Патент Великобритании № 394325 «Усовершенствования систем передачи, записи и воспроизведения звука» () — фундаментальная работа Алана Блюмлейна по вопросам стереофонической записи и воспроизведения звука, написанная в 1931 году и опубликованная в 1933 году. Текст, существующий только в форме патента и поясняющих его служебных записок, включает изложение психоакустической теории стереофонии, программу практических шагов по внедрению стереофонии в звуковое кино и индустрию звукозаписи и описание изобретённых Блюмлейном технологий, из которых важнейшими являются матричная обработка суммарных и разностных составляющих стереосигнала (MS-матрица) и система двухкомпонентной стереофонической грамзаписи 45/45. Формула изобретения содержит беспрецедентные 70 пунктов (автор — штатный эксперт научного отдела Британской библиотеки).

В 1933—1935 годы Блюмлейн построил опытные стереофонические тракты записи-воспроизведения и записал две серии стереофонограмм — на механические и оптические носители. Идеи изобретателя опередили своё время на четверть века: промышленное производство стереофонических пластинок стало реальностью лишь во второй половине 1950-х годов, когда срок охраны патента уже истёк. Блюмлейновская система записи 45/45 стала мировым стандартом стереофонической грамзаписи, а сам изобретатель получил посмертное признание как «изобретатель стереофонии», точнее — долгоиграющей стереофонической грампластинки, основного формата звукозаписывающей индустрии в 1960—1980-е годы.

Предыстория

В 1881 году Клеман Адер продемонстрировал на парижской электротехнической выставке «театрофон» — практическую систему прямой трансляции звука по телефонным линиям Также воспроизводилось в сборнике . Угольные микрофоны, установленные на сцене Парижской оперы, модулировали электрические токи в телефонных линиях и возбуждали звуковые колебания в телефонных капсюлях абонентов. Случайно, экспериментируя с двумя параллельными трансляционными линиями, Адер обнаружил стереоэффект. Система стереофонической трансляции, в которой каждое ухо слушателя воспринимает сигнал лишь одного из двух стереоканалов, получила название бинауральной (в публикациях Адера — ). Бинауральный «театрофон» не нашёл спроса из-за низкого качества звучания и необходимости использовать две телефонные линии (для левого и правого стереоканалов); коммерческие сети «театрофона», успешно действовавшие во Франции, Великобритании, Италии и Венгрии до конца 1920-х годов, были монофоническими.

В начале XX века Джон Стретт (лорд Рэлей) сформулировал теорию пространственного восприятия звука человеком; . В двухфакторной модели Рэлея локализация низкочастотных звуков определялась прежде всего разницей фаз сигналов, регистрируемых левым и правым ухом, а локализация высокочастотных звуков — разницей их уровней (амплитуд). Рэлеевская модель в целом действует и в XXI веке; к временны́м (фазовым) и амплитудным межушным разницам добавляется третий механизм — анализ различий в спектрах левого и правого сигналов. В годы Первой мировой войны вопросы бинаурального слуха изучались применительно к задачам противовоздушной обороны, контрбатарейной стрельбы и гидролокации на флоте. Тогда же появились и электронные усилители на триодах, позволившие воспроизводить звук через громкоговорители. Первые опыты с воспроизведением бинаурального сигнала (в то время существовавшего только в виде прямой трансляции) через громкоговорители окончились неудачей: стереоэффект, отчётливо ощущаемый в наушниках, при воспроизведении громкоговорителями ослабевал или вовсе отсутствовал.

В 1930 и 1931 годы решением этой проблемы занялись конструкторы крупнейших американских и британских корпораций. Совершенствование стереофонии не могло принести немедленных практических выгод: главный заказчик звуковой техники — кинематограф — довольствовался достижениями конца 1920-х годов; техническое перевооружение киносетей в условиях Великой депрессии было невозможно. Однако корпорации, стремившиеся нарастить пакеты патентов и через них собственное влияние в отрасли, продолжали исследовательские работы и поддерживали изобретателей. Первыми, независимо друг от друга, добились осязаемых результатов и из «Лабораторий Белла» (США) и Алан Блюмлейн из британской компании Columbia Graphophone.

Флетчер, следуя стратегии «Лабораторий Белла» — совершенствовать традиционную телефонную связь, занялся бинауральным воспроизведением через наушники; его целью была передача на расстояние точной «акустической копии» звуковых образов. Трансляционные установки Флетчера создавали в наушниках слушателей высококачественные объёмные «копии» исходных стереосцен, но для озвучивания кинозалов громкоговорителями не годились. Келлер, напротив, сосредоточился на . Расставив вдоль сцены линейку микрофонов, он пытался регистрировать широкий «акустический фронт». Усиленные сигналы с микрофонов подавались на линейку громкоговорителей в удалённой аудитории, имитируя «акустический фронт» концертного зала. Минимальная работоспособная стереосистема Келлера состояла из трёх каналов (левого, центрального и правого); она достаточно точно воспроизводила ширину стереосцены и отчасти её глубину, но лишь для слушателей на оси центрального канала. Попытки обойтись всего двумя каналами вновь закончились неудачей: стереосцена разваливалась на два изолированных источника звука.

Блюмлейн отказался и от воссоздания «акустических фронтов», и от точного копирования звукового поля. При записи бинаурального сигнала микрофоны должны фиксировать не «акустический фронт», а сигналы, которые услышал бы слушатель на концерте или кинооператор на съёмочной площадке. Расстояние между двумя микрофонами должно равняться расстоянию между ушами человека. При воспроизведении звука громкоговорителями создание копии невозможно, но можно обмануть слух человека правдоподобной иллюзией оригинала. Для этого, полагал Блюмлейн, следует намеренно исказить фазовые и амплитудные соотношения записанных сигналов.

Публикация

14 декабря 1931 года Блюмлейн депонировал предварительный текст заявки в патентном ведомстве. Окончательная редакция текста была утверждена 10 ноября 1932 года, и получила статус патента Великобритании 14 июня 1933 года. Первая официальная публикация патента № 394325 занимала 22 страницы текста и 11 иллюстраций на двух страницах; в американском журнальном переиздании 1958 года патент занимает девять страниц. Формула изобретения включала беспрецедентные для своего времени 70 (или, по другим подсчётам, «более 70») пунктов — в десять раз больше типичного патента 1930-х годов.

В архивах EMI сохранилось две позднейшие рукописи Блюмлейна, разъясняющие основные положения его патента. 4 июля 1932 года Блюмлейн составил подробное изложение патента на восемнадцати страницах. Предположительно, этот текст был черновой редакцией служебной записки, адресованной техническому директору EMI Исааку Шёнбергу. Сама же записка, направленная Шёнбергу и прочитанная им, была датирована 21 июля 1932 года и состояла из всего восьми машинописных листов.

Основной целью Блюмлейна было внедрение объёмного звука в кинематограф; это подтверждается и воспоминаниями немногочисленных свидетелей, и самим текстом патента. Вероятно, что Блюмлейн начал теоретические изыскания не раньше марта 1931 года; ход этих изысканий, предшествовавших патентной заявке, достоверно не известен. Блюмлейн не вёл рабочих журналов и не публиковал ни научных, ни популярных статей; первое документальное свидетельство его работ по стереофонии — рукопись с изложением принципа «тасования» — датировано 25 сентября 1931 года. Практические опыты в 1931 году были невозможны по чисто организационным причинам: в марте началось слияние Columbia Graphophone и её конкурента Gramophone Company в новую компанию — EMI; в ноябре лаборатория, в которой работал Блюмлейн, переехала на в .

Слова «стерео», «стереофония», «стереофонический» в патенте и рукописях отсутствуют: Блюмлейн использовал исключительно термин «бинауральный звук». Текст патента не упоминает какие-либо работы предшественников Блюмлейна, помимо практического опыта акустиков-подводников (). В 1950-е и 1980-е годы американские критики предположили, что Блюмлейн, в 1924—1928 годы работавший в лондонском отделении Western Electric, мог быть осведомлён о ходе работ Келлера и Флетчера, но никаких доказательств заимствования не нашли. Достоверно известно лишь то, что в своём опытном стереофоническом тракте Блюмлейн использовал микрофоны и узлы звукозаписывающих рекордеров Western Electric. Вопрос о приоритете в разработке идей стереофонии не имеет решения, вопрос о заимствовании конструкторских решений никогда не поднимался — слишком уж разными они оказались. Такое заимствование не имело практического смысла: коммерциализация стереозвука была делом слишком далёкого будущего. Изобретатели по обе стороны Атлантики работали буквально «на полку»; их идеи стали реальностью лишь через четверть века.

Идеи изобретателя

Психоакустические основы стереофонии Блюмлейн-изобретатель был человеком скромным и непритязательным; он вряд ли осознавал масштаб собственного таланта и значение того или иного изобретения. Иначе обстояло дело с патентом № 394325. Объём заложенных в него идей и их потенциальное практическое значение были столь велики, что Блюмлейн счёл необходимым предварить формулу изобретения изложением психоакустических основ стереофонии. Модель пространственного восприятия звука, изложенная Блюмлейном в вводных главах патента, следует двухфакторной модели Рэлея, с рядом уточнений: на низких частотах положение источника звука определяется преимущественно разницей фаз. Так как стереобаза человеческого слуха значительно меньше длины волны, то амплитуды низкочастотных волн, регистрируемые левым и правым ухом, практически совпадают, а их разница практически не влияет на локализацию источника звука. По той же причине разница фаз «левой» и «правой» волн однозначно указывает направление на источник звука, и именно на разницу фаз ориентируется мозг человека; на высоких частотах разница фаз перестаёт быть надёжным индикатором положения источника. Одно и то же значение разницы фаз может соответствовать нескольким различным направлениям, поэтому на высоких частотах мозг человека ориентируется не на разницу фаз, а на разницу амплитуд. Так как на высоких частотах голова человека становится эффективным акустическим экраном, разделяющим левое и правое ухо, то относительная разница амплитуд может достигать значительных величин, легко регистрируемых слуховым аппаратом; быстро нарастающие, перкуссивные сигналы высокой частоты локализуются в зависимости от временной задержки между фронтами звуковых импульсов, регистрируемых левым и правым ухом.

Граница между высокочастотной и низкочастотной областями, по Рэлею, проходила в области 1,5…3 кГц. Блюмлейн уточнил, что эта граница в действительности является широкой, в несколько октав, полосой частот, в которой действуют оба механизма локализации — и амплитудный, и фазовый. Амплитудный механизм начинает проявляться на частотах выше 700 Гц; ниже этой отметки слушатель ориентируется исключительно на разницу фаз. Именно на низких частотах, полагал Блюмлейн, и происходит утрата стереоэффекта при воспроизведении бинауральной записи громкоговорителями.