Звук на кончике лазерного луча
Физики помогают «заговорить» старейшим звукозаписям
Со второй половины 1880-х годов фирма Томаса Эдисона начала массовое производство фонографов — первых коммерчески успешных устройств для звукозаписи. Запись на них осуществлялась на цилиндрах (валиках), обычно с восковым покрытием. Сегодня валики фонографов представляют собой уникальные памятники звуковой истории, но, к сожалению, воспроизводить их аутентичным способом невозможно — воск столетнего возраста просто не выдержит прикосновения металлической иглы фонографа.
Фото: НИЯУ МИФИ
Фото: НИЯУ МИФИ
Для того чтобы услышать голоса и звуки, записанные более века назад, нужны современные технологии — например такие, которые бы заменили при звуковоспроизведении металлическую иглу лучом лазера. Эта техническая задача была решена в НИЯУ МИФИ. Об уникальном проекте «Ъ-Наука» побеседовала с научным сотрудником лаборатории лазерной диагностики Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ Андреем Михайлюком и инициатором проекта, генеральным директором Центра наследия Антона Рубинштейна Романом Романовым.
— Роман Владимирович, с чего начался этот проект?
Роман Романов: Он начался с прослушивания записи на фоновалике, где Петр Чайковский уговаривает великого пианиста и основателя первой в России консерватории Антона Рубинштейна увековечить его игру на фортепиано. Возможно, это первая аудиозапись в России. На этой записи мы впервые слышим голос Чайковского, и там же есть буквально несколько слов самого Рубинштейна. Он говорит: «Да, это дивная вещь», имея в виду фонограф. Эта запись сподвигла нас на поиск, ведь, может быть, где-то в архиве хранится второй валик, на котором записана игра Рубинштейна. Мы отправились в Петербург, в фонограммный архив Пушкинского дома, но выяснилось, что уговорить Рубинштейна сыграть так и не удалось. Там развернулась драматичная история. В какой-то момент Рубинштейн согласился, но фонограф отказал, и запись не состоялась. А в следующие разы, когда его вновь уговаривали, он уже отказывался принципиально — на запись могли попасть и его ошибки, а он не хотел, чтобы потомки судили о его игре по ним.
Это стало нашим первым прикосновением к миру фонографических записей в России. Дальше — больше: оказалось, что в архивах и музейных коллекциях хранятся тысячи фоноваликов, записанных в конце XIX — начале XX века. Их записывали как отдельные энтузиасты, так и фольклорные экспедиции; создавались специальные студии, куда приходили поэты и писатели и читали на фонограф свои произведения. Среди них — «Институт живого слова» и «Кабинет речевой культуры». В результате нам открылся целый мир уникальных записей, многие из которых до сих пор никем не прослушаны. Сейчас этим фоноваликам уже больше ста лет, и ни один хранитель не решится воспроизвести их на аутентичном фонографе — игла может просто разрушить хрупкий носитель.
Андрей Михайлюк
Фото: НИЯУ МИФИ
Андрей Михайлюк
Фото: НИЯУ МИФИ
— А как этот проект начался для МИФИ?
Андрей Михайлюк: Для нас это началось как очередная задача по оптической диагностике. Ведь наша лаборатория так и называется — лаборатория лазерной диагностики. Мы занимаемся проведением любых измерений с помощью лазерных систем. Это и интерферометрия, и измерения перемещений, скорости, плотности плазмы и многое другое.
— Какая вам была поставлена задача?
А. М.: По сути, создать аналог фонографа, который мог бы работать в режиме реального времени и с помощью которого можно было бы снимать звук с имеющихся восковых валиков. Важно, что эти валики создавались до появления обширной индустрии грампластинок, которые были уже более стандартизированы, и выпускались профессиональными фирмами звукозаписи. Фонографы были больше развлечением для людей, которые увлекались техническим прогрессом. Большинство валиков выпускались в стандартных футлярах, по которым совершенно невозможно определить их содержимое. Если сам валик никак специально не промаркирован, узнать, что на нем записано, практически невозможно.
