Вернемся снова к основополагающему условию магнитной записи звука. Магнитная запись звука, как уже говорилось, основана на способности некоторых материалов намагничиваться, проходя через магнитное поле, и сохранять намагниченное состояние после выхода из этого магнитного поля. Мы установили, что материал, способный намагничиваться,- это магнитная лента, а источник магнитного поля - магнитная головка. Таким образом, основные «действующие лица» в процессе магнитной записи звука - это магнитная лента и магнитная головка, или, как говорят специалисты, система «лента - головка». Эту систему и предстоит нам теперь рассмотреть. Говоря иначе, нам предстоит рассмотреть, какие процессы происходят при магнитной записи звука.
Принцип всех систем записи звука, будь то механическая, фотооптическая или магнитная, состоит в фиксировании звукового следа на материале носителя записи, а амплитуда следа должна соответствовать амплитуде звукового сигнала. Если звуковое давление изменяется как функция времени, то звуковой след изменяется как функция длины носителя записи. Поэтому изменение звукового давления при любой системе записи запишется как изменение звукового следа.
При магнитной записи звука длина волны записи зависит от скорости движения носителя записи. Связь между длиной волны записи л, частотой f и поступательной скоростью движения носителя записи V аналогична отношению при звуковой волне, распространяющейся, например, в воздушной среде, но с той лишь разницей, что скорость распространения звука в воздухе заменена поступательной скоростью движения носителя записи, то есть л = V/f. Если в этой формуле скорость движения носителя записи выражена в микрометрах в секунду (мкм/с), а частота сигнала выражена в герцах (Гц), то длина волны записи получается выраженной в микрометрах (мкм).
При магнитной записи информации возможны три способа воздействия на материал носителя записи, приведенные на рис. 15. В магнитной записи звука используется только способ продольного намагничивания. Он получается при использовании магнитной головки кольцевого типа, у которой магнитные силовые линии, выходящие из рабочего зазора головки, намагничивают носитель записи продольно в направлении его движения.
Теперь давайте хотя бы схематично, в самых общих чертах, представим себе процесс магнитной записи звука. Допустим, что микрофон, расположенный в каком-либо звуковом поле, преобразует звуковые колебания в электрический ток звуковой частоты. Этот ток после усиления соответствующим устройством, называемым усилителем записи, подводится к обмотке записывающей магнитной головки. В результате воздействия этого переменного тока звуковой частоты около рабочего зазора записывающей магнитной головки появляется магнитное поле, изменяющееся в такт со звуковым полем. Таким образом, звуковой сигнал, изменяющийся во времени, оказался преобразованным в изменяющийся во времени магнитный поток, которым и производится магнитная запись звука. Если в это время перед рабочим зазором записывающей магнитной головки равномерно движется носитель записи - магнитная лента, то магнитные силовые линии выходят из одного полюса записывающей магнитной головки, входят в ферромагнитный материал рабочего слоя носителя записи, намагничивая его до определенной величины, и возвращаются к другому полюсу сердечника этой магнитной головки. При выходе носителя записи из зоны действия полюсов сердечника записывающей магнитной головки, образованных диамагнитной прокладкой, величина магнитной индукции в нем падает до значения остаточной намагниченности Jr макс, зависящей от магнитных свойств ферромагнитного материала носителя записи.
Что же происходит с ферромагнитным материалом носителя записи в момент воздействия на него магнитного поля записывающей магнитной головки? Оказывается, элементарные магнитики рабочего слоя носителя записи, которые до подхода к записывающей магнитной головке находились в хаотическом состоянии, под воздействием магнитного поля записывающей магнитной головки изменяют свое положение, располагаясь друг к другу одноименными полюсами, как это условно показано на рис. 16, и сохраняют это расположение после прохода рабочего зазора записывающей магнитной головки. Однако, как видно из рисунка, расположение элементарных магнитиков таково, что они образуют зоны, равные половине длины волны, записываемой в данный момент частоты звукового колебания. Если записываемый в данный момент звук представляет собой реальный сигнал (музыка, речь), частоты которого все время изменяются, то и магнитное поле, создаваемое записывающей магнитной головкой, также будет изменяться и эти изменения зафиксируются в рабочем слое магнитной ленты как участки с различной намагниченностью как по величине, так и по направлению. Следовательно, результатом процесса магнитной записи звука будет переменная намагниченность носителя записи по его длине. Если затем магнитную ленту с записью звука равномерно и с той же скоростью, с которой производилась запись, продвигать мимо рабочего зазора воспроизводящей магнитной головки, то произойдет следующее. В те моменты времени, когда перед рабочим зазором воспроизводящей магнитной головки оказывается намагниченный участок носителя записи, магнитные силовые линии как бы «врываются» в сердечник головки, магнитное сопротивление которого во много раз меньше магнитного сопротивления воздуха, и, дойдя до обмотки головки, индуцируют в ней электродвижущую силу, величина которой зависит от остаточной намагниченности носителя записи. Эта электродвижущая сила, будучи усилена теперь уже усилителем воспроизведения и соответствующим образом скорректирована (об этом мы расскажем позже), подводится к громкоговорителю, в результате чего мы услышим записанный ранее звук.
