Записано на века.
Т-227. Записать звук — значит запечатлеть в материале точный его график, с которого потом можно было бы воспроизвести такой же звук.
Еще совсем недавно совершеннейшей фантастикой казалась сама возможность записывать звуки, сохранять их долгое время, а затем воспроизводить, когда понадобится Рассказ о записанных, замороженных звуках включили даже в репертуар известного вруна барона Мюнхгаузена (« На морозе звуки замерзли в рожке, а теперь, отогревшись у печки, оттаяли и стали сами вылетать из рожка»), и уже это одно говорит, насколько невероятной казалась сама возможность звукозаписи А вообще-то если разобраться, то в записывании звуков нет ничего принципиально невозможного Человек давно умел записывать медленные события — вести дневники, писать историю, строить графики изменения температуры или производства зерна Задача звукозаписи сводилась лишь к тому, чтобы научиться записывать очень быстрые процессы, записывать изменения (в данном случае изменения силы звука), которые происходят за тысячные доли секунды Задачу записи быстрых звуковых колебаний впервые решил Эдисон в 1877 году Идея его первого устройства звукозаписи — фонографа — была ошеломляюще проста, ее создание не потребовало ничего, кроме понимания сути дела В принципе устройство, подобное эдисоновскому фонографу, могло быть создано много тысяч лет назад, сохранив для истории голоса Архимеда и Юлия Цезаря, Гомера и Пушкина Однако тот факт, что великое изобретение тысячелетия лежало на поверхности, не стоит, наверное, объяснять капризами Случая Появление того или иного изобретения, той или иной новой, свежей идеи во многом определяется общим уровнем научного мышления, общим уровнем представлений об устройстве мира И еще, конечно, вниманием к предмету фонограф изобрели в разгар «телефонной лихорадки», через год после рождения телефона, который показал, какие чудеса можно делать со звучащей речью
Главная идея, положенная в основу фонографа, состояла в том, что вести летопись звукового давления, записывать звук поручили самому звуку Человек, голос которого н^жно было записать, говорил в рупор фонографа, под действием звуковых волн начинали колебаться, вибрировать укрепленная на конце рупора мембрана и закрепленная на ней стальная игла, следуя за всеми изменениями звукового давления Игла упиралась в восковой валик (сначала применялись валики, покрытые мягкой оловянной фольгой), а пружинный механизм, наподобие часового, медленно вращал этот валик и одновременно перемещал его вдоль оси (Р-134; 1), и игла прорезала в мягком воске винтообразную канавку А поскольку игла одновременно совершала колебания под действием звуковых волн, то глубина канавки получалась неодинаковой
В первых системах звукозаписи была глубинная запись (Р-134, 2) при положительной амплитуде звуковой волны (наибольшее сжатие воздуха) игла вдавливалась в воск с наибольшей силой, и канавка получалась самой глубокой А во время отрицательной амплитуды (наибольшее разрежение воздуха) канавка получалась наиболее мелкой Так изменения звукового давления во времени превращались в изменения положения иглы в пространстве, и эти пространственные перемещения непрерывно фиксировались на движущемся воске Или, проще говоря, к игле непрерывно подводились новые участки воска, и она записывала, каким в данное мгновение было звуковое давление в рупоре И на воске появлялась фонограмма, этот своеобразный график звука, нарисованный самим звуком
Воспроизведение звука с такой фонограммы тоже было несложным Дело это было поручено самому графику, самой извилистой восковой канавке Туже иглу, которая только что прорезала в воске фонограмму, еще раз пускали по канавке, с такой же скоростью вращая восковой валик (Р-134, 3) Из-за изменения глубины канавки игла совершала движения вверх-вниз, подобно велосипеду, который движется по холмистой местности А вместе с иглой приходил в движение излучатель звука — рупор
Т-228. Современные системы грамзаписи позволяют получить высокое качество звучания.
