Virtual ANS: способ напечатать звук на бумаге.

Творческому человеку всегда интересны смелые эксперименты, открывающие новые горизонты и возможности. Фантастическая идея - рисовать музыку, создавать неповторимые картины, воплощающие графику и звук, уходит корнями в начало XX века. В этой статье я расскажу об истории вопроса, а также о двух своих разработках, позволяющих делать удивительное - записывать и воспроизводить звуки в графическом виде.

Предыстория

В 1904 году французский изобретатель Юджин Августин Ласт представил прототип системы оптической записи звука на кинопленку, а в 1911 устроил, возможно, первый в истории показ фильма с использованием новой техники. Началась эра заката немого кино и революционных открытий в области синтетического звука - впервые удалось получить простой, удобный и очень наглядный способ управления аудиоинформацией.

В конце 1920-х годов при работе над одним из первых советских звуковых фильмов преимущества подобной техники отметили композитор Арсений Авраамов, конструктор Евгений Шолпо и режиссер-аниматор Михаил Цехановский. Логическая цепочка выстраивалась следующая: если мы ясно видим дорожку с записанной звуковой волной - значит, мы можем эту же волну создать искусственно, просто нарисовав ее от руки. А что, если поместить туда орнамент, сложное сочетание узоров или примитивов евклидовой геометрии? Насколько фантастичным будет результат? Ведь таким образом можно нарисовать совершенно уникальный, не существующий в природе звук, а музыку можно писать без реальных инструментов, микрофонов и исполнителей.

Несколько лабораторий вскоре занялись изучением этих вопросов. И в результате появились синтезаторы оптической фонограммы: «Вариофон» Евгения Шолпо, «Виброэкспонатор» Бориса Янковского, машина Николая Воинова для разметки «гребенок» из бумаги - базовых фрагментов синтезируемого звука. На слух все это очень напоминало современную 8-битную музыку, но с большей степенью свободы: любые формы колебаний, неограниченная полифония, самые невообразимые ритмические рисунки. Вы только вдумайтесь - оптический синтезатор, музыкальный компьютер в тридцатые годы прошлого столетия! Но это только цветочки. Мысль советских инженеров пошла дальше.

В отличие от своих коллег акустик Борис Янковский одним из первых осознал, что для создания сложных, приближенных к живым звуков недостаточно описания одной только формы колебаний. Важнейшая часть акустической информации - это спектр, четко определяющий частотный состав звука, его окраску, по которой мы даем такие субъективные определения, как яркий, теплый, металлический, похожий на человеческий голос и так далее.

Янковский начал структурировать базовые графики спектра в своего рода «таблицу Менделеева» звуковых элементов, параллельно разрабатывая алгоритмы их обработки и гибридизации для получения новых звуков на базе «спектростандартов». К сожалению, перемены в стране и война не дали Янковскому довести работу до логического завершения.

Тему продолжил его знакомый, молодой изобретатель Евгений Мурзин, впечатленный наработками в области «графического звука» и задумавший грандиозный проект - универсальную фотоэлектронную машину, способную синтезировать любой звук, любой музыкальный строй методом рисования спектрограммы (зависимость спектра от времени) на специальном холсте без отвлекающих операций вроде проявки и сушки пленки. Это упростило бы кропотливую работу композитора, предоставив небывалую свободу для творчества.

Буквально на коленке, трудясь вечерами в комнате двухэтажного барака, Мурзин закончил рабочую модель аппарата в 1958 году. Аппарат весил больше тонны и внешне имел мало общего с музыкальным инструментом в классическом понимании. Изобретение было названо «АНС» в честь композитора Александра Николаевича Скрябина. Несмотря на внешний вид, АНС стал мировой сенсацией, опередив свое время на десятилетия и очень удачно вписавшись в период космической эйфории со своим неповторимым атмосферным звучанием.

АНС чем-то напоминает современный сканер, только двигается в нем не сканирующая полоска, а сама поверхность с изображением - большая стеклянная пластина (партитура), покрытая непрозрачной краской. Краска в нужных местах снимается тонким резцом, образуя рисунок спектрограммы музыкального произведения. Партитура плавно передвигается, проходя над отверстием, из которого идет прерывистый «модулированный» луч света от оптико-механического генератора чистых звуковых тонов на базе пяти специальных дисков оптической фонограммы. Часть света проходит через прозрачные области партитуры, после чего фокусируется на набор фотоэлементов, с которых выходит готовый к воспроизведению звук в форме колебаний электрического тока.

Сердце АНСа - это упомянутый диск с рисунком из 144 дорожек (как на грампластинке), прозрачность которых изменяется по синусоиде с определенной частотой. Разница по частоте между соседними дорожками - 1/72 октавы. Таким образом, один диск содержит две октавы, а октава делится на 72 чистых тона - Мурзин считал классическую 12-тоновую темперацию существенным ограничением. По сути, каждый диск - это оптическая реализация алгоритма преобразования Фурье, лежащего в основе многих современных программных синтезаторов и эффектов. Это в порядке вещей сейчас, во времена гигагерц и гигабайт, но 50 лет назад было просто невероятно - спектральный синтезатор, способный играть 720 чистых тонов одновременно! Недаром АНС считается первым в мире многоголосным музыкальным синтезатором.

Если ты думаешь, что никогда не слышал звуки АНСа раньше, то, скорее всего, ошибаешься. Вспомни хотя бы фильмы Андрея Тарковского «Солярис», «Зеркало», «Сталкер», завораживающие волшебной музыкой Эдуарда Артемьева. Или сцену ночного кошмара из комедии Леонида Гайдая «Бриллиантовая рука». Стоит отметить, что карьера самого Артемьева как композитора-электронщика началась именно со знакомства с АНСом и его создателем в 1960 году. Кроме Артемьева, с инструментом успели поработать Альфред Шнитке, Эдисон Денисов, София Губайдулина, Станислав Крейчи, а звуки АНСа в разное время использовали в своей музыке такие группы, как Coil и Bad Sector.

К сожалению, до наших дней дошел лишь один экземпляр синтезатора АНС, изготовленный промышленно в конце 1963 года. Находится он в Москве в Государственном музее музыкальной культуры имени Глинки. Несмотря на непростую судьбу, аппарат по сей день в рабочем состоянии и время от времени играет для посетителей музея под чутким присмотром Станислава Крейчи. Для тех же, кто далеко от Москвы или просто хотел бы поэкспериментировать со звучанием АНСа у себя дома, существует программный симулятор под названием Virtual ANS.

