9.4. МАГНИТНАЯ ЗВУКОЗАПИСЬ

ОСНОВЫ МАГНИТНОЙ ЗВУКОЗАПИСИ

Магнитная звукозапись основана на свойстве ферромагнитных материалов намагничиваться под воздействием магнитного поля и сохранять остаточное намагничивание по выходе из этого поля.

Рис. 9.25. Структурная схема магнитофона

По мере надобности полученную фонограмму можно стереть переменным магнитным полем.

Магнитная запись в аппарате магнитной записи звука — магнитофона — осуществляется следующим образом. Записываемые электрические сигналы со входа через усилитель записи поступают в обмотку головки записи и создают в ее сердечнике магнитный поток (рис. 9.25). Поле магнитной головки намагничивает ленту и преобразует временные изменения сигнала в пространственные изменения остаточной намагниченности ленты. В сердечнике головки воспроизведения с которым соприкасается движущаяся магнитная фонограмма, возбуждается магнитный поток. Изменения потока создают ЭДС в ее обмотке. Она подводится к усилителю воспроизведения Стирание ненужной записи осуществляется головкой стирания питаемой током высокой частоты от генератора стирания и подмагничивания ГСП. Последний служит также для подмагничивания ленты с целью линеаризации процесса записи.

Лентопротяжный механизм содержит ведущий двигатель к оси которого лента прижимается прижимным роликом подающий узел, снабженный двигателем и приемный узел, снабженный двигателем Вращающий момент двигателя направлен противоположно вращающим моментам двигателей Благодаря подтормаживающему действию двигателя лента находится в натянутом состоянии и плотно прилегает к сердечникам головок. Во многих бытовых магнитофонах функции двигателей объединяются в одном с целью уменьшения массы, размеров и снижения стоимости.

Большинство магнитофонов выполняют в настоящее время многоканальными. Каждому каналу записи соответствует отдельная дорожка, поэтому фонограмма содержит несколько параллельных дорожек и называется многодорожечной.

НАМАГНИЧИВАНИЕ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ферромагнитные материалы состоят из множества небольших областей (доменов), самопроизвольно намагниченных до насыщения. Магнитные моменты доменов ориентированы хаотически, в результате чего общая намагниченность материала равна нулю. Внешнее магнитное поле изменяет ориентацию доменов, вследствие чего начинают проявляться внешние признаки намагниченности.

Процессы намагничивания ферромагнитных материалов описывают зависимостями магнитной индукции В или намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля Напряженность результирующего магнитного поля внутри образца равна сумме напряженностей внешнего и внутреннего Явн магнитных полей:

Магнитная индукция в образце

где магнитная проницаемость вакуума, относительная магнитная проницаемость образца.

Таким образом, магнитная индукция характеризует результирующее магнитное поле образца, а намагниченность — лишь внутреннее.

Графически процессы намагничивания изображают кривыми намагничивания: начальной кривой У, получаемой при намагничивании ранее размагниченного образца, и предельной кривой намагничивания — петлей гистерезиса 2, получаемой в результате многократного перемагничивания образца (рис. 9.26). Характерными точками этих кривых являются напряженность насыщения соответст вующая насыщению материала максимальная остаточная намагниченность Угтах, получаемая после снятия намагничивающего поля, коэрцитивная сила напряженность поля обратного знака, которую необходимо приложить, чтобы намагниченность стала равной нулю. Отличительной особенностью процесса намагничивания ферромагнитных материалов является отставание намагниченности от напряженности внешнего намагничивающего поля при его уменьшении. Это явление собственно и называется гистерезисом, Следует отметить, что петля гистерезиса по намагниченности после достижения насыщения имеет горизонтальный участок, а петля гистерезиса по индукции имеет наклонный участрк, обусловленный возрастанием (рис. 9.27). Для характеристики процесса намагничивания важное значение имеет зависимость остаточной намагниченности Ее получают графическим построением из зависимости (рис. 9.28). Следует также отметить, что приведенные зависимости справедливы только для замкнутых (кольцевых) или бесконечно протяженных образцов.

Рис. 9.26. Процессы намагничивания

При намагничивании образцов конечной длины возникает внутреннее размагничивающее поле, направленное навстречу внешнему, возникает эффект размагничивания. Этот эффект выражен тем сильнее, чем больше отношение площади поперечного сечения к длине образца.

АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАГНИТНОЙ ЗАПИСИ

Способу магнитной записи присущ большая зависимость коэффициента передачи сквозного канала записи — воспроизведения от частоты. Частотные искажения возникают как в процессе взаимодействия головки записи с носителем записи, так и в процессе взаимодействия фонограммы с головкой воспроизведения. В области нижних и средних частот амплитудно-частотная характеристика имеет вид наклонной прямой. Крутизна наклона составляет на октаву, т. е. каждому удвоению частоты записанного сигнала соответствует увеличение вдвое ЭДС головки воспроизведения (рис. 9.29). Это объясняется тем, что головка воспроизведения реагирует на скорость изменения магнитного потока фонограммы: при синусоидальном сигнале ЭДС пропорциональна частоте

Рис. 9.27. Зависимость магнитной индукции В и намагниченности от напряженности магнитного поля

Рис. 9.28. Зависимость намагниченности и остаточной намагниченности от направленности магнитного поля

где амплитудное значение магнитного потока, со — круговая частота.

На более высоких частотах крутизна подъема характеристики уменьшается, а затем начинается спад. Вид АЧХ в области верхних частот в значительной мере зависит от размеров и магнитных свойств головок и лент, а также от расположения носителя записи относительно головок. Иначе говоря, вид АЧХ в области верхних частот определяется геометрией магнитных полей головок и носителя записи.

Причины амплитудно-частотных искажений на верхних частотах следующие:

протяженность магнитного поля головки записи за пределы зазора, приводящая к частичному стиранию полем головки записи получаемой фонограммы (явление самостирания); саморазмагничивание фонограммы, обусловленное конечной протяженностью намагниченных участков фонограммы; конечная ширина рабочего зазора головки воспроизведения и возникающие из-за этого щелевые искажения; непараллельность зазоров головок записи и воспроизведения (относительный перекос зазоров); нарушение контакта между носителем записи и сердечником головки записи и между фонограммой и сердечником головки воспроизведения (явление неконтакта);

Рис. 9.29. Амплитудно-частотная характеристика магнитной записи

уменьшение намагничивания глубинных слоев носителя записи, удаленных от сердечника головки записи (явление слойных потерь).

При прочих равных условиях перечисленные причины проявляют себя в тем большей степени, чем короче длина волны фонограммы. Поэтому возникающие искажения часто именуют волновыми (геометрическими) искажениями, а обусловленный ими спад АЧХ - волновыми потерями.

Дополнительные причины, вызывающие спад АЧХ на верхних частотах: потери на пере-магничивание (потери на гистерезис); потери на вихревые токи в сердечниках записывающей и воспроизводящей головок. Эти искажения зависят только от частоты сигнала, т. е. уже в полном смысле слова являются частотными искажениями.

На прохождение элемента носителя записи в поле головки записи требуется некоторое время. Это время при высоких частотах становится соизмеримым с периодом записываемых колебаний. Следовательно, за время нахождения элемента записи в поле головки записи напряженность поля может значительно изменяться по величине и даже по знаку. Действие напряженности поля обратного знака приведет к ослаблению намагниченности ленты. Если участке спадания поля записывающей головки напряженность магнитного поля несколько раз поменяет свое направление, произойдет почти полное размагничивание элемента носителя записи. В этом физическая сущность явления самостирания.

Так как мгновенное значение напряженности поля является суммой напряженностей полей сигнала звуковой частоты и высокочастотного подмагничивания, то большое влияние на самостирание оказывает величина амплитуды поля высокочастотного подмагничивания. При ее большой величине самостирание происходит на всех частотах и отдача фонограммы уменьшается.

Внутренние слои носителя записи подвержены самостиранию в большей степени, чем наружные. Поэтому при использовании носителя записи с большой толщиной ферромагнитного слоя (например, проволоки) спад АЧХ в области верхних частот оказывается более значительным. Самостирание увеличивается при неплотном прилегании носителя записи к сердечнику головки записи.

Явление саморазмагничивания, свойственное каждому магниту с разомкнутыми полюсами, само по себе не вызывает спада АЧХ на верхних частотах, а лишь приводит к уменьшению крутизны подъема АЧХ (примерно с 6 до Однако уменьшение крутизны подъема усугубляет действие других причин, вызывающих спад АЧХ на верхних частотах.

Явление щелевых искажений может быть объяснено следующим образом. Головка воспроизведения усредняет (интегрирует) магнитный поток фонограммы на участке протяженностью несколько превышающей геометрическую ширину зазора головки

воспроизведения. По мере приближения длины волны фонограммы к действующей ширине головки воспроизведения среднее значение магнитного потока уменьшается и при становится равным нулю. При этом соотношении магнитный поток фонограммы не сцепляется с сердечником головки воспроизведения и никакой ЭДС в ее обмотке находиться не будет.