Такую систему звукозаписи, где след звуковых колебаний остается в виде механической деформации какого-либо материала, в частности воска, называют механической записью звука За столетие своего существования системы механической записи сильно изменились, впитали в себя массу новых идей, изобретений, история которых наверняка могла бы послужить темой увлекательного приключенческого романа Лет через десять после рождения фонографа восковой валик был заменен плоской пластинкой со спиральной звуковой канавкой, в принципе такой же, как на современных пластинках Это позволило перейти к тиражированию записей, к изготовлению копий фонограммы Вот основные процессы такого пластинкопечатания Сначала восковой диске фонограммой покрывают токопроводящим слоем, например тончайшей графитовой пылью Затем в гальванической ванне методами гальванопластики (восковой диск опускают в раствор ионов металла, и под действием тока эти ионы движутся к диску, осаждаются на нем) наращивают на него сравнительно массивное металлическое покрытие Воск расплавляют и удаляют, остается металлическая матрица, с помощью которой на разогретом пластичном материале печатают, правильнее сказать, выдавливают, пластинки
Принцип размножения фонограмм позволил решить сложное противоречие в требованиях к материалу для записи теперь можно было применять мягкий, податливый материал, а для самих пластинок использовать материал более твердый, такой, который при воспроизведении записей не срезала бы игла, сглаживая тем самым извилины звуковой дорожки
К концу прошлого века, то есть примерно через двадцать лет после изобретения фонографа, была разработана технология массового изготовления пластинок, появились граммофоны (от греческих слов «граммо»— запись, писать и «фон» — звук) и «замороженные» звуки, записанные голоса и оркестры, подобно книгам, чертежам, рисункам, стали продолжением нашей памяти Еще через четверть века механическая запись звука стала электромеханической (Р-134. 4), а вскоре появились и электромеханические системы воспроизведения В них звуковую канавку освободили от физической работы, уже не сама игла двигала излучатель звука, и мощности отн ее уже не требовалось Механические колебания иглы переводились на электрический язык в так называемом звукоснимателе — он создавал электрическую копию звука наподобие микрофона А затем полученный сигнал усиливался электронными усилителями и воспроизводился громкоговорителем (Р-134, 8) Теперь сама глубина звуковой канавки могла быть меньше, мельче могли быть и изгибы на ней — легкая игла, освобожденная от значительной массы рупора и связанного с ним воздуха, легко считывала самый сложный рельеф звуковой дорожки и не портила (почти не портила) при этом фонограмму
Легкий звукосниматель во многом определил дальнейший прогресс грамзаписи (привычное сокращение, но не очень удачное — в буквальном переводе оно означает «запись записи», хотя по смыслу это «запись на граммофонных пластинках»), так как появилась возможность применять для пластинок новые мягкие материалы на основе винилитовых смол Сегодня достижения механической записи звука можно проиллюстрировать такими цифрами Частотный диапазон пластинки очень широк — от 20 Гц до 20 кГц, ограничения в основном связаны с качеством звукоснимателя Стоит вспомнить, что при записи и воспроизведении звука чисто акустическим способом (рупор—игла—рупор) полоса частот в лучшем случае составляла 150—4000 Гц, причем очень сильной была неравномерность частотной характеристики из-за разного рода акустических резонансов.
Новые материалы позволили резко улучшить еще один показатель — во много раз снизился уровень собственных шумов пластинки, специфическое шипение, которое можно услышать со старинных, заигранных пластинок У современных пластинок уровень шумов доведен до минус 50—55 дБ, причем после каждых пятидесяти проигрываний пластинки шум возрастает не более чем на 2 дБ Благодаря мягким материалам для пластинки и легкому звукоснимателю, не нагружающему пластинку, запись стали вести примерно в два с половиной раза «гуще», то есть сам рельеф дорожки можно было сделать мельче Если, например, раньше при записи звука с частотой 1000 Гц допустимое расстояние между двумя соседними впадинами на дорожке составляло около 0,3 мм, то теперь оно стало 0,15 мм А значит, пластинки могут вращаться медленнее — вместо 78 оборотов в минуту сейчас наиболее широко используется скорость 33 1/3 оборота Кроме того, меньше стала и сама ширина канавки, соседние канавки стали примерно в три раза ближе И в итоге звучание пластинки диаметром 30 см увеличилось с 5 до 27 минут У долгоиграющих пластинок диаметром 27 и 17,5 см время звучания соответственно 18 и 9 минут У таких пластинок ширина звуковой канавки обычно меняется в пределах от 0,03 до 0,12 мм, расстояние между соседними канавками—0,1— 0,003 мм, тихим звукам соответствуют выступы канавки в десятитысячные доли миллиметра, то есть меньше размера пылинки Это лишнее напоминание о том, что современная пластинка — изделие нежное, ее нужно бережно, аккуратно хранить
Т-229. Качество звучания грамзаписей во многом определяется параметрами проигрывающего устройства.