Virtual ANS: графический редактор

Разработка Virtual ANS ведется автором данной статьи с 2007 года. Цель программы - максимально воссоздать ключевые особенности, атмосферу железного АНСа, расширив при этом оригинальную идею с учетом богатых возможностей современных компьютеров. Из основных отличий:

• программа кросс-платформенная (Windows, Linux, OS X, iOS, Android), что позволяет наслаждаться работой с инструментом где угодно и на чем угодно: начиная от дешевого телефона и заканчивая мощным студийным компьютером;
• количество базовых генераторов чистых тонов теперь ограничено лишь фантазией пользователя и скоростью центрального процессора;
• появилась возможность обратного преобразования из звука в спектр.

Virtual ANS - графический редактор с классическим набором инструментов: примитивы, кисти, слои, эффекты, загрузка/сохранение PNG, GIF, JPEG. Но картина, которую ты увидишь на экране, есть на самом деле партитура музыкального произведения (она же сонограмма или спектрограмма), которую в любой момент можно послушать или слушать и рисовать одновременно. Партитура раскладывает композицию на «звуковые атомы» - неделимые кусочки чистых тонов (синусоидальных колебаний). По горизонтали - ось времени X (слева направо). По вертикали - высота тона Y (снизу вверх от басов к высоким частотам). Яркость отдельного пикселя - это громкость чистого тона с частотой Y в момент времени X. Изображение спектра по вертикали делится на октавы, октава - на 12 полутонов, полутон - на еще более маленькие еле уловимые на слух микротоны, для точного описания любого музыкального строя, любого самого немыслимого тембра. Если на партитуре АНС провести горизонтальную линию толщиной в один пиксель, то мы услышим единственную синусоиду с постоянной частотой. Чем толще линия - тем больше чистых тонов будет входить в ее состав, тем сложнее будет звук, и тем сильнее звучание будет приближаться к белому шуму, насыщенному обертонами всех частот слышимого диапазона. Сочетание таких линий с другими фигурами разной яркости дает неожиданные и интересные звуковые вариации.

В процессе работы над Virtual ANS появилась любопытная мысль. Фрагмент аудиофайла или, скажем, запись голоса с микрофона можно преобразовать в партитуру АНС, то есть в спектрограмму - картинку с закодированным в ней звуком. И звук этот можно с легкостью воспроизвести обратно при помощи той же самой программы. Возникает естественное желание распечатать картинку спектра на принтере и получить бумажную копию своего голоса или музыки.

Именно для этих целей был задуман PhonoPaper - еще один проект, наследующий идеи звуковых революционеров прошлого столетия. Что же такое PhonoPaper?

1. Формат изображения, в котором закодирован звук. От спектрограммы АНС этот код отличается только тем, что сверху и снизу появились специальные маркеры, по которым считывающее устройство точно определяет границы блока со спектром.
2. Приложение-сканер для чтения PhonoPaper-кодов в реальном времени при помощи камеры.
3. Приложение-рекордер для конвертации 10 секунд звука в PhonoPaper-код. Хотя для более точного управления преобразованием лучше всего использовать описанный выше Virtual ANS.

PhonoPaper-код можно назвать аналоговым, так как в его составе нет цифровой информации, а сам он может быть записан на любой доступной поверхности (бумага, пластик, дерево). По этой причине для него некритичны разного рода искажения: при плохом освещении и измятой бумаге ты как минимум услышишь «очертания» оригинального послания. Для прослушивания кода не требуется выход в сеть - вся необходимая информация хранится непосредственно на картинке, а проигрывание начинается мгновенно после попадания в поле зрения камеры. При этом, как и в синтезаторе АНС Мурзина, пользователь сам контролирует скорость и направление игры, сканируя звуковой код вручную (хотя имеется и автоматический режим).

Есть ли практический смысл? Представь себе: звуковые подсказки в детских книжках или учебниках; кусок новой песни на диске или рекламном плакате группы; аудиометки на товарах; секретные послания на стенах зданий; звуковые открытки и разного рода арт-эксперименты. Это имело бы смысл при наличии очень простого способа чтения таких изображений. Ведь его нужно сфотографировать, загрузить в программу и безошибочно указать границы спектра, базовую частоту и количество октав.

Инструкция по применению

1. Установи приложение PhonoPaper на iPhone или Android-смартфон.

1. Запусти приложение.
2. Наведи на каждую фонограмму.

Вместо заключения

Как видим, очередной виток спирали возвращает нас назад к истокам. И это естественно, ведь мир сегодня перенасыщен скрытыми от человека процессами обработки информации и все сильнее погружается в виртуальное пространство, оцифрованное, закодированное и упакованное. Музыкальные инструменты прячут свою природу, их нельзя потрогать или заглянуть под крышку, чтобы прикоснуться к волшебству рождения нового звука, ощутить его энергию. Рисование музыки на «атомарном» уровне и перенос этого процесса в реальный мир - несомненно, большой шаг к сокращению расстояния между композитором и воплощением его творческих замыслов. Одновременно с этим создание музыки становится доступным для любителей и представителей смежных видов искусств, мы больше не ограничены жесткими рамками и правилами, а нотная грамота отныне лишь дополнение. Берем ручку, бумагу и начинаем творить новый шедевр.

Самая интересная - третья часть. В ней рассказывается про рисованный звук. Почему-то Евгений Шолпо назван А. Шолпо. Странно, возможно недоразумение. Исправил.
Так же даётся обзор различных способов фиксации звука - электромеханический способ, электромагнитный способ, звукозапись на проволоку, звукозапись на бумагу...
По тэгу ищите дополнительную информацию (это я для новых френдов).

