US特許にみる録音自動補正の歴史

私は録音技師ではありませんし、実際にこれらの特許がどの程度それぞれの時代に適用されたかは知りません。ただ過去にどんな補正法が考えられたかを調べてみました。

Victor Talking Machine時代に考えられた方式。横記録の音溝を矯正標準化する試みでした。実際に応用されたかは定かではありませんが、スプーン型の録音針で音溝をカットした後、回転する丸針=リーマーで原盤を矯正して再生針によるピンチエフェクトをなくすという独創的なアイディアが示されています。松村喜八郎による特開昭55-14537ではカッタ針が信号によって左右に回転するアイデアが示されていますがカッター針には研削負荷が掛かるので回転まで加えると機械的に耐えられなく実現はしなかった模様。ちなみにOwen氏は恐らく世界初の楕円針(Elliptical tungusten stylus)も発明していました(1080924)。註:当時の一般的な再生針は溝の底をトレースする鉄針(溝と全周接触?)でサウンドボックスの針圧が80g以上あったり、ピンチエフェクトにより横記録は縦記録より劣ると考えられていた時代背景も考慮しないと技術的評価を誤ります。Western ElectricのAlbersheimによる米国特許2310049(1942)も横記録のピンチエフェクト問題の解決法を提案しています(他の特殊溝については別ページ)。LP時代になり開角90度V字の音溝と再生針(溝の横壁の一部に接触する丸針)が標準化されたIEC98(1958)ではトレーシング歪が大きい縦記録のTranscription Recordingを規定するのを止め、モノラル横記録(SP/LP/EP/Transcription Recordings)だけになりました。ピンチエフェクトもトレーシング歪の一種ですが縦記録のトレーシング歪に比べると歪が少ないことが判明したことと(Hunt氏らの研究"On Distortsion in Sound Reproduction from Phonograph Records" J.A.S.A 1938)、民間の録音再生機器で横記録が主流になっていたことがIEC98(1958)に反映されていると思います。SP時代のピックアップヘッドは縦方向の機械インピーダンスが高い(縦方向の感度がない)のでピンチエフェクトにより所定の針圧以上の圧力が加わり音溝を磨耗することが多かったようですー米国Philco社の特許文書2379782-1945 Phonograph Pickupにその問題が検討されています:The impedance of the stylus in opposition to the force resulting from pinch-effect will be referred to hereafter as "vertical stylus impedance"-which terminology is apropos because ordinarily the reaction in question is directed vertically through stylus. The vertical stylus reactance is composed of two factors, namely, the inertia of the stylus and parts actuated thereby, and the mechanical resistance or stiffness of the yieldable mounting structure which supports the stylus.

American Telephone and Telegraph Corporation(AT&T)のEspenschiedの米国特許”Phonograph Recording and Reproducing”ーその申請日はNov. 15, 1919で電気録音再生法が確立するよりも早い時期になされたのは驚きです。The methods of reducing noises (by pre-emphasis on recording) or distortions (by compensation with opposite distortion on recording or reproducing) are indicated.