Любую систему воспроизведения звука можно сравнить с карманным фонарем, у которого несколько последовательно соединенных выключателей Лампочка в такой схеме (она называется схемой для выполнения логической операции «И», Т-267) включается лишь в том случае, если будут замкнуты все выключатели, размыкание любого из них разрывает цепь Вот также может испортить качество звучания любой участок звуковоспроизводящего тракта - микрофон, усилители, громкоговоритель А в системах звукозаписи в этот список входит еще пластинка и само ЭПУ-электропроигрывающее устройство, - звукосниматель с иглой и тонармом, двигатель, который приводит в движение диск, система передачи вращения от двигателя к диску с пластинкой
Звукосниматель должен иметь хорошую частотную характеристику, не создавать заметных нелинейных искажений, не портить пластинку в процессе проигрывания Наиболее широко используются пьезоэлектрические (Р-135.4) и электромагнитные звукосниматели (Р-135, 5), хотя возможны и другие системы звукоснимателей - фотоэлектрическая, полупроводниковая, емкостная
Основа пьезоэлектрического звукоснимателя - пластинка или трубка из пьезокристалла, на котором под действием механической деформации возникает э д с (Р-69, 2) Пьез о кристаллу передаются колебания иглы, которая скользит по звуковой канавке, и на выходе появляется довольно большое переменное напряжение 0,1-0,5 В, электрическая копия записанного звука Внутреннее сопротивление пьезокристалла носит в основном емкостный характер, при включении в схему усилителя его приходится рассматривать *как конденсатор сравнительно небольшой емкости около 500 пФ На частоте 50 Гц сопротивление такого конденсатора - 6,4 МОм, на частоте 1000 Гц - 320 кОм Эти цифры говорят о том, что входное сопротивление усилителя, к которому будет подключен пьезоэлектрический звукосниматель, должно быть достаточно большим Иначе просто все напряжение низкочастотного сигнала, вся продукция звукоснимателя потеряется на его внутреннем сопротивлении Вот почему первый каскад усилителя обычно собирают по схеме с общим коллектором (Т-190, К-1. 6), которая позволяет получить входное сопротивление 1-2 МОм Но даже несмотря на это, влияние собственной емкости звукоснимателя остается весьма заметным, и это одна из причин его не очень равномерной частотной характеристики К тому же пьезокристалл - элемент весьма нежный, он боится ударов, сырости, малейшая трещинка в кристалле навсегда выводит его из строя И все же, несмотря на все эти недостатки, пьезоэлектрические звукосниматели находят самое широкое применение, главным образом благодаря их простоте, технологичности и сравнительно невысокой стоимости
В проигрывающих устройствах высокого класса в последнее время все чаще используют электромагнитные звукосниматели, для которых характерна широкая полоса воспроизводимых частот
Строгие требования предъявляются не только к самому преобразователю колебаний иглы в электрический сигнал, к самой головке звукоснимателя, но и к тонарму, к рычагу, на котором крепится головка и который ведет ее по звуковой канавке Тонарм, в частности, должен быть достаточно податливым, чтобы игла не очень сильно давила на боковые стенки канавки В то же время должно точно выдерживаться положение иглы, ее перекосы приводят к сильным искажениям сигнала От конструкции тонарма, распределения его массы зависит вес звукоснимателя, приведенный к концу иглы, а значит, и давление иглы на пластинку Оно должно быть достаточным для того, чтобы игла плотно прилегала к звуковой канавке, следовала за всеми ее извилинами В то же время слишком сильное давление иглы не только быстро выводит пластинку из строя, но и создает дополнительные искажения В некоторых тонармах имеются перемещаемые противовесы, которые позволяют точно отрегулировать давление иглы Большинство современных моделей проигрывателей снабжено еще и микролифтами, которые плавно спускают иглу на пластинку, оберегают ее, а заодно и сам звукосниматель от случайных резких ударов Не остается без внимания и система вращения диска, к ней тоже предъявляется ряд требований, нарушение которых карается плохим качеством звучания Прежде всего, конечно, должно быть обеспечено равномерное вращение пластинки с заданной скоростью Потому что любое изменение скорости приводит к изменению частоты воспроизводимого звука если пластинка, например, замедлит вращение, то извилины звуковой канавки будут медленнее отклонять иглу и частота звука уменьшится При периодическом изменении скорости звук «дробится» в нем слышатся неприятные трели или же он становится очень жестким, резким Или начинает «плавать»-появляется детонация, то есть изменение тона Для проигрывателей среднего класса допускаются колебания скорости вращения диска не более чем на 0,3%, в проигрывателях высокого класса-не более чем на 0,2% и даже 0,1% Другой вид неприятностей - вибрации двигателя, которые передаются игле Чтобы ослабить влияние механических вибраций, и сам двигатель, и всю плату ЭПУ подвешивают на резиновых втулках или на пружинах
В электропроигрывателях высокого класса в последнее время стали применять синхронные электродвигатели с медленным вращением ротора При этом диск, на который кладут пластинку, закрепляется непосредственно на оси двигателя, отпадает необходимость в разного рода роликах и пассиках, замедляющих вращение (ось типового асинхронного двигателя совершает около 1400 оборотов в минуту, а пластинка - примерно 33 или 45 оборотов) Скорость вращения в синхронном электродвигателе очень стабильна, она определяется только частотой питающего его переменного тока Для питания синхронного двигателя в проигрывателях используется внутренний транзисторный генератор, чаще всего мультивибратор, и для перехода с одной скорости вращения на другую достаточно изменить частоту питающего напряжения, переключив некоторые элементы в схеме генератора
Некоторые дополнительные требования предъявляются к электропроигрывателям, как и другим элементам звуковоспроизводящего тракта, когда от монофонического воспроизведения звука переходят к стереофоническому и тем более к квадрофоническому
Т-230. Стереофонические и квадрофонические системы воспроизводят пространственное распределение источников звука.
