Краткая история развития аудиовизуальной техники

Аудиовизуальная техника – область радиотехники, связанная с преобразованием, хранением, передачей, приемом, обработкой и отображением (воспроизведением) звуковой и видеоинформации. Она начинается с акустики.

Содержание акустики предусматривает различные аспекты работы со звуком. Для освоения акустики необходимо изучать основные закономерности восприятия звуков, виды, параметры и характеристики звуковых сигналов, теорию акустики помещений, различные технические средства работы со звуком: микрофоны, громкоговорители, системы передачи, обработки, записи, хранения и воспроизведения звуков.

Визуальная техника связана с освоением вопросов приема и преобразования оптической информации в электрические сигналы, знакомством с методами и средствами записи, хранения и отображения (воспроизведения) видеоинформации с использованием разнообразных физических носителей, изучением математических методов и технических средств обработки видеосигналов.

Аудиовизуальная техника объединяет воедино эти части.

Акустика (от греч. akusticos – слуховой) – часть физики, раздел механики, учение о звуке и колебаниях твердых, жидких и газообразных тел. Истоки акустики теряются в глубокой древности. Первое исследование колеблющейся струны приписывают Пифагору. Исследования были проведены на устройстве, называемом монохордом. Благодаря работам Галилея и Кеплера акустические знания начали активно развиваться в 16–17 веках. Мерсенн (1588–1648) и Гассенди (1592–1655) измерили скорость звука в воздухе. В 1678 г. Гук открыл закон пропорциональности механических деформаций силе. Хладни (1756–1827) возродил экспериментальную акустику. На современников произвело большое впечатление исследование колебаний пластин с помощью рисунков, возникающих на них, впоследствии названных фигурами Хладни. В 1802 г. он опубликовал фундаментальнее руководство «Акустика».

Современную акустику как науку создали ученые РЅРѕРІРѕРіРѕ времени Р›. Эйлер, Р–. Лагранж, Р–. Фурье, Р”. Стокс, Рў. Юнг, Р“. Гельмгольц, РЎ. РћРј, Дж.Р’. Стретт (лорд Релей). Рў. Юнг исследовал колебания струны, ввел понятие интерференции, сформулировал ее законы. РЎ. РћРј Рё Р“. Гельмгольц занимались физиологией слуха Рё анализом спектров сложных колебаний. Р“. Гельмгольц создал первый анализатор спектра РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ резонаторов, получивших впоследствии его РёРјСЏ.

Развитие физической акустики породило СЂСЏРґ новых направлений.

Прикладными направлениями физической акустики являются физиологическая, медицинская, музыкальная, архитектурная (строительная) акустика, акустика инфра- и ультразвука, гидроакустика, нелинейная акустика, акустоэлектроника.

Одним из важных направлений акустики является электроакустика.

Электроакустика – область науки и техники, которая на основе общего учения о звуке исследует закономерности преобразования акустических (звуковых) колебаний в электрические и обратно, особенности их приема, усиления и воспроизведения. Качество принимаемого и воспроизводимого звука зависит не только от свойств электроакустической аппаратуры, но и от акустических свойств помещений, из которых передаются и в которых воспроизводятся звуки (студии, залы, жилые комнаты). Поэтому предметом рассмотрения электроакустики являются также вопросы архитектурной (строительной) акустики, речевые, музыкальные и шумовые процессы, а также служащая целям исследований измерительная аппаратура.

Возникновение и развитие электроакустики как отрасли науки и техники обусловлено становлением и совершенствованием электросвязи, звукозаписи, кинематографа, звукового и телевизионного вещания, а также широким применением электроакустических методов и аппаратов в промышленности, научном эксперименте, разведке полезных ископаемых, судоходстве, рыболовстве, медицине, в военном деле.

Одно из важнейших понятий акустики – звуковое поле.

Звуковое (акустическое) поле – одна из форм существования материи, проявляется в виде кинетической энергии колеблющихся материальных тел, звуковых волн в твердой, жидкой и газообразной средах, обладающих упругой структурой.

Звуковой волной называют процесс постепенного распространения в упругой среде возмущений в виде смещения колеблющихся частиц относительно равновесного положения, приводящего к периодическому изменению плотности среды.

Структура звукового поля существенно отличается от структуры электромагнитного поля. Электромагнитные волны являются поперечными. Векторы электрической и магнитной напряженности поля перпендикулярны направлению распространения волны. Звуковые акустические волны в газах и жидкостях – продольные. Направление смещения частиц совпадает с направлением распространения. Иначе говоря, при деформации газообразной или жидкой среды упругие силы перпендикулярны плоскости равных фаз, т.е. направление сил совпадает с направлением распространения. В твердых телах, обладающих упругостью, наряду с нормальным напряжением объемных деформаций, возникают и касательные. Напряжения сдвига, связанные с такими деформациями, распространяются в форме поперечных волн.

Фронт волны – поверхность постранства, точки которой находятся в одинаковой фазе колебаний. Например, это могут быть точки максимального сгущения или максимального разрежения. В общем случае фронт волны имеет сложную форму. Простейшие формы фронта волны – плоская или сферическая.

