Heliplaat

Mehaaniline salvestusviis

Mehaanilise helisalvestuse leiutajaks peetakse Thomas Alva Edisoni, kes patenteeris fonograafi 1877. aastal. Algselt oli selles kasutusel perpendikulaarne ehk sügavussalvestus. Salvestati trumlile kinnitatud vahaga kaetud kandjale, mis alguses oli lehe-, hiljem suka- või muhvitaoline. Salvestuseks kasutas ta membraani keskkohta kinnitatud ümmargust koonilise teravikuga nõela. Sama nõela abil toimus ka taasesitamine.
Emile Berliner võttis 1887. aastal kasutusel külgsuunalise salvestuse, mida oli optilisel-mehaanilisel kujul varem kasutatud helisignaalide uurimise ja analüüsi jaoks. Ta võttis trumli peale tõmmatava vahatatud pehmel materjalil kandja (muhvi või suka) asemel kasutusele pöörleva plaadi (1895).

Salvestamine

Helivõnkumine salvestatakse heliplaadi originaalile selle pinda lõigatud spiraalselt ühtlase kiirusega (sammuga) keskkoha poole koonduva heli poolt moduleeritud vaona – mehaanilise fonogrammina. Selle vao kõrvalekalle salvestusseadmega ette antud keskjoonest väljendab heli hetkväärtust vastaval ajahetkel, ehk siis vao lainelisus piki vagu jäljendab salvestatud helivõnkumise kulgu ajas, see tähendab heli hetkväärtuse ehk amplituudi muutumist ajas analoogsignaalina. Kuigi alguses kasutati analoogiliselt fonograafile ka sügavuti salvestamist, sai laiema leviku külgsuunaline salvestus, mille puhul piirangud amplituudile olid väiksemad ja mehaanilise taasesituse korral oli taasesitatav heli seetõttu tugevam ja ka moonutusvabam.
Salvestamisel tekib kõrgemal heli sagedusel heliplaadil vao tihedam ehk lühema lainepikkusega looklemine kui see oleks madalamal sagedusel, sõltumata heli tugevusest ehk vao looklemise amplituudist. Suuremale helitugevusele vastab suurem looklemise amplituud (hälve keskjoonest) kui nõrgemale helitugevusele (sõltumata heli sagedusest). Looklemiste maksimaalne amplituud on piiratud naabervagude vahelise kaugusega. Seesama kehtib ka ristsuunalise salvestamise korral, välja arvatud maksimaalse amplituudi osas. Stereofoonilise heliplaadi korral ongi mõlemad suunad kasutusel.
Vao kõrvalekalde kiirus (vao kalle mõeldava telje suhtes) on seda suurem, mida kõrgem on salvestatava perioodilise signaali sagedus ja mida suurem on selle amplituud. Liiga järskude võngete vältimiseks, mida nõel taasesitamisel ei saaks enam järgida, on kehtestatud sagedusest sõltuv maksimaalse signaali norm ehk teisiti esitatult helivao maksimaalse kõrvalekalde kiiruse (võnkekiiruse) ehk kalde norm.
Teatud sageduse ja amplituudiga heli salvestamisel sõltub vao maksimaalne kalle salvestatava helivao raadiusest (vao kaugusest plaadi tsentrist) ja plaadi pöörlemise kiirusest. Kuna vao raadius muutub suuremate plaatide puhul plaadi välisservast keskkoha poole peaaegu kolm korda, siis muutub ka heliraja maksimaalne kalle sama sageduse ja amplituudiga signaali korral kolm korda.
Salvestamisel (otselõikamisel) kasutatakse väga teravate servadega 45-kraadiste kalletega külgedega lõiketera. See tagab salvestatud vao kuju täpse vastavuse salvestatavale signaalile.
Alates elektromehaanilise salvestusviisi kasutuselevõtmisest 1920ndatel kasutatakse salvestamise juures helisignaali sageduslikku korrigeerimist ehk eelmoonutust (pre-emphasis). Alates 1954. aastast kasutatakse üldtunnustatud standardset eelmoonutust (nn RIAA equalization). Lihtsustatult võib öelda, et see ahel tekitab sageduskarakteristiku esimest järku tõusu alates sagedusest 2,1 kHz ja esimest järku languse sagedusest 500 Hz allapoole kuni sageduseni 50 Hz, mis ülekandefunktsioonina esitatult oleks kirjeldatav esimest järku nullkohtadega sagedustel 50 Hz ja 2,1 kHz ning poolustega kohtadel 500 Hz ja 21 kHz. Kuigi selline korrigeerimine tekitab probleeme helivao kalde (võnkekiiruse) osas, annab see fonogrammi taasesitamisel olulise võidu mürataseme osas.
Seetõttu vähendatakse lubatavat maksimaalset salvestusnivood alates sagedusest 2 kHz pöördvõrdeliselt sageduse kasvuga. Teadaolevalt selle piirangu sõltuvust salvestusraja raadiusest salvestuse juures ei kasutata, kuigi raadiuse muutudes ligi kolm korda oleks see üsna loogiline. Arvestades sellise korrektsiooni olemasolu salvestamisel, mis suurendab signaali amplituudi kõrgemate sageduste osas, tekitab see piirang probleeme võnkekiiruse osas. Salvestamisel tekkida võivate signaalitehniliste probleemide lahendamiseks kasutatakse nii tehnilisi (helisignaali spektri või võnkekiiruse indikatsiooni ja/või analüüsi kasutamine) kui ka režiilisi võtteid (suure kõrgemate sagedustega komponentide sisaldusega fonogrammi osade paigutamine plaadi alguse poole, kõrge sagedusega komponentide nõrgendamine nendes, jms). See on teostatav, kuna üldjuhul on plaadile kantav fonogramm või selle osad enne magnetofoniga salvestatud magnetlindile.

