Как виниловая пластинка хранит звук

Что показывает модель

Поднимите пластинку к свету, и вы смутно увидите музыку. Громкие места выглядят шероховатее и шире тихих, а паузы между песнями видны как гладкие блестящие кольца. Чего не видно невооружённым глазом, так это того, как одна царапина на пластмассе умудряется нести целый оркестр, да ещё в стерео.

Эта модель прослеживает звук от канавки до провода. В ней есть проигрыватель с 12-дюймовой долгоиграющей пластинкой, поворотный тонарм и головка с подвижным магнитом, а также вторая сцена, где канавка под иглой показана с увеличением примерно до 2000 раз. Можно переключаться между 33⅓, 45 и 78 об/мин, переводить иглу с первой канавки на последнюю, замедлять время до 1000 раз и слушать короткую мелодию, которую страница собирает через Web Audio API. Звук выключен, пока вы его не включите.

Извив канавки и есть звук

Звук в воздухе это волна давления. Микрофон превращает её в электрический сигнал, который поднимается и опускается по тому же рисунку, а рекордер снова превращает сигнал в движение: острый резец качается из стороны в сторону, а под ним вращается лаковый диск. Резец оставляет спиральную канавку, которая извивается точно так же, как извивался сигнал. При воспроизведении цепочка работает наоборот. Игла идёт по канавке, извивы толкают её туда и обратно, а головка превращает это движение обратно в напряжение.

Значит, канавка это график звука, где время бежит вдоль спирали. Один полный извив это один период волны. Мелодия на этой странице начинается с ми над до первой октавы, 659 Hz в левом канале, поэтому канавка этой ноты извивается 659 раз за каждую секунду, пока проходит под иглой.

Какой длины один такой извив? Это зависит от того, как быстро движется канавка. В начале стороны игла стоит в 146 mm от центра, и при 33⅓ об/мин канавка проходит со скоростью 2π × 0,146 m × 33,33 / 60 = 0,510 m/s. Разделите на 659 Hz, и каждый извив окажется длиной 0,774 mm. Та же нота у этикетки, на радиусе 60,3 mm, движется со скоростью 0,210 m/s и сжимается до 0,319 mm. Включите «Замедление» в виде канавки, и вы увидите, как эти извивы проплывают мимо иглы.

Канавка под микроскопом

Современная стереоканавка это V-образный вырез в виниле, стенки которого стоят под 90° друг к другу, так что каждая стенка наклонена на 45° от вертикали. В этой модели канавка шириной 60 µm поверху и глубиной 30 µm. Одна сторона пластинки звучит 22 минуты, а при 33⅓ об/мин это 22 × 33,33 = 733 витка спирали. Они должны уместиться между радиусами 146 mm и 60,3 mm, поэтому среднее расстояние между соседними витками равно (146 − 60,3) / 733 = 0,117 mm. Это 8,6 канавки на миллиметр, около 217 на дюйм. На настоящих пластинках шаг меняется: рекордер раздвигает канавки для громкого баса и сближает в тихих местах, поэтому светлые полосы между песнями так легко заметить.

Игла это алмаз, отполированный до скруглённого кончика. В модели радиус кончика 0,7 тысячной дюйма, то есть 17,8 µm. Шарик такого размера не достаёт до дна канавки с углом 90°. Его центр находится на 17,8 × √2 = 25,2 µm выше дна, а каждой стенки он касается в точке примерно на 17 µm ниже поверхности. Так задумано. Игла опирается на обе стенки, обе её ведут, а грязь, осевшая на дне канавки, остаётся нетронутой.

Насколько велики извивы вбок? Головки характеризуют при скорости канавки 5 cm/s, это распространённый опорный уровень. На 1000 Hz такой скорости нужно пиковое смещение 0,05 / (2π × 1000) = 8,0 µm. Мелодия в модели использует 10 µm в левом канале и 12 µm в правом, так что размах составляет шестую часть ширины канавки. В 3D-виде извивы нарисованы вдвое крупнее настоящих, иначе их просто не было бы видно.

Две стенки под 45 градусов несут два канала

Монофонической канавке достаточно двигаться вбок. Стерео нужны два независимых сигнала в одной канавке, которые читает одна игла. Решение, которое приняли производители пластинок, называется системой 45/45. Резец движется по двум взаимно перпендикулярным направлениям, каждое наклонено на 45° от вертикали, и каждое направление принадлежит одному каналу. На стандартных пластинках левый канал двигает иглу перпендикулярно внутренней стенке, той, что ближе к этикетке, а правый перпендикулярно внешней. В микроскопе внутренние стенки подкрашены синим, а внешние оранжевым.

