × 0.146 = 0.917 m、これを 1.8 秒で通るので 0.510 m/s、約 51 cm/s です。レーベル近くの半径 60.3 mm では一周が 0.379 m で、0.379 ÷ 1.8 = 0.210 m/s、約 21 cm/s になります。外側の溝は約 50 cm/s、内側の溝は約 20 cm/s で針の下を通ることになります。「針の位置」スライダーを動かすと、「溝の速さ」の表示がこの値を示します。

同じ二つの量から、平均を使わずに片面の溝の長さも出せます。針を片面の終わりまで動かして「通った溝」を読むと、22 分後に約 475 m です。時間で割ると 475 m ÷ 1,320 s = 0.360 m/s で、これは中間の半径での溝の速さです。針は一周にかける時間が同じで、周ごとに少しずつ短くなるので、当然の結果です。

振幅と周波数：RIAA カーブがある理由

溝は二つのことを同時に記録します。針が横にどれだけ振れるかが振幅、一秒に何回振れるかが周波数です。磁気カートリッジが反応するのは振れの大きさではなく速さで、一定の音では最大の速さが 2π × 周波数 × 振れです。もしすべての音を同じ振れで刻むと、カートリッジの電圧は周波数に比例して大きくなり、低音は 1,000 倍高い高音より 1,000 倍小さくなります。すべての音を同じ速さで刻むと、20 Hz の音は 1,000 Hz の音の 50 倍の振れが必要になり、溝が隣の溝に食い込みます。

業界が選んだ妥協案が RIAA カーブで、三つの時定数、3,180 µs、318 µs、75 µs で定義されます。折れ点の周波数は 1 ÷ (2π × 3.18 ms) = 50 Hz、1 ÷ (2π × 0.318 ms) = 500 Hz、1 ÷ (2π × 75 µs) = 2,122 Hz です。この定数から計算すると、レコードは 1,000 Hz を基準に 20 Hz で約 19 dB、100 Hz で約 13 dB 低音を減らして刻み、10 kHz で約 14 dB、20 kHz で約 20 dB 高音を強めて刻みます。フォノプリアンプがちょうど逆のカーブをかけます。テキサス・インスツルメンツもフォノプリアンプの応用ノートで同じ 3,180 µs、318 µs、75 µs を説明しています。これで低音の振れは溝が収められる大きさに抑えられ、高音はビニールの雑音より十分上に置かれます。副産物として、高い周波数が中心のスクラッチ音やプチ音も、プリアンプが高音を下げるときに一緒に小さくなります。

数字で見る 45/45 の溝

45/45 方式では、溝の壁一つがチャンネル一つを受け持ちます。二つの動きの向きは互いに直角で、干渉しません。左チャンネルの向きに針を押しても、右チャンネルの向きにはまったく動きません。二つのチャンネルに同じ信号が入ると、二つの動きが合わさって純粋な横揺れになり、これはモノラルの溝がする動きそのものです。そのためモノラルのレコードをステレオのカートリッジで再生でき、同じ信号なら溝の画面にも普通の横の波しか見えません。二つのチャンネルが逆の信号を運ぶと、針はまっすぐ上下に動きます。エジソンの円筒の縦振動と同じ動きです。

ステージの下のチャンネル選択で確かめてください。「左のみ」では針が内側の壁へ 45° に動き、「右のみ」では外側の壁へ、「左 + 右」ではその合計の動きになります。模型では左チャンネルが 10 µm、右チャンネルが 12 µm 振れるので、斜めの動きが合わさった経路は、純粋な横でも純粋な縦でもありません。

摩耗と針圧

波に押し出されても針が溝にとどまるよう、針は十分な力で押さえる必要があり、アームが下向きに小さな力を加えます。この模型では、針は壁ごとに数 µm の点で接します。仮定値で例を挙げます。1.5 g、つまり 0.0147 N の力を 10 µm × 10 µm の接触面二つで受けると、圧力は 0.0147 ÷ (2 × 1 × 10⁻¹⁰ m²) = 7.4 × 10⁷ Pa、約 740 気圧です。実測値ではなく、針が馴染めば接触面積も変わりますが、レコードがなぜ摩耗するのか、針先になぜダイヤモンドを使うのかがわかります。溝に入ったほこりも同じ圧力で壁に押し込まれるので、再生前にレコードを掃除することが大切です。この模型は針圧を省いていて、針が溝から離れることはありません。

