Спосіб зчитування інформації з механічної фонограми

Спосіб зчитування інформації з механічної фонограми раритетних носіїв запису, при якому здійснюють зчитування інформації методом контакту голки з канавкою і перетворення в цифровий код інформації про профіль мікрорельєфної інформаційної доріжки з використанням інтерферометричного методу на основі інтерферометра Майкельсона із використанням диференціальної фотометрії, який відрізняється тим, що зчитують інформацію при зменшеній швидкості обертання носія запису більш ніж у 10 разів порівняно з номінальною швидкістю запису, зчитування здійснюють за допомогою звукознімача зі сферичним наконечником, сумірним з розмірами канавки, з оптичним чутливим елементом, яким знімають і перетворюють в цифровий код інформації про профіль мікрорельєфної інформаційної доріжки. Винахід стосується технології відтворення звуку з раритетних носіїв інформації - воскових валиків Едісона (фонографічних циліндрів) та грамплатівок із глибинним записом звукових канавок. Першим практично працюючим апаратом механічного запису-відтворення природних звуків був фонограф, винайдений Томасом Едісоном у серпні 1877 року. Протягом майже 60 років з часу винаходу, фонограф слугував для збирання фольклорної музики та пісень, - запису голосів видатних діячів культури й історії. За цей час в світі накопичилась величезна кількість воскових фонографічних циліндрів, декілька сот тисяч, які в переважній' більшості зберігаються в багатьох бібліотеках та архівах світу. Зроблені на них записи мають величезну історичну й культурну цінність. Фонографічні циліндри, як перші носії аудіоінформації, є далеко не досконалими і мають малий ресурс зберігання й кількість циклів відтворення. Необхідно зауважити, що головним недоліком фоноциліндрів, як носіїв запису, є достатня м'якість матеріалу з якого вони виготовлені. Існують різні способи відтворю вання звукової інформації з воскових фонографічних циліндрів. Відомий спосіб відтворення звуку з фонографічних циліндрів, при якому І зчитування інформації здійснюється за допомогою акустичного звукознімача, основними елементами якого є голка, мембрана і звукопровідник (рупор) [1, 2, 3]. Для програвання воскових фоноциліндрів акустичним способом використовується фонограф, або обладнання за допомогою якого вони були записані. Однак при акустичному способі відтворити записи з використанням оригінальних фонографів (унаслідок деформації й пошкодження поверхні фоноциліндрів за тривалий час зберігання) не є можливим через велику притискну силу звукознімача, яка дорівнює 1H. Спроби виконати перезапис аудіоінформації на такому обладнанні призводять до втрати раритетних записів. Відомий інший спосіб, так званий електричний, що передбачає зчитування інформації стандартним електричним звукознімачем [3]. Швидкість обертання при цьому дорівнює номінальній швид (19) UA (11) 84461 (13) (21) a200611513 (22) 01.11.2006 (24) 27.10.2008 (46) 27.10.2008, Бюл.№ 20, 2008 р. (72) КОСЯК ІГОР ВАСИЛЬОВИЧ, UA, ПЕТРОВ ВЯЧЕСЛАВ ВАСИЛЬОВИЧ, UA, ШАНОЙЛО СЕМЕН МИ ХАЙЛОВИЧ, UA, КРЮЧИН АНДРІЙ АНДРІЙОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ РЕЄСТРАЦІЇ ІНФОРМАЦІЇ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ Н АУК УКРАЇНИ, UA (56) US 6829207, 07.12.2004 GB 795935, 04.06.1958 JP 108124, 11.04.2003 Petrov V.V., Kryuchin A.A., Shanoylo S.M., Riabokon I.P. Optomechanical method of sound reproduction from Edison cylinders //Proc.SPIE. Vol. 3055 (Int. Conf. "Optical Storage and Transmission of C2 1 3 84461 кості запису фоноциліндра, тобто в межах 120180об/хв. Недоліком даного способу, незважаючи на незначне значення притискної сили звукознімача (1520мН), є наявність фізичного контакту голки з тендітною поверхнею звукової доріжки воскового фоноциліндра при відтворенні зі швидкістю обертання, яка дорівнює номінальній швидкості запису. Внаслідок чого динамічне навантаження на поверхню фоноциліндра досить істотне, що може привести до деформації профілю звукової доріжки чи руйнуванню її взагалі. А це, у свою чергу, може призвести до спотворення відтвореного звуку. Водночас, з'ясовано, що типові промислові електричні звукознімачі пристосовані виключно для відтворення поперечного запису звукових канавок (грамплатівки), тоді як звукові канавки