RCAのUSP2320429: Signal Recording and Reproducing System [compensating the loss of high frequencies depending on groove radius]. もともと33.33回転の古いタイプは内周側から録音されていたらしい(内周で録音レベルを設定すれば、外周には問題なく刻めるから?)。此処ではコンデンサと抵抗からなるネットワークのタップを切り替える方法が示されていますが、1943年のRigbyとLeedyの発明(US patent 2326564)では連続可変インダクターと抵抗によるautomatic variable equalizerが示されていますーこれらの方法は両刃の剣で周波数特性は一見良くなるが歪は増える傾向にあります(高域のレベルを高くすればするほど再生ロスも増えるのでJVCの特許などでは録音レベルを制限する方向に向かった)。RCA特許の本文ではBarrett氏の英国特許GB443801について「However, the network proposed by Barrett and other similar networks of the prior art have the disadvantage of attenuating the overall response of the amplifier, which is an undesirable feature」と言及しています。同時期同じくRCAのHathawayも録音又は再生Networks(溝径に連動し外周で高域を制限し内周では絞らないattenuator)で補正する方法を米国特許2379707で提示しました。私註:溝径による高域の再生ロスはSP時代だけでなくLPにも存在するので、初期モノラルLPの針の曲率(r1mil)に合わせて同様な録音補正が行われた場合、そのようなLPをステレオ用の丸針の曲率(r0.5mil)で再生すると最内周側で少しハイ上がりに聞こえることがある。現在の特殊形状針が必ずしも過去の盤に対してはtrue fidelityにならない恐れがある。外見上のHI-FIと歴史的背景を基にしたTrue Fidelityとは異なるー個々の録音盤は特定の再生環境を念頭においた録音技師の意図によって異なるので、外見上単純なHI-FIに逃げることが多いと感じます。イコライザーの適否だけでなく忠実な過去の再生には針の曲率も問題にすべきだろう。33.33回転時で最内周半径6cmの溝をいろいろなチップでトレースした場合の高域再生損失をシミュレーションした結果はグラフを参照(1kHz以上の速度振幅を8cm/s一定とした場合)。2-3mil標準針を使った古いタイプ(coarce groove)の33回転レコードの音質が満足できるものではなかったことも理解できる。そこでIEC98-1958では33回転coarse groove Transcription Recordの最内周音溝は半径95mm以上にするよう推奨した。

米国プレスト社はレコード製作を大衆化し家庭用録音機と録音用blank disc(ニトロセルロース・ラッカー盤)を供給していました。以下の図はPresto Recording Corporationの米国特許2247924−1941より。78回転のレコードでは線速度が内周でも比較的大きく問題ないが、33.3回転の低速レコーディングでは問題が顕在化する。そこで可変抵抗(スライダー34taps=34contacts)によりレベル調整しそれを高域補正回路(固定コンデンサーとコイルから成るcontrol box)に接続する構成でした。実線が補正のない場合、点線は自動補正回路を通した場合。低速33.3回転でありながらで溝はSP溝と同様だったことが窺えます(即ち低速度且つfine pitch高密度録音により長時間再生を実現した現在のmicrogroove or fine groove LPとは異なる)。回転速度に関係なく再生針は共用で2.5mil程度を想定していたようです。

内周と外周で線速度が大きく変わる事が高域再生ロスや歪の原因なので線速度一定の録音再生方式もGray社のAudograph (US特許2391784-1945など)で実現しましたが、特殊例に終わりました。音記録の歴史はPhonautogram (1857)/Phonograph cylinder (1877)/Gramophone record (1895)/Wire recording (1898)/Reel-to-reel tape (1940s)/SoundScriber (1945)/Gray Audograph (1945)/Dictabelt (1947)/LP record (1948)/45 rpm record (1949)と続きます。Gray社の線速度一定のアナログ盤が一般化しなかった理由は特殊な装置が必要で、従来のCAV(constant angular velocity)によるターンテーブルを一新しなければならず、伝統的なアナログ録音再生の流れから外れたものだった。以後もCLV(constant linear velocity)をアナログ盤で実現する方法は度々提示はされているのですが。。。例えば2016年中国特許申請CN106297829A:実施例として線速度18.5cm/s(!!!?)に設定すれば12インチ盤で76%、10インチ盤で64.7%、7インチ盤で25%それぞれ録音演奏時間を延長できるメリットを挙げ、CLV制御はアームの回転角度にターンテーブル回転を連動させ、swing armの各演奏位置での誤差にも言及しています。いまさらアナログ盤をCLVで刷新するには、既に時期を逃していると思います。リニアトラックのターンテーブルがそれほど普及しなかったのはアナログ末期にあだ花のように登場したからで、これもアナログレコードの歴史から外れたものだった。良いものが普及するのではなく普及したものが良いものだ、という考え方がマーケットを支配しています。余談ですが、線速度30cm/s一定で録音再生をした場合には、現在のアナログ盤の内周半径8.5cm程度における線速度に相当するので、トレーシング歪と高域再生ロスを低く抑えることが出来、最長演奏時間は30cm盤片面で31分程度になります(計算方法と根拠はこのページの終わりにあります)。

