Definicja Historia analogowego i cyfrowego dźwięku

Co to jest HISTORIA ANALOGOWEGO I CYFROWEGO DŹWIĘKU w dążeniu do doskonałości zapisu i odtwarzania dźwięku sprzymierzeńcem okazała się metoda cyfrowa. Dalszemu postępowi przesyłania, zapisywania i odtwarzania dźwięku utorował drogę A.G. Beli (poprzez wynalazek telefonu w 1876). Po raz pierwszy dźwięk zapisał w 1877 T.E. Edison- budując fonograf. Był to metalowy rylec przytwierdzony do membrany, który ślizgając się po woskowym walcu żłobił w nim rowek o głębokości zmieniającej się w takt jej drgań. W 1887 E. Berliner zastąpił wałek woskowy płytą woskową, którą po utrwaleniu dzięki kwasów można było kilkakrotnie odtwarzać. W 1888 opatentował on boczny zapis dźwięku na płycie, który przetrwał do dzisiaj. Na przełomie wieków T.E. Edison, genialny samouk i artysta wynalazków z wielu dziedzin (posiadacz powyżej 1000 patentów), opracował praktyczny sposób otrzymywania „płyty matki”, stanowiącej replikę (negatyw) płyty woskowej z zapisanym dźwiękiem. Do dzisiaj wykorzystuje się tę technikę do tłoczenia płyt gramofonowych. Ówczesne urządzenia do odtwarzania płyt miały charakter mechaniczno-akustyczny i nosiły nazwę patefonów. Zaopatrzone były w napęd sprężynowy. Przesuwająca się po rowku igła wprawiała w drgania membranę, która wytwarzała falę akustyczną. Do wzmacniania dźwięku służyły tuby, mające różną rozmiar i kształt. Stąd także sporo różnych konstrukcji patefonów, od bardzo małych, turystycznych, przez skrzynkowe, szafkowe – aż do w najwyższym stopniu okazałych, z tubami zewnętrznymi. W 1925 pojawiły się w stanach zjednoczonych ameryki patefony, gdzie napęd sprężynowy został zastąpiony silnikiem elektrycznym, lecz odczyt dźwięku pozostał dalej mechaniczno-akustyczny. Dopiero około 1934 pojawiły się pierwsze gramofony zaopatrzone w przetwornik mechaniczno-elektryczny, zwany adapterem. Uzyskany z niego sygnał elektryczny poddawany był wzmocnieniu przez wzmacniacz zbudowany na triodzie (wynalezionej w 1906 poprzez Lee de Foresta). Gramofony te wykorzystywały płyty gruborowkowe o prędkości obrotowej 78 obr/min. Cały zbiór przenosił częstotliwość 30÷8000 Hz. Sporym rozwojem w produkcji płyt gramofonowych było wypuszczenie na rynek w 1948 poprzez amerykańską firmę CBS płyt mikrorowkowych (LP – Long Play). Umożliwiały one czterominutowe nagrania na płycie o średnicy 7 cali przy 46 obr/min. Towarzystwo fonograficzne Columbia opracowało niemal w tym samym czasie płyty o średnicy 10÷12 cali z czasem nagrania 15÷20 min przy 33 1/3 obr/min. Amerykańska spółka Victor nieco potem rozpoczęła produkcję płyt o średnicy 7 cali z 45 obr/min i symbolem EP (z angielskiego: Extended Play). Umożliwiały one nagrywanie dźwięku o paśmie 30÷55 000 Hz przy małych zniekształceniach i niskim poziomie szumów. Do czasu wynalezienia płyt kompaktowych uważane były za najwierniejszy sposób rejestracji dźwięku HiFi (High Fidelity). Po 25 latach badań w 1957 przyjęto ujednolicony na całym świecie 45°/45° mechanizm zapisu stereofonicznego dźwięku na płytach gramofonowych. Polegał on na tym, iż na jednej ściance rowka (pochylonej pod kątem 45°) zapisany był z modulacją poziomą jeden kanał stereofoniczny, a na drugiej ściance drugi. Obydwie ścianki tworzą względem siebie kąt 90°. Od wynalezienia telefonu i patefonu