Heliplaatide reprodutseerimine

Heliplaadi originaalist tehakse küllaltki keerukate tehnoloogiliste võtete abil heliplaadi matriits, mille abil pressitakse sobivast plaadimaterjalist vajalik hulk heliplaate. Väga suurte tiraažide korral tehakse mitu matriitsi, sest matriitsid plaatide tootmise käigus kuluvad.
Heliplaadid varustatakse nendele salvestatud fonogrammi kirjeldavate etikettidega, erinevatega kummagi plaadipoole jaoks, ning paigutatakse sobivalt kujundatud plaadiümbristesse või karpidesse (nn plaadialbumitena).

Taasesitamine

Heliplaadile salvestatud mehaanilise fonogrammi taasesitamiseks kasutatakse heliplaadi mängimise seadet ehk grammofoni. Heliplaat pannakse selles plaadiajuri poolt ühtlase kiirusega pöörlema normitud nimipöörlemiskiirusel.
Helisignaali taasesitamiseks helina kasutatakse helipead, mis muundab spiraalse helivao kujus oleva helisignaali kas otse kuuldavaks heliks või elektriliseks helisignaaliks. Otse heliks muundamine oli kasutusel varastes grammofonides kuni II maailmasõja eelse ajani.
Taasesitamisel tuleb kasutada sageduskorrektsiooni, mis peab kõrvaldama (de-emphasize) salvestuse juures kasutatud eelmoonutuse. Seda tehakse eelmoonutusahela suhtes pöördkarakteristikut omava korrektsiooniahela abil, mille sageduskarakteristikul on samad iseloomulikud sagedused, kuid nullkohad ja poolused on eelmoonutusahelaga võrreldes omavahel vahetatud.
Korrektsiooniahela viimasel poolusel (sagedusega 2,1 kHz) on oluline osa taasesituse mürataseme vähendamisel. Hinnanguliselt nõrgestab see plaadi omamüra umbes 5 korda ehk 14 dB, viies helisalvestuse taasesituse dünaamilise diapasooni peaaegu kuni 60 detsibellini šellakplaatide korral ja kuni 80 detsibellini vinüülplaatide korral (arvestamata plaadimängija poolt tekitatavaid mürasid ja häireid).
Lõpliku suurusega ümardusraadiusega nõela abil taasesitamisel põhimõtteliselt tekkivate mittelineaarmoonutuste vähendamiseks on välja töötatud ka spetsiaalseid mittelieneaarmoonutuste korrektoreid. Nende kasutamine praktikas oli aga väga piiratud, sest need moonutused on suured vaid kõrgematel helisagedustel, nii et moonutustest tekkivad kõrgemad harmoonikud jäävad suures osas inimese kuuldealast välja.