KelloggもTracing Simulatorの先駆者でした。2種類の発明をしています。2122207は主に溝の曲率を制限してトレーシング歪を減らす工夫で、2284744は(横記録と同じくpush-pullによって)hill-and-dale(垂直録音)の2次歪を減らす工夫でした。

RCA Dynagrooveは丸針のトレーシング歪を補正する本格的なtracing simulatorで60年代には他社も同様な補正録音法を採用したようですが70年代末になって楕円針など特殊針も現れたので再生針の曲率に依存するこの補正録音を止めた模様。次の文章がこの技術の背景を語っています。 "An analysis of tracing distortion shows that lateral cut records are superior to vertical cut records (hill-and-dale). In lateral cut records, the two groove walls, moving in the opposite directions relative to the reproducing stylus center, form a push-pull system which tends to eliminate the even order harmonic and intermodulation components of tracing distortion. In vertical cut records, vertical-lateral stereophonic records, or in 45-45 type stereophonic records the cancellation of even order harmonic and intermodulation distortion does not take place and the tracing distortion problem becomes significant." Fig.2は正弦波を垂直録音した溝上における丸針のトレース軌跡でFig.3は補正録音溝上での丸針のトレース軌跡です。一般的にステレオ録音においては水平トレーシング歪[主に3次]より垂直トレーシング歪[主に2次歪]の方が大きい(詳しくはdistortions.xlsrecspecs.htmを参照ください)ので、丸針における垂直方向のトレーシング歪〔2次]の補正を目指したようです。Fig.8は従来の歪補正のない録音レコードを再生した時に生じる歪をアンプ側前段のネットワーク(Fig.5と同等)により補正し、歪補正による録音レコードを再生した時にはスイッチ120を閉じて歪補正のネットワークをバイパスするアイデアを示しています。他のレコード製作各社も同様な発明をしています:素人の私が判断する限り、英国EMIもRCAタイプ(Dynagroove)に近いようで記録溝の半径に連動するシステムでした(Electric analogue calculatingの副題を持つGB1089291&GB1118381/歪みは溝径に反比例するのでautomatic volume controlの副題を持つGB1090941と発明が相次ぎます)。いずれの録音補正方式でもその目的とするところは同じく<丸針のトレーシング歪みの補正>なので補正方式の優劣はユーザには問えない。

Dynagrooveのマークがあるレコード(1976年RVC国内盤)に以下のような記述を見つけました。これを見るとDynagrooveプロセスで前処理したテープをRCA本社が供給したので他国や他社でDynagrooveレコードを作る際に困らないようになっていたようです。The Popular Duke Ellingtonという1966年のアルバムがDYNAGROOVE盤でした。何故かクラシック曲にはDYNAGROOVE録音が見当たらないそうです。軽音楽と違いクラシック曲は左右逆相が少なくDYNAGROOVE録音にしても効果が薄かったからでしょうか?山本氏によれば垂直トラッキング角度誤差歪も逆相成分が多い軽音楽で際立ち、サウンドステージの狭い室内楽などでは聞き取りにくいと報告しています。測定器と違い人間の感覚の精度は大したことがないので一般のレコードで音楽が楽しめているわけです。