12. ХУДОЖНИК ПО ЗВУКУ

Мы рассказали о том, как люди научились фотографировать звук. Он расположен на киноплёнке в виде хорошо заметных на глаз волнистых линий.
А нельзя ли их нарисовать от руки? Эту задачу поставил перед собой советский изобретатель Е. Шолпо.
Он внимательно принялся за изучение звуковых линий. Конечно, тут существует какая-то закономерность. Вот - высокий тон. Он расположился на плёнке в виде мельчайших зубчиков. Басы, наоборот, выглядят в виде длинных и пологих волн. Звучание рояля имеет свой признак, заметный на звуковой дорожке в виде характерных извилин; звучание гармонии - другой.
Трудно было разобраться во всех подробностях этой закономерности.
Но Шолпо справился с этой задачей.
Для удобства работы был построен специальный прибор. Нарисованное изображение звука фотографировалось с помощью такого прибора на киноплёнку.
Много неожиданностей принесла эта работа. Художнику не удалось в точности воспроизвести звучание существующих музыкальных инструментов. Зато получилось новое, нигде в природе не встречающееся звучание!
Вскоре Шолпо научился рисовать самые разнообразные звуки, как игриво-весёлые, так и печальные.
Многие из вас, вероятно, видели мультипликационные, т. е. нарисованные от руки картины. Эти картины часто сопровождались рисованным звуком Шолпо. Такой звук легко узнать, так как он не походит на звучание ни одного из существующих музыкальных инструментов.
К сожалению, рисование звука - очень кропотливая работа. Поэтому рисованный звук получил распространение только в отдельных случаях, главным образом в мультипликационных картинах.

13. ГОВОРЯЩАЯ ПЛЁНКА И ГОВОРЯЩАЯ БУМАГА

Широкое распространение получили граммофонные пластинки. Они имеются во многих домах. Фотографическая же запись звука применяется только в звуковом кино. А между тем фотографическая запись звука более совершенна, чем граммофонная.
Нельзя ли и фотографическую запись сделать общедоступной, удобной для широкого пользования?
Для этой цели, по предложению П. Г. Тагера, был построен специальный прибор - световой граммофон. В нём звук воспроизводился с очень узенькой киноплёнки, шириной всего 4 мм. На такой плёнке имелась только звуковая дорожка, без изображения. Такой граммофон можно применять для передачи радиовещательной программы, для обслуживания клубов, а также и в частных квартирах.

Основной недостаток такого светового граммофона - дороговизна плёнки.
Нельзя ли её заменить чем-нибудь другим? Этим занялись в 1930 году советские изобретатели Б. Скворцов и Н. Степанов.
Они вспомнили о фотографической бумаге. Ведь звук можно снять на неё! И он прекрасно отпечатается, как любое фотографическое изображение. Но что же делать с этой бумагой дальше? Ведь бумага-то непрозрачная. А мы знаем, что при воспроизведении звука киноплёнка просвечивается сильным источником света для того, чтобы получились световые колебания, попадающие в фотоэлемент.
Изобретатели разрешили эту задачу следующим образом. Они построили такое приспособление, в котором сильный световой пучок падает на бумагу с фотографической записью звука, отражается от неё и попадает на фотоэлемент.
Известно, что свет отражается от различных участков предмета не одинаково: чем темнее участок, тем больше света поглощается в этом месте, тем слабее отражённый свет. От светлых же участков свет отражается почти полностью. Таким образом, светлые и более тёмные участки, расположенные на звуковой дорожке в виде волнообразной линии, вызовут при движении бумаги различное отражение света - отражённый свет будет колебаться в полном соответствии с тёмными и светлыми местами звуковой дорожки.
Дальше такой свет уже легко превращается фотоэлементом в колебания электрического тока, а эти колебания с помощью усилителя и громкоговорителя - в звук.
Изобретателями был построен очень простой аппарат, который, будучи присоединённым к радиоприёмнику, вполне заменяет граммофон.
Вместо пластинок у него используется длинная бумажная лента, по размерам и внешнему виду напоминающая киноплёнку.
После смерти изобретателей их аппарат был значительно усовершенствован многими специалистами и стал выпускаться нашей промышленностью.
Самым положительным качеством такого аппарата является то, что для него очень просто изготовлять бумажные ленты, заменяющие граммофонные пластинки. Их изготовление значительно упростилось ещё тем, что звук стали не фотографировать каждый раз заново, а просто печатать обычным типографским способом.
Звучащую человеческую речь и музыку стали печатать на обыкновенной бумаге, как газету и книгу!

14. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ЗАПИСЬ НА ПЛЁНКЕ

Непродолжительно звучание граммофонных пластинок. Одна пластинка проигрывается обычно в течение трёх с половиной минут. Но что делать, если нужно подробно записать, скажем, работу какого-нибудь съезда?
Для этого уже известный нам инженер Шорин сконструировал специальный прибор - шоринофон. Этот прибор записывает звук электромеханическим способом - на старой использованной киноленте - с помощью резца, как это делается на граммофонной пластинке. Шоринофон и записывает, и воспроизводит звук. Для записи в нём применяется электрический записыватель - рекордер (см. стр. 16); он же служит и звукоснимателем- адаптером (см. стр. 18). Только при записи пользуются резцом, а при воспроизведении звука меняют его на иглу.
Плёнка в аппаратуре Шорина применяется в виде большого рулона, медленно перематывающегося на другой. Таким образом продолжительность звучания в нём зависит от размеров рулона.
Аппарат снабжён специальным усилителем и хорошим микрофоном.
Некоторые образцы шоринофона могут записывать звук беспрерывно в течение полутора часов.
Но ведь и обычная световая запись будет работать так же долго, если взять длинную плёнку,- скажет читатель,- какое же преимущество представляет в таком случае этот прибор?
Всё дело в том, что при оптической записи звука нельзя воспроизвести его немедленно, сразу же после окончания записи. Фотографическую плёнку нужно проявить, закрепить, промыть и высушить. Всё это отнимает, по крайней мере, несколько часов. Используя же плёнку с механической записью, можно прослушивать записанное немедленно!