Для чего человеку два уха? На этот, казалось бы смешной, вопрос ответить не так-то просто Можно, конечно, предположить, что природа просто снабдила нас резервом на случай болезни или иной неприятности Но почемуже она не позаботилась о резервировании сердца, печени, желудка? Вопрос о происхождении парных органов пока остается открытым Но как бы в итоге ни решалась загадка двух ушей, как бы ни объяснилось их появление в процессе эволюции, мы можем точно сказать, что дает нам бинауральное слушание (в точном переводе - двухушное) оно позволяет определить место, где находится источник звуковых волн, следить за его движением и, следовательно, лучше ориентироваться в сложном мире звуков
На низких частотах, примерно до 1000 Гц, наш слуховой аппарат фиксирует сдвиг фаз, то есть разность хода звуковых волн, попадающих в левое и правое ухо Мозг мгновенно вычисляет, какому направлению может соответствовать такая разность хода, и таким образом определяет, откуда идет звук На высших звуковых частотах уже сравнивается средняя сила звуков, пришедших к левому и правому уху, и по результатам сравнения определяется, с какой стороны идет звуковая волна (Р-66)
Точные регистрирующие приборы нашего слуха и слуховые центры мозга непрерывно сравнивают множество звуковых сигналов, поступающих с разных направлений, и рисуют в нашем сознании сложную картину пространственного распределения источников звука Например, пространственное размещение музыкальных инструментов в большом оркестре Или солистов в вокальном ансамбле И если мы хотим, чтобы звуковоспроизводящая установка с высокой верностью воспроизводила бы точное звучание оркестра или ансамбля, то нужно не только воспроизвести всю полосу звуковых частот, не только предотвратить нелинейные искажения, не допустить появления посторонних призвуков, но нужно еще воссоздать пространственное распределение источников звука Чтобы звук литавр, которые в оркестре находятся слева от слушателя, и в комнате, где мы слушаем пластинку, приходил слева И чтобы мы слышали, как перемещается по сцене певец, чувствовали объем, пространство сцены Для точного воспроизведения пространственной звуковой картины нужно было бы установить на сцене большое число микрофонов и каждый связать со своим громкоговорителем Это была бы довольно сложная система каждой паре микрофон - громкоговоритель нужен свой отдельный канал связи или отдельная фонограмма К счастью, оказалось, что вполне удовлетворительные результаты дают уже два звуковых канала (Р-135; 3), а двухканальную стереофонию не так-то сложно осуществить В частности, оба звуковых канала, правый и левый, удается записать на одной пластинке и даже, более того, в одной звуковой канавке На каждой из скошенных стенок канавки создается своя собственная глубинная запись, отдельная фонограмма Скосы канавки расположены под углом 90 град (под углом 45 град к вертикальной оси, такая система называется 45/45), и каждый из двух взаимно перпендикулярных кристаллов звукоснимателя (или каждая из двух взаимноперпендикулярных катушек) преобразует в электрический сигнал колебания иглы только «своего» направления (Р-135, 6) Так на выходе двухкристального (двухкатушечного) стереозвукоснимателя появляются два независимых сигнала - «левый» и «правый» Они поступают на два независимых усилителя и воспроизводятся двумя громкоговорителями, расположенными на значительном расстоянии (2-3 метра)
Очень важно, чтобы соотношение между уровнями громкости правого и левого канала всегда оставалось таким, как соотношение громкости звуков, которые «услышали» два микрофона во время записи Только при этом условии пространственная звуковая картина будет правдоподобной Если, например, увеличить громкость правого канала, а громкость левого оставить без изменений, то весь оркестр уйдет вправо, исчезнет объем сцены и богатое звуковое пространство превратится в убогую звуковую точку Вот почему регуляторы громкости и даже регуляторы тембра обоих каналов спарены
подвижные контакты переменных сопротивлений закреплены на одной оси, поворачивает их одна общая ручка А для того чтобы первоначально установить правильное соотношение между уровнями правого и левого канала, вводится дополнительный элемент регулировки - переменный резистор «Баланс» (К-13, 4) С его помощью добиваются, чтобы оба громкоговорителя звучали с одинаковой громкостью, когда источник звука находится в центре сцены
Одно из достоинств принятой системы стереофонической грамзаписи- ее совместимость Это означает, что на стереопроигрывателе можно воспроизводить монофоническую, то есть одноканальную, запись (разумеется, звучание при этом тоже будет монофоническим, одноканальным), а стереопластинки можно проигрывать на обычном монофоническом проигрывателе (и, конечно, опять-таки без стереоэффекта) К этому достоинству н^жно, правда, сделать дополнение проигрывать стереофонические пластинки монофоническим звукоснимателем не очень-то желательно - если этот звукосниматель неточно отрегулирован, он будет портить пластинку В последнее время делаются попытки усилить эффекты объемного звучания, более точно передавать пространственную картину звука, используя уже не два, а четыре канала Такие системы получили название квадрофонических, от слова «квадро» - «четыре» Придуман даже способ записывания всех четырех каналов в одной звуковой канавке, для этого используется идея частотного уплотнения каналов связи (Т-209) В систему записи вводятся два высокочастотных генератора, два «радиопередатчика», с несущими частотами в районе 40 кГц Один из них модулируется сигналом третьего стереофонического канала, второй-сигналом четвертого На каждой стенке звуковой канавки теперь записывают довольно широкий спектр частот, в него входят звуковые частоты первого или второго канала и ультразвуковые частоты, в которых модуляция зашифровала сигналы двух дополнительных каналов квадрофонии В воспроизводящем устройстве эти модулированные сигналы третьего и четвертого каналов выделяются фильтрами, детектируются и воспроизводятся в чистом виде Система эта довольно сложна, и пока часто осуществляют «псевдоквадро», то есть «как бы квадро» из левого Л и правого П каналов стереофонии формируют еще два канала Л + П и Л - П, их подают на отдельные громкоговорители Очень высокое качество звучания, в том числе стереофонию и квадрофонию, позволяет получить магнитная запись звука
Т-231. Магнитная фонограмма: изменения звукового давления записаны в изменениях намагниченности участков ленты из ферромагнитного материала.
