Оптические системы для воспроизведения звука

Для записи звука на кинопленке наиболее целесообразным способом является фотографический способ, то-есть тот же, которым получается фотографическое изображение.

И запись и воспроизведение фотографической фонограммы производятся оптическим методом. Процесс записи состоит в преобразовании электрических колебаний, создаваемых микрофоном под действием звука, в колебания световые, которые и записываются на пленке, движущейся с постоянной скоростью мимо пишущего штриха.

Если при этом изменяется яркость штриха при постоянном его размере, получается запись переменной плотности, или интенсивная запись, а если меняется его длина, получается запись переменной ширины, или трансверсальная запись. С полученного после обработки негатива фонограммы печатается на фильмокопии рядом с изображением позитив фонограммы, который и служит для звуковоспроизведения.

Скорость движения пленки как в записывающем, так и в воспроизводящем аппарате строго постоянна и составляет 24 кадра, или 456 мм, в секунду. Чтобы при этой скорости можно было записать на пленку высокие частоты, необходим пишущий штрих, ширина которого была бы не больше 1/4 длины записываемой волны. Если принять в качестве верхнего предела записываемых частот частоту 10 000 гц (герц), то длина волны такой записи будет составлять:

Следовательно, ширина штриха должна быть 45,6:4 = 11,4 μ. Именно такую ширину (10—12 μ) имеет оптический штрих в звукозаписывающих аппаратах.

Необходимо отметить, что эффективная, то-есть фактически действующая, ширина пишущего штриха всегда больше из-за рассеяния света в эмульсии, как в мутной среде, и если не принять специальных мер, ширина штриха достигает значения 30 μ и больше: Чтобы не дать штриху сильно расширяться, запись ведется не белым, а ультрафиолетовым светом, а в эмульсию вводят краситель, препятствующий рассеянию света.

Практика показала, что такой штрих лучше всего осуществлять в виде уменьшенного изображения вещественной диафрагмы с таким же соотношением размеров — так называемой механической щели.

Считывание фонограммы заключается в том, что при прохождении фонограммы мимо оптического штриха постоянный световой поток штриха модулируется фонограммой как диафрагмой переменной ширины или переменной плотности. Эта световая модуляция превращается в дальнейшем при помощи фотоэлемента в электрическую модуляцию, которая затем усиливается и, поступая в громкоговоритель, воспроизводит в нем записанный на пленке звук. На рис. 110 приведены размеры и положение стандартной фонограммы на 35-мм фильме.

Рис. 110. Размеры и расположение фонограммы на 35-мм фильме

Хотя в записи звука и допускаются различные методы, все они должны, разумеется, быть рассчитаны на один общий способ воспроизведения.

Ширина записи определяется длиной пишущего штриха и составляет для фонограммы переменной ширины 1,8 мм, а для фонограммы переменной плотности 2,54 мм. Так как ширина печатаемой полосы составляет также 2,54 мм, то фонограмма переменной плотности занимает всю ширину, отведенную под звуковую дорожку.

Фонограмма переменной ширины занимает только середину дорожки, и остающиеся с двух сторон узкие полоски зачерняются при печати, чтобы понизить шум, создаваемый зерном эмульсии и неизбежными дефектами — царапинами, точками и т. д., особенно сильно сказывающимися на прозрачных участках. Специальное шумопонижающее устройство в записывающем аппарате дает возможность сократить площадь прозрачной части позитива до минимума, в пределах которого происходит модуляция.

Длина читающего штриха берется как среднее между длиной пишущего штриха для фонограммы переменной плотности и длиной пишущего штриха для фонограммы переменной ширины, а именно 2,15 ^+0,05. Благодаря этому при считывании фонограммы переменной ширины штрих будет перекрывать всю модулированную часть даже при наличии некоторого бокового смещения фонограммы, происходящего при печати или при прохождении по звуковоспроизводящему треку. В то же время эта длина штриха меньше ширины фонограммы переменной плотности и не может выйти за ее пределы при наличии таких же боковых смещений.

Читающий штрих имеет ширину S = 20 μ Если ширина S штриха будет больше, то возникают линейные искажения за счет уменьшения отдачи тех частот, для которых не будет выполнено условие:

На рис. 111 приведена кривая зависимости коэффициента модуляции m от ширины штриха S для различных частот. Этот коэффициент модуляции, или коэффициент передачи m, определяет собой отношение амплитуды светового потока при данной конечной ширине штриха S к амплитуде при бесконечно узком штрихе, то-есть величина т показывает ослабление звука данной частоты в зависимости от того, какую долю длины волны λ составляет ширина штриха S.

Из кривой рис. 111 видно, что при выполнении условия S = λ/4 коэффициент модуляции составляет 90%. Если исходить из расчета, что самая высокая частота, которая воспроизводится с амплитудой 0,9, составляет 6000 гц, то читающий штрих должен иметь ширину:

ется до 0,3. Наконец, амплитуда достигает нулевого значения, когда S=λ, то-есть при данной ширине штриха уже не будет воспроизводиться та частота, для которой длина волны равна ширине штриха.

Рис. 111. Кривая коэффициента модуляции в зависимости от ширины штриха

Таким образом, задачей оптической системы звуковоспроизводящего узла является образование на фонограмме микроскопического читающего штриха длиной 2,15 и шириной 0,02 мм, обладающего максимальной возможной яркостью для того, чтобы через такой штрих, несмотря на его ничтожную площадь, проходил максимально возможный световой поток.

Из большого количества возможных способов решения этой задачи наибольшее применение получили практически два способа:
1. Образование микроштриха как уменьшенного изображения механической щели при помощи обычной сферической оптики по схеме проекционной системы.

2. Получение микроштриха при помощи цилиндрической оптической системы, которая образует микроштрих как изображение тела накала лампы в одном сечении, а в другом сечении изображает диафрагму по проекционной схеме.

Ввиду принципиальных различий между этими способами разберем каждый из них в отдельности.