15. ЗВУКИ, ПРИТЯНУТЫЕ МАГНИТОМ

Вы познакомились с самыми разнообразными способами записи звуков. Их записывают на оловянном листе, на воске, фотографируют на киноплёнке, рисуют и, наконец, вырезают механическим способом на киноплёнке или пластинке.
Казалось бы, всё! Однако нет. Нашёлся ещё один совершенно отличный от предыдущих, удивительный способ. Речь идёт о магнитной записи звука.
Быстро скользит тонкая стальная проволока; она перематывается с одной катушки на другую. Как же на ней записать звук? На крепкой поверхности стали не выдавишь звук механическим способом. На ней нельзя сфотографировать звук. И всё-таки звук на струне записали, и записали очень простым способом.
Для этого использовали свойство стали - намагничиваться и оставаться в намагниченном состоянии.
Представьте себе, что стальная струна проходит возле маленького электромагнита, прикасаясь к нему (рис. 13). В это же время по обмотке электромагнита проходит электрический ток, изменяющийся по своей силе со звуковой частотой. В результате стальная струна будет беспрерывно намагничиваться. Но ведь сила тока в электромагните постоянно изменяется. Как это будет сказываться на намагничивании струны? А так, что на разных участках струны намагничивание будет неодинаковым. На стальной струне образуются невидимые «магнитные бугры» и «впадины» - волнообразная магнитная запись.
Такую запись очень просто и воспроизвести. Когда намагниченная струна будет двигаться мимо такого же электромагнита, то в нём образуется электрический ток, меняющийся со звуковой частотой. Намагниченная струна вызывает при своём движении в электромагните электрический ток. Ведь известно, что в проволочной катушке всегда появляется электрический ток, если мимо неё передвигается любой магнит.
Преимущества магнитной записи заключаются не только в простоте.
Предположим, что записанное на проволоке звучание нам уже не нужно. Если бы это была граммофонная пластинка или запись звука на плёнке, то их оставалось лишь выбросить. Совершенно иначе можно поступить со струной. Стоит только к ней поднести сильный магнит, как вся магнитная запись стирается - вся проволока намагничивается равномерно и становится годной для новой звуковой записи! Сильный магнит - это своего рода резинка для стирания того, что записано плохо или стало ненужным.
Необходимо ещё добавить, что стальная струна не портится от бесконечных намагничиваний. Таким образом, срок её службы определяется лишь её механической прочностью.
Способ магнитной записи звука стал известен ещё в 1895 году. Но потребовалось много времени, прежде чем он получил практическое применение. Над усовершенствованием магнитной записи много работали советский изобретатель С. Витовский и инженер Е. Голдовский. Советскому изобретателю Н. Мануйлову удалось сконструировать такой аппарат, у которого проволока уже не перематывалась с катушки на катушку, а плотно лежала на вращающемся большом барабане. Таким образом, она нигде не перегибалась и могла работать очень долго.
Магнитную запись удобно применять во многих случаях. Особенно она незаменима в диктографах - аппаратах, с помощью которых можно продиктовать какую-нибудь деловую бумагу, а затем передать записанное машинистке для перепечатки на машинке. Неудачную фразу или даже слово можно легко стереть и заменить другими.

16. О ЛЕНТОЧКЕ, ПОКРЫТОЙ РЖАВЧИНОЙ

Но не совсем удобна для записи звуков и стальная струна. Она - ломка. Трудно соединить концы разорвавшейся проволоки. И наконец, катушки со струной имеют значительный вес.
Вот, если бы найти намагничивающийся материал, лёгкий и гнущийся, как бумага!
Долго искали такой материал. Наконец, он был найден. Это были обыкновенная бумага или тонкий целлулоид, покрытые... железной ржавчиной, которая также может намагничиваться. Чтобы ржавчина пристала к бумаге, из неё была изготовлена краска, и краской покрыта длинная бумажная лента.
Если такую ленту перематывать с катушки на катушку так, чтобы она проходила мимо магнитного звукозаписывателя, то на краске, так же как на стальной проволоке, остаются магнитные звуковые сигналы - магнитная запись.
Однако при воспроизведении этих сигналов оказалось, что они очень слабы. Слишком плохо намагничивается железная ржавчина. А слабые магнитные сигналы вызывают и слабые электрические токи в магнитном звукоснимателе.
И вот на помощь опять пришли усилительные электронные лампы. С их помощью ничтожные электрические сигналы превратились в сильные и хорошо слышимые.
Позднее такую магнитную плёнку стали изготовлять не из бумаги, а из прозрачного и хорошо гнущегося материала - целлофана.
Сколько удобств заключает в себе тоненькая и гибкая целлофановая ленточка с нанесённой ржавчиной!
В маленькой катушке диаметром в три раза меньше, чем граммофонная пластинка, заключена лента, на которой записан звук на целых 15 - 20 минут. А вес её легче граммофонной пластинки в три раза.
Если нужно, такая плёнка легко разрезается ножницами и склеивается обыкновенным клеем. Как и у стальной проволоки, выписанное на плёнке можно стирать, и на прежнее место записывать новое звучание.
Разработкой аппаратуры для записи звука на целлофановую магнитную ленту у нас занимался крупнейший специалист в области электроакустики И. Горон вместе со своими помощниками В. Пархоменко и А. Врублевским.

17. МАГНИТНАЯ СТРАНИЦА

Необычный и очень интересный звукозаписывающий аппарат разработан и построен советским изобретателем И. Рабиновичем.
В нём мы не видим ни движущейся проволоки, ни ленты, ни вращающегося диска. В этот аппарат, словно в пишущую машинку, закладывается лист бумаги обычного формата.
Правда, бумага не совсем обыкновенная. С одной стороны она покрыта уже знакомым нам тонким слоем краски из ржавчины. На этом листке бумаги производится магнитная запись.
Отличительная черта такого аппарата заключается в том, что не материал, на котором производится запись, двигается перед звукозаписывателем, а наоборот, звукозаписыватель - перед бумагой. С помощью специального приспособления он как бы качается вперёд и назад. Сам же лист, как и в пишущей машинке, передвигается медленно. На нём ложатся в строгой последовательности невидимые магнитные строчки.
С такой же последовательностью этот аппарат и читает записанный звук.
Такая магнитная запись очень удобна для пересылки по почте. Ведь лист бумаги с записанным на нём звуком можно свободно уложить в конверт! По весу такая бумага не отличается от обыкновенной.
Позднее И. Рабинович сконструировал другой записывающий аппарат, у которого также применялся принцип «построчной записи». В новом аппарате звук записывается на обычную киноплёнку, покрытую с одной стороны магнитной краской. Эта плёнка не перематывается быстро с катушки на катушку, как в обычных аппаратах. Она лишь медленно передвигается по мере того, как рекордер записывает поперёк её длины строчку за строчкой.