TELDECの補正法:ノイマンのホームページによると"During playback, this results in tracing distortion, which mainly contains the 2nd harmonic. In 1968, Neumann built the Tracing Simulator that solved this problem."とあり、ノイマンのカッターレースのプリアンプに実装されたという意味だろう(1964年申請1967年公開DE1232360ではvertical recordingの要素を持つステレオ溝のトレーシング歪を機械的に補正するカッターメカニズムを発表していました)。現在のノイマンはマイクロフォンのメーカーとして生き残りゼンハイザー傘下の一部門でしかない。TELDECの方は1988年WEA Internationalに買い取られ、その開発研究部門は閉鎖された由。ちなみにノイマンのページで<主に2次の歪>とありますが、TELDECの特許は<3次歪を補正する>ものです。補正する方法はTELDECのKlempとRedlichによって既にJAES(April 1965)にA New Method of Disc Recording for Reproduction with Reduced Distortion: The Tracing Simulatorの表題で発表されていて"By means of an analog-computer technique, geometric playback distortions are simulated during disc recording. Second- and third-order harmonics are recorded so that the vertical and lateral components are free of tracing distortion in playback and pinch-effect distortion is removed in lateral recording. The method also offers the possibility of correcting the vertical recording angle by electrical means. "とあります。下線の部分は後にDMM録音における垂直録音角補正に応用されました(DMMのカッターヘッドの角度は5度程度なので電気的に録音補正し再生時VTA20度のカートリッジを使用しても不都合が無いようにしたー詳細はJVCカッターのページ参照)。

2次の垂直トレーシング歪は量的には3次の垂直トレーシング歪より概して多いので従来は2次歪の補正を主眼としていたが、この特許では2次歪を従来の方法で補正すると今度は(特に内周側で)3次歪が突出してしまう問題に焦点を絞り従来の方法に加えてそれとは別に3次歪を抑える方法を提示したようです。補正信号の式(1)は3次(3ωt)の垂直トレーシング歪の式を示しています。山本氏によるとTELDECの方法は<トレーシング歪みの関係式をそのまま電気回路で実現し、これによって入力信号に再生時と同じトレーシング歪を与え、これを逆相にしてカッターへの入力信号とする>方式だそうです。なるほど補正信号の式(1)に−符号が付いているわけだ。

東芝の補正法PTS(=Pinchless Tracing Simulator):主にピンチエフェクトの影響による縦方向の歪[水平方向の信号の2倍の高調波]を補正する工夫でした。正弦波の場合にはFIG.2のように変形(補正)した溝整形になり、それを丸針でトレースした時、水平記録モノラル溝上の針との接触点高さが一定になるわけです。RCAの垂直信号補正に対して東芝のこの方式は水平信号補正のように見えます。

以下はクレンペラー指揮ブルックナー交響曲第9番EAA-80034にある説明です。PTSにもいろいろなタイプがあったようです。

 

JVCの特許は速度振幅を可変制限して内周の歪を減らす試みでした。1943年RCAのHasbrouckと比較すると録音レベルをコントロールすることで内周側の周波数特性を維持しているようにみえる。4chレコード製作に関連する別の特許(4010333-1977&4137430-1979)では従来のtracing simulatorと同様に再生時予想される歪波形を原波形に混ぜて録音する方法も別のビクターの技師たちによって提示されています[おそらくtracing simulatorとしては最後の文献]。再生針の曲率に依存する補正録音をいくら追求しても、いろんな形状の再生針が開発されてからは後の祭り。外国の他の特許の中には面白いアイディアとして:<内周側の録音レベルを落とし再生側で自動レベル調整>や<手を加えずそのままのレベルで録音し再生側で高域損失を補填する自動イコライザー可変>なども散見されますが、いずれも再生側機器への要件が厳しく実用化されなかったようですーコンピュータ時代の現在では難しいことではないのですが、余りにもアイディアが先行しすぎた。

JVCの柴田氏はユニークな発明をしています:逆歪みを加えて録音補正するのではなく録音針の形状を丸針のトレーシング形態に合わせるというものです。公告S49-17361(特許0759288)&公告S50-33641(特許0820271)では2種類の形状が提示されています。このような録音針(従来のburnishing facet→半円形)では所謂Hi-Fiな溝は刻めないので実際のレコード製作には採用されなかったようです。

horizontal rule

補正録音は丸針の曲率半径に依存するので、0.7milの丸針を想定した録音補正がなされているレコードをHI-FIな特殊形状針で再生すると補正歪そのものを再生してしまうのではないかという疑問があります。「レコードとレコードプレーヤ」P.108では以下のように説明されていました。これはあくまでも理論上の弁明のように思われますー何故なら補正録音波形をひずみなく録音すること自体困難だからです。

