2.3.4. Аналоговый способ записи-воспроизведения звука (на примере магнитной записи)

В природе звук имеет аналоговый характер. Звуковой сигнал периодически изменяется, причем эти изменения происходят непрерывно. Звуковой сигнал может быть преобразован в электрический сигнал звуковой частоты, например при помощи микрофона. Важно, чтобы частота и характер изменения электрического сигнала точно соответствовали частоте и характеру изменения звуковой волны, неся о ней полную информацию. Аппаратура, способная записать и воспроизвести непрерывную аналоговую информацию, называется аналоговой.

Принцип магнитной записи звука основан на способности ферромагнитных материалов намагничиваться пропорционально силе внешнего магнитного поля и сохранять это состояние после прекращения действия этого поля в течение длительного времени.

В настоящее время в качестве носителя аудио- и видеоинформации при магнитном способе записи применяют тонкую ленту, покрытую слоем ферромагнетика.

Д ля того чтобы упрощенно показать механизм магнитной записи необходимо представить, что рабочий слой магнитной ленты состоит из множества мельчайших магнитиков – доменов (рис. 142). В исходном состоянии эти магнитики ориентированы произвольно (рис. 142, а). Проходя мимо рабочего зазора записывающей головки, магнитики подвергаются воздействию переменного магнитного поля, которое ориентирует их в зависимости от своего направления (рис. 142, б). При этом толщина слоя ориентированных магнитиков пропорциональна величине магнитного поля.

Аппарат, предназначенный для записи и воспроизведения звука на магнитном носителе, называется магнитофоном (от слова «магнит» и греч. phone – звук).

Важнейшими параметрами магнитофона являются номинальный диапазон частот, коэффициент нелинейных искажений и коэффициент детонации. Коэффициент детонации характеризует равномерность движения магнитной ленты в магнитофоне. Если магнитная лента при записи или воспроизведении движется неравномерно, то возникают характерные искажения звука – детонации. Эти искажения наиболее заметны при воспроизведении фортепьянной музыки и проявляются в виде «плавания» звука. Для высококачественного магнитофона коэффициент детонаций не должен превышать 0,05–0,1 %.

Динамический диапазон звуковоспроизводящей аппаратуры – разница между максимальным и минимальным уровнями передаваемого сигнала. Максимальный уровень обычно ограничивается нелинейными искажениями, которые при превышении определенного порога резко возрастают. Минимальный уровень сигнала ограничивается уровнем шума аппаратуры и носителя информации. При аналоговой записи звука динамический диапазон составляет около 60 дБ. При использовании современных систем шумопонижения динамический диапазон аналоговой магнитной записи звука возрастает до 70 дБ.

Магнитная запись звука обеспечивает высокое качество фонограммы. Сразу после записи звука фонограмма готова к воспроизведению. Запись на магнитной ленте можно стереть, а затем записать новую фонограмму. Качество фонограммы практически не зависит от количества воспроизведений. Перечисленные достоинства магнитной записи определили ее широкое распространение. К недостаткам магнитной записи относится возможность повреждения фонограммы в результате воздействия внешних магнитных полей.

В настоящее время магнитофон является одним из наиболее массовых бытовых аппаратов для записи-воспроизведения звука. Почти все современные магнитофоны работают с лентой шириной 3,81 мм. Выпускаемые в настоящее время магнитофоны можно подразделить на профессиональные и бытовые, для аналоговой и цифровой записи звука.

По типу исполнения магнитофоны бывают стационарные и переносные, в том числе диктофоны.

По способу записи и воспроизведения звука – монофонические и стереофонические.

По форме упаковки используемой магнитной ленты – катушечные и кассетные.

Магнитофон можно условно разделить на две части: электрическую схему и лентопротяжный механизм. В состав электрической схемы магнитофона входят: усилители записи и воспроизведения, генератор высокой частоты, магнитные головки, блок питания, индикатор уровня записи-воспроизведения и другие дополнительные узлы.

Рассмотрим работу магнитофона по блок-схеме, приведенной на рисунке 143. Магнитная лента перемещается с постоянной скоростью относительно блока магнитных головок. Каждый участок магнитной ленты сначала проходит мимо стирающей головки. В обмотку стирающей головки подается электрический сигнал частотой 40–100 кГц от генератора высокой частоты (ГВЧ). В результате этого магнитная лента многократно перемагничивается, что и приводит к уничтожению старой записи. Далее магнитная лента проходит мимо записывающей головки. В качестве источника сигнала будем рассматривать микрофон. Микрофон преобразует акустические колебания звуковой частоты в колебания электрического тока. Электрический сигнал усиливается и подается в головку записи, в которой происходит преобразование колебаний электрического тока в переменное магнитное поле. Магнитное поле записывающей головки намагничивает магнитную ленту пропорционально величине входного электрического сигнала. Для снижения нелинейных искажений в аналоговых магнитофонах применяют запись с высокочастотным подмагничиванием (ВЧП). Генератор тока стирания во многих случаях является и источником тока ВЧП для головки записи.

М агнитная головка (рис. 144) представляет собой сердечник из ферромагнитного материала 1 с размещенной на нем обмоткой 3. Снаружи головка закрыта экранирующим материалом для защиты от внешних магнитных полей. Важную роль в работе магнитной головки играет немагнитный зазор 2. В записывающей головке магнитное поле в области немагнитного зазора намагничивает ленту. В воспроизводящей головке немагнитный зазор является зоной, где происходит воспроизведение сигнала, записанного на ленте. Качество работы магнитной головки определяется величиной зазора и его положением относительно магнитной ленты.

Лентопротяжный механизм магнитофона предназначен для обеспечения равномерного движения магнитной ленты относительно блока магнитных головок и ускоренной перемотки ленты в обоих направлениях. Скорость движения ленты в режимах записи-воспроизведения стандартизирована и составляет для кассетного магнитофона 4,76 см/сек.

К омпакт-кассета была разработана фирмой Philips в 1963 г. с первоначальной целью упростить обслуживание магнитофона, исключив операцию зарядки ленты в лентопротяжный тракт, и создать массовый переносной аппарат (рис. 145). В настоящее время кассетная запись стала не только самостоятельным, но и доминирующим направлением в технике магнитной записи звука. Применение компакт-кассет позволило существенно повысить оперативность и плотность записи на единицу массы и объема носителя.

На магнитной ленте находятся 4 дорожки записи, каждая шириной 0,6 мм. Две дорожки (1-я и 2-я) для работы в одном направлении и две дорожки (3-я и 4-я) – для работы в обратном направлении (рис. 146). При монофонической записи на дорожках 1, 2 и 3, 4 фонограммы идентичны.

Кассеты отличаются по времени записи: международная маркировка – С-60 (2×30 мин), С-90 (2×45 мин), С-120 (2×60 мин).

Типы магнитных лент для компакт-кассет. В соответствии с рекомендациями Международной электротехн ической комиссии (МЭК) магнитные ленты для компакт-кассет подразделяются на четыре типа, в зависимости от тока оптимального высокочастотного подмагничивания и необходимой коррекции АЧХ магнитофона:

1) тип I (Fe, Normal) – ленты с магнитным порошком гамма-оксида железа;

2) тип II (Cr, High) – ленты с магнитным порошком диоксида хрома;

3) тип III (FeCr) – ленты с двумя рабочими слоями: слой с гамма-оксидом железа + слой с диоксидом хрома;

4) тип IV (Metal) – ленты с металлическим магнитным порошком.

Принадлежность ленты к данному типу приведена на компакт-кассете. В скобках даны обычно применяемые наименования соответствующих позиций переключателя типа магнитной ленты магнитофона.

Шум носителя магнитной записи в общем случае изменяется хаотически и содержит все частоты диапазона, передаваемого каналом воспроизведения. Его величина и значения частотных составляющих зависят от свойств носителя и условий записи и воспроизведения. Канал воспроизведения вносит основной вклад в результирующий шум аналоговой системы магнитной записи и представляет собой одно из важнейших ограничений динамического диапазона аналоговой магнитной записи.

В аналоговой записи звука шум носителя магнитной записи проявляется как «шероховатость», шипение и потрескивание при воспроизведении звука и характеризуется шумом паузы и шумом намагниченного носителя. Для борьбы с этим явлением применяют различные системы шумопонижения, способствующие улучшению качества записи.

Ш умопонижение – улучшение качества аналоговой записи звука путем снижения помех и расширения динамического диапазона. Обычно задача шумопонижения состоит в снижении помех, обусловленных наиболее «шумящим» элементом тракта передачи – носителем информации. Шумопонижение достигается специальной обработкой сигнала в канале записи и (или) в канале воспроизведения. Шумопонижение, выполняемое только в канале воспроизведения, имеет достоинство улучшать уже имеющиеся записи, полученные без использования системы шумопонижения. Однако более эффективны системы шумопонижения, в которых сигнал подвергается обработке как при записи, так и при воспроизведении. Принцип их действия заключается в том, что в канале записи сигнал перед тем, как его записать на носителе, подвергают компрессии: динамический диапазон сигнала сужают за счет большего усиления слабых сигналов. При этом уровень слабых сигналов оказывается выше по отношению к уровню шума носителя. В канале воспроизведения сигнал подвергают обратному преобразованию – экспандированию, при котором сильные сигналы усиливаются в большей степени, чем слабые (рис. 147). При этом исходный баланс между слабыми и сильными сигналами восстанавливается, а уровень шума носителя снижается.

Несколько вариантов систем шумопонижения улучшения качества записи для аналоговой магнитной записи звука, основанных на указанном принципе, разработаны английским инженером Долби и носят его имя (Dolby, фирма Dolby Laboratories): Dolby-B, Dolby-C, Dolby-S, Dolby HХ Pro и др.

В системе подавления шумов Dolby-В сигнал усилителя записи имеет подъем АЧХ выше частоты 500 Гц, зависящий от уровня записываемого сигнала. При большом уровне сигнала подъема нет, а при малом он максимален. Такой подъем при записи улучшает отношение сигнал/шум при малых сигналах. При воспроизведении АЧХ также зависит от уровня сигнала – при малых сигналах она имеет спад на высоких частотах. Таким образом, в процессе записи-воспроизведения используется частотно-зависимая компрессия-декомпрессия звуковых сигналов. Система шумоподавления Dolby-В позволяет повысить отношение сигнал/ шум примерно на 10 дБ, причем в основном на высоких частотах, где расположен спектр шумов, хорошо слышимых на слух.

Б олее сложные системы шумоподавления Dolby-С и Dolby-S имеют не два частотных канала, а больше, что позволяет более эффективно подавить шум в более широкой полосе частот. На рисунке 148 показан выигрыш по показателю сигнал/шум, достигаемый в различных системах Dolby в зависимости от частоты записываемого сигнала. Нетрудно заметить, что система Dolby-С дает повышение соотношения сигнал/шум еще примерно на 20 дБ по сравнению с системой Dolby-В. Система Dolby-S дает выигрыш еще примерно на 10 дБ, но что особенно важно – на эти 10 дБ увеличивается динамический диапазон воспроизведения низких частот.

Поскольку системы Dolby базируются на зависимой от уровня сигнала частотной коррекции, то важно обеспечить достаточно точное поддержание уровня сигналов при записи. Кроме того, для воспроизведения записей, сделанных по системам Dolby-B/C/S, магнитофон должен иметь в тракте воспроизведения соответствующую схему преобразования. Это ведет к довольно заметным искажениям при воспроизведении записей, сделанных на магнитофоне с такими системами, на другом магнитофоне, не имеющем таких систем.