Такой аппарат удобен во многих отношениях. На запись большой продолжительности уходит короткий кусочек плёнки. Его можно отрезать, свернуть в маленький рулончик и передать по назначению. Аппарат приспособлен
для самых различных применений. Им можно, например, записать звук при помощи прилагаемого к аппарату хорошего микрофона. Подключив аппарат к телефону, можно принять телефонограмму (рис. 14).

18. ЗВУКОЗАПИСЬ ПОМОГАЕТ РАДИОВЕЩАНИЮ

В этой книге уже рассказывалось о том, как техника радиовещания помогла развиваться звукозаписи. Вскоре настал черёд и звукозаписи отблагодарить радиовещание за помощь.
Сложное дело - вести в течение чуть ли не круглых суток программу радиопередач. Всё должно быть рассчитано заранее. Каждая минута - на учёте. Лекции чередуются с концертом и с передачей последних известий. Сколько актёров и чтецов занимаются этим делом.
Трудно всё это согласовать по времени. А вдруг кто-нибудь ошибётся, слишком растянет время своего выступления, или, ещё хуже - скажет что-нибудь не так, или собьётся совсем. И вот, чтобы избежать всех этих ошибок, теперь применяется звукозапись. Материал, предназначенный для передачи, предварительно записывается на плёнку или на специальные граммофонные пластинки.
Теперь уже легко проверить, как выглядит будущая радиопередача, нет ли в ней каких-нибудь промахов, не забыто ли что-нибудь.
Представьте себе, что надо передать по радио выступление какого-нибудь знатного колхозника, живущего за десятки и сотни километров от радиоцентра. Тогда на место выезжает специальный звукорепортёр. С помощью звукозаписывающего аппарата он записывает речь колхозника и привозит её в радиоцентр.
Бывает и так, что какая-нибудь передача очень понравится радиослушателям, и они требуют повторить её ещё раз. Если бы не было звукозаписи, пришлось бы снова собирать актёров, снова репетировать. Совсем другое дело, когда передача записана на плёнке.
Современный радиоцентр располагает специальным звукохранилищем - фонотекой. Тут хранятся и обычные граммофонные пластинки, и звуковая киноплёнка, и рулоны с магнитной лентой.
Самые разнообразные звуки хранит фонотека-радиопостановки, исполнение симфонического оркестра, шум самолёта или проходящего поезда и даже соловьиное пение. Но особенно тщательно, с применением всех мер предосторожности, хранятся в специальном помещении некоторые катушки с магнитной записью и пластинки. Их нужно сохранить на многие века.
Что содержат такие записи? Это - речи вождей нашего народа; речи, произнесённые на исторических съездах и заседаниях. Эти исторические документы в виде застывших звуковых волн должны жить вечно.
Высокое развитие звукозаписывающей техники в нашей стране позволяет оставить на память в виде записанного звука любое историческое событие.
До Великой Октябрьской социалистической революции, а также в первые годы после революции, звукотех-ника находилась у нас на очень низком уровне. При жизни Владимира Ильича Ленина существовала лишь только малосовершенная механическая запись на граммофонные пластинки. Вследствие этого у нас мало сохранилось пластинок с голосом Ленина. Это - речи, произнесённые Владимиром Ильичом специально для граммзаписи перед рупором старинного звукозаписывающего аппарата.
Металлические матрицы с этими историческими документами, единственными в мире, также хранятся у нас со всеми предосторожностями.
Мало этого. Советскими учёными была проделана огромная работа, направленная к тому, чтобы улучшить качество звучания исторических пластинок.
Прежняя механическая запись, как известно, вносила большие искажения. Мембрана слишком громко выкрикивала звуки какого-нибудь определённого тона, а другие, наоборот, сильно ослабляла. От этого часто голос становился неестественным, искажённым.
Путём электрической повторной записи пластинки, с применением специальных приборов, качество звучания пластинок с голосом Ленина было значительно улучшено,

19. ЗВУКОЗАПИСЬ НА ВОЙНЕ

Ночь. За опушкой в лесу слышится нарастающий шум танков. Его заглушают частые очереди пулемётной стрельбы.
«Здесь сосредоточиваются силы, - думает противник, - тут больше всего шума».
На самом же деле тут нет ни пулемётов, ни танков. Вместо них работает мощный громкоговоритель. С помощью звукозаписи он передаёт ранее записанные боевые шумы. И пока обманутый противник подтягивает сюда свои силы, настоящее сосредоточение войск происходит в это время совсем в другом месте.
А вот другой пример. Напряжённая обстановка царит на командном пункте. Командиру необходимо написать срочное донесение в штаб. Он даёт краткое указание своему адъютанту. И вот перед ним появляется маленький звукозаписывающий аппарат. Чётким голосом диктует командир своё донесение перед микрофоном. А уже через несколько минут связной мотоциклист везёт это донесение, записанное на плоской катушке для магнитной записи, в штаб.
Так же быстро прочтут это донесение в штабе. С помощью маленького громкоговорителя его могут одновременно прослушать даже несколько человек. Затем документальное донесение прячется в специальный ящик - как бы подшивается к делу.
Вражеская радиостанция передаёт шифром секретный приказ. Нужно подслушать, о чём говорит неприятель. Нужно вовремя разгадать неприятельский шифр. И здесь также помогает звукозапись.
Быстро передаваемые сигналы записываются на плёнку. Теперь их уже легко будет расшифровать. Ведь записанные сигналы можно много раз повторить.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этой небольшой книжке вы познакомились с тем, как люди научились записывать звуки.
Наше Правительство уделяет большое внимание делу развития звукозаписывающей техники в стране. Ещё в 1936 году по инициативе тов. Орджоникидзе в Москве было начато строительство «Дома звукозаписи». По окончании строительства здесь были размещены огромные студии для записи граммофонных пластинок, научно-исследовательский институт и целый ряд лабораторий. В этих лабораториях ведутся большие работы по усовершенствованию техники звукозаписи. Здесь же создаются новые звукозаписывающие и звукопроизводящие приборы.
Огромное внимание уделяется в Советском Союзе усовершенствованию звукового кино. В 1950 году большой группе работников кинопромышленности, инженерам и конструкторам звуковой киноаппаратуры, внесшим ценный вклад в дело дальнейшего развития этой области техники, была присуждена Сталинская премия.

Как связать звуковую и визуальную информацию? Этим вопросом часто задаются ученые и любители со всего света. Так, в феврале 2006 года новость о том, что ученым удалось воспроизвести звуки с глиняного горшка возрастом более 6500 лет, быстро разлетелась по всему интернету.

Гончар, якобы, нанес музыкальный ритм на горшок при его изготовлении. К сожалению, это оказалось неудачной первоапрельской шуткой бельгийского телевидения.

Однако Патрику Фистеру (Patrick Feaster) удалось обработать запись, возраст которой превышает 1000 лет. По этому поводу в мае 2011 года он выступил на конференции ассоциации ARSC (Association for Recorded Sound Collections) с открытием «палеоспектрофонии».

Погружение в историю: расшифровка записей прошлого

Долгое время (до создания фонографа Томасом Эдисоном) людей волновал вопрос: как придумать такой способ фиксации музыки, который помог бы смотрящему на запись воспроизводить мелодию у себя в голове так же легко, как это делают профессиональные музыканты, глядя на партитуру. К сожалению, по мнению доктора Фистера, такая задача недостижима в принципе, поскольку наш мозг в большинстве случаев недостаточно хорош в преобразовании визуальной информации в звуковую.

Возможно, решение этой задачи в прошлом и не увенчалось успехом, однако история оставила нам множество свидетельств того, как люди в разные эпохи пытались создать подобные системы записи звука. Самая известная из этих систем легла в основу фоноавтографа – предшественника фонографа, изобретенного французом Эдуаром Мартенвилем. Фоноавтограф представлял собой устройство, в котором звук проходил через конус, заставляя вибрировать мембрану, соединенную с иглой. Игла же, в свою очередь, рисовала волнообразные линии на стеклянном цилиндре, покрытом закопченной бумагой.

С помощью фоноавтографа звук можно было запечатлеть, однако не было никакой возможности его воспроизвести. Это задачу и решил Фистер. В 2008 году он, его коллеги, а также аудиоэксперт Дэвид Джованнони (David Giovannoni) собрались в Национальной Лаборатории Лоуренса в Беркли, чтобы расшифровать одну из наиболее хорошо сохранившихся фоноавтограмм Мартенвиля.

В Лаборатории Лоуренса разрабатывались технологии извлечения звуков с высококачественных фотографий, на которых были запечатлены образы хрупких восковых носителей или сломанных дисков. Воспользовавшись данными технологиями, ученые получили с фоноавтограммы запись песенки «Лунный свет» («Au Clair de la Lune»), сделанную в 1860 году. Считается, что это первая запись, на которой различим человеческий голос.

Однако решения этой задачи Фистеру оказалось недостаточно: впоследствии он не только зафиксировал звук с более чем 50 фоноавтограмм, но и исследовал более ранние попытки «записи звука». В этом ученому, как ни странно, помог сервис Google Books. Используя его, Фистер записывал символы из книг, которые постоянно игнорировались, считаясь историческими причудами.

Самую старую волнообразную линию он нашел в книге 1806 года. Посредством других техник ему удалось расшифровать мелодию 1677 года, которая была записана множеством точек. Еще одна была обнаружена в записях 10 века, где линиями было показано, в какой тональности следует петь. Примеры таких записей можно найти на его сайте Phonozoic .

Другой подход

В одном из таких экспериментов им удалось извлечь разборчивую речь с записи пустого пакета из под чипсов. В ряде других экспериментов то же удалось проделать с поверхностью алюминиевой фольги, бокалом с водой и даже с листьями домашнего растения. В 2014 году команда презентовала свои достижения на ежегодной конференции SIGGRAPH. (Видео с выступления одного из исследователей, работавших над проектом, на конференции TED.)

Дело в том, что когда звук соприкасается с объектом, он заставляет его вибрировать. Движения, созданные этими вибрациями, настолько незначительны и незаметны, что человек не может их увидеть. Однако их может «увидеть» камера: для извлечения аудиосигнала из видео, ученые использовали видеозапись с частотой захвата кадров выше, чем частота аудиосигнала.

Изначально в экспериментах применялись камеры с частотой съемки 2000 и 6000 кадров в секунду, однако исследователи пробовали использовать и другие, более бюджетные камеры. Конечно, из записанного видео с частотой съемки 60 кадров в секунду не удавалось извлечь членораздельную речь, но все же представлялось возможным понять, сколько человек находилось в помещении, их пол и даже особенности их произношения.

Конечно, при мысли об использовании таких разработок, в голову приходят «шпионские истории», однако сами исследователи называют свой проект возможностью открыть новые грани в изображении предметов и изучить их ранее неисследованные свойства. И если сотни лет назад люди пытались придумать способ «записи звука», то теперь такая «запись» становится побочным эффектом, который, в свою очередь, помогает раскрыть новые свойства привычных объектов.

Сделай сам

Подробный процесс описан в этом материале. От себя заметим, что для решения задачи вам понадобится качественное фото, базовые навыки владения Photoshop (волну, прочерченную на виниле, надо оцифровать, «распрямить» – бороздка на пластинке закручивается по спирали – убрать всевозможные шумы и смещения), а также относительно мощный компьютер с большим объемом оперативной памяти.

Для того, чтобы преобразовать полученное изображение в WAV-файл, Патрик использует довольно экзотическое ПО: это программа ImageToSound. Она бесплатна, но, несмотря на это, ее достаточно сложно найти в сети (Патрик поделился ).

Программа последовательно конвертирует каждый блок изображения (ширина блока – 1 пиксель) в аудиосэмпл. К сожалению, это ПО не поддерживает даже Windows 7 (автор использует для работы отдельный компьютер с Windows 98). В качестве альтернативы Фистер предлагает использовать программу AEO-Light, но предупреждает, что сам не до конца знаком с тонкостями работы с ней.

Последний этап – регулирование скорости воспроизведения. Тут на помощь приходит простая математика. Для начала нужно узнать скорость воспроизведения на оригинальной пластинке, длину одного оборота оцифрованной волны (после «деспирализации») в пикселях и частоту дискретизации конечного файла.

Если изображение было отредактировано в аудиофайл с частотой дискретизации 44.1 кГц, то это означает, что секунда аудиофайла будет равна 44 100 пикселям изображения. Если, к примеру, скорость песни на виниловой пластинке была равна 50 оборотам в минуту, а после оцифровки и деспирализации один оборот пластинки занял 30 000 пикселей, мы получаем 1 500 000 пикселей в минуту (50х30 000).

Если поделить это количество на 60, мы получим количество пикселей в секунду (1 500 000/60 = 25 000). Делим частоту дискретизации на количество пикселей в секунду (44 100/25 000 = 1.764). Полученное число умножаем на длину аудиофайла (время проигрывания песни) и получаем время, с которым изначально был записан этот файл. Если скорость воспроизведения оригинальной записи неизвестна, Патрик советует подобрать итоговую скорость на слух.

В общем, недавно я решил заглянуть на Википедию (воистину неисчерпаемый кладезь знаний), и набрёл там на определение спектрограммы . Как выяснилось и там есть чего позаимствовать на тему рисования звуком. Во-первых, это список программ, позволяющих осуществлять синтез звука из картинок. В списке известная нам очень хорошо программа Coagula (кстати, она лежит в нашем подразделе с ПО), но есть и другие, а именно:

• MetaSynth for Macintosh ;
• Coagula for Windows ;
• FL Studio "s "BeepMap" additive synthesizer.

Открытый мультиплатформенный проект демонстрирует забавные, но очень познавательные опыты. ТПрограмма позволяет превращать звук в спектральную картинку (с указанным разрешением), и наоборот, синтезировать из картинки звук (с указанными параметрами).

Ещё одни шутники - группа Plaid. В песне "3recurring" содержит в своей спектрограмме логотип.

И ещё Nine Inch Nails применяют технику упрятывания картинок в спектре треков с альбома "Year Zero".

В общем, метод этот явно пришёлся по вкусу некоторым музыкантам. В принципе, этот же метод может быть запросто использован и в качестве инструмента стеганографии.

Тема эта очень интересная и, я думаю, обнаружатся ещё многие находки, связанные с рисованием в спектре и озвучанием картинок.

Сколько в музыке нот? Классический детский ответ на этот вопрос — семь. Поступив в музыкальную школу, ученик знакомится с черными клавишами и отвечает, что нот двенадцать. Посмотрев индийское кино, он обращает внимание, что кокетливая актриса поет необычные ноты, которых нет на фортепиано, — доли полутонов. Наконец, слегка углубившись в историю, молодой музыкант узнает о многообразии музыкальных строев (и стоящих за ними математических теорий) и о том, что по сей день не утихают споры, как правильно настраивать пианино.

Современные музыканты, а также математики и физики хорошо знают, что количество нот бесконечно и в музыке можно использовать звуки любой частоты при условии, что они различимы на слух. Некоторые инструменты, например колокол, за один удар выдают на гора практически все частоты слышимого спектра. Однако подавляющее большинство инструментов могут предоставить в распоряжение музыканта лишь ограниченный набор тонов и тембров. Сей факт еще в первой половине XX века глубоко огорчал советского изобретателя Евгения Александровича Мурзина.

Синтезатор АНС хорошо сохранился и периодически дает небольшие концерты. Увидеть и послушать его можно в Музее музыкальной культуры имени М.И. Глинки.

Профессиональный путь Мурзина во многом определила война. Он разрабатывал оборудование для звукометрической разведки наземной артиллерии, системы наведения для истребителей-перехватчиков, приборы управления зенитным огнем. Его разработки были приняты на вооружение Советской армии. Однако в историю Мурзин вошел как создатель первого в мире электронного синтезатора. Его детище и сегодня остается самым всемогущим аналоговым музыкальным инструментом современности. Синтезатор АНС может не только создавать неземные музыкальные ландшафты, но даже имитировать звуки природы и человеческую речь. Звучание машины, существующей всего в двух экземплярах, увековечено в фильмах Тарковского, а также в аудиозаписях советских, российских и зарубежных музыкантов. Релиз сборника ANS-Sessions ожидается в этом году, что лишний раз подтверждает: советский суперсинтезатор не теряет актуальности. Названием АНС аппарат обязан Александру Николаевичу Скрябину. Творчество русского композитора вдохновляло изобретателя: так же, как Скрябин стремился выйти за рамки традиционных тональностей, Мурзин хотел выйти за рамки самого музыкального строя.

Как выглядит звук

Принцип работы синтезатора АНС удобнее всего объяснить, оттолкнувшись от его современной цифровой копии. Компьютерную программу Virtual ANS написал программист и музыкант из Екатеринбурга Александр Золотов. Эта идея завладела им в начале 2000-х на волне увлечения музыкой Эдуарда Артемьева, композитора фильмов Тарковского. Александр изначально задался целью создать универсальный мультиплатформенный инструмент, который будет полезен многочисленным музыкантам. Сегодня Virtual ANS доступен для компьютеров, планшетов и смартфонов на Windows, Linux, iOS и Android.

Интерфейс программы Virtual ANS, пусть и выглядит намного современнее, по сути практически в точности имитирует стеклянную пластину, покрытую мастикой, на которой композиторы писали партитуры для синтезатора АНС.

Взгляните на сонограмму (она же спектрограмма): по горизонтальной оси на ней отложены единицы времени, а по вертикальной — высоты (частоты) тона. Чтобы музыканту было проще ориентироваться на сонограмме, на оси ординат изображена фортепианная клавиатура в десять октав. Однако на самом деле разрешение графика намного выше. В синтезаторе АНС каждая октава делилась на 72 частоты (а каждый тон — на 12 частот), что позволяло создавать удивительную микротональную музыку с невиданными потусторонними звуками.

Разрешение сонограммы в Virtual ANS практически бесконечно как по частоте, так и по времени. Благодаря этому программный синтезатор, по сути являясь музыкальным инструментом, может воспроизводить звуки человеческого голоса, оркестровую музыку, шумовые эффекты — да практически любые звуки слышимого диапазона. Причем, говоря «воспроизводить», мы точно описываем впечатление от прослушивания, но немного лукавим с точки зрения технологии: синтезатор не проигрывает звуки, а воссоздает их заново из мельчайших кирпичиков — простейших синусоидальных волн.

Сонограммы на фото изготовлены с помощью программы Virtual ANS из аудиозаписи настоящего синтезатора АНС.

Родство между аналоговым и компьютерным инструментами очевидно: на сонограмме с первого взгляда угадываются «борозды», а при считывании с помощью смартфона вы услышите звук, очень похожий на звучание оригинального советского синтезатора.