Чтобы понять физическую основу магнитной записи звука, нужно обратиться к явлению, хорошо известному из повседневного опыта, к остаточной намагниченности Иголка после соприкосновения с постоянным магнитом сама намагничивается, становится своего рода постоянным магнитом Стальной сердечник, вставленный в катушку, по которой идет постоянный ток, сохранит некоторые остаточные магнитные свойства и после того, как ток в катушке прекратится Все это и есть остаточный магнетизм, он связан с тем, что элементарные магнитики, однажды повернувшись под действием внешнего магнитного поля (Т-52), не полностью возвращаются в исходное положение, когда это внешнее поле исчезает, нужно приложить внешнее поле обратного направления, чтобы размагнитить кусок стали Но когда это поле, исчезнет, появится остаточная намагниченность другой полярности, более слабая, чем первоначальная Чтобы полностью размагнитить стальной предмет, его помещают в магнитное поле, созданное переменным током, и медленно вытаскивают этот предмет из меняющегося поля Само явление остаточной намагниченности называют гистерезисом, а график, который показывает, как идет процесс намагничивания, за свою форму получил название петли гистерезиса (Р-136. 2)
Самое главное вот что степень остаточной намагниченности - остаточная магнитная индукция Воет-зависит оттого, насколько сильным было внешнее намагничивающее поле Так, например, сердечник, вставленный в катушку с током, окажется намагниченным тем сильнее, чем больше был ток в этой катушке
На графиках Р-136, 2 видно, что остаточная намагниченность Воет (то есть намагниченность после прекращения тока) будет разной при разных значениях намагничивающего тока От этих графиков до магнитной записи звука остается буквально один шаг К катушке, намотанной на сердечник с воздушным зазором, подводим низкочастотный переменный ток 1нч (Р-136, 4), электрическую копию звука Если протягивать мимо воздушного зазора стальную ленту, то меняющийся ток, точнее, его меняющееся магнитное поле создаст в различных участках ленты разную остаточную намагниченность в те моменты, когда по катушке шел более сильный ток, намагниченность будет побольше, с уменьшением тока будет ослабевать и остаточная намагниченность В итоге изменения намагниченности стальной ленты будут точно повторять изменения тока (а значит, звукового давления) во времени Также, как на пластинке, летопись звука отображалась глубиной канавки или изгибом ее стенок, на стальной ленте она будет отображаться уровнем остаточной намагниченности
Т-232. Для воспроизведения звука с магнитной фонограммы используетсяявление электромагнитной индукции.