    その他考慮しなくてはならない問題は、再生針先半径をどの値に設定するかということですが、現在普及している2chステレオ・レコード用PUカートリッジの再生針先半径は0.7ミル(=17.8μ)のものが多いことから、その値にセットされるケースが多いのです。
    しかし、仮にそのようなレコードを0.5ミル(=12.7μ)の再生針先半径のPUで再生する状態を考えると、図3・106のようになって、結果的には0.2ミル(5μ)相当の再生針先半径を持つPUでひずまない音溝をトレースしたのとおなじだけのひずみが残留することになります。
    すなわち、実際のPUに取り付けられている再生針の半径をrとし、トレーシング・シミュレーションでセットされた補正針先半径をr0とすると、|r-r0|の大きさの再生針で再生したときとおなじひずみ量になり、|r-r0|<rなので、いずれにしてもトレーシング歪は減少するのです。

現在、レコードに適用される録音方法には上記のような型にはまった自動補正は一般には使われず、カッティング技師の職人的な裁量に任せた形になっているようです。その理由は、録音現場からのボイコットや職人としてのプライドだったのかもしれません。いろんなカッター機器を集めてデーターベース化しているページ[スイスの若い録音技師のページ]を見ると、<新技術による便利な装置が音質的には必ずしも良いことにならない>ことも報告されています。カッティングレベル(ダイナミックレンジ)と周波数特性のバランスが良い録音を音的には良いレコードとすれば、数々の名録音は録音技師+カッティング技師の努力の成果なのだと感じます。 

horizontal rule

Variable Pitchの歴史

Wonneberg著Vinyl Lexikon(2000年発行)にVariable Micrograde 78とVariable Pitchの話が出ています。録音時ネジでカッターヘッドを一定速度で送るのが通例でした(Constant pitch)。高密度の録音(Fine pitch)を試みると溝同士が近接し問題が生じる恐れがあり溝間隔(送り)を比較的大きくする必要があり、記録できる密度に限界がありました。1943年第二次大戦末期ドイツの物理学者Eduard Rhein氏が変速送りの理論的なモデルを発表し、ドイツグラモフォン社もVariable Micrograde 78を発表したそうですがその実際の方法はDGGとRhein氏間で少し異なるそうです(DGGは音溝が重ならないことを主眼とし、Rhein氏はより理論的な高密度録音を目指した)。

Variable Pitchのアイデア自体はもっと古くからあるようです(例えばUSP2112699-1938 by Kleber)。テープデッキ(先行ヘッド)と連動させることによりVariable Pitchが実用化されました:モノラル時代のTeldecの特許USP2792454/5-1957、CBSの特許USP2738385-1956、RCAの特許2847514-1958、ステレオ時代のTeldecの特許USP2963556-1960、Scullyの特許USP2948783-1960、EMIの特許USP3075052-1963、Philipsの特許USP3223789−1965等。それらにより溝上面間隔を保持しながら演奏時間の延長が実現しました(重ならなくとも溝同士が近接しすぎるとラッカー塗膜に刻む互いの音溝に変形が起こることがある)。ステレオ録音ではPitch controlは当然Depth controlとも関係しています。テープレコーダーを介在しないダイレクトカッティング録音(及びテープ録音以前のTranscription discの大半)は安全のために大きい送りピッチ幅を取るため一般のレコードより記録時間が短く30cmLPで片面20分以内になっていたのを思い出しました。

日本コロムビアの特開S55-87301(1980)トレーシング歪補正装置に平均ピッチの表1が示され「表1にバリアブルピッチ機構が加わる場合の最大ピッチがおよそ60本/cm、最小ピッチがおよそ200本/cmである」と説明があります。ここで最大ピッチは最小密度(送りが大きい)、最小ピッチは最大密度(送りが少ない)の意味です。

