Почему у компакт-кассеты скорость 4,76 см/с, хотя её считали годной только для речи

На кассете C60 обещано 30 минут на сторону, на C90 уже 45, и обе цифры вытекают из одного числа: лента идёт мимо головки со скоростью 4,76 см/с. В начале 1960-х такую скорость ленты считали пригодной только для записи речи, а потом на ней десятилетиями слушали музыку по всему миру. Ниже я разбираю, откуда взялось это дробное число, чем за него заплатили слушатели и что было бы с компакт-кассетой при другой скорости.

Откуда взялись 4,76 см/с

Дробь в метрической записи выдаёт происхождение. В оригинале скорость компакт-кассеты равна 1⅞ дюйма в секунду, и если умножить 1,875 на 2,54, получится 4,7625 см/с. За час такая лента проходит 171 метр. Сами дюймовые скорости пришли из США: первые американские профессиональные магнитофоны работали на 30 дюймах в секунду, то есть на 76,2 см/с.

Каждая следующая ступень получалась делением пополам. Так возник знакомый ряд 38,1, 19,05, 9,53, 4,76 и 2,38 см/с. Кассета стоит в нём на пятой позиции и движется в 16 раз медленнее старой студийной ленты, а 30 дюймов после четырёх делений пополам как раз дают 1⅞. Случайным это число выглядит только в сантиметрах.

Philips эту скорость не изобретала. В начале 1960-х 1⅞ дюйма в секунду уже применяли в диктофонах, и кассету с самого начала проектировали для диктовки и переносной записи. В 1961 году в бельгийском Хасселте разработку возглавил инженер Лу Оттенс. Параллельно венское подразделение Philips вместе с Grundig делало однокатушечную кассету, но победил двухкатушечный вариант Оттенса под рабочим названием Pocket Recorder.

В конце августа 1963 года на Берлинской радиовыставке Philips показала кассету вместе с магнитофоном EL 3300. Лента шириной 3,81 мм заметно уже четвертьдюймовой ленты катушечных аппаратов, а корпус размером 10,2 x 6,35 x 1,27 см помещался в карман. Запись шла по 30 или 45 минут на сторону. Разбираясь в истории формата, я не нашёл документа, где Philips объясняла бы выбор именно этой цифры, поэтому честнее говорить так: компания взяла готовую диктофонную скорость вместе с назначением устройства.

Как Philips закрепила скорость ленты для всех производителей

Скорость стала обязательной благодаря лицензионной политике. Philips раздавала лицензию на формат бесплатно, и к этому её подтолкнула Sony, добивавшаяся бесплатного доступа. Grundig в 1965 году вывела конкурирующую DC-International, сделанную по чертежам компакт-кассеты, но уже в 1967 году её сняли с производства. К 1968 году 85 производителей продали больше 2,4 миллиона кассетных магнитофонов.

Вместе со скоростью закреплялись ширина ленты, расположение дорожек и размеры корпуса, поэтому любая кассета играла в любом аппарате. Сегодня эти параметры описывает семейство стандартов IEC 60094, а советский ГОСТ 23963-86 для лент шириной 3,81 мм задаёт номинальную скорость 4,76 см/с с отклонением не более 1,5% в любую сторону. На деле это значит, что на 45-минутной стороне аппарат на краю допуска уходит примерно на 40 секунд, а высота тона сдвигается почти на четверть полутона.

Здесь появляется первый ответ на вопрос, что было бы при другой скорости. После того как миллионы магнитофонов собрали под 4,76 см/с, любое изменение ломало совместимость. Режим 2,38 см/с для диктофонов и 9,53 см/с для ускоренного копирования существовали, но стандартом так и не стали. По-моему, именно бесплатная лицензия заморозила число навсегда: менять скорость ленты, когда кассеты выпускают десятки фирм, уже никто не мог.

Почему медленная лента теряет высокие частоты и шумит

Звук на ленте записывается участками намагниченности, и длина одной волны равна скорости, делённой на частоту. При 4,76 см/с тон 10 кГц занимает на плёнке всего 4,76 мкм, а при 19,05 см/с тот же тон растягивается до 19,05 мкм. Чем короче волна, тем труднее её записать и считать головкой, поэтому медленная лента первой теряет верхние частоты. У ранних кассетных магнитофонов частотный диапазон был неприемлемо узким для музыки, к этому добавлялась детонация, то есть плавание звука из-за неравномерного хода ленты.

Второй проблемой стал шум. Дорожка на ленте 3,81 мм узкая, сигнал с воспроизводящей головки слабее, чем у аппаратов под широкую ленту, и отношение сигнал/шум получается хуже. На малой скорости спектр собственного шипения ленты смещается ниже, туда, где он заметнее на слух. Динамический диапазон, разница между самым громким звуком и шумом, сжимался до значений от 40 до 46 дБ, а значит, громкий звук превосходил шипение по амплитуде всего в 100 или 200 раз.