Щелевые искажения оценивают коэффициентом

где — действующая ширина зазора головки воспроизведения (она примерно на больше геометрической ширины), — длина волны фонограммы,

Частота, на которой возникает нуль отдачи, определяется соотношением

Роль щелевых искажений быстро возрастает с уменьшением скорости воспроизведения фонограммы. Например, при ширине рабочего зазора головки воспроизведения и скорости 19 см/с щелевые потери для частоты составляют примерно

Непараллельность зазоров головок записи и воспроизведения приводит к волновым потерям, аналогичным щелевым, т. е. эквивалентна расширению зазора головки. Потери учитывают коэффициентом перекоса

где ширина дорожки записи, угол перекоса, к — длина волны фонограммы.

При воспроизведении между фонограммой и сердечником головки воспроизведения возникает зазор, обусловленный микроскопическими неровностями поверхностей ленты и сердечника головки. Наличие зазора (неконтакт) приводит к уменьшению магнитного потока в сердечнике головки и к появлению потерь, выражаемых коэффициентом контактных потерь

где а — зазор (неконтакт).

Величину контактных потерь в единицах уровня (децибелах) определяют из выражения

Даже при тщательной полировке поверхностей ленты и сердечника между ними имеется зазор Если принять см/с, чему соответствует длина волны контактные потери составят

Намагничиваемые головкой записи слои находятся на разных расстояниях от зазора сердечника головки и подвергаются разному намагничиванию. Возникающие из-за этого потери аналогичны потерям из-за неконтакта. Суммарные слойные потери для всего магнитного слоя ленты выражают коэффициентом

где глубина намагничивания рабочего слоя.

Общие волновые потери при воспроизведении определяются произведением четырех перечисленных сомножителей

Дополнительные частотные искажения, обусловленные потерями на перемагничнвание и на вихревые токи в сердечниках головок не превышают и потому могут не учитываться.

КОРРЕКТИРОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Как видно из предыдущего, амплитудно-частотные искажения магнитной записи зависят от режимов записи, свойств лент, головок и особенностей их взаимодействия. Характерный вид АЧХ изображен на рис. 9.30 кривой 1. Кривая 2 изображает необходимую АЧХ коррекции, а кривая 3 — идеализированную АЧХ сквозного канала записи-воспроизведения. Схема распределения искажений и коррекций по звеньям сквозного канала показана на рис. 9.31. При распределении коррекции по звеньям канала учитывают частотные свойства записываемых сигналов.

Распределение звуковых давлений в спектрах большинства музыкальных инструментов и человеческих голосов таково, что максимумы лежат в области частот Гц, а на более низких и более высоких частотах звуковые давления меньше. Для улучшения отношения следовало бы записывать сигнал на постоянном уровне во всем диапазоне частот. Поэтому бы желательно ввести подъем АЧХ в и путем этих предыскажений перераспределить энергию сигнала по спектру. Практически в увеличивают коэффициент передачи только на верхних частотах. Во избежание увеличения нелинейных искажений

Рис. 9.30. Корректирование АЧХ магнитной записи

Рис. 9.31. Схема распределения искажений и коррекций по звеньям сквозного канала магнитной записи и воспроизведения

вследствие перемодуляции ленты подъем АЧХ не должен превышать При этом уровни сигнала на верхних частотах не превзойдут уровней сигнала на средних частотах. Недостающую часть коррекции по верхним частотам осуществляют в Частотная характеристика канала изменяется по мере износа головок и в зависимости от типа носителя записи. Поэтому степень коррекции в и необходимо регулировать.

Коэффициент передачи в на нижних частотах не увеличивают (иногда вводят незначительный подъем АЧХ - не более Дело в том, что коэффициент гармоник носителя записи при постоянной амплитуде тока записи увеличивается с уменьшением частоты. Кроме того в спектре некоторых музыкальных инструментов (большой барабан, литавры) наибольшие звуковые давления имеют место именно на нижних частотах. Во избежание возрастания нелинейных искажений коррекцию по нижним частотам в профессиональной аппаратуре осуществляют практически только в

Сопротивление головки записи имеет в основном индуктивный характер. Для получения в ее обмотке неизменной амплитуды тока на всех частотах необходимо, чтобы напряжение на зажимах ее обмотки увеличивалось с частотой (кривая 2). Для коррекции необходим дополнительный подъем АЧХ (кривая 2). Частотная характеристика тока записи будет иметь в этом случае форму кривой 3. Зависимость ЭДС в головке воспроизведения будет меняться с частотой по кривой 5. Необходимая АЧХ усилителя воспроизведения имеет вид кривой 6, а результирующая АЧХ - вид горизонтальной прямой 7.