przetwarzanie, przesyłanie i zapisywanie dźwięku stereofonicznego na płytach gramofonowych do dzisiaj wykonywane jest w technice analogowej. Charakteryzuje się ona tym, iż przesyłany albo zapisywany sygnał elektryczny ma przebieg analogiczny do przebiegu dźwięku padającego na mikrofon. Mimo szeregu wynalazków i udoskonaleń nie powiodło się wyeliminować jej podstawowej wady, polegającej na sumowaniu się w całym torze przesyłowym szumów i zniekształceń. Stąd także wysiłek konstruktorów został skierowany na opracowanie urządzenia do przesyłania i zapisu dźwięku sposobem cyfrową. Jej bardzo ogólna idea przesyłania sygnałów znana jest od dawna, na niej gdyż oparta jest telegrafia. Dopiero jednak postęp w ostatnim dwudziestopięcioleciu mikroelektroniki pozwolił na zastosowanie techniki cyfrowej nie tylko w informatyce, lecz również w innych dziedzinach techniki, między innymi w telekomunikacji i produkcji elektronicznego sprzętu powszechnego użytku. Za cyfrowym przesyłaniem i zapisywaniem dświęku przemawia fakt, iż nawet przy bardzo długim torze przesyłowym, gdzie sygnał jest wielokrotnie przetwarzany, na końcu uzyskuje się wyjściowy sygnał analogowy wiernie odpowiadający sygnałowi wejściowemu.
Teoretyczną podstawę cyfrowej techniki fonicznej opracował Rovers, który w 1938 opatentował założenia kodowej modulacji impulsowej (nazywanej w skrócie PCM – Pulse Code Modulation). Urzeczywistnienie tych założeń pozwoliło na opracowanie w latach ’70 szybkich przetworników A/C (analogowo-cyfrowych) i C/A (cyfrowo-analogowych) o dużej rozdzielczości. Najsłabszymi elementami w torze transmisyjnym dświęku, wprowadzającym największe zniekształcenia i szumy, są gramofony i magnetofony. Stąd spore zainteresowanie opracowaniem konstrukcji tych urządzeń z wykorzystaniem techniki cyfrowej – kodowej modulacji impulsowej (PCM). Mechanizm CD został przygotowany w 1978 w laboratorium spółki Philips jako uboczny wytwór badań nad dyskowidem, jest to urządzeniem służącym do odtwarzania obrazu zarejestrowanego na płycie. Z racji na bardzo wzrastającą wówczas popularność magnetowidów, dyskowidy nie przyjęły się. Po połączeniu wysiłków badawczych Philipsa z japońską spółką Sony, która opracowała własny mechanizm cyfrowy z płytą o średnicy 30 cm, w kilka lat potem powstała płyta kompaktowa CD. Główni jej artysty, Holender Lodawijk Ottens i Japończyk Toshidata Doi, otrzymali w 1981 nagrodę Eduarda Rheina. Jednak zanim mechanizm został zaakceptowany jako zunifikowany format na całym świecie, musiał zwalczyć rywalizację ze strony spółki JVC (z angielskiego: Victor Company of Japan), która opracowała swój dyskofon AHD (z angielskiego: Audio High Density). Pracował on na zupełnie odmiennej zasadzie, jest to opierając się na techniki odczytu pojemnościowego. Compact disc jest jednym z niewielu wyrobów, który przed rozpoczęciem seryjnej produkcji został znormalizowany i ujednolicony pod względem systemowym poprzez wszystkie państwa świata (1983). Miało to ważne znaczenie dla dalszego rozwoju CD, którego pełna nazwa brzmi Compact Disc Digital Audio (CD-DA = CD-Audio). Płyta kompaktowa CD charakteryzuje się tym, iż dźwięk można z niej tylko odtwarzać, bez możliwości zapisu. Niedogodność tę eliminują w pewnym stopniu płyty z możliwością jednokrotnego zapisu CD-WO (z angielskiego: Compact Disc – Write Once). Komercjalizację tego mechanizmu rozpoczęto wiosną 1992. Płyty CD-WO są kompatybilne do CD. Jesienią 1991 spółki Sanyo i Fisher opracowały technikę wielokrotnego zapisu i kasowania sygnałów cyfrowych na płycie kompaktowej. Metoda ta opatrzona jest symbolem MOD (z angielskiego: Magneto-Optical Disc), użytkowany jest także skrót CD-MO. Na płycie o średnicy 120 mm utrwalone są 74 min muzyki. średnica płyty i czas nagrania jest taki sam jak płyty CD. Spółka Sony w 1991 zaprezentowała (a z końcem 1992 rozpoczęła produkcję seryjną) nowy standard płyty kompaktowej o średnicy 64 mm, tak zwany Mini Disc (MD). Wykorzystano w nim istotę wielokrotnego zapisu MOD i zjawiska wynikające z psychologii słuchu — próg słyszalności i sukces maskowania. W skutku uzyskano płyty ze skomprymowanym sygnałem dświękowym, pozwalające na wielokrotny zapis, gdzie na krążku o średnicy 64 mm mieszczą się 74 min nagrania. Zapis magnetyczny dświęku rozwija się już powyżej 100 lat. Jego początki powiązane są z nazwiskiem duńskiego inżyniera Pulsena, który w 1880 opatentował wynalazek, a w 1898 zbudował urządzenie zapisujące dświęk na drucie stalowym o średnicy l mm albo na taśmie stalowej o grubości 0,05 mm i szerokości 3 mm. Szybkość przesuwu nośnika magnetycznego w trakcie zapisu wynosiła aż 3 m/s. W rozwoju magnetycznego zapisu dświęku spore zasługi położył Stille. W latach 1903-06 skonstruował on schemat dyktafonu, który póśniej stosowany był w rozgłośniach radiowych do zapisywania audycji słownych. Następnym krokiem w kierunku zbudowania aktualnych magnetofonów były prace 0′Neilla i Pfleumera. 0′Neill zastosował w 1923 jako nośnik zapisu magnetycznego dświęku taśmę papierową pokrytą z jednej strony cienką warstwą niklu. Pfleumer wykorzystał ten pomysł, ale zamiast niklu zastosował proszek stalowy. W 1930 taśmę papierową zastąpił celuloidową. Pomysł ten wykorzystała spółka BASF i w 1934 rozpoczęła na skalę przemysłową produkcję taśm magnetofonowych. Równocześnie prowadzono badania nad udoskonaleniem samych magnetofonów. Te, które dzisiaj tytułujemy szpulowymi, rozpowszechniły się po 1945. Pracowały one na taśmach o szerokości 6,3 mm, lecz stosunkowo udoskonalania technologii zmieniała się grubość taśmy. W 1954 pojawiły się taśmy o grubości 35 um, w 1958 taśmy 26 um, a w 1961 wprowadzono taśmy 18 um. Do przełomowych wynalazków w rozwoju magnetofonów należy opracowanie poprzez firmę Philips kaset magnetofonowych. Zastosowano w nich taśmę o szerokości 3,81 mm i prędkości przesuwu 4,76 cm/s. Kasety tego typu są stosowane na całym świecie i stanowią standard w konstrukcji magnetofonów. W latach ’70 w studiach radiowych, telewizyjnych i studiach nagrań fonograficznych podjęto próby cyfrowego zapisu dświęku na taśmie magnetycznej. Do tego celu wykorzystywano początkowo oddzielny procesor PCM wykorzystywany do przetwarzania zapisu analogowego na sygnał cyfrowy, który w dalszym ciągu był zapisywany dzięki magnetowidu. Z racji na rozmiary sprzętu i wydatek zapisu sposób ten nie rozpowszechnił się. Dopiero prace badawcze podjęte w Japonii nad miniaturyzacją sprzętu i opracowaniem taśmy magnetycznej do zagęszczonego zapisu pozwoliły w 1981 na zaprojektowanie poręcznego magnetofonu cyfrowego. Określano go wówczas mianem DAT (z angielskiego: Digital Audio Tape), Jednak