Детонацию и узкий диапазон со временем исправили более точными лентопротяжными механизмами, новыми лентами и головками. С шумом так не вышло, его победила только система Dolby B, которая на записи поднимает тихие высокочастотные составляющие, а при воспроизведении опускает их обратно вместе с шипением. В 1971 году Advent Corporation выпустила дек Model 201, где сошлись Dolby B, лента на диоксиде хрома CrO2 и механизм от подразделения Wollensak компании 3M. В 1973 году Philips выпустила свой первый Hi-Fi стереомагнитофон под кассету.

Скорость компакт-кассеты при этом осталась прежней. Я считаю это самым любопытным поворотом всей истории: формат, ограниченный скоростью ленты, довели до Hi-Fi химией плёнки и электроникой, не тронув механику ни на сантиметр в секунду. С середины 1970-х, когда Dolby B стал обычным делом, кассету начали всерьёз выпускать для музыки, а с 1983 по 1991 год в США она была самым продаваемым форматом новых записей.

Зачем катушечные магнитофоны гоняли ленту быстрее кассеты

Бытовые катушечные магнитофоны работали на 9,53 и 19,05 см/с, студийные на 38,1 и 76,2 см/с. Распространённое выражение «катушка шла втрое быстрее» ряду скоростей не соответствует, потому что все ступени получены делением пополам. Бытовые 19,05 см/с ровно вчетверо быстрее кассеты, 9,53 см/с вдвое.

Посчитаем, что это давало. За час на 19,05 см/с уходит 686 метров ленты против 171 метра у кассеты, а ширина ленты 6,35 мм против 3,81 мм. По площади разница почти семикратная. Каждая звуковая волна на плёнке вчетверо длиннее, дорожка шире, сигнал сильнее, поэтому и высокие частоты, и шум у катушки были заметно лучше. Платили за это большими бобинами и ручной заправкой ленты.

Попытка просто спрятать катушечную ленту в коробку уже была. В 1958 году RCA Victor выпустила картридж с четвертьдюймовой лентой на 60 минут стерео, но успеха он не имел, и в 1964 году его сняли. Компакт-кассета Philips получилась примерно в четверть размера тогдашнего ленточного картриджа, и добиться этого удалось только одновременным сужением ленты и снижением скорости.

Теперь можно прикинуть альтернативу. Выбери Philips 9,53 см/с, корпус C60 давал бы по 15 минут на сторону, а ради прежних 30 минут пришлось бы вдвое увеличить запас ленты и корпус. Для карманного диктофона 1963 года это лишено смысла. Я предполагаю, что при такой скорости кассета звучала бы лучше с первого дня, но осталась бы переносным аппаратом скромного успеха, и формат для плеера Walkman TPS-L2 в 1979 году мог бы просто не найтись.

Что случилось с кассетой, когда появились C120 и тонкая лента

Раз скорость ленты зафиксирована, добавить время можно только одним способом: вместить больше плёнки в тот же корпус. На 4,76 см/с кассете C60 нужно около 86 метров ленты, C90 около 128 метров, а C120 уже около 171 метра. Лента C60 имела общую толщину около 18 мкм, у C90 она уменьшилась примерно до 12 мкм. По моей оценке из той же пропорции, у C120 выходит около 9 мкм, то есть вдвое тоньше, чем у часовой кассеты.

Для механизма это ощутимая разница. Натяжение ленты в кассетном лентопротяжном механизме при моменте 5 мН·м составляет от 0,2 до 0,5 Н, и на плёнке вдвое меньшего сечения то же усилие даёт вдвое большую нагрузку на материал. Механизм должен держать равномерное натяжение и ровный контакт с головками, а тонкая лента прощает ошибки хуже.

Вторым путём было замедление, и он тоже существовал. Микрокассета работает на 15/16 дюйма в секунду, это 2,38 см/с, вдвое медленнее компакт-кассеты. На такой скорости C90 звучала бы по 90 минут на сторону без всякого утончения ленты, но с Hi-Fi записи на 2,4 см/с почти ничего общего не имеют даже при больших усилиях, поэтому скорость осталась уделом диктофонов. Я считаю, что отрасль выбрала правильно: утончение ленты сохранило совместимость, и C120 играла в любой деке, рассчитанной на 4,76 см/с.

Итого

Скорость компакт-кассеты 4,76 см/с представляет собой 1⅞ дюйма в секунду, американские 30 дюймов, четырежды поделённые пополам. Philips взяла её у диктофонов, потому что делала карманный аппарат для речи, а бесплатная лицензия превратила эту цифру в мировой стандарт, который уже нельзя было поменять.

Удивляет другое. Скорость, которую в 1963 году считали годной только для речи, ни разу не изменилась, а качество звука выросло за счёт ленты, головок и Dolby B. К 1988 году в мире продали около 3 миллиардов кассет, и все они крутились с той же скоростью, что и первый образец на Берлинской выставке.

Также рекомендую посмотреть ещё несколько актуальных статей на подобную и смежные темы подборку:

• Обзор беспроводной колонки Tribit StormBox Blast 2 на 200 Вт + видеообзор
• Почему в СССР полвека жили со 127 вольтами в розетке, а потом перешли на 220
• 10 полезных брелоков с AliExpress: у каждого своя интересная фишка