Самое изящное происходит, когда оба канала несут одинаковый звук. Сложите толчок под 45° вверх и влево с таким же толчком под 45° вниз и влево, и вертикальные части взаимно уничтожатся, останется чисто боковое движение. Это ровно та канавка, что у монопластинки, поэтому монопроигрыватель может играть стереопластинку, а стереопроигрыватель монофоническую. Когда каналы противоположны, взаимно уничтожаются боковые части, и игла движется только вверх и вниз. Три случая дают: один левый даёт (0,707; 0,707), левый, равный правому, даёт (1,414; 0), а левый, противоположный правому, даёт (0; 1,414).

Чтобы услышать и увидеть это, используйте «Каналы». Когда включён только левый канал, игла скользит вдоль внешней стенки, и форму меняет только внутренняя. Журнальная статья 1958 года говорила о том же: каналы несёт движение кончика, а слова «на каждой стенке своя запись» удобное упрощение, а не вся правда.

Как головка превращает движение в напряжение

Игла сидит на конце иглодержателя, тонкой алюминиевой трубки длиной около 5,5 mm. Ближе к другому концу иглодержатель проходит через резиновый демпфер, который служит осью поворота, а за осью несёт крошечный магнит. Когда канавка толкает иглу в одну сторону, магнит отклоняется в другую между четырьмя неподвижными катушками, по две на канал, поставленными под 45°, как стенки канавки.

Движущийся магнит меняет магнитный поток через катушку, а закон Фарадея говорит, что напряжение в катушке пропорционально скорости изменения потока. Поэтому магнитная головка измеряет скорость, а не положение. Типичная головка с подвижным магнитом даёт от 3 до 6 mV при опорных 5 cm/s. В модели взято 5 mV. Ми левого канала на 659 Hz с размахом 10 µm движется с пиковой скоростью 2π × 659 × 10 µm = 4,1 cm/s, что даёт около 4,1 mV. Экран выхода катушек под сценой рисует оба канала как напряжения за последние 6 ms.

Здесь есть загвоздка. Если бы канавку резали так, чтобы на всех частотах получалось одинаковое напряжение, басам понадобились бы огромные боковые размахи, такие широкие, что они врезались бы в соседнюю канавку, а высоким частотам такие маленькие, что они утонули бы в шипении. Поэтому пластинки нарезают с ослабленным басом и поднятыми верхами по кривой RIAA с постоянными времени 3180, 318 и 75 µs. Фонокорректор применяет в точности обратную кривую. Мелодия модели лежит между 196 и 880 Hz, где кривая меняется мало, поэтому модель её опускает.

Скорость под иглой при 33⅓, 45 и 78 об/мин

Каждая точка вращающейся пластинки делает один оборот за оборот, но внешним точкам приходится проходить больший путь. Скорость канавки под иглой равна v = 2πr × rpm / 60.

Отношение внешней скорости к внутренней на любой скорости равно 146 / 60,3 = 2,42. В начале стороны долгоиграющей пластинки канавка проходит под иглой со скоростью 1,8 km/h, как при неспешной прогулке. У этикетки остаётся около 0,8 km/h.

Почему внутренние канавки играть труднее

Медленнее канавка, короче извивы. Тон 20 kHz у внешнего края долгоиграющей пластинки имеет длину волны 0,510 / 20 000 = 25,5 µm. У этикетки она уже 10,5 µm. Кончик иглы в этой модели шириной 35,6 µm, больше чем втрое длиннее этого внутреннего извива. Круглый кончик не может пройти изгиб, намного более крутой, чем он сам, поэтому к концу стороны высокие ноты теряют детали и обрастают искажениями. Вот почему звукорежиссёры мастеринга часто ставят тихие или нетребовательные песни в конец, и вот почему некоторые переиздания для аудиофилов нарезают на 45 об/мин на двух дисках: при 45 об/мин каждая длина волны в 1,35 раза длиннее.

Поворотный тонарм добавляет эффект поменьше. Рекордер ведёт резец по прямой вдоль радиуса, а игла качается по дуге. В модели держатель головки развёрнут на 20,7°, чтобы головка стояла вдоль канавки на радиусе 100 mm. В остальных местах она немного сбита, а тонарм поворачивается на 22,6° от первой канавки до последней.