Чтобы воспроизвести электрический сигнал с магнитной фонограммы, достаточно протягивать ее мимо катушки меняющееся магнитное поле, как обычно, наведет в катушке э д с 1_1нч, которая окажется точной копией пространственного изменения остаточной намагниченности на стальной ленте (Р-136. 5) А значит, копией того самого тока, который производил намагничивание стальной ленты, производил магнитную запись звука
Нужно признаться, что слова «точная копия» применены здесь не очень точно если не принять специальных мер, то электрический сигнал, воспроизведенный с магнитной фонограммы, будет сильно искажен, будет отличаться от сигнала, которым производилась запись В частности, при воспроизведении магнитной фонограммы неизбежно появляются сильные частотные искажения, и связаны они с самой природой электромагнитной индукции Наведенная в катушке э д с , как известно, пропорциональна не самому магнитному полю, а скорости его изменения (Т-59. Т-60) чем быстрее меняется магнитное поле, пронизывающее витки катушки, тем больше наведенная в ней электродвижущая сила Чем ниже записанная на фонограмме частота, тем медленнее меняется магнитное поле в районе воспроизводящей катушки, когда мимо нее движется фонограмма А поэтому при прочих равных условиях сигналы низших частот, воспроизведенные с магнитной фонограммы, будут намного меньше сигнала высших частот, частотная характеристика воспроизведения окажется сильно наклоненной линией (Р-136, 7)
К счастью, с частотными искажениями можно эффективно бороться с помощью корректирующих цепей, сопротивление которых зависит от частоты (Т-76. Т-78) В магнитофоне борьба эта ведется так при записи вводятся корректирующие цепи, которые сильно заваливают высшие частоты (поднимают низшие) и тем самым заранее компенсируют частотные искажения, которые возникают при воспроизведении Для этого, например, катушку записи шунтируют конденсатором Скорр с увеличением частоты его емкостное сопротивление уменьшается и все большая часть тока проходит через этот конденсатор, проходит мимо катушки Это компенсирует неравномерность характеристики воспроизведения (Р-136, 7)
Т-233. В современных магнитофонах запись производится на полимерную пленку, покрытую тонким ферромагнитным слоем.
Ужe в начале нашего века грамзапись получила довольно широкое распространение, и граммофоны, как это принято сейчас говорить, стали аппаратами широкого потребления Магнитофоны начали появляться в наших домах всего двадцать - тридцать лет назад, и поэтому может создаться впечатление, что магнитофон - изобретение сравнительно молодое А вместе с тем магнитофон был изобретен примерно в то же время, что и фонограф Просто понадобилось много десятилетий, чтобы решить ряд сложных технических и технологических задач и превратить магнитофон из громоздкой, тяжелой установки, очень неудобной в обращении и создающей к тому же сильно искаженный звук, в простой и удобный аппарат с высоким качеством звучания
Одно из таких решений - тонкая полимерная пленка, покрытая тончайшим слоем ферромагнитного порошка Она сменила стальную ленту и проволоку, на которых велась запись в первых магнитофонах Для магнитной записи электрических сигналов наша промышленность выпускает несколько типов пленки шириной до 70 мм В магнитофонах широкого применения используется пленка шириной 3,81 мм (в кассетах) и 6,25 мм (на катушках), другие типы пленки находят применение в специальных звукозаписывающих устройствах, например в кино, а также в устройствах памяти электронных автоматов и вычислительных машин Разные типы пленки могут иметь разную толщину в пределах от 0,018 мм до 0,055 мм Ясно, что более тонкой пленки побольше умещается на катушку, а значит, при одном и том же диаметре катушки дольше звучит фонограмма
С годами совершенствуются лентопротяжные механизмы магнитофонов (Т-239), в современных аппаратах значительно снижена механическая нагрузка на пленку, и, значит, в них можно применять более тонкую пленку, не опасаясь ее разрыва Толщина ферромагнитного слоя у разных типов пленки лежит в пределах от 0,008 мм до 0,02 мм (8-20 мкм) Для массовых магнитофонов в основном применяются пленки типов 2, 6, 9 и 10, различающиеся некоторыми своими характеристиками Так, например, первые два типа пленки выдерживают примерно в полтора раза большую механическую нагрузку и поэтому пригодны для магнитофонов старых типов Пленка типа 2 требует несколько более высокого уровня сигнала записи, и на ней несколько уще записываются самые высшие частоты К магнитной пленке нужно относиться бережно, хранить ее в прохладном месте, беречь от сырости, сильных магнитных полей От жары магнитная пленка пересыхает, становится хрупкой, рвется, от сырости она коробится
Т-234. Магнитная головка: катушка на замкнутом магнитном сердечнике с малым воздушным зазором.
В сердечнике магнитной головки имеется тончайший зазор, его обычно создают с помощью прокладки из бронзовой фольги, магнитные свойства которой почти такие же, как и у воздуха Когда к зазору плотно прилегает движущаяся пленка, то магнитное поле замыкается уже не через сам зазор, а через закрывающий его участок ферромагнитного слоя пленки А магнитный поток всегда старается замкнуться по пути с наименьшим магнитным сопротивлением (Р-35) Тонкий зазор-это лишь небольшой участок магнитной цепи записывающей головки, в основном же магнитное поле замыкается по пути с небольшим сопротивлением - по пермаллоевому сердечнику (С-6) Замыкаясь через участок пленки, прилегающий к узкому зазору, магнитное поле оставляет на пленке очень узкий след, и запись ведется экономно, мелкими штрихами А значит, пленку можно протягивать довольно медленно и на сравнительно небольшом куске пленки долго вести запись (Р-136. 6).
Т-235. Верхняя граничная частота записи определяется скоростью движения пленки и шириной рабочего зазора в головках.
