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を考慮しないと技術的評価を誤ります。端的に言えばSP時代はピンチエフェクトにより縦加重が増え盤と針の摩耗が問題であったが軽針圧LPでは縦方向の追加歪（主にsecond harmonic distortion）が問題になるのです。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. 因みに世界初の電磁ピックアップはフランスGaumont社のFlely氏によって1918年ころ発明されましたがWestern ElectricのHarrison等によって電気録音再生が確立・実現したのは1920年代後半からでした。そして電蓄の普及はラジオの時代1930年以降。トーキーも最初はレコード盤と映像を同期させるものだったが後に映像フィルムの縁に音声を記録することになったのでその音声部分をsound trackと呼ぶのですね。

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/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.xlsやrecspecs.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：ノイマンの古いHP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。