Смена скорости меняет высоту звука

В канавке нет часов. В ней только извивы друг за другом, а как быстро они приходят, решает проигрыватель. Пластинку модели нарезали для 33⅓ об/мин. Поставьте её на 45 об/мин, и каждый извив будет приходить в 45 / 33,33 = 1,35 раза чаще, поэтому каждая частота умножится на 1,35. В музыке это на 12 × log₂(1,35) = 5,2 полутона выше, чуть больше кварты, и мелодия ещё и идёт в 1,35 раза быстрее. При 78 об/мин множитель 2,34, или 14,7 полутона, больше октавы. Ля на 440 Hz звучит как 594 Hz на 45 об/мин и как 1030 Hz на 78 об/мин.

Нажмите кнопки скорости под сценой при включённом звуке, и вы услышите именно это. Страница играет тот же записанный буфер и меняет только скорость воспроизведения, так же как диск проигрывателя меняет только то, как быстро он вращается.

Какой длины канавка на одной стороне?

Каждый виток спирали это окружность чуть меньшего радиуса, чем предыдущая. В среднем по стороне радиус равен (146 + 60,3) / 2 = 103,15 mm, так что средний виток имеет длину 2π × 103,15 mm = 0,648 m. Умножьте на 733 витка, и одна сторона вмещает 475 m канавки, почти полкилометра. Обе стороны вместе около 0,95 km. Численное суммирование вдоль точной спирали даёт 475,28 m, так что приближение средней окружностью ошибается гораздо меньше чем на миллиметр за виток.

Красивая проверка: 475 m за 22 минуты это 0,360 m/s, ровно скорость канавки на среднем радиусе 103,15 mm. За одну сторону игла проходит длину примерно четырёх с половиной футбольных полей, а к центру сдвигается всего на 85,7 mm.

Валики, 78, LP и 45 рядом

Список под сценой сравнивает 23 звуковых носителя, от фольги Эдисона до видеодиска с канавкой от RCA. Выберите там диск, и модель поставит диск этого размера на его скорости. Большинство различий объясняют два числа: как быстро движется канавка и какой она длины.

Список ясно показывает одно большое преимущество валика. Каждый виток канавки на валике одной длины, поэтому скорость поверхности никогда не меняется. Стандартный восковой валик диаметром 2¼ дюйма, и при 120 об/мин, которые использовали в ранних записях, его поверхность движется со скоростью π × 0,0572 m × 120 / 60 = 0,36 m/s от первой ноты до последней. Библиотека Конгресса отмечает, что постоянная скорость валика отчасти объясняла его хороший звук. Диск отказался от этого ради того, чтобы быть плоским, дешёвым в прессовке и удобным в хранении.

Скорость у края равна π × диаметр × rpm / 60, такую скорость имела бы канавка на самом ободе. Музыка начинается чуть ближе к центру. Пластинка на 78 гонит канавку вдвое быстрее долгоиграющей, и поэтому шеллачные диски с грубыми канавками всё же могли записывать верхи. LP замедлилась и возместила это гораздо более тонкой микроканавкой, так что те же 12 дюймов вмещают 22 минуты вместо примерно четырёх с половиной. Сингл на 45 пошёл обратным путём по размеру: 7-дюймовый диск на 45 об/мин гонит внешнюю канавку примерно со скоростью 10-дюймовой LP. В Корее пластинку на 78 часто называют SP, а «сорокапятку» с большим центральным отверстием называют пластинкой-пончиком.

Видеодиск CED вмещал 60 минут видео на каждой стороне 12-дюймового диска. Игла считывала сигналы, записанные в канавке.

Скорость и длина канавки: проверка вручную

Числа из разделов выше можно проверить одной строкой арифметики на каждое, и ручной счёт лучший способ им поверить. Возьмём начало стороны при 33⅓ об/мин. Один оборот занимает 60 / 33,33 = 1,8 s. Канавка там это окружность радиусом 146 mm, так что один виток длиной 2π × 0,146 = 0,917 m, а 0,917 m за 1,8 s это 0,510 m/s, то есть около 51 cm/s. Около этикетки радиус равен 60,3 mm, виток 0,379 m, и 0,379 / 1,8 = 0,210 m/s, около 21 cm/s. Значит, внешняя канавка проходит под иглой примерно со скоростью 50 cm/s, а внутренняя примерно 20 cm/s, как показывает счётчик скорости, когда вы двигаете ползунок «Игла на».