В бытовых магнитофонах с универсальным усилителем АЧХ, необходимую для записи или воспроизведения, получают переключением корректирующих звеньев внутри самого усилителя или подключением универсальной головки к усилителю через частотный корректор.

Чтобы фонограммы, записанные на одном магнитофоне, можно было неискажено воспроизводить на другом магнитофоне, АЧХ каналов записи и воспроизведения стандартизуют. Номинальная АЧХ канала воспроизведения задается косвенным путем как характеристика, при которой выходное напряжение магнитофона при воспроизведении стандартной фонограммы (измерительной ленты) не зависит от частоты. Регулировку АЧХ канала записи производят таким образом, чтобы выходное напряжение канала воспроизведения оставалось при изменении частот входного напряжения по диапазону частот в пределах поля допусков, указанных для данного магнитофона.

НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Нелинейные искажения обусловлены следующими причинами: нелинейной зависимостью остаточной намагниченности от напряженности намагничивающего поля; неправильным выбором высокочастотного подмагничивания; насыщением сердечника головки записи при слишком большом токе, пропускаемом по ее обмотке; периодическими изменениями скорости движения носителя записи или фонограммы.

Первые три причины относятся к магнитной нелинейности и могут быть значительно ослаблены правильным выбором режима записи.

При высокочастотном подмагничивании нелинейные искажения возникают главным образом в форме третьей гармоники. Четные гармоники возникают при асимметрии формы тока высокочастотного подмагничивания, приводящей к образованию постоянной слагающей напряженности магнитного поля. Из рис. 9.32 видно, что увеличение тока высокочастотного подмагничивания приводит вначале к заметному увеличению отдачи и уменьшению коэффициента гармоник Затем коэффициент гармоник проходит небольшой второй максимум и затем изменяется сравнительно мало, а отдача несколько уменьшается. Практически удобно устанавливать оптимум не по минимуму а по максимуму отдачи.

Периодические изменения скорости движения носители или фонограммы при небольшой

частоте изменения скорости (несколько герц) приводят к «плаванию», «журчанию» звука. Такие искажения называют детонацией первого рода. При большой частоте изменения скорости (порядка 100 Гц и выше) искажения проявляются в виде изменения тембра, «шероховатости» звучания, появления хрипов. Такие искажения называют детонацией второго рода. Детонации более заметны при воспроизведении музыки, особенно протяжных звуков, чем при воспроизведении речи.

Чувствительность слуха к детонации растет с увеличением частоты и громкости воспроизводимых звуков и с уменьшением частоты колебаний скорости.

Причиной детонации первого рода чаще всего является неточность выполнения (эксцентриситет) вращающихся деталей лентопротяжного механизма. Причиной детонации второго рода обычно являются продольные колебания ленты, возбуждаемые при изменении силы трения ленты о сердечники головок, например, вследствие шероховатости рабочего слоя ленты. Амплитуда продольных колебаний получается наибольшей на частоте механического резонанса отрезка ленты между точками ее опоры (например, направляющим роликом и осью ведущего двигателя). Периодические сжатия и растяжения ленты в продольном направлении вызывают периодические изменения скорости и, как следствие, детонацию второго рода. Модуляция по скорости приводит к модуляции по частоте и к появлению комбинационных частот.

Количественно детонацию оценивают коэффициентом паразитной частотной модуляции или коэффициентом колебаний скорости причем представляет собой номинал скорости, наибольшее отклонение скорости от номинала.

Вносимые нелинейные искажения могут быть охарактеризованы коэффициентом комбинационных частот, приближенное выражение которого

где причем частота записанного сигнала, частота изменения скорости.

Пусть частота записанных колебаний Гц, номинальная скорость движения ленты амплитуда переменной части скорости частота изменения скорости Гц (детонация первого рода). Тогда

Рис. 9.32. Зависимость отдачи и коэффициента гармоник от тока высокочастотного подмагничивания

ПОМЕХИ

Помехи в каналах магнитной записи заметно отличаются от помех в каналах связи. Помехи в каналах связи обычно суммируются с сигналом, т. е. носят аддитивный характер. Для магнитной записи кроме аддитивных помех существенное значение имеют модуляционные помехи, которые модулируют сигнал, умножаются на него, т. е. носят мультипликативный характер. Кроме того, при магнитной записи и воспроизведении возникает пара зитная модуляция сигнала по частоте (см. предыдущий пункт) и связанное с ней изменение временных соотношений в сигнале, чего обычно в системах связи не бывает.

Основные источники модуляционного шума: неоднородность частиц магнитного порошка и неравномерность их распределения в рабочем слое ленты, флуктуации конструктивных параметров системы магнитной записи, непостоянство толщины рабочего слоя по длине ленты, изменения во времени величины неконтакта, флуктуации перекосов ленты и т. п.

Первый источник создает так называемый структурный шум. Частицы в различных поперечных сечениях рабочего слоя магнитно не сбалансированы. Поэтому при прохождении ленты над зазором головки воспроизведения возникает помеха, имеющая характер шума. Структурный шум проявляется сравнительно мало. Его уровень составляет — относительно номинального уровня записи сигнала. Если размагниченную ленту подвергнуть действию высокочастотного поля подмагничивания, то, как показывает опыт, уровень шума возрастет на так как после действия высокочастотного подмагничивания повышается чувствительность ленты к слабым магнитным полям, обусловленным асимметрией поля подмагничивания, намагниченностью деталей транспортирующего механизма, магнитного поля Земли и т.д. Это составляющая структурного шума называется шумом паузы. Шум паузы ослабляют симметрированием формы тока подмагничивания, тщательным размагничиванием деталей лентопротяжного механизма и сердечников головок.

Уровень структурного шума пропорционален намагниченности ленты. Поэтому записанный сигнал промодулирован по амплитуде шумом, причем коэффициент модуляции не зависит от величины сигнала. Шум ленты, появляющийся при наличии сигнала, называют модуляционным. Относительный уровень шума ленты, намагниченной до насыщения, составляет Структурный шум имеет нормальное распределение и низкочастотный энергетический спектр.

Неоднородности рабочего слоя ленты усредняются рабочим зазором головки воспроизведения. Чем меньше площадь участка ленты, взаимодействующего с головкой, тем хуже усреднение. Например, при уменьшении ширины дорожки вдвое напряжение шума уменьшается в 1/2 раз, а напряжение сигнала в силу его когерентности — в 2 раза, т. е. отношение с уменьшением ширины дорожки падает.

Случайные изменения расстояния между носителем записи и головкой приводят к изменениям намагниченности носителя по глубине, появлению контактного шума записи. Непостоянство контакта при воспроизведении, флуктуации перекоса ленты и толщины рабочего слоя приводят к паразитной амплитудной модуляции воспроизводимого сигнала.

К аддитивным помехам относятся: переходные помехи из-за влияния полей соседних дорожек записи на воспроизводящую головку и из-за взаимной связи головок в многодорожечных блоках головок; внешние помехи из-за влияния полей рассеяния электродвигателей и силовых трансформаторов; собственные помехи усилителей записи и воспроизведения; копирэффект, обусловленный намагничиванием большим полем участка фонограммы соседних слоев рулона ленты и приводящий к появлению паразитных сигналов типа эха, опережающего и запаздывающего по отношению к записанному сигналу.

Копирэффект зависит от типа ленты, ее общей толщины и толщины рабочего слоя, длины волны записи и температуры, при которой хранится лента.

Рис. 9.33. Схема устройства магнитной головки

Копирэффект максимален при где k — длина волны фонограммы, общая толщина ленты. В области больших длин волн уровень копирэффекта относительно максимального значения уменьшается со скоростью примерно на октаву. На уровень копирэффекта влияют размеры частиц ферромагнитного порошка. Если они становятся меньше уровень копирэффекта возрастает. Копирэффект увеличивается с ростом температуры, напряженности внешних полей рассеяния и механического растяжения ленты.

Разность уровней основного и скопированных паразитных сигналов у современных лент составляет

Специфическим видом искажений являются выпадения — кратковременные глубокие уменьшения уровня сигнала, вызванные нарушением контакта между лентой и головкой из-за недостатков ленты, — осыпания магнитного слоя, наличия комочков ферромагнитного порошка — и попадания между лентой и головкой пылинок. При воспроизведении выпадения проявляются в виде щелчков. Они, однако, мало заметны ввиду их кратковременности и редкости появления.