— Технически с какими трудностями вы столкнулись?
А. М.: Задача была не самой простой в плане технической реализации, потому что все-таки лазерное излучение очень сильно отличается от иглы. Валики несовершенны. Дорожка, которую продавливает игла, бывает очень сильно искривлена, она никогда не бывает прямой. Кстати, в пластинках та же самая история. Когда звук считывается с валика иглой фонографа, считывание происходит за счет того, что у иглы есть какая-то степень свободы и игла сама следует за всеми изгибами дорожки. Но она также и воздействует на дорожку. Лазерное излучение на дорожку не воздействует, но лазерное излучение не знает, когда изогнулась дорожка, а когда не изогнулась. Поэтому самой интересной частью разработанного устройства является система обратной связи, которая удерживает лазерное излучение на дорожке. И теперь неважно, как искривляется дорожка, лазерное излучение всегда стремится подстраиваться. Поэтому, если, допустим, посмотреть, как воспроизводится запись, можно видеть, что наша система с лазером постоянно колеблется туда-сюда. Это как раз она пытается удержаться на дорожке за счет вращения микрометрического винта линейного позиционера.
Фото: НИЯУ МИФИ
Фото: НИЯУ МИФИ
— Как устроена эта система обратной связи?
А. М.: Дело в том, что, когда лазерное излучение попадает на дорожку, оно от него отражается. И в зависимости от того, какой угол наклона поверхности валика, меняется точка на детекторе, на который попадает излучение. Если система фиксирует смещение по одной из осей, которая у нас выделена как отвечающая за положение дорожки, она с помощью приводов пытается вернуться. Все это происходит в режиме реального времени, с учетом того что постоянно происходит вращение валика с определенной скоростью.
— Можно ли сказать, что ваша система работает по принципу радара? Луч отражается и фиксируется детектором?
А. М.: Я бы сказал, что не по принципу радара, а скорее по принципу трангуляционных датчиков. Это метод измерения формы поверхности, который фиксирует отклонения отраженного луча. По сути, мы измеряем форму поверхности, на лету преобразуя эту форму поверхности сразу в звук.
— А откуда взялся софт для преобразования формы поверхности в звук? Его надо было разработать или он был готовым?
А. М.: Софт надо было разработать, но в основном нам нужно было просто вычислить соответствие между смещением луча на детекторе и частотой звука. На валик записывается звук определенной частоты. Частота напрямую связана с наклоном дорожки. Чем сильнее наклон, тем выше частота. Вот, собственно, это и фиксируется.
— Эти соотношения наклонов и частот были определены в процессе работы?
А. М.: Не знаю, можно ли сказать, что нам повезло, но практически сразу все это получилось. То есть буквально прямой аналоговый сигнал с датчика уже выдавал звук.
— Какой лазер был выбран для решения этой задачи?
А. М.: Самый простой полупроводниковый лазер того же типа, что стоит в обычных лазерных указках. Особых требований к параметрам излучения задача не предъявляла, и это оказалось преимуществом: такой лазер по своим характеристикам не уступает лазерам, применяемым в приводах CD-ROM, при этом отличаясь предельной простотой, низкой стоимостью и полной безопасностью — как для оператора, так и для сканируемых объектов.
— В процессе работы над этим прибором вы читали что-нибудь об аналогичных разработках в других странах, может быть?
А. М.: Похожие приборы были. Есть японский прибор такого рода, он был произведен в 1986 году в единственном экземпляре. В России таких приборов, насколько я знаю, не было. Есть приборы, которые, допустим, могут целиком считать форму поверхности валика. Это сложные конфокальные микроскопы. Когда у нас только появились эти валики, мы в том числе с помощью микроскопов их изучали, смотрели, какое расстояние между дорожками, какая глубина, узнавали все это, что было неизвестно, проводили все эти измерения на оборудовании, которое имеется в МИФИ.
— Вы могли бы заняться следующим этапом? Я имею в виду обработкой самих звуков, их очисткой, может быть, реконструкцией?