Те же две величины дают длину канавки на стороне без всяких уловок с усреднением. Сдвиньте иглу в конец стороны и прочтите «Пройдено канавки»: счётчик доходит примерно до 475 m за 22 минуты. Разделите на время, 475 m / 1320 s, и получится 0,360 m/s. Это скорость на среднем радиусе, как и должно быть: игла тратит одно и то же время на каждый виток, но каждый виток чуть короче.

Амплитуда и частота: зачем нужна кривая RIAA

Канавка хранит сразу две вещи. Насколько игла отклоняется в сторону, это амплитуда, а сколько отклонений укладывается в секунду, это частота. Магнитная головка реагирует не на само отклонение, а на его скорость, и для ровного тона пиковая скорость равна 2π × частота × отклонение. Если бы пластинку резали так, чтобы у всех нот отклонение было одинаковым, напряжение головки росло бы пропорционально частоте, и бас был бы в 1000 раз тише ноты, которая в 1000 раз выше. Если бы резали так, чтобы у всех нот была одинаковая скорость, ноте 20 Hz понадобилось бы отклонение в 50 раз больше, чем ноте 1000 Hz, и канавка прорвалась бы в соседнюю.

Индустрия остановилась на компромиссе, кривой RIAA, заданной тремя постоянными времени: 3180 µs, 318 µs и 75 µs. Им соответствуют угловые частоты 1 / (2π × 3,18 ms) = 50 Hz, 1 / (2π × 0,318 ms) = 500 Hz и 1 / (2π × 75 µs) = 2122 Hz. По этим постоянным пластинку режут с басом, ослабленным примерно на 19 dB при 20 Hz и на 13 dB при 100 Hz относительно 1000 Hz, и с верхами, усиленными примерно на 14 dB при 10 kHz и на 20 dB при 20 kHz. Фонокорректор применяет точно обратную коррекцию. Texas Instruments описывает те же три постоянные, 3180 µs, 318 µs и 75 µs, в своём руководстве по фонокорректору. Так размах баса удерживается в пределах, которые канавка способна нести, а верха оказываются заметно выше шума винила. Побочный эффект: царапины и щелчки, которые в основном высокочастотные, фонокорректор приглушает вместе с усилением верхов.

Канавка 45/45 в числах

В системе 45/45 каждая стенка канавки несёт один канал. Два направления движения перпендикулярны друг другу, поэтому не мешают друг другу: если толкать иглу вдоль направления левого канала, вдоль направления правого она не сдвинется совсем. Когда оба канала несут один и тот же сигнал, два движения складываются в чисто боковое отклонение, ровно то, что делает монофоническая канавка. Поэтому моно-пластинку можно играть стереоголовкой, и поэтому при равных сигналах картина в виде канавки выглядит как простой боковой извив. Когда каналы несут противоположные сигналы, игла вместо этого движется строго вверх и вниз, это глубинная запись, как на валиках Эдисона.

Чтобы увидеть это, пользуйтесь выбором канала под сценой. При «Только Л» игла движется под 45° к внутренней стенке, при «Только П» к внешней, а при «Л + П» движение это сумма двух. В модели левый канал отклоняется на 10 µm, а правый на 12 µm, поэтому диагональные движения складываются в траекторию, которая не чисто боковая и не чисто вертикальная.

Износ и прижимная сила

Игла должна прижиматься достаточно сильно, чтобы оставаться в канавке, когда извивы пытаются её выбросить, поэтому тонарм создаёт небольшую силу, направленную вниз. В этой модели игла касается каждой стенки в точке шириной всего в несколько микрометров. В качестве иллюстрации с условными значениями: сила 1,5 g, то есть 0,0147 N, распределённая на две площадки контакта по 10 µm × 10 µm, даёт давление 0,0147 / (2 × 1 × 10⁻¹⁰ m²) = 7,4 × 10⁷ Pa, около 740 атмосфер. Это не измеренные значения, и настоящая площадь контакта меняется по мере приработки иглы, но они показывают, почему пластинка может изнашиваться и почему на кончик ставят алмаз. Пыль в канавке вдавливается в стенки под тем же давлением, поэтому пластинку важно чистить перед проигрыванием. Модель прижимную силу не учитывает, и игла никогда не теряет контакта.

Вторая жизнь пластинки: продажи

Винил не исчез просто так, когда появились компакт-диски и стриминг. Recording Industry Association of America в годовом отчёте о выручке за 2024 год сообщает, что винил продолжил почти 20-летний рост, а общая выручка музыкальной индустрии США выросла на 3% до 17,7 млрд долл. в оценочных розничных ценах. RIAA также публикует годовые данные о продажах в онлайн-базе, где можно сравнивать каждый формат во времени. Пластинка это физический предмет, который можно держать в руках, и большая обложка, фиксированное время звучания и необходимость перевернуть её через 22 минуты как раз те черты, которые, по словам вернувшихся к ней людей, им нравятся.