Владельцу магнитофона во всех случаях хотелось бы, чтобы пленка двигалась как можно медленнее, то есть чтобы одна кассета или катушка с пленкой звучали как можно дольше Но скорость движения пленки нельзя выбирать произвольно, она определяет ту наибольшую частоту, которую удается записать на фонограмме и которая определяет качество звучания магнитофонной записи Чем более высокую частоту мы хотим записать, тем больше должна быть скорость пленки Практически эту скорость выбирают с таким расчетом, чтобы фонограмма одного колебания самой высокой записываемой частоты по длине пленки занимала больше места, чем сам зазор магнитной головки (Р-136. 6)
Если нарушить это условие, то окажется, что запись высокочастотного колебания еще не ушла из области зазора, аще вовсю идет запись следующего колебания И в воспроизводящей головке при слишком медленном движении пленки в зазоре может одновременно оказаться запись и положительного и отрицательного полупериода какого-либо колебания, а из-за этого в обмотке вообще не изведется э д с Из этой картины, кстати, видно, что для снижения скорости пленки н^жно уменьшать ширину зазора (Р-136, 6) - чем меньше зазор, тем короче след от каждого записанного высокочастотного колебания и тем медленнее можно протягивать пленку
Но уменьшать зазор беспредельно также нельзя, и здесь существуют свои трудности, свои ограничения В современных головках воспроизведения делают зазор примерно в 3 мкм (0,003 мм), и при этом на установленной стандартом скорости удается получить такие предельные частоты записи и воспроизведения скорость 19,05 см/с-предельная частота около 18 кГц, скорость 9,53 см/с-частота 12,5 кГц, скорость 4,76 см/с-примерно 8 кГц и скорость 2,38 см/с - предельная частота около 5 кГц Во многих магнитофонах предусмотрены две, это и три скорости записи и воспроизведения, и, конечно, при меньшей скорости пленки звучат дольше, а частотная характеристика в области высших частот «кончается» раньше (Р-136, 8) Н^жно сказать, что магнитная пленка постепенно стирает головку и ее характеристики в какой-то степени меняются
Т-236. Чтобы предотвратить сильные нелинейные искажения, при магнитной записи через записывающую головку пропускают постоянный или высокочастотный ток подмагничивания.
Чтобы в процессе магнитной записи не возникало нелинейных искажений, чтобы изменения остаточной магнитной индукции Воет вдоль фонограммы в точности повторяли все изменения записываемого сигнала во времени, н^жно, чтобы всегда сохранялась прямая зависимость между током в записывающей головке и остаточной намагниченностью, чтобы зависимость эта была линейной А в действительности она нелинейная, имеет явный нижний загиб в области малых намагничивающих токов остаточная индукция увеличивается очень незначительно (Р-137. 1) Это связано с магнитными свойствами ферромагнитных материалов, с самой физикой остаточного магнетизма Из-за этой «физики» запись слабых сигналов будет происходить с сильными нелинейными искажениями, да и сильные сигналы будут искажаться, когда, изменяясь, ток проходит через значения, близкие к нулевым Бороться с такими искажениями можно только одним способом н^жно, чтобы сигнал не заходил в нелинейную область характеристики намагничивания Для этого вместе с сигналом пропускают по записывающей головке некоторый постоянный ток (Р-137, 2) или переменный ток неслышимой сверхзвуковой частоты (Р-137, 3) от отдельного лампового или транзисторного генератора Подмагничивание переменным током дает более высокое качество записи и применяется во всех современных магнитофонах Генератор подмагничивания по совместительству используется для того, чтобы стереть старую запись, перед тем как на пленке будет создана новая фонограмма
Сам высокочастотный ток подмагничивания (его частота обычно 30- 50 кГц) не оставляет следа на пленке За время, пока участок пленки проходит перед зазором записывающей головки, магнитное поле высокочастотного тока много раз меняет свое направление А когда пленка выходит из сферы влияния зазора, высокочастотное поле, постепенно убывая, полностью размагничивает ее Но так будет только в том случае, если высокочастотный сигнал действует в одиночку Если же одновременно с ним в головку подается еще и низкочастотный сигнал 1зап, то есть тот сигнал, который н^жно записать, на пленке появится медленно меняющаяся по ее длине остаточная намагниченность, отражающая в итоге только изменения низкочастотного сигнала И поскольку намагничивание шло за пределами нелинейного участка, магнитная фонограмма будет достаточно точной копией записываемого сигнала
Т-237. В магнитофоне необходимы усилители записи и воспроизведения или один универсальный усилитель.