następnie wymagał on dopracowania wielu przedmiotów. Nad rozwiązaniem zaistniałych problemów konstrukcyjnych pracowało 60 spółek na całym świecie. Badania poszły w dwóch kierunkach; wyłoniła się wersja z głowicami wirującymi R-DAT i z głowicą stacjonarną S-DAT. W 1984 przyjęto wymogi standaryzacyjne dla formatu R-DAT, a w 1986 przyjęto ten format jako jedyny na świecie. Istota zapisu dźwięku tu jest podobna do skośnego zapisu wizji w magnetowidzie. Cechuje go zwarta konstrukcja i gęsty zapis, a z powodu małe rozmiary kasety; wymaga on jednak bardzo dokładnie wykonanego systemu i wirujących głowic. Stąd także w miarę wysoki wydatek produkcji – powód słabego upowszechnienia się tego magnetofonu; znalazł on wykorzystanie jedynie w studiach. Powrócono więc do zarzuconego formatu S-DAT ze stacjonarną głowicą, gdzie sygnał nagrywa się podobnie jak w magnetofonach analogowych, ale na wielu ścieżkach. Początkowo tego typu magnetofony były w miarę spore i ciężkie, tak jak i same kasety. Na dalszy postęp magnetofonów cyfrowych DAT w bardzo sporym stopniu wpłynęły protesty spółek fonograficznych. Obawiały się one możliwości bezkarnego kopiowania w systemie DAT wysokiej klasy nagrań ze źródeł cyfrowych. Wskutek tego procederu przemysł fonograficzny poniósłby niewymierne utraty. Dopiero opracowanie kodu antypirackiego SCMS, umożliwiającego wykonanie tylko jednej kopii, rozwiązało ten problem. W styczniu 1991 Philips zademonstrował magnetofony z głowicą stacjonarną DCC (z angielskiego: Digital Compact Casette). Charakterystyczna jest ta kompresja zapisu. Sygnały cyfrowe dźwięku zapisywane są na ośmiu równoległych ścieżkach, a szerokość każdej z nich jest zbliżona do grubości włosa ludzkiego. Przejście z końca jednej ścieżki na start drugiej dzieje się automatycznie. Kaseta DCC ma takie same rozmiary zewnętrzne jak kaseta analogowa. Magnetofony DCC mogą odtwarzać także do chwili obecnej użytkowane kasety analogowe, co czyni je bardziej uniwersalnymi. Za opracowanie technologii nagrywania na taśmie magnetycznej skomprymowanego sygnału dźwiękowego DCC jej artysta A. Hoogendorn z zespołu spółki Philips uzyskał w 1992 prestiżową nagrodę Eduarda Rheina. Z kolei B. Carver, właściciel uznanej w stanach zjednoczonych ameryki spółki, opracował układ Soft EQ (miękka korekcja), który eliminuje krytykowaną poprzez wielu audiofilów wadę CD i DCC, polegającą na tym, iż dźwięki odtwarzane poprzez nie brzmią „szorstko i łamliwie”. Układ Soft EQ skutkuje, iż odtwarzany dźwięk uzyskuje ciepłe i analogowe brzmienie. Badanie tych danych uświadamia, ile wysiłku i żmudnych badań kosztowało pokonanie problemów, by przejść od pierwszych nieporadnych prób zapisu mechanicznego dźwięku na wałku woskowym i zapisu magnetycznego na drucie stalowym do „doskonale wysokiej wierności” (ideal high fidelity) zapisu cyfrowego na płycie kompaktowej czy taśmie w systemie cyfrowym. Czasopisma specjalistyczne określają wynalezienie płyty kompaktowej CD „największą rewolucją od czasu wynalezienia gramofonu”. Dlatego wielki majątek kulturalny, w formie nagrań różnego rodzaju utworów muzycznych i audycji słownych, może zostać utrwalony i upowszechniony w nie zmienionej postaci. Chroniąc przed zapomnieniem można równocześnie wykorzystywać go do kształcenia i rozwoju kulturalnego młodych pokoleń