表1:  30cm LPの場合

平均ピッチ (本/cm) 80 90 100 110 120
演奏時間の限度 (分) 21.33 24.0 26.67 29.33 32.0

JIS S8601(1981)&JIS S8502(1973)によるとLPの最終の音溝の半径 5.76cm以上で最初の音溝の半径 14.65cm以下とあるので、音溝記録領域の最大幅を8.89cmと仮定して計算すると上表と一致します。実際には最内周までビッチリ音溝を刻んでいることは少ないのでこれらは目安です。再生音質面[内周側での線速度減少]から最終音溝半径はLPの半径の半分(7.5cm程度)に選ぶことが一般に多いようです。

recordable area width

Maximum 8.89cm [A] for 30cm LP as per JIS

average density of pitch: lines/cm [B] 80 90 100 110 120
number of total lines [C] = [A] x [B] 711.2 800.1 889 977.9 1066.8
second (100/3 rpm, one turn 1.8sec) [D]=1.8x[C] 1280.16 1440.18 1600.2 1760.22 1920.24
minute [E] = [D] / 60 21.336 24.003 26.670 29.337 32.004
In case of variable pitch recording system: maximum density approx. 200 lines/cm and minimum density approx. 60 lines/cm. According to statistics, such highest or lowest pitch for normal music or program is not lasting for more than 1 minute so that the average density of pitch is prevailing after the integration.

horizontal rule

Further I calculate as follows. FANTASY of CLV (constant linear velocity) instead of conventional CAV (constant angular velocity). What I want to say : Conventional CAV type analog record has problem for keeping constant quality throughout recorded area. But analog disc history is almost ended so that there is no possibility to "improve or renew" analog record by CLV format: for example 35cm/s might be optimum coupled with CLV cutting table and CLV reproducing turntable.

The maximum recorded area width for LP(JIS)         8.89cm(=14.65-5.76)
Middle radius of recorded area                  10.2cm
Average density of pitch         100 lines/cm
Total numbers of line for example         889 lines
Approx. length of groove 889*2*pi*10.2
      56974 cm
      569.74 M
When a runner running on such track at speed 35cm/s
         Lap time from start to goal      1627.8 seconds
     27.1 minutes
When a runner running on such track at speed 30cm/s
         Lap time from start to goal      1899.2 seconds
     31.7 minutes
When a runner running on such track at speed 20cm/s
         Lap time from start to goal      2848.7 seconds
     47.5 minutes
CAV record turning 100/3 turns per minute for LP
      (rotation of 200 degrees per one second)
Groove velocity at radius 5.76cm :       20.1cm/s
Groove velocity at radius 14.65cm :     50.1cm/s

中島平太郎・小川博司共著「コンパクトディスク読本」(1996年改訂3版)23頁に次のような記述がありました。

「一般に、ディスクにおいては、内周・外周比を n とすると、CLVにした場合、回転数一定(CAV:Constant Angular Velocity)の場合に比べて (n+1)/2 倍の再生が可能になります。    もし、LPレコードをCLVで記録したら、n≒2.5ですから、1.7倍ほど長時間の再生ができるようになりますね。しかし、アナログの連続信号の場合、正確なCLVの制御はとても難しいと思います。」

CLVタイプのアナログ盤のアイデアは度々夢想・提示はされているのですが、今まで商業規模で実現できた例を知りません。GRAY社のAudographは米国警察などで通信(電話やトランシーバー)記録に1960年代前半まで使われていたが家庭用途ではなかった(音が入ると自動的に内周から外周に向かって記録する)。Dictabeltも同様な使い方がされていたが、プラスチックのテープに針でエンボス記録するタイプでケネディ暗殺時の白バイ警官の通報記録が度々検証対象になっています。テープは当然線速度一定ですね。

horizontal rule

ホームページへ戻る