Уровень сигнала, наведенного фонограммой на воспроизводящей головке, очень мал - обычно это несколько милливольт или десятых долей милливольта, а по мощности тысячные и даже миллионные доли ватта Ясно, что такой сигнал н^жно усилить, прежде чем подать его на громкоговоритель или даже на вход усилителя НЧ, рассчитанного на работу от звукоснимателя или радиоприемника В то же время к записывающей головке приходится подводить напряжение в несколько вольт при мощности около ватта А значит, если мы хотим записывать сигнал с микрофона или со звукоснимателя, то н^жно иметь еще и усилитель, на выходе которого будет включена магнитная головка записи (Р-138, 2)
Вместо двух усилителей часто используют один универсальный (Р-138. 3), благодаря некоторым изменениям в схеме, которые производит многоконтактный переключатель, этот усилитель может работать и при записи, и при воспроизведении Более того, во многих магнитофонах используется одна универсальная головка вместо двух-записывающей и воспроизводящей (Р-138, 4) При воспроизведении она подключается ко входу универсального усилителя, при записи - к выходу Естественно, что при воспроизведении к выходу усилителя подключается громкоговоритель или вход следующего усилительного устройства При записи ко входу усилителя подключается один из источников сигнала - микрофон, звукосниматель или радиотрансляционная линия Поскольку все эти источники сигнала дают разное напряжение (микрофон - милливольты, звукосниматель - сотни милливольт, линия - 10-15 вольт), то они подключаются ко входу магнитофона через делители, которые все эти сигналы уравнивают и подают на вход усилителя (Р-104)
В числе обязательных переключений, которые производятся в универсальном усилителе при переходе от записи к воспроизведению и обратно, н^жно назвать еще и включение в усилитель записи элементов, корректирующих частотную характеристику (Р-136, 7), в числе которых RC-цепочки и колебательный контур с резонансом в области высших частот В двухскоростных магнитофонах (схема одного из них на К-17, 5) для каждой скорости своя предельная частота и при переходе с одной скорости на другую производятся переключения и в цепи коррекции
Кроме того, при переходе на запись включается высокочастотный генератор подмагничивания, его напряжение подводится к универсальной головке ГУ и одновременно к отдельной стирающей головке ГС По ходу пленки она стоит перед головкой записи и автоматически стирает старую фонограмму Качество записи, в частности уровень нелинейных искажений, сильно зависит оттого, как подобран уровень сигнала в универсальной головке Поэтому в магнитофон вводятся индикатор и отдельный регулятор уровня записи А чтобы случайно не стереть нужную фонограмму, по ошибке включив режим записи, в магнитофонах имеется блокировка при переходе на запись приходится включать сразу две кнопки или кнопку и переключатель И не очень-то велика вероятность, что по ошибке человек одновременно изменит положение этих органов управления
Т-238. В большинстве магнитофонов электрический сигнал записывают на двух или на четырех параллельных дорожках, а в видеомагнитофонах на большом числе дорожек, расположенных под углом или поперек пленки.
Для магнитофонов, где пленка наматывается на катушки, шестимиллиметровая пленка, пожалуй, самая удобная Во всяком случае, более узкая пленка, по-видимому, легко спутывалась, перекручивалась и рвалась бы С другой стороны, при современных ферромагнитных покрытиях пленки, магнитных головках, усилителях можно было бы обойтись и более узкой пленкой Компромиссным решением стала многодорожечная запись-сначала на стандартной шестимиллиметровой пленке стали записывать две фонограммы, а теперь часто и четыре (Р-139) Соответственно уже при двухдорожечной записи возможна двухканальная стереофония, а при четырехдорожечной - даже квадрофония Проигрывание фонограмм с разных дорожек возможно двумя разными способами В большинстве двухдорожечных магнитофонов головки просто закреплены в приподнятом положении, чтобы они прилегали к пленке не по всей ширине, а лишь к ее половине (Р-139, 1) При этом чтобы перейти с одной дорожки на другую, пленку нужно просто перевернуть Это довольно удобно, можно обойтись без перемотки пленки - в одну сторону проигрывается одна дорожка, а затем кассеты меняют местами, переворачивают, и звучит вторая дорожка
Есть магнитофоны, в которых два комплекта головок, их можно переключать в зависимости оттого, какая дорожка используется для записи или воспроизведения Причем пленка может двигаться как в одну, так и в другую сторону, что создает дополнительные удобства - катушки не только не н^жно перематывать, но даже не н^жно переставлять Иногда в магнитофонах такого типа имеется один комплект головок и при переходе с дорожки на дорожку головки просто поднимаются или опускаются В четырехдорожечных магнитофонах имеются два блока - блок стирающих головок и блок универсальных головок, в каждом из которых по две одинаковые головки, расположенные одна над другой (Р-139, 3) При стереофонии обе головки одного блока работают одновременно, каждая в своем канале
Широко распространены магнитолы - кассетные магнитофоны, особенно переносные, встроенные в приемник Все соединительные цепи между приемником и магнитофоном находятся внутри, и достаточно просто нажать кнопку, чтобы концерт, который вы принимаете из эфира, немедленно начал записываться на кассету И еще один тип магнитофона-двухкассетный Это фактически два независимых магнитофона в одном корпусе (например, в переносной магнитоле), что, конечно, очень удобно при перезаписