Технология воспроизведения звука с фонографических цилиндров Эдисона

Фонографические цилиндры Эдисона с уникальными первыми записями звука с течением времени разрушаются, поэтому возникает необходимость в их перезаписи на современные носители информации.

Мы представляем новый цифровой оптико-механический метод с интерферометрической системой измерения, отличительная особенность которого по сравнению с существующими методами состоит в том, что с фонографического цилиндра Эдисона в цифровой форме снимается профиль звуковой дорожки, вводится в компьютер и после соответствующей обработки преобразуется в звук.

Техническая реализация предложенного метода и цифровая обработка фонограмм, позволили получить высококачественный сигнал с фонографических цилиндров Эдисона, не разрушая поверхности цилиндра.

С давних времен человечество стремилось оставить и сохранить информацию о себе. Самая первая информация дошла до нас в виде наскальных рисунков, глиняных табличек шумеров, берестяных грамот и т. д. Значительно позднее появились такие носители видеоинформации, как фотографии и видеопленки.

Записывать же звуки человечество научилось сравнительно недавно. Более 100 лет назад в 1877 г. американский изобретатель Томас Алва Эдисон изобрел фонограф, с помощью которого на восковых цилиндрах металлической иглой записывалась и считывалась звуковая информация. С фонографом Эдисона исследователи путешествовали по всему земному шару, собирая музыкальные произведения разных народов, записывая выступления знаменитых людей эпохи.

За столетие существования систем механической записи звука (с 1877 г. до начала 80-х годов XX века) в мире на восковых цилиндрах Эдисона и виниловых грампластинках накопилось огромное количество звуковой информации с бесценными историческими памятниками звуковой культуры. По разным оценкам еще сохранились 800-900 тысяч цилиндров Эдисона - это приблизительно 1 млн. минут звука и музыки. Однако время неумолимо - большинство дошедших до нас восковых цилиндров имеет низкое качество из-за многократных считываний, старения воска, появления плесени и грибков. Аудиоинформация, полученная с загрязненных и заигранных грампластинок, также характеризуется высоким уровнем шумов и искажений.

Уже несколько десятков лет информацию с фонографических цилиндров пытаются перенести на современные носители. Учеными и специалистами многих стран, таких, как США, Австрия, Германия, Япония, Швейцария и др., была проделана огромная работа по решению проблемы воспроизведения звука с восковых цилиндров Эдисона. В разработанной для этой цели аппаратуре применяются электродинамический и пьезоэлектрический, бесконтактный и контактный оптические методы воспроизведения звука. Этим методам присущи некоторые недостатки.

Существенным недостатком звукоснимающих головок - основного элемента современной аппаратуры, реализующей электродинамический и пьезоэлектрический методы, является большое статическое давление воспроизводящей иглы на поверхность цилиндра (2-10 граммов). При таком давлении и скорости вращения цилиндра 160-180 об/мин. динамическая нагрузка на поверхность звуковой дорожки довольно большая, что при многократном воспроизведении может привести к деформации ее профиля или разрушению звуковой дорожки. Кроме того, создаваемое давление приводит к вдавливанию пылевых частиц в слой цилиндра, что снижает качество воспроизведения звука при последующих прослушиваниях.

При оптических методах воспроизведения из-за неоднородной структуры отражательной поверхности воска, наличия пыли, микроорганизмов и т. п. добиться качественного воспроизведения звука также весьма непросто.

ОСОБЕННОСТИ ПРЕДЛОЖЕННОГО МЕТОДА И АППАРАТУРЫ

Аудиоинформация, воспроизведенная с фонографических цилиндров Эдисона, характеризуется высоким уровнем шумов и искажениями полученного сигнала. Природа этих шумов и искажений связана с процессами первоначальной записи информации на восковые цилиндры, воспроизведения информации на современных устройствах и повреждениями поверхности цилиндров при длительном хранении.

Институт проблем регистрации информации НАН Украины предложил и реализовал принципиально новый метод высококачественного воспроизведения звука с фонографических цилиндров Эдисона. Предложенный цифровой оптико-механический метод с интерферометрической схемой измерения позволяет обеспечить физическую сохранность восковых цилиндров и получить высококачественное воспроизведение звука, сведя до минимума перечисленные выше недостатки.

Одна из главных характерных особенностей разработанного и исследованного метода состоит в том, что профиль звуковой дорожки в цифровой форме снимается с цилиндра и вводится в компьютер и после соответствующей обработки преобразуется в звук. Такой метод имеет ряд преимуществ. Во-первых, запись профиля звуковой дорожки может быть выполнена при скоростях в 10-50 раз ниже, чем скорость звуковой записи. Значительное уменьшение скорости вращения цилиндра позволяет резко уменьшить динамическую нагрузку на поверхность цилиндра, что очень важно с точки зрения его сохранения. При уменьшении скорости вращения цилиндра до 3-6 оборотов в минуту динамическая нагрузка на поверхность цилиндра в системе воспроизведения может быть уменьшена в 300-500 раз по сравнению с пьезоэлектрическим методом.

Во-вторых, метод позволяет значительно улучшить качество воспроизведения звука. Анализ процесса воспроизведения звука с цилиндров Эдисона показал, что один из основных шумов - шум, возникающий при контакте иглы звукоснимателя с частицами пыли и царапинами. Размер пылинок (3-10 мкм) и большинства царапин (5-10 мкм) намного меньше отпечатка звуковой волны на поверхности цилиндра. При взаимодействии иглы с пылинками и микротрещинами при традиционных методах считывания возникает импульсная шумовая помеха, имеющая широкий спектральный диапазон и трудноотделимая от полезного сигнала. Чтобы уменьшать шум, произведенный пылинками, трещинами и другими явными дефектами, предлагается профиль, снятый от поверхности звуковой дорожки, до преобразования его в звук аппроксимировать более гладкой кривой, исключая явные выбросы, связанные с пылью, трещинами и т. д.

В-третьих, компьютерная обработка и преобразование профиля дорожки в звук исключают необходимость повторения процессов воспроизведения с целью выбора оптимальной скорости вращения, соответствующей той, на которой была выполнена запись. Это значительно уменьшает вероятность повреждения цилиндров при повторных воспроизведениях.

Технической реализацией предложенного метода является цифровая оптико-механическая интерферометрическая система неразрушающего измерения профиля звуковой дорожки воскового цилиндра, обобщенная функциональная схема которой приведена на рис. 1.

Система состоит из трех основных подсистем:

• интерферометрической измерительной подсистемы;
• подсистемы вращения воскового цилиндра;
• подсистемы линейного осевого перемещения воскового цилиндра.

Измерительный узел представляет собой лазерный интерферометр, в основу которого взята классическая схема Майкельсона. Профиль звуковой дорожки цилиндра отслеживается при помощи зонда эллиптической формы. С зондом жестко связан оптический элемент измерительного плеча интерферометра (уголковый отражатель), перемещение которого, соответствующее профилю звуковой дорожки, измеряется с дискретностью не более 0,1 мкм и заносится в ЭВМ. Уголковый отражатель с зондом закреплен на одном конце рычага (тонарма). Другой конец тонарма связан с датчиком положения. Для получения звука производится вычисление скорости измерения профиля поверхности и его компьютерная запись. При помощи компьютера программировалась скорость воспроизведения, соответствующая скорости вращения при записи. Для большинства цилиндров неизвестна точная скорость вращения, при которой производилась запись. Компьютерная обработка после записи профиля поверхности позволяет выбрать оптимальную скорость воспроизведения при одном проходе звукоснимателя. С целью обеспечения стабильности и точности интерферометрической измерительной системы разработанная установка для воспроизведения звука с цилиндров Эдисона выполнена неподвижной. Съем профиля звуковой дорожки (сканирование цилиндра) осуществляется посредством синхронных вращений (система вращения) и осевого перемещения цилиндра относительно неподвижной интерферометрической системы (система позиционирования). Для минимизации внешних шумов перечисленные выше системы установлены на фундаменте массой 120 тонн. Приводы вращения и линейного перемещения выполнены аэростатическими, что позволило избежать шумов подшипников.

ОБРАБОТКА ФОНОГРАММ

Как уже упоминалось ранее, звук, воспроизведенный с фонографических цилиндров Эдисона, характеризуется высоким уровнем шумов и искажениями полученного сигнала.

Искажения сигнала, считанного с фонографического цилиндра, можно разделить на две группы: локальные и интегральные. К локальным относятся кратковременно действующие импульсные помехи - щелчки, потрескивание и амплитудное ограничение. Интегральные ухудшения сигнала изменяют весь звуковой материал цилиндра и присутствуют непрерывно при воспроизведении. Они включают в себя широкополосный шум, низкочастотный шум (рокот), детонацию и нелинейные искажения.

Обработка фонограмм, считанных с фонографических цилиндров Эдисона, происходит в 2 этапа: предварительная обработка сигнала аналоговыми методами и цифровая обработка путем применения сложных математических алгоритмов.

Профиль звуковой дорожки измеряется интерферометрическим датчиком, оцифровывается аналого-цифровым преобразователем с частотой дискретизации 8 кГц и уровнем квантования 16 бит и заносится в компьютер для дальнейшей обработки. На рис. 2 представлен пример спектра входного сигнала, считанного с цилиндра. Преобразования в частотной области производились 60 раз на всем интервале записи, что позволило наблюдать сигнал одновременно в трех измерениях - время, частота и амплитуда.

Дальнейшая обработка сигнала выполняется следующим образом. Вначале сигнал конвертируется к частоте выборки 48 кГц и подбирается оптимальная скорость воспроизведения путем изменения шага выборки при неизменной частоте выборки.

Далее производятся операции "склеивания" сигнала в местах разрывов, связанных с механическими повреждениями звуковых дорожек. Несмотря на то, что амплитудно-частотная характеристика полезной звуковой информации, записанной на фонографическом цилиндре, лежит в пределах 160 Гц - 5 кГц, данная система считывания позволяет воспроизвести сигналы с частотами вплоть до 20 кГц.

Однако аналоговыми методами не удается устранить искажения сигнала, связанные с повреждениями цилиндра, поэтому дальше фонограмма подвергается цифровой обработке.

Искажения звука, присутствующие в фонограмме, для достижения наилучшего качества очистки классифицируются и разделяются по длительности и частоте. Анализ воспроизведенных с цилиндров фонограмм показал, что в подавляющем большинстве присутствуют наиболее характерные помехи четырех типов:

• короткие импульсные помехи (щелчки);
• низкочастотные импульсные помехи (треск);
• низкочастотный шум (рокот);
• широкополосный поверхностный шум.

Каждый вид помех имеет свои характерные особенности, и для их обработки используются различные алгоритмы.

В процессе восстановления и реконструкции сигнала цифровая обработка записей, сделанных на фонографических цилиндрах, проходит в такой последовательности:

1) удаление коротких импульсных помех (щелчков);
2) удаление низкочастотных импульсных помех (потрескивания в сигнале);
3) фильтрация низкочастотного шума-рокота;
4) подавление широкополосного поверхностного шума.

Импульсы в виде кратковременных щелчков устраняются программой, в основу алгоритма которой положен нелинейный фильтр, отслеживающий скорость изменения сигнала.

Опыт работы с фонограммами показал, что для каждого конкретного звукового материала фонографических цилиндров необходима индивидуальная настройка фильтра. Методом приближений необходимо настроить такой уровень порога, при котором детектируемая импульсная помеха затирается, а соседние выборки сигналов выравниваются. На рис. 3 показан фрагмент сигнала, в котором присутствуют импульсные помехи - щелчки. Их видно в виде вертикальных узких полос (верхняя диаграмма). На нижней диаграмме тот же фрагмент сигнала, но уже с устраненными импульсными искажениями. На рис. 4 представлен увеличенный в масштабе фрагмент предыдущего рисунка, где отчетливо виден эффект интерполяции соседних участков, разделенных импульсной помехой.

Для восстановления сигнала от щелчков и других импульсных помех с большой низкочастотной составляющей, длительность которых может составлять десятки миллисекунд, используется несколько иной алгоритм обнаружения и восстановления. Из всех типов импульсных помех именно треск и его производные наиболее трудно удаляемы. Поэтому при их удалении используются более сложные компьютерные алгоритмы. Треск от одиночных щелчков (коротких импульсных помех) отличает то, что он присутствует в сигнале с более высокой плотностью и низкой амплитудой. Если импульсные помехи появляются случайным образом, то они слышимы как потрескивание. Если же они при воспроизведении возникают регулярно и с большой частотой появления, то в сигнале дополнительно появляются низкочастотные помехи, слышимые подобно гудению. При этом они коррелированы с полезным сигналом, что приводит к дополнительным искажениям исходного сигнала. Для обнаружения таких помех необходимо использовать анализ выборок целым массивом цифровых отсчетов, так называемым окном. Когда детектируется помеха, сигнал восстанавливается в пределах всего окна. Количество отсчетов, определяющих размер окна, является параметром управления и находится в пределах 64-2048, что при частоте дискретизации 48 кГц соответствует периоду времени от 1,3 до 42 миллисекунд.

Для подавления в сигнале низкочастотного шума-рокота применяется цифровая фильтрация. Удовлетворительные результаты получены при использовании фильтра высоких частот третьего и выше порядка с частотой среза 100-200 Гц.

Заключительным этапом в обработке и восстановлении сигнала является удаление широкополосного поверхностного шума. Широкополосный шум является одной из наиболее обычных форм искажений звукового сигнала. Из-за неравномерного размещения по поверхности цилиндра повреждений от микроорганизмов и пыли на одном и том же фонографическом цилиндре шум может проявлять разнообразную "окраску" (различные спектральные характеристики).

Шум удаляется на всех частотах ниже некоторого установленного звукового порога. Эффективной такая обработка фонографических цилиндров будет только в том случае, если шумовые характеристики сигнала неизменны во времени. Для получения лучших результатов рекомендуется анализировать шумовое содержание и адаптировать шумоподавление к характеристикам звукового материала. Применяемая система шумоподавления работает посредством анализа и повторного синтеза. Основным параметром при построении профиля является количество выборок в окне анализа и количество дискретных полос частот (в пределах 1024-16384), в которых индивидуально определяется уровень шума. На рис. 5 показано построение спектра исследуемого сигнала в диапазоне частот 0-22 кГц, разбитого на 2048 дискретных полосы.

После выполнения частотного анализа строится огибающая профиля по 1024 точкам вокруг 2048 дискретных полос. (рис. 6).

Таким образом, на разработанном оборудовании с использованием нового цифрового оптико-механического метода и технологии обработки фонограмм произведена перезапись на современные носители информации ряда коллекций фонографических восковых цилиндров Эдисона. Переписаны коллекция еврейского музыкального фольклора первой половины ХХ века, хранящаяся в Национальной библиотеке Украины им. В.И. Вернадского (г. Киев, Украина), коллекция украинского музыкального фольклора, хранящаяся в Институте искусствоведения, фольклористики и этнологии им. М.Т. Рыльского НАН Украины, коллекция цилиндров с фонограммами выдающегося датского композитора Карла Нильсена (г. Ааргус, Дания) - всего около 2000 мелодий.

В настоящее время переписано более 1000 цилиндров. После первичной цифровой обработки, которая включает в себя подбор оптимальной скорости воспроизведения звука, устранение дефектов в воспроизводимом сигнале, связанных с повреждением отдельных дорожек, нарушающих непрерывность звукового материала, полученный инструментальный звук был записан на компакт-диски. Общая длительность звучания этого материала составляет около 50 часов.

Проведенный анализ подавления шумов в звуковой информации более 800 цилиндров показал отличия в обработке речевых сигналов (вокальное исполнение) и инструментальной музыки. Наилучшие результаты в обработке речевых сигналов достигаются при минимальных значениях числа дискретных полос 1024-2048. При обработке инструментальной музыки значение этого параметра должно быть увеличено. Важным параметром в управлении данным процессом является уровень шумоподавления. Чем больше подавляется шум, тем больше теряется и оригинальность звукового материала, появляются гармонические и фазовые искажения сигнала, приводящие к искусственному звучанию. Поэтому к выбору уровня подавления необходимо подходить достаточно осторожно.

Использование в обработке звукового сигнала с частотным диапазоном до 20 кГц имеет два очевидных преимущества. Первое - это позволило сохранить высшие гармоники звукового сигнала, которые непосредственно не воспринимаются слухом, но положительно влияют на формирование общей звуковой картины. Второе - такой сигнал удобнее обрабатывать на предмет удаления импульсных помех (щелчков), так как фронты импульсов более крутые и вероятность их детектирования повышается.

В процессе выполнения операций воспроизведения коллекций восковых цилиндров постоянно осуществлялся контроль их состояния. Ни на одном цилиндре не наблюдалось следов механического съема материала цилиндра, повреждения, деформации звуковых дорожек, вызванных непосредственно операцией воспроизведения. Это подтверждается также анализом как сигнала воспроизведения профиля звуковой дорожки, так и полученного в дальнейшем звукового сигнала. Оборудование позволяет воспроизводить звук с восковых цилиндров без заметных нелинейных искажений в полосе частот до 16 кГц.

Таким образом, создано уникальное оборудование для высококачественной перезаписи фонографических цилиндров, на котором впервые записаны образцы народных произведений, голоса выдающихся деятелей и музыкальные произведения конца IX - начала XX века, которые, безусловно, подлежат перезаписи на цифровые носители, чтобы сделать их доступными всему человечеству. Поэтому предложенный метод, обеспечивая неразрушающее воспроизведение звука, является уникальным и признан рядом зарубежных специалистов лучшим в мире. Сегодня ведутся переговоры о перезаписи уникальных цилиндров Эдисона, хранящихся в Библиотеке Конгресса США, в Швеции, в Музее мyзыкальной культуры им. Глинки (Москва, Россия).