Monofooniline ja stereofooniline heliplaat

Monofooniliselt salvestatud fonogramm on püsiva sügavuse ja laiusega kiilukujuline vagu, mis lookleb heli olemasolu korral mõeldava spiraalse keskjoone (vao telje) ümber.
Kahekanalisel stereofoonilisel salvestamisel kannab vagu samaaegselt ja sõltumatult kummagi kanali informatsiooni – ühe kanali signaal on salvestatud vao ühe nõlva looklemisena (võnkumise suund 45° plaadi pinna suhtes, teine nõlv jääb sellest puutumata) ja teise kanali signaal samaaegselt vao teise samuti 45° nõlva looklemisena. Vao kumbki serv lookleb selle tõttu erikujuliselt vastavalt heli hetkväärtusele ühes või teises kanalis. Sellise salvestusviisi üldnimetuseks on 45/45 salvestus.
Monofoonilise plaadimängijaga taasesitamisel peaksid kummagi kanali signaalid liituma üheks monofooniliseks horisontaalsuunaliseks signaaliks teguriga 0,707. Selle saavutamiseks on mõlema kanali signaalid salvestatud radiaalsuunas samafaasilistena. Ühtlasi saavutatakse sellega tüüpilise helipildi korral helivao väiksem vertikaalsuunaline kõikumine, sest see hakkab vastama kanalite signaalide hetkväärtuste vahele (erinevusele). Vertikaalsuunalise võnkumise lubatav amplituud (kõrvalekalle helivao põhja keskjoonest) on normeeritud kaks korda väiksemana kui seda on norm horisontaalsuunalise võnkumise jaoks (mille jaoks norm on 20 μm).

Kvadrofooniline heliplaat

Puhtakujulise (diskreetse) kvadrofoonia puhul, tuleb simultaanselt salvestada neli sama helipilti kajastavat signaali nii, et neid saab pärast lahus taasesitada. Et tavalise stereoplaadi vakku ei saa salvestada mehaaniliselt, see tähendab võnkesuundade poolest eraldatuna, rohkem kui kaht sõltumatut signaali, rakendatakse kvadroheliplaadil ultrahelisageduspiirkonda kuuluvat 30 kHz kandevõnkumist, mis on lisatud kummalegi vao kaldpinnale ühega neljast signaalist sagedusmoduleeritud signaalina (süsteem CD-4). Nii salvestatud signaal katab kokku sagedusala 20 kuni 45 000 hertsi, millest taasesitatava heli sagedusala on kahel otse loetaval kanalil 20...20 000 Hz, kahel kandevsagedust kasutaval kanalil aga veidi kitsam (hinnanguliselt 20...15 000 Hz). Sellise kompleksse ja laiaribalise signaali taasesitamiseks vajatakse aga niisugust kahekanalilist stereohelipead, mille talitlussagedusala peab küündima 45 000 hertsini. See saavutatakse vastava konstruktsiooniga ja erikujulise nn shibata-astla kasutamisega (mis on ligilähedaselt elliptilise, mitte sfäärilise otsaga).
On püütud kasutada ka nn maatrikseerimisega kvadrofoonilist süsteemi, mille puhul samast helipildist võetud nelja kanali signaalid kombineeritakse (kodeeritakse, matrikseeritakse) teatud reegleid järgides kaheks kompleksseks signaaliks, mida saab taasesitada tavalise stereogrammofoniga. Kahest signaalist uuesti nelja signaali saamiseks tuleb kasutada dekodeerimist spetsiaalse maatriksdekooderi abil. Tulemus ei ole täiesti täpne kvadrofoonia, vaid kvaasikvadrofooniline heli, kuid see annab paljude fonogrammide puhul üsnagi rahuldava ümbritseva ruumi taju efekti. Tavalise grammofoniga kuulamisel võib sellise helisalvestuse kõlapilt täieliku ühilduvuse puudumise tõttu olla mõnevõrra ebaloomulik.

Šellakplaat

Omaaegsed heliplaadid pöörlemissagedusega 78 pööret minutis (või selle ümbruses) olid põhiliselt valmistatud šellaki ja mitmesuguste täidisainete nagu tahm (nõgi), peen mineraalipulber või muu sellise segust. Täidisaineid kasutati mitte ainult soovitud värvitooni saamiseks, vaid ka plaadi mehaanilise kulumiskindluse tõstmiseks. Kahjuks põhjustavad täiteained aga ka abrasiivsuse ja mürataseme tõusu.
Salvestusvagu nendel plaatidel on umbes 140...180 μm laiune, nende paigutustihedus raadiuse sihis on umbes 4 vagu millimeetrile. See annab 25 cm läbimõõdu puhul plaadi ühe külje mängimiskestuseks kuni 3 minutit 15 sekundit ja 30 cm läbimõõdu puhul kuni 4 minutit ja 30 sekundit.
Standardse nõela teraviku ümardusraadiuse puhul ja pöörlemiskiirusel 78 p/min osutub taasesitatava heli sagedusala plaadi keskkoha läheduses inimkõrva jaoks juba ülaltpoolt piiratuks.

