Магнитофоны
Первый аппарат для магнитной записи речевых сообщений был создан в 1898 г. датским инженером Поульсеном.
Магнитофон в современном виде был сконструирован германской фирмой AEG в 1934 г. В нем применялась порошковая магнитная лента, т.е. принципиально такая же, как и применяемая в настоящее время, магнитные головки кольцевого типа и электронные усилители записи и воспроизведения звука. С этого времени началось интенсивное развитие аппаратуры магнитной записи.
В настоящее время магнитофон является одним из наиболее массовых бытовых аппаратов.
Устройство магнитофона
Магнитофон состоит из типовых функциональных узлов (см. рис.): лентопротяжного механизма (ЛПМ); записывающей (ГЗ), воспроизводящей (ГВ) и стирающей (ГС) магнитных головок; электронных блоков-усилителей записи (УЗ) и воспроизведения (УВ), генератора высокой частоты (генератора стирания и подмагничивания) (ГВЧ, или ГСП), блока питания (БП), узлов автоматики, контроля и управления. В качестве звуконосителя используют магнитную ленту, размещаемую на катушках или малогабаритных кассетах.
От сочетания и взаимодействия этих функциональных частей во многом зависят эксплуатационные качества магнитофона. Корпус объединяет составные части аппарата и придает модели определенный внешний вид.
Лентопротяжный механизм (ЛПМ) — одна из самых сложных и ответственных частей магнитофона, от него во многом зависит качество записи и воспроизведения.
Он предназначен для равномерного протягивания магнитной ленты по рабочей части магнитных головок в процессе записи и воспроизведения, ускоренной ее перемотки и выполнения ряда вспомогательных операций. Он должен пере
мещать ленту со строго заданной скоростью, не допуская смещений по высоте, и равномерно наматывать ее на приемный накопитель. Принятые скорости движения ленты 38,1; 19,05; 9,53 см/с — для профессиональной записи и 9,53; 4,76 см/с — для любительской записи.
ЛПМ катушечных магнитофонов высшей и 1-й групп сложности собираются по трехмоторной кинематической схеме на полупроводниковых элементах и микросхемах; в качестве ведущего электродвигателя используются серводвигатели, обеспечивающие отклонение скорости магнитной ленты в пределах ±0,5%. Система электронного управления обеспечивает постоянную нагрузку на нее во всех режимах работы ЛПМ, электронная система управления ЛПМ позволяет применять дистанционное управление.
Кинематическая схема аппаратов 2-й группы сложности, как правило, выполнена на одном электродвигателе.
ЛПМ современных кассетных магнитофонов строят по кинематическим схемам с одним (массовые модели), двумя и тремя электродвигателями.
Кинематическая схема одномоторного механизма сравнительно сложна, так как один двигатель должен выполнять все операции, связанные с перемоткой ленты. Поэтому такой механизм менее надежен, чем механизм с несколькими двигателями. Наличие значительного числа кинематических цепочек (резиновых ремней, муфт, роликов и др.) может вызвать нарушение равномерного перемещения ленты и повлечь за собой искажение записи и воспроизведения.
Двухмоторные и особенно трехмоторные механизмы имеют простую кинематическую схему, функции двигателей в ней строго разграничены. Поэтому они в значительной степени лишены указанных выше недостатков. Однако одномоторные механизмы намного дешевле, что и предопределило их использование в массовых моделях.
Магнитная головка (ТВ, ГЗ, ГС) является одним из основных элементов магнитофона — непосредственно взаимодействуя с магнитным носителем, записывает, воспроизводит или стирает информацию.
Устройство записывающей, воспроизводящей и стирающей магнитных головок примерно одинаково. Различаются они материалом сердечника, размерами зазоров и данными обмоток. Магнитные головки во многом определяют качество записи и воспроизведения, и в первую очередь — диапазон записываемых и воспроизводимых частот.
Магнитная головка состоит из сердечника и нанесенной на него обмотки. Наибольшее распространение получили сердечники кольцевого типа из магнитомягкого материала — пермаллоя, сендаста или ферритов, — конструктивно оформленные в виде двух симметричных половинок, соединенных между собой торцевыми поверхностями. Высоту сердечника определяют ширина магнитной ленты и количество дорожек на ней.
В сердечнике имеется зазор, ширина которого у современных головок записи и воспроизведения равна 0,1—10 мкм.
Записывающая головка предназначена для преобразования электрических колебаний в магнитное поле и фиксации его на магнитной ленте. След, оставляемый записывающей головкой на ленте в процессе записи, называют дорожкой записи. При записи в обмотку головки поступает ток записываемого сигнала, который намагничивает сердечник и возбуждает в области зазора магнитное поле рассеяния. Поле пронизывает носитель, движущийся через зазор, и намагничивает его в соответствии с сигналом.
Воспроизводящая головка служит для преобразования магнитного поля ленты в электрические колебания, соответствующие записанному сигналу. Она должна обладать высокой чувствительностью, малыми собственными шумами и создавать достаточную ЭДС в пределах заданной полосы звуковых частот.
В процессе воспроизведения магнитной записи на воспроизводящую магнитную головку, имеющую аналогичное устройство с головкой записи, воздействует магнитный поток, выходящий из намагниченных участков движущегося носителя. Сердечник головки воспроизведения, как и головки записи, изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью. Поэтому, когда головка находится в контакте с носителем, выходящий из него магнитный поток замыкается через сердечник, пронизывая находящуюся на нем обмотку. При движении носителя магнитный поток в сердечнике изменяется во времени так же, как и остаточный магнитный поток вдоль носителя. При этом в обмотке наводится ЭДС индукции, которая и представляет собой выходной сигнал головки.
Стирающая головка осуществляет размагничивание ленты, поэтому магнитное поле, создаваемое в ее рабочем зазоре, должно быть достаточной величины. В связи с этим рабочий зазор головки составляет 100—200 мкм, а ее катушки намотаны из провода большего, чем в записывающей и воепроизводящей головках, сечения. Сердечник ее изготовлен почти исключительно из феррита, так как такой сердечник имеет малые потери на вихревые токи, что позволяет значительно уменьшить мощность, потребляемую головкой.
В процессе стирания записи движущийся носитель проходит через переменное магнитное поле стирающей головки. Если в процессе записи задача заключается в том, чтобы каждый элемент носителя довести до определенной намагниченности, то для стирания записи каждый элемент носителя требуется многократно (несколько сотен раз) перемагнитить в спадающем до нуля магнитном поле головки стирания.
Во многих магнитофонах для снижения себестоимости вместо записывающей и воспроизводящей головок применяют одну универсальную магнитную головку, которая при записи выполняет роль записывающей головки, а при воспроизведении — воспроизводящей. Качество записи и воспроизведения в магнитофонах с универсальными головками всегда ниже, чем в магнитофонах с раздельными головками (см. рис.).
Усилители записи (УЗ) и воспроизведения (УВ) представляют собой усилители звуковой частоты с некоторыми специфическими особенностями. Эти особенности обусловлены тем, что кроме усиления в них должна быть осуществлена значительная частотная коррекция поступающего сигнала. Коррекция компенсирует искажения, появляющиеся в процессе записи и воспроизведения. Эти искажения носят различный характер в обоих процессах, поэтому в соответствующих усилителях применены разные корректирующие цепочки.
Усилители записи (УЗ) вместе с записывающей головкой (ГЗ) и источником сигнала образуют канал записи.
Усилитель воспроизведения (УВ) вместе с воспроизводящей головкой (ГВ) и громкоговорителем образует канал воспроизведения.
Каналы записи и воспроизведения в совокупности составляют "сквозной" канал, в котором процесс звукопередачи напинается с микрофона (или другого источника звуковых колебаний) и заканчивается громкоговорителем.
Для контроля уровня записываемого сигнала в магнитофоне имеется индикатор уровня записи, включаемый в схему усилителя звука (см. рис.).
"Сквозной канал" позволяет контролировать качество записи не только по индикатору, но и на слух, методом сопоставления звучания сигнала, поступающего на вход усилителя записи, и воспроизводимой фонограммы. Это позволяет своевременно заметить и быстро устранить недостатки, возникающие в процессе записи.
Во многих моделях магнитофонов для снижения их себестоимости применяют универсальный усилитель, который
попеременно выполняет функции усилителя записи и усилителя воспроизведения. Перевод усилителя из одного режима работы в другой производят переключением входных и выходных цепей усилителя и коррекции (см. рис.).
На рис. приведена структурная схема бытового стереофонического магнитофона с универсальным усилителем. Основное отличие стереофонического магнитофона от монофонического — в наличии не одного, а двух самостоятельных и одинаковых по параметрам каналов записи и воспроизведения.
Генератор высокой частоты — генератор стирания и подмагничивания вырабатывает колебания частотой 40—80 кГц,
которые поступают на стирающую и записывающую головки. Размагничивание ленты достигается в результате ее многократного перемагничивания с постепенным спадом магнитного поля до нуля. Каждый участок ленты сначала намагничивается до насыщения, а затем размагничивается, причем за время прохождения в зазоре головки он успевает испытать такое воздействие несколько раз. Ток стирания, вырабатываемый генератором, намного больше, чем ток звукового сигнала, что обеспечивает полноценное стирание записи.
На записывающую головку ток из генератора подают для того, чтобы получить более высокое качество записи, уменьшить искажения.
Усилитель мощности магнитофона — это обычный усилитель низкой частоты, снабженный регуляторами громкости и тембра.
Кроме основных узлов и блоков, которые нами были рассмотрены, в магнитофоне могут быть применены дополнительные устройства, и в первую очередь это устройства шумоподавления (шумопонижения), с помощью которых значительно ослабляют шумы, присущие магнитофону.
Существует два основных принципа шумоподавления: I — обработка сигнала записи и воспроизведения и II — снижение шума фонограммы, записанной без каких-либо шумоподавлений.
К первой группе относятся так называемые компандер-ные устройства, которые, не устраняя шума источника, предотвращают появление шумов, создаваемых собственным трактом звукопередачи.
Наибольшее распространение получила компандерная система шумоподавления типа Долби. Она действует следующим образом: сигнал из микрофона или другого источника подается на устройство, где он преобразуется. Преобразование состоит в сжатии динамического диапазона сигнала так, что его составляющие с малым уровнем усиливаются, а с большим — остаются без изменений. Усиленные слабые сигналы, которые при обычном способе записи перекрывались бы шумами записывающего аппарата, в результате сжатия превышают уровень этих шумов, поскольку они усилились сразу после поступления из микрофона, т.е. без шума магнитофона.
Динамический диапазон сужается одной из составных частей шумоподавителя — динамическим компрессором (автоматическим электронным регулятором). Сжатый таким образом сигнал звуковой частоты записывается магнитофоном. Если его воспроизвести, то он будет отличаться от оригинала. Поэтому динамический диапазон сигнала перед воспроизведением восстанавливают до нормального уровня с помощью второй составной части шумоподавителя — динамического эспандера (расширителя), действие которого обратно действию компрессора. Уровень составляющих сигнала, претерпевших перед записью усиление, снова понижается до своей нормальной величины (динамический диапазон расширяется). Таким образом, шумоподавитель Долби действует и при записи, и при воспроизведении.
Кассетные магнитофоны в основном оснащены шумопо-давителями системы Dolby В. Большому распростанению системы Долби (Dolby) способствовал выпуск специальной интегральной схемы, содержащей все элементы устройства шумоподавления. В настоящее время системой Dolby В стандартно оснащены практически все стационарные деки (магнитофоны-приставки) даже самого низкого класса.
Требования к качественным показателям магнитофонов в части расширения динамического диапазона и снижения уровня шумов постоянно повышаются. Появляются новые, более совершенные системы шумоподавления. Улучшенная система шумоподавления — Dolby С — представляет собой как бы две включенные одна за другой системы Dolby В. Записи, выполненные на лентах МЭК IV с применением системы Dolby С, имеют соотношение сигнал/шум не менее 75 дБ (на частоте 500 Гц улучшение составляет 15 дБ, а на частоте 1 кГц — 20 дБ).
В последних зарубежных моделях высококачественных кассетных аппаратов применяют систему шумоподавления Dolby S (Spectral). Система Dolby S в 5 раз более эффективна, чем Dolby В, и приблизительно в 1,6 раз эффективнее Dolby С.
Недостатком этого способа шумоподавления является то, что фонограммы, записанные с шумоподавлением, должны обязательно воспроизводиться на магнитофоне, также имеющем это устройство, иначе звучание не будет соответствовать оригиналу. По этой причине рекомендуется на каждой кассете делать надпись с указанием системы шумоподавления, используемой при записи.
Второй способ шумоподавления — динамический ограничитель шума (динамический фильтр). Действие динамического ограничителя шума основано на динамической фильтрации сигнала звуковой частоты. В магнитной записи особенно сильно проявляются высокочастотные шумы при малом уровне сигнала в паузах. Специальными фильтрами эти шумы, лежащие в верхней части звукового сигнала, подавляются, т.е. ограничивается полоса пропускания во время воспроизведения и в паузах. При этом подавляется и часть полезной информации, содержащейся в сигнале. Однако, поскольку гармоники слабого сигнала плохо ощущаются слуховым органом человека, то их подавление незначительно ухудшает качество воспроизведения, зато полезный сигнал в значительной степени очищается от шумов. Это устройство действует только в режиме воспроизведения и позволяет уменьшить уровень шумов фонограмм, изготовленных обычным методом, на 4—6 дБ.
В отдельных моделях зарубежных магнитофонов реализованы и шумоподавитель Долби, и динамический фильтр. Устройство из одного режима работы в другой переводится с помощью переключателя. Компандер используют при новых записях, а шумопонижающий фильтр — при воспроизведении ранее сделанных.