Приступая к записи звука, необходимо «очистить» магнитную ленту от предыдущей записи, или, как говорят, «стереть» старую запись. Для этого по ходу движения магнитной ленты перед записывающей магнитной головкой помещают стирающую магнитную головку. С ее помощью создается сильное переменное магнитное поле ультразвуковой частоты, которое сперва намагничивает носитель записи до насыщения, а затем размагничивает его.
Разобранный нами принцип магнитной записи звука сам по себе довольно прост. Однако в начале его развития возникали большие трудности, связанные с устранением искажений звука и посторонних шумов, сопровождавших процессы записи звука и его воспроизведения. Только введение высокочастотного подмагничивания в процесс записи и создание современных магнитных лент позволили устранить эти недостатки, и магнитная запись звука стала одним из наиболее высококачественных способов записи звука.
Теперь, когда мы вкратце познакомились с физической сущностью процессов, происходящих при магнитной записи звука, некоторые нетерпеливые читатели могут сказать: «Хватит, пора переходить к рассказу об устройстве магнитофона и работе с ним». Что ж, если таким читателям не терпится, пусть перевернут несколько страниц книги и начнут читать следующую главу. Мы, однако, считаем необходимым разъяснить некоторые моменты магнитной записи звука более подробно, что, несомненно, поможет лучшему пониманию дальнейшего материала.
Первое, на что мы хотели бы обратить ваше внимание, это на распределение магнитного поля над рабочим зазором записывающей магнитной головки. Сердечник магнитной головки, будь то записывающая, воспроизводящая или стирающая магнитная головка, всегда имеет незначительное магнитное сопротивление, во много раз меньшее магнитного сопротивления воздуха. Однако в рабочем зазоре сердечника, образованном немагнитной прокладкой, магнитное сопротивление резко увеличивается, приближаясь к магнитному сопротивлению воздуха, благодаря чему здесь возникает так называемое магнитное рассеяние. Это магнитное рассеяние в отсутствие магнитной ленты приводит как бы к выпучиванию магнитных силовых линий из сердечника головки. В этом случае распределение магнитного поля над рабочим зазором записывающей магнитной головки будет примерно таким, как это показано на рис. 17 слева. Если же в момент возникновения магнитного поля над рабочим зазором записывающей магнитной головки находится магнитная лента, рабочий слой которой имеет малое магнитное сопротивление, то силовые линии этого магнитного поля пойдут через ферромагнитный материал носителя записи, а распределение магнитного поля над рабочим зазором записывающей магнитной головки изменится и будет примерно таким, как это показано на том же рисунке справа.
Следующий вопрос, который мы хотели бы более подробно разъяснить нашим читателям, связан с процессом записи с высокочастотным подмагничиванием. О роли высокочастотного подмагничивания в повышении качества магнитной записи звука мы уже много говорили. Теперь нам предстоит разобраться в его физической сущности. Однако, чтобы понять процесс записи с высокочастотным подмагничиванием, нам придется сделать небольшие отступления.
Прежде всего мы хотели бы обратить ваше внимание на то обстоятельство, что процесс магнитной записи звука тесно связан с магнитными свойствами носителя записи. В связи с этим режим записи, устанавливаемый при регулировке магнитофона, зависит от магнитных свойств ленты, на работу с которой рассчитан магнитофон. Поэтому, чтобы качество записи всегда было на должном уровне, необходимо пользоваться магнитной лентой, рекомендуемой заводом-изготовителем. Если же приходится производить запись на другой магнитной ленте, то обязательно нужно знать ее параметры и при записи вносить поправки в установленный режим, а как это сделать, будет рассказано дальше. Мы же сейчас только поясним необходимость этого с точки зрения магнитных явлений, происходящих при магнитной записи звука.
При пропускании по обмотке записывающей магнитной головки тока звуковой частоты около ее рабочего зазора создается некоторая напряженность магнитного поля Н. Эта напряженность поля прямо пропорциональна величине пропускаемого через обмотку тока, и при изменении тока записи пропорциональная зависимость сохраняется в широких пределах, то есть остается линейной. Когда перед рабочим зазором записывающей магнитной головки начинает перемещаться носитель записи, напряженность магнитного поля Н создает в нем какую-то намагниченность J, причем соотношение между напряженностью магнитного поля и намагниченностью носителя записи уже не остается линейной благодаря магнитным свойствам носителя записи. Например, увеличение напряженности магнитного поля в два раза не соответствует удвоению величины намагниченности носителя записи, ибо величина намагниченности зависит еще и от магнитного состояния (величины остаточной намагниченности) носителя записи до воздействия на него поля Н. Когда же носитель записи пройдет зону действия рабочего зазора записывающей магнитной головки, его намагниченность понижается до значения остаточной намагниченности Jr.
При записи с высокочастотным подмагничиванием к обмотке записывающей магнитной головки одновременно подводят два сигнала: низкочастотный (нч) сигнал записи и высокочастотный (вч) сигнал подмагничивания. При одновременном воздействии двух различных по частоте колебаний возможны два способа их сочетания, один из которых называется модуляцией, а другой - наложением колебаний. Оба эти способа сочетания показаны на рис. 18.