Если источник колебаний представляет СЃРѕР±РѕР№ плоскость, причем ее размеры РјРЅРѕРіРѕ больше длины волны возбуждаемых колебаний, то возникает плоская волна. Плоские волны образуются РІ акустическом волноводе СЃ постоянной площадью сечения. Если размеры источника РјРЅРѕРіРѕ меньше длины волны, РѕРЅ может рассматриваться как точечный. РџСЂРё его колебании возникает сферическая волна. Понятия плоской Рё сферической волны являются идеализацией, упрощающей математическое описание свойств поля. Реальная структура звуковых полей намного сложнее.

Осенью 1999 года мировая научно-техническая общественность не очень пышно, но отметила 100-летие магнитной записи. Сейчас без магнитной записи немыслимо звуковое и телевизионное вещание, компьютерная техника. Магнитные ленты и диски широко применяются для долговременной записи и накопления больших массивов самой различной информации. Магнитная запись быстро включилась в работу и во многом определила современный научно-технический прогресс самых передовых технологий гражданского и военного производства.

Первым аппаратом записи звуковых сигналов стал фонограф Эдисона с восковыми валиками, он появился за два десятилетия до телеграфона – первого прибора магнитной записи звука. К последнему десятилетию прошлого века о магнитных явлениях знали уже достаточно много. Была известна и хорошо изучена способность ферромагнетиков сохранять длительное, практически неограниченное время намагниченность. При этом направление магнитного поля и его напряженность оставались неизменными во времени. Оставался один шаг до создания устройств магнитной записи. Но путь от идеи до ее воплощения в приборе сложен, тернист и требует особого видения проблемы, а проблема магнитной записи относилась к принципиально новым.

Ее решение ждало своего созидателя – датского инженера и изобретателя Вальдемара Поульсена (Valdemar Poulsen). Он родился в 1869 г. и прожил 73 года. Ему было всего 29 лет, когда состоялось его главное изобретение. Ему надо было многое продумать и изобрести.

Надо было создать устройство, позволяющее сконцентрировать магнитное поле в малом объеме. Иначе достаточно плотную и длительную запись не получить. Итак, необходим «магнитный карандаш», достаточно остро «заточенный». Как перемещать такой «карандаш» относительно ферромагнитного материала, чтобы «рисовать» на его поверхности крошечные магнитики – следы записи? Как затем улавливать в нужной последовательности магнитное поле элементарных магнитиков? Как, наконец, преобразовать считанную запись в сигналы, например, звука? Это лишь большие фрагменты вопросов, на которые предстояло ответить изобретателю.

В качестве носителя В. Поульсен выбрал проволоку. Это первое применение в аппаратах записи линейного носителя с продольной записью сигналов. Эта революционная идея на столетие, а может быть, и более, определила магистральное направление развития реверсивных средств записи и накопления информации. Конкретно, В. Поульсен использовал стальную рояльную струну, которая в экспериментальном образце была просто протянута через его лабораторию. Запись и считывание осуществлялись с помощью винтового механизма, он перемещал вдоль струны каретку с микрофоном и «магнитным карандашом». «Магнитным карандашом» стал тонкий стержень из магнитно-мягкого материала.

Такие материалы обладают высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Иными словами, они эффективно «впитывают» силовые линии магнитного поля, но практически не обладают остаточным намагничиванием, столь характерным для ферромагнетиков. На стержень нанесена обмотка. Обмотка, фактически, являлась соленоидом – возбудителем внешнего магнитного поля записи. Стержень по функциональному назначению – магнитопровод. У заостренного конца стержня формировалось сконцентрированное в малой области магнитное поле. В соответствии с колебаниями тока в обмотке менялась напряженность магнитного поля записи. Меняющееся поле концентрировалось в магнитопроводе и выводилось через заостренный конец стержня. Это магнитное поле и формировало остаточные магнитики – элементы записи – в стальной магнитно-жесткой проволоке. Для воспроизведения записи использовался тот же самый стержень. Меняющееся в соответствии с записанными сигналами магнитное поле элементарных участков проволоки воспринимается стержнем-магнитопроводом. Оно возбуждает в обмотке электродвижущую силу. Формируемый ею электрический ток воздействует на устройство воспроизведения.

Именно В. Поульсен создал первую универсальную магнитную головку. Строго говоря, это – стержневая магнитная головка. Значительно позже появились кольцевые магнитные головки, которые в настоящее время применяются во всех аппаратах магнитной звуковой и видеозаписи. Однако следует подчеркнуть, что и стержневые головки дожили до наших дней и успешно используются в компьютерных устройствах магнитной записи и аппаратах специального назначения.

К началу XX века изобретатель усовершенствовал экспериментальный образец и создал первую модификацию телеграфона (Telegraphone), пригодную для публичных демонстраций.

В. Поульсен не просто изобрел магнитную запись, но и разработал основные узлы магнитофона, используемые и поныне.

Позже другими компаниями были разработаны аппараты с различными типами носителей: проволочными, дисковыми, ленточными. Была проделана большая работа по улучшению стали, специально предназначенной для магнитной записи. Первым ленточным аппаратом магнитной записи стала машина фирмы Marconi Stille – это Blattnerphone, названный по имени изобретателя Блаттнера. Материал ленты – все та же сталь со всеми ее капризами. Новый прорыв произошел в середине тридцатых годов, когда на фирме BASF была разработана, по сути, современная лента на ацетатной основе и с порошковым ферромагнитным материалом (гамма-окись железа).

Магнитная запись изображений начала использоваться в 1956 году. В этом году произошло применение в телевизионном вещании первого промышленного видеомагнитофона, разработанного и изготовленного фирмой Ampex (США).