レコードの第二の人生：売上

ビニールは CD やストリーミングの登場で消えたわけではありません。全米レコード協会（RIAA）は 2024 年の年末収益報告で、米国の音楽全体の収益が推定小売価額で 3% 増えて 177 億ドルになるなか、ビニールは約 20 年続く急成長を続けたと述べています。RIAA は年ごとの販売数もオンラインのデータベースで公開しており、媒体ごとに年を追って比べられます。レコードは手に持てるものです。大きなジャケット、決まった再生時間、22 分で裏返す手間が、戻ってきた人たちが好きだという点です。

よくある誤解

• 針が音を焼き出している。 針は何も溶かしたり焼いたりしません。溝の壁に沿って機械的に動くだけで、音を作るのはカートリッジです。
• 溝の中の音が目で見える。 波の振れは 8～12 µm で、肉眼で見分けられる大きさではありません。見える帯は溝の間隔の変化です。
• ビニールは情報が多いから良い音。 ビニールは S/N 比に限りがあり、レーベルに近づくほど高音が減ります。その独特の音は、これとカッティングから再生までの過程から生まれるもので、情報が多いからではありません。
• レコードはどこでも溝の速さが同じ。 レーベル近くの速さは外周の 41% しかありません。前の表のとおりです。
• ステレオのカートリッジはモノラルのレコードを傷める。 モノラルの溝は横にしか動かず、ステレオのカートリッジは両方の壁を同じ信号で読み取ります。

画面で試す

1. 「音をオン」を押し、回転数を 33⅓、45、78 に切り替えて音が高くなるのを聞きます。「音の高さ」の値は 45 回転で 5.2 半音を示します。
2. 「針の位置」を最初の溝から最後の溝まで動かします。「溝の速さ」は 0.510 m/s から 0.210 m/s に下がり、「波長」も一緒に縮みます。
3. 「左のみ」「右のみ」「左 + 右」を順に選び、コイル出力の画面を見ます。チャンネルごとに自分のコイル一組が動きます。
4. 「拡大」を「針先」にして、針先が壁に触れる位置を見ます。溝の底には届きません。
5. 媒体の一覧で 12 インチ LP、7 インチ 45 回転、CED ビデオディスクを順に選びます。外周の速さは 0.53 m/s、0.42 m/s、7.07 m/s と変わります。

この模型が簡略化していること

• 溝の底はとがり、壁はまっすぐです。実際のカッターは底に小さな丸みを残します。
• 溝の間隔は一定です。実際のカッティングレースは音楽に合わせて変えます。
• 曲は RIAA カーブなしの平坦な信号として刻んでいるので、コイルの電圧は溝にそのまま対応します。
• カートリッジの動きは実物の 45 倍、3D の溝のうねりは実物の 2 倍に描いています。ステージ下の画面は実際の単位を使います。
• 針圧、インサイドフォースキャンセラー、カンチレバーのばね性は省いています。針は溝を完全にたどります。

錫箔から LP へ

米国議会図書館によると、トーマス・エジソンは 1877 年 7 月、音を錫箔に押しつけて記録する機械をスケッチしました。最初の錫箔蓄音機は、その年の後半に機械工のジョン・クルーシが作りました。図書館は、有名な 8 月 12 日という日付は疑わしいとしています。エジソンが特許を出願したのは 1877 年 12 月 24 日で、助手チャールズ・バチェラーの日記からは機械が 12 月初めに作られたと考えられるからです。エジソンの機械と後のろう管は、溝を上下に刻みました。この方式を縦振動（ヒル・アンド・デイル）といいます。

エミール・ベルリナーは横を選びました。1887 年 11 月 8 日、深さが一定の横振動の溝で録音するグラモフォンの特許を得て、まもなく録音を平らな円盤に移しました。円盤は原盤から大量にプレスでき、1910 年代には円筒を押しのけていました。それから半世紀、ほとんどの円盤はシェラック製で、78 回転前後で回りました。

米国議会図書館は、次の一歩を 1948 年 6 月としています。コロムビアが「Long Playing」レコード、つまりずっと細いマイクログルーブをもつ 33⅓ 回転の 12 インチ盤を発表したのです。RCA ビクターは 1949 年に 7 インチ 45 回転盤とオートチェンジャーで応じ、ヘンリー・フォード博物館にはその初期の RCA 45 回転プレーヤーの一台が収蔵されています。一本の溝の二つの壁に二つのチャンネルを刻む特許は、早くも 1932 年に W. Bartlett Jones に与えられ、最初の市販ステレオ LP は 1957 年 11 月にオーディオ・フィデリティ・レーベルから出ました。