А. М.: Какую-то минимальную обработку мы делали, это не очень сложно. Звук записывается, загружается в аудиоредактор, там дальше можно и шумы почистить.
— Воск — очень нежный и очень легкоплавкий материал. Его лазер не нагревает? Я понимаю, что игла его бы сильно разрушала, но лазер после 100 использований не будет его тоже разрушать?
А. М.: Нет, это специально вычислялось, естественно. Это достаточно маломощный лазер, даже будучи сфокусированным. И более того, мы не до конца фокусируем излучение, потому что в этом случае появляется много посторонних шумов. Все-таки мы стараемся как-то коррелировать с размером иглы, с размером дорожки.
Роман Романов
Фото: НИЯУ МИФИ
Роман Романов
Фото: НИЯУ МИФИ
— Роман Владимирович, на каком этапе сейчас проект? Началась ли уже серийная обработка валиков или пока вы только отрабатываете технологию?
Р. Р.: Сейчас идет отработка технологии. Кроме того, мы ждем большую партию самых разных тиражных фоноваликов — с их помощью удастся провести тонкую настройку прибора. Скоро у нас появится и фонограф, на котором сможем услышать эталонное звучание, с которым потом будем сравнивать звучание, получаемое от прибора.
На днях у нас произошло важное событие. Коллеги из Музея Толстого привезли нам фоновалики, которые были записаны самим Львом Николаевичем в Ясной Поляне. Он использовал фонограф как диктофон, начитывал письма своим близким людям, а дальше их расшифровывали секретари. Есть запись голоса Толстого на английском языке, а также валики с неизвестным содержанием.
В музейных коллекциях по всей стране хранятся даже не сотни, а тысячи валиков. Среди них есть и те, что действительно ни разу не воспроизводились и все еще ждут своего часа. Мы решили назвать прибор «Дивная вещь» — именно эти слова произнес под запись Антон Григорьевич Рубинштейн, так он охарактеризовал фонограф.
— Какие ваши дальнейшие планы, когда технология будет более-менее в рабочем состоянии?
Р. Р.: Планов и надежд у нас много. Коллеги из музеев, где хранятся валики, знают о нашей разработке, а мы открыты к сотрудничеству. Как только завершим работу над самим устройством — этой «Дивной вещью», мы будем готовы к оцифровке записей.
В будущем нам хотелось бы вместе с музейными коллегами создать общедоступную аудиоколлекцию, возможно, разместить ее на портале. Кроме того, мы планируем оборудовать в нашем Центре Рубинштейна специальное место для воспроизведения и прослушивания записей. Сейчас мы как раз проектируем здание, и один из залов будет оснащен системой иммерсивного звука — это передовая технология звукозаписи и звуковоспроизведения. Наша цель — соединить первые записи, сделанные более ста лет назад, с современными звуковыми решениями: снимать звук с фоноваликов, которым 150 лет, с помощью лазерного фонографа и воспроизводить его на системах XXI века.
Это могут быть коллективные прослушивания с научными комментариями, ведь многие записи будут открыты впервые. Так, в первый раз можно будет услышать материалы фольклорных экспедиций, которые в большом количестве проводились в 1920–1930-е годы. Бывали случаи, когда энтузиасты приносили фонографы, чтобы записать последние звоны знаменитых колоколен, которым грозило уничтожение. За этим — бездна нашего национального звукового наследия, которое обязательно должно быть проявлено. Сейчас оно молчаливо: валики лежат в хранилищах и ждут, когда их смогут воспроизвести.
А дальше предстоит огромная научная работа: атрибуция и обработка. Валики находятся в разной степени сохранности, их по-разному записывали и хранили. Впереди работа на годы: возвращение слов, звуков, музыки и, по сути, самих людей, которые когда-то сделали эти записи.
— МИФИ может изготовить устройство, которое будет работать в музее?
А. М.: Конечно. Мы, собственно, занимаемся приборостроением. Для нас выпускать готовые приборы — это обычное дело. Новое устройство — компактное и мобильное, его можно использовать непосредственно в местах хранения фоноваликов.