Эффект будет особенно сильным, если вы подключите к смартфону наушники.

Если вы нарисуете на сонограмме горизонтальную линию толщиной в один пиксель и длиной, скажем, в три секундных деления, синтезатор проиграет вам звук соответствующей частоты в течение трех секунд. Звук синусоидального генератора безликий и скучный, вряд ли он может претендовать на эстетическую ценность. Однако все меняется, стоит нарисовать линию потолще: в дело вступают соседние синусоиды; взаимодействуя друг с другом, они образуют естественные гармоники — звук становится полным и богатым.

Рисуя сонограмму, будто художник, музыкант может добиваться практически любых звуковых эффектов. Прерывистые горизонтали напротив соответствующих нот дадут ему мелодию, волнистые линии — вибрато, восходящие или нисходящие — глиссандо (плавное нарастание или убывание тона), широкие полупрозрачные полосы — шумы. Фактически у сонограммы есть и третья ось: яркость точки или линии определяет громкость звучания соответствующего тона, или амплитуду синусоиды. Сама по себе спектрограмма используется не только и не столько в музыке: с ее помощью анализируют самые разные звуки, что нужно, например, для идентификации голоса в криминалистике.

Мощность сонограммы как аналитического инструмента Virtual ANS демонстрирует в полной мере: программа может создать изображение из аудиофайла, а затем считать это изображение и воссоздать по нему звук. Стоит повториться, речь идет не о воспроизведении, а о генерировании звука заново — как если бы кто-то записал чью-то речь на бумаге, а затем прочел ее с листа, стараясь подражать голосу автора.

Чтобы «играть» на Virtual ANS, музыкант рисует сонограмму: наносит на нее точки, линии и пятна, использует кисти и ластики, регулирует яркость (она же прозрачность) отдельных элементов. Игра может быть как абстрактным перформансом, так и вполне осознанным музыкальным исполнением. На Virtual ANS можно играть и в реальном времени: компьютер раз за разом проигрывает сонограмму определенной длины, а музыкант в это же время добавляет к ней новые детали.

Генератор чистых тонов аналогового синтезатора АНС состоял из четырех оптических дисков. Они были абсолютно одинаковыми, но вращались с разной скоростью. Вместе они давали 576 тонов, по 72 тона на каждую из 8 октав. Для лучшего понимания схемы партитура на ней изображена прозрачной. На самом же деле движущаяся пластина была покрыта непрозрачной мастикой, и композитор процарапывал на ней участки, выбирая из 576 тонов те, которые были нужны ему.

Компьютер? Это лишнее

Спектрограмма, разрешение, синтез — сами эти понятия прочно ассоциируются с цифровым веком. Однако, как ни трудно это представить, Virtual ANS — это практически точная функциональная копия синтезатора Мурзина. Разве что линии на сонограмме в оригинале не рисовались пальцем на сенсорном экране, а процарапывались специальным резцом в слое краски на стекле.

Синтезатор АНС — это сложнейший электромеханический прибор, разумеется, полностью аналоговый. Над его конструкцией Мурзин начал работать еще в конце 1930-х годов, однако готовая машина увидела свет только в 1958-м. Принцип звукоизвлечения для нее подсказал кинематограф: на кинопленке звук записывается и воспроизводится с помощью света.

Звучащая механика

Приложение «Популярная механика. Звук» использует технологию PhonoPaper, разработанную создателем Virtual ANS Александром Золотовым. PhonoPaper представляет собой ту же сонограмму с той лишь разницей, что громкость звука определяется не яркостью точки, а ее цветом — от белого (тишина) до черного (максимальная громкость). Полосы-маркеры сверху и снизу от сонограммы помогают смартфону определить, где именно находится информация о звуке.

Генератор чистых тонов (тех самых синусоид-кирпичиков) АНС состоит из четырех одинаковых дисков. На каждом диске — 144 концентрические дорожки с волнообразной сменой прозрачности. При пропускании света каждая дорожка дает мерцающий синусоидальный световой сигнал. Причудливый узор дорожек Мурзин наносил на диски фотографическим способом с помощью специально сконструированного станка. На создание одного диска уходило до 50 часов непрерывной кропотливой работы.

Диски вращаются с разной скоростью, и все их дорожки вместе взятые дают 576 световых синусоид — 8 октав по 72 ступени в каждой. Оптическая система собирает свет со всех дорожек и фокусирует ее на тонкую щель. Эта щель — физическое воплощение вертикальной оси спектрограммы. В нижней ее части сосредоточены сигналы низкой частоты, а в верхней — высокие тона.

Над щелью располагается ряд фотоэлементов, подключенных к столамповому усилителю сигнала и громкоговорителям. А между щелью и фотоэлементами с регулируемой скоростью движется стеклянная пластина, покрытая черной краской. Движение этой пластины есть не что иное, как физическое воплощение временной оси спектрограммы. А рисунок, который композитор выцарапывает на краске, заставляя свет от определенных дорожек проникать к фотоэлементам и издавать звук, — это и есть сонограмма, она же — записанное заранее музыкальное произведение.

Чтобы композиторам было удобно работать с АНС, Мурзин изготовил специальную линейку («кодер») с изображением фортепианных клавиш, а на ней — передвижную каретку с обозначением основных обертонов. Кодер устанавливался перед пластиной, помогая музыканту ориентироваться в практически бесконечном многообразии звуков.

Одна из важнейших особенностей АНС заключается в том, что с ним должен был работать сам композитор без посредников в виде нотной записи, музыкантов, дирижера. В то же время синтезатор предоставлял композитору оркестровый диапазон тонов и тембров, а сам процесс работы предполагал немедленную запись (читай — увековечивание) произведения.

Сам Мурзин говорил, что на АНС не стоит исполнять произведения композиторов-классиков. Аппарат строился для создания принципиально новой музыки. Вполне вероятно, что даже сам изобретатель не осознавал всех возможностей своего инструмента: до недавнего времени прекрасно сохранившийся экземпляр АНС находился в МГУ, где использовался для экспериментов по симуляции речи.

Почувствуйте себя композитором прямо сейчас. Технология PhonoPaper позволяет не только распечатывать сонограммы из программы, но и рисовать их от руки. , который нарисовали мы. Послушайте, как он звучит, и попробуйте подрисовать к нему новые звуки прямо на странице, распечатав ее.