Vinüülplaat

Pöörlemiskiirusega 33 1/3 ja 45 pööret minutis pöörlevad nn kauamängivad plaadid, nende hulgas kõik kahekanaliselt salvestatud stereofoonilised plaadid on valmistatud polüvinüülkloriidist (ehk vinüülist), vinüliidist või muust sobivate omadustega plastist. Nendel on šellakplaatidega võrreldes märksa väiksemate mõõtmetega salvestusvagu ja vastavalt on suurendatud ka salvestusvagude paiknemise tihedust (vähendatud spiraali sammu). Seetõttu neid hakati nimetama ka mikrokiriplaatideks, aga enam on nad tuntud kui kauamängivad plaadid, sest vagude tihedama paigutuse ja plaadi aeglasema pöörlemise tõttu mahutavad nad sama mõõdu juures mitu korda pikema helisalvestuse.
Mikrokiriplaadi vagu on umbes 45 μm laiune. Vao võnkumise maksimaalseks amplituudiks (kõrvalekaldeks vao mõeldavast telgjoonest) on horisontaalsuunas 20 μm, vertikaalsuunas kaks korda väiksem. Seega mahub plaadile keskmiselt 8...12 vagu millimeetrile. See annab plaadi 25 cm läbimõõdu puhul ühe külje mängimiskestuseks kuni 18 minutit ja 30 cm läbimõõdu puhul kuni 22 minutit, aga fonogrammile amplituudi piirangute rakendamise ja vastavalt vagude vahekauguse vähendamise korral isegi üle 30 minuti. Selliste astla ja vao mõõtmete puhul (astla teraviku ümardusraadius on 18 μm) ja plaadi materjali väikese kõvaduse tõttu on heli taasesitamine ilma plaati kahjustamata võimalik vaid astla väga väikese survejõu juures. Helipea konstruktsioonist olenevalt on see tüüpiliselt vahemikus 70...5 mN (see on 7...0,5 grammi). Nende plaatide taasesitamine on praktiliselt võimalik ainult elektrilise helipea vahendusel.
Võnkumiste maksimaalsele amplituudi väiksusele vaatamata on vinüülplaadi müratase väga madal. Lairibamõõtmiste järgi peab see olema alla –50 dB, aga tänu salvestusel kasutatavale eelmoonutusele ja mõningatele inimkõrva omadustele vastab vinüülplaadi salvestuse müratase umbes 80-detsibellisele signaali-müra suhtele. Erinevalt šellakplaadist on materjali struktuuriomadustest lähtuva müra osa plaadi kogumüras väga väike. Seda selgemini on aga kuuldavad igasuguste plaadile tekitatud kahjustuste (kriimustuste) tekitatud raginad ja plaadile kogunenud tolmust põhjustatav müra. Viimasest pole šellakplaatide puhul peaaegu üldse põhjust rääkida.
Vinüülplaatide puhul kasutatava standardse nõela teraviku oluliselt väiksema ümardusraadiuse tõttu (18 μm) ei peaks taasesitatava heli sagedusala kitsenemine ülaltpoolt plaadi keskkoha läheduses olema inimkõrva jaoks praktiliselt märgatav, seda vaatamata väikeste pöörlemiskiiruste kasutamisele vinüülplaatide puhul.

Painduv heliplaat ehk elastik

Painduvat heliplaati ehk elastikut ("lastikut") kasutati tema omaduste ja odavuse tõttu heliajakirjadega kaasa antud muusika jaoks. Õhukesele plastfooliumile pressitud nn mikrokiri-heliplaadid, mis annavad edasi praktiliselt vinüliitplaatide helikvaliteedi, kuid on ruumisäästlikumad, kergemad ja odavamad valmistada. Kahjuks kuluvad need plaadid väga kiiresti, andes hea helikvaliteedi vaid mõne esimese mängimiskorra jooksul.

Heliplaatide valmistamine Eestis

Heliplaate salvestati Eestis salvestusseanssideks siia toodud aparatuuri abil juba enne I maailmasõda.
Riigi Ringhääling hankis plaadistamisseadmestiku 1936. aastal. Plaate tiražeerida tuli siiski mujal. Tavaliselt toimus see Saksamaal.
NSV Liidu ajal oli lähim plaadivabrik Riias. Sinna saadeti plaadistatavad fonogrammid magnetlindil.
Riigi taasiseseisvumise järel on Eestis alustatud ka heliplaatide tootmisega peamiselt seoses heliplaadi nn uue tulekuga.