Частые заблуждения

• Игла выжигает звук из пластинки. Игла ничего не плавит и не выжигает. Она механически идёт по стенкам канавки, а звук создаёт головка.
• Извивы канавки можно увидеть как звук. Извивы шириной всего от 8 до 12 µm, гораздо меньше того, что различает глаз. Полосы, которые вы видите, это изменения шага канавки.
• Винил звучит лучше, потому что в нём больше деталей. У пластинки ограниченное отношение сигнал/шум, и верха пропадают к этикетке. Её характер идёт от этого и от цепочки нарезки и воспроизведения, а не от лишних деталей.
• Пластинка играет с одной и той же скоростью канавки везде. Скорость у этикетки лишь 41% от скорости у края, как показывает таблица выше.
• Стереоголовка портит моно-пластинки. Моно-канавка движется только вбок, и стереоголовка читает обе стенки с одним и тем же сигналом.

Попробуйте на экране

1. Нажмите «Включить звук», затем переключайте скорость между 33⅓, 45 и 78 об/мин и слушайте, как поднимается тон. Смотрите значение «Высота»: при 45 об/мин там 5,2 полутона.
2. Перетащите «Игла на» от первой канавки к последней. Показание «Скорость канавки» падает с 0,510 m/s до 0,210 m/s, и показание «Длина волны» уменьшается вместе с ним.
3. Выберите «Только Л», затем «Только П», затем «Л + П» и следите за экраном «Выход катушек». Каждый канал управляет своей парой катушек.
4. Переведите «Увеличение» на «Кончик иглы» и посмотрите, где кончик встречает стенки. До дна канавки он не доходит.
5. Откройте список носителей и выберите 12-дюймовую LP, затем 7-дюймовый сингл на 45 и видеодиск CED. Скорость на краю меняется с 0,53 m/s на 0,42 m/s и на 7,07 m/s.

Что модель упрощает

• У канавки острое дно и прямые стенки. Настоящие резцы оставляют маленькое скруглённое дно.
• Шаг канавки постоянный. Настоящие рекордеры меняют его вместе с музыкой.
• Мелодия нарезана как плоский сигнал без кривой RIAA, поэтому напряжения катушек прямо соответствуют канавке.
• Движение головки нарисовано в 45 раз крупнее, чем в жизни, а извивы 3D-канавки вдвое крупнее настоящих. Экраны под сценой используют настоящие единицы.
• Прижимная сила, антискейтинг и упругость иглодержателя не учтены. Игла идёт по канавке идеально.

От оловянной фольги до долгоиграющей пластинки

По данным Библиотеки Конгресса, Томас Эдисон в июле 1877 года набросал машину, которая записывала бы звук, выдавливая его в оловянной фольге. Первый фонограф с фольгой построил его механик Джон Крузи позже в том же году. Библиотека отмечает, что знаменитая дата 12 августа сомнительна: Эдисон подал заявку на патент только 24 декабря 1877 года, а дневник его помощника Чарльза Бэчелора указывает, что машину построили в начале декабря. Машина Эдисона и пришедшие ей на смену восковые валики резали канавку вверх и вниз, такую запись называют глубинной.

Эмиль Берлинер пошёл вбок. 8 ноября 1887 года он получил патент на граммофон, который записывал звук поперечной канавкой постоянной глубины, а вскоре перенёс запись на плоский диск. Диски можно было штамповать с матрицы большими тиражами, и к 1910-м годам они оттеснили валики. Полвека большинство дисков делали из шеллака, и вращались они примерно на 78 об/мин.

Следующий шаг Библиотека Конгресса относит к июню 1948 года, когда Columbia представила пластинку Long Playing, 12-дюймовый диск на 33⅓ об/мин с гораздо более тонкой микроканавкой. RCA Victor ответила в 1949 году 7-дюймовым диском на 45 об/мин и автоматическим сменщиком, и в музее The Henry Ford хранится один из тех ранних проигрывателей RCA на 45. Патент на запись двух каналов на двух стенках одной канавки получил W. Bartlett Jones ещё в 1932 году, а первые коммерческие стереопластинки появились на лейбле Audio Fidelity в ноябре 1957 года.