фоноциліндрів утворені за допомогою глибинного запису. В результаті звуковий сигнал, при відтворенні електричним звукознімачем, не відповідає справжньому профілю звукових канавок, які записані на фоноциліндрі й таким чином якість сигналу безумовно, погіршується. Відомий оптичний спосіб відтворення звуку з фоноциліндрів [4]. Принцип його роботи полягає в тому, що сфокусований лазерний промінь, який спрямований на модулюючу канавку фоноциліндра, відбиваючись від останньої, несе в собі оптичну інформацію, яка після прийому її фотоприймачем перетворюється в електричний звуковий сигнал. Єдина перевага оптичного способу відтворення звуку з воскових фоноциліндрів – це безконтактне зчитування інформації, що є найбільш безпечним. Однак є один дуже вагомий істотний недолік невірне звуковідтворення інформації, пов'язане з тим, що структура відбиваючої поверхні циліндра є неоднорідною через наявність: деструкції основи фоноциліндрів, налипання пилу; мікроорганізмів, що викликають розвиток цвілі; необоротних процесів хімічного старіння матеріальної основи і т.п. І як наслідок, надзвичайно низьке відношення сигнал/шум. Результати обстежень фізичного стану інформаційної поверхні воскових циліндрів показують, що загалом переважна більшість із них мають ушкодження поверхні [5]. Отже, при застосуванні неруйнівного оптичного способу унеможливлюється якісне відтворення більшості фонографічних циліндрів. Відомий також спосіб відтворення механічної фонограми, який припускає метрологічне вимірювання геометрії звукової канавки, тобто профілю. Для отримання звуку, зчитувана інформація піддається комп'ютерній обробці. Вимірювання профілю звукової канавки може відбуватися за допомогою механічних інструментів [6], або оптичних [6, 7]. На відміну від оптичного способу [5], який засновано на методі відбиття лазерного променя, метрологічне вимірювання в [7] здійснюється З-d скануванням звукових канавок фоноциліндра за допомогою мікроскопу. Для сканування інформаційної поверхні фоноциліндра використано поліхроматичне конфокальне відображення. Конфокальний чутливий елемент має розмір точки 1,5мкм, глибину різкості 350мкм, розподільчу здатність 4 0,01мкм. Коли фоноциліндр. обертається, чутливий елемент сканує поверхню фоноциліндра паралельно лінії осі циліндра окремими зрізами з кроком 0,01° навколо кола. Кількість таких зрізів дорівнює 36000. Вимірювання зрізу виконуються кожні 10мкм по осі. Отриманий таким чином масив даних складається з трьох координат: кут обертання, положення на циліндричній осі, глибина. Після складної комп'ютерної обробки отримується звуковий сигнал. Перевагою способу на основі метрологічного вимірювання є безконтактне зчитування інформації, що є найбільш безпечним для збереження тендітних фоноциліндрів. Недоліками відомого способу є відсутність можливості зчитування фоноциліндрів з механічними ушкодженнями поверхні, невірне звуковідтворення при налипанні пилу на інформаційній поверхні, значні затрати часу на обробку масиву даних. Найбільш близький спосіб до даного технічного рішення, що був обраний за прототип, описаний у патенті US6829207 "Method for reconstruction of phonograph records from physical measurement" [6], в якому для відтворення звуку з механічної фонограми застосовується вимірювання профілю звукової канавки за допомогою механічних, або оптичних інструментів. Відомий спосіб передбачає, що в якості механічних інструментів для вимірювання профілю звукової канавки можливе застосування координатновимірювальної машини, інтерферометра. Суть способу-прототипа пояснюється кресленнями 1,2. На Фіг.1 представлено блок-схему способупрототипа, що складається з механічної фонограми у вигляді грамплатівки 3, вимірювального інструмента 2, комп'ютера 1. На Фіг.2 показано у поперечному розрізі механічну фонограму (грамплатівку) 3, де зображено звукову канавку 4, голку вимірювального інструмента 5. Контактуючи зі звуковою доріжкою 4, голка вимірювального інструмента 5 відхиляється у відповідності до геометрії звукової канавки, що фіксується вимірювальним інструментом. Отримані дані про відхилення голки надходять до комп'ютера для обчислення, де після відповідної обробки одержується звуковий сигнал. Недоліками відомого способу є: 1) відсутність в описі патенту його практичної реалізації із зазначенням результатів зчитування, тобто, в даному патенті тільки припускається можливість застосування способу для відтворення записів механічної фонограми; 2) в патенті не зазначено значення притискної сили вимірювального інструмента; 3) можливе зчитування інформації відбувається за допомогою голки значно меншого розміру ніж ширина канавки, що унеможливлює відтворення багатьох фоноциліндрів з наявністю механічних пошкоджень у вигляді тріщин, сколів через можливість' застрявання в них тонкої голки, що зрештою призводитиме до руйнування звукових канавок. В основу винаходу покладено спосіб зчитування інформації з механічної фонограми, який забезпечує неруйнівне й високоякісне відтворення 5 84461 аудіоінформації навіть з ушкоджених носіїв при наявності механічних пошкоджень у вигляді тріщин, сколів. Поставлена задача вирішується тим, що зчитування інформації з механічної фонограми відбувається методом фізичного контакту голки з канавкою, при цьому розміри голки сумірні з розмірами канавки а швидкість обертання носія менша від номінальної швидкості більше, ніж у 10 разів. В якості звукознімача (вимірювального інструмента) застосовано оптичний чутливий елемент, побудований на основі інтерферометра Майкельсона із використанням диференціальної фотометрії, який дозволяє знімати з механічної фонограми саме профіль звукової доріжки з наступною реєстрацією у цифровій формі і забезпечує більш точне відтворення звукового сигналу. Значення притискної сили звукознімача на поверхню носія інформації дорівнює 20мН. При зменшенні швидкості зчитування відбувається зміщення спектру сигналу в більш низьку частотну область. Дослідження типових електрозвукознімачів показали недоцільність їх використання з точки зору якісного та достовірного зчитування звукової інформації. У результаті в якості звукознімача було запропоновано оптичний чутливий елемент, побудований на основі інтерферометра Майкельсона з використанням методу диференціальної фотометрії. На відміну від традиційних звукознімачів, запропонований оптично-механічний спосіб виміру параметрів звукової канавки забезпечує вимірювання саме профілю інформаційної доріжки, що підвищує точність відтворених звукових коливань [8, 9]. Суть винаходу пояснюється кресленням, де зображені: - на Фіг.3 - положення голки в звуковій канавці; - на Фіг.4 - оптико-механічний звукознімач; - на Фіг.5 - узагальнена функціональна схема діючого пристрою неруйнівного відтворення інформації з фоноциліндрів, що працює у відповідності до заявленого способу зчитування інформації з механічної фонограми; - на Фіг.6 - часові діаграми сигналів. На Фіг.4 представлено розроблений оптикомеханічний звукознімач, де зображені відтворювальна голка 5, корпус звукознімача 6, еластична втулка 7, кутиковий відбивач 8. Спосіб і пристрій зчитування інформації з механічної фонограми пояснюється функціональною схемою (Фіг.5), де зображені комп'ютер 1, носій інформації - фоноциліндр 3, голка 5, оптикомеханічний звукознімач 9, система інтерферометра 10, блок обробки сигналу 11, тонарм 12, датчик положення 13, позиціонер 14, система обертання 15, схема керування 16. Заявлений спосіб реалізують таким чином. Профіль звукової доріжки фоноциліндра відстежується за допомогою голки сферичної форми 5 (Фіг.3) із радіусом заокруглення г, сумірним із шириною канавки, та кутом розкриття a. З голкою жорстко зв'язаний оптичний елемент вимірювального плеча інтерферометра кутиковий відбивач 8 (Фіг.4). Інтерферометричний сигнал після перетворення в блоці обробки 11 надходить до комп'ю 6 тера 1. Для одержання звукового сигналу здійснюється обчислення швидкості зміни виміру профілю поверхні і його комп'ютерна обробка. Обчислена первісна швидкість відтворення відповідає швидкості обертання при записі. При цьому цифровий сигнал програмно стискується у часі в стільки разів, у скільки необхідно, щоб швидкість відтвореного сигналу відповідала швидкості початкового запису на фоноциліндрі. З метою забезпечення стабільності й точності, інтерферометрична вимірювальна система 10 виконана нерухомою. Знімання профілю звукової доріжки здійснюється за допомогою синхронного обертання й осьового переміщення фоноциліндра, щодо нерухомої інтерферометричної системи. Обертання циліндра здійснюється зі сталою швидкістю 12об/хв. Поздовжня швидкість переміщення циліндра встановлюється системою слідкування за доріжкою таким чином, щоб головка звукознімача торкалася кожної канавки під прямим кутом. Інтерферометр 10 є невід'ємною частиною звукознімача 9. Контролюючи переміщення кутового відбивача, контролюється профіль доріжки фоноциліндра. На Фіг.6 показано фрагмент реальних інтерференційних сигналів U1 I U2, що були отримані при зчитуванні фоноциліндру та хвильову форму звукового сигналу Ut1 після обробки інтерференційних сигналів. Зменшення швидкості обертання носія інформації при зчитуванні більш ніж у 10 разів від номінальної швидкості запису дозволяє суттєво (більш ніж у 100 разів) зменшити динамічне навантаження на поверхню носія інформації і забезпечити неруйнівне й високоякісне відтворення звукової інформації навіть з ушкоджених воскових фоноциліндрів. Це було підтверджено проведеною авторами оцінки механічних властивостей носія запису - фоноциліндра. В результаті проведеної оцінки механічних властивостей за допомогою непрямого електроакустичного вимірювання встановлено, що для запобігання пошкодження фоноциліндрів, зменшення викривлень сигналу й отримання більшої цілісності фонограм швидкість обертання фоноциліндра, при зчитуванні, необхідно істотно зменшити. Результати досліджень показали, що при швидкості обертання фоноциліндра 12об/хв і величини притискної сили голки звукознімача 20мН деформації форми хвилі не виявлено, амплітуда відтвореного сигналу не зменшилась. Звідси випливає, що зношування фоноциліндра, як і його руйнування, не відбулося. Найвагомішою перевагою застосування сферичної голки, яка сумірна з розмірами канавки (Фіг.3) є те, що при програванні фоноциліндрів, які мають подряпини та тріщини, голка плавно обгинає ушкоджені місця, не перериваючи контакту з канавкою і не руйнуючи її. Застосування інтерферометричної системи дозволяє забезпечити високу точність і чутливість системи вимірювання профілю інформаційної доріжки, що дорівнює £0,0025мкм. Розрахована величина точності, з якою необхідно забезпечити 7 84461 вимірювання амплітуди коливань для отримання відтворених фонограм високої якості, враховуючи, що середня амплітуда запису канавки 5мкм, динамічний діапазон 54дБ (як для грамплатівок), І дорівнює 0,01мкм. Таким чином, заявлений спосіб доводить переваги даного технічного рішення щодо одержання якісного та неруйнівного відтворення інформації з раритетних носіїв. Такий спосіб зчитування інформації з механічної фонограми дозволяє достовірно відтворювати звукову інформацію без спотворення сигналів навіть з ушкоджених носіїв та його можна використовува ти для відтворення звуку з воскових фоноциліндрів та раритетних грамплатівок з глибинним записом. Джерела інформації: 1. Патент США US200521, МПК Gl11B3/00, пріоритет 19.02.1878. 2. Патент Великобританії GB190306584, МПК Gl11B3/00, пріоритет 21.03.1903. 3. Franz Lechleiter. A Newly constructed cylinder replay machine for 2-inch diameter cylinders // Archiving the audio-visual heritage: Third Joint technical symposium; 1990 May 3-5; Canadian Museum of Civilization, Ottawa. - P. 145-148. 8 4. Toshiaki Iwai, et al. Reproduction of sound from old wax phonograph cylinders using the laserbeam reflection method // Applied Optics, vol. 25, N5, 1986. - P. 597-604. 5. Новикова Г., Скобець I. До питання про збереження фонографічних воскових циліндрів (у НБУ їм. В.І. Вернадського) // Бібліотечний вісник. - 1996. - №6. - C. 10-12. 6. Патент США US6829207, МПК G11B7/28, пріоритет 7.12.2004. 7. Патент США US2005002319, МПК G11B3/70, пріоритет 6.01.2005. 8. Petrov V.V., Kryuchin A.A., Shanoylo S.M., Rjabokon I.P., Kosyak LV. Optomechanical method of sound reproduction from Edison cylinders // Proc. SPIE. Vol. 3055 (Int. Conf. "Optical Storage and Transmission of Information". 14-16 May. 1996. Kiev, Ukraine). - P. 218-224. 9. V.V. Petro v, O.S. Onishenko, A.A. Kryuchin, S.M. Shanoylo, LP. Riabokon. Optomechanical Method of Edison Cylinders Sound Reproduction. An Audio Engineering Society Preprint 4491 (M 4). Presented at 102-nd Convention. 1997, March 22-25, Munich, Germany. 9 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 84461 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601