Для упрощения рассмотрим сочетание двух синусоидальных сигналов, хотя все сказанное дальше будет справедливо и для реального сигнала. Когда в результате сочетания происходит модуляция высокочастотных колебаний низкочастотными, получается сложное колебание, симметричное оси времени t. Вершины низкочастотной огибающей сложного колебания расположены с обеих сторон оси времени друг против друга. Если же происходит наложение низкочастотных колебаний на высокочастотные, то центры высокочастотных колебаний сдвинуты вдоль оси времени на величину мгновенных значений низкочастотной составляющей и вершины огибающей с одной стороны оси времени соответствуют впадинам на другой ее стороне. Тогда мгновенное значение низкочастотного колебания равняется среднему арифметическому мгновенных значений огибающих К1 и К2, то есть Кнч = (К1 + К2)/2.
Если высокочастотные колебания, модулированные низкочастотными, подать на вход системы, которая подавляет высокочастотные колебания, то тем самым будут потеряны и низкочастотные колебания. Однако при наложении низкочастотных колебаний на высокочастотные та же самая система полностью бы срезала высокочастотные колебания, но пропустила бы низкочастотную составляющую. При магнитной записи звука с высокочастотным подмагничиванием используется способ наложения низкочастотных колебаний тока записи на высокочастотные колебания, вырабатываемые в магнитофоне специальным высокочастотным генератором.
Рис. 19. Графическое построение характеристики намагничивания носителя записи без высокочастотного подмагничивания (кривая I) и с высокочастотным подмагничиванием (кривая II).
Способ магнитной записи звука с использованием высокочастотного подмагничивания является наиболее совершенным. Он позволяет получать записи с небольшими гармоническими искажениями и достаточным динамическим диапазоном. При таком способе записи звука в обмотку записывающей магнитной головки одновременно подается ток записываемого сигнала и ток высокочастотного подмагничивания, который представляет собой синусоидальные колебания с частотой от 40 до 80 кГц. Амплитуда высокочастотных колебаний всегда в несколько раз превышает максимальный уровень тока звукового сигнала. Когда оба сигнала имеют синусоидальную форму, тогда и происходит наложение, показанное на рис. 19. При той или иной форме тока звуковой частоты суммарный высокочастотный электрический сигнал управляет изменением пространственного магнитного поля головки записи во времени.
Взгляните на рисунок 19, на котором в упрощенной форме поясняется действие высокочастотного подмагничивания. Представим себе, что по обмотке записывающей магнитной головки протекает только ток звуковой частоты синусоидальной формы, а около рабочего зазора головки равномерно движется предварительно размагниченный носитель записи. Тогда по мере увеличения напряженности магнитного поля около рабочего зазора магнитной головки намагниченность носителя записи начнет возрастать по определенному закону, соответствующему кривой начального намагничивания, о чем мы говорили ранее. В этом случае зависимость между остаточной намагниченностью носителя записи и действующей на него напряженностью магнитного поля будет нелинейной, как это показано на рисунке кривой 1. Следовательно, подаваемый в обмотку магнитной головки записи синусоидальный сигнал запишется с искажениями, которые получаются из-за искривления характеристики в начальной точке координат.
Когда же по обмотке записывающей магнитной головки протекают одновременно синусоидальные токи записываемого сигнала и высокочастотного подмагничивания и подмагничивание имеет надлежащую величину, характеристика намагничивания носителя записи выравнивается, принимая вид кривой II. При этом значительно удлиняется практически прямолинейный участок характеристики намагничивания, используемый в процессе магнитной записи звука, а крутизна (наклон) этого прямолинейного участка становится значительно больше крутизны соответствующего начального участка кривой намагничивания носителя при отсутствии высокочастотного подмагничивания. В результате не только уменьшаются искажения записываемого сигнала, но и растет отдача магнитной фонограммы (увеличение выходного напряжения), полученная при записи с высокочастотным подмагничиванием.
Таким образом при магнитной записи звука с высокочастотным подмагничиванием запись низкочастотных колебаний осуществляется на линейном участке динамической характеристики, полученной в результате действия высокочастотного подмагничивания. Сами же высокочастотные колебания при принятых скоростях движения магнитной ленты на ней практически не регистрируются. По аналогии с электронной радиолампой можно сказать, что ток высокочастотного подмагничивания оказывает действие, аналогичное отрицательному напряжению смещения, подаваемому на управляющую сетку радиолампы.
К сказанному выше добавим, что соответствующим подбором высокочастотного подмагничивания можно достичь такого положения, когда в паузах записи (низкочастотный сигнал отсутствует) на магнитную ленту действует только поле высокочастотного подмагничивания и носитель записи остается ненамагниченным. Теперь, надеемся, вам стало понятно, почему введение высокочастотного подмагничивания привело к расширению динамического диапазона при магнитной записи звука по сравнению с применявшимся до этого времени подмагничиванием постоянным током, при котором ферромагнитный материал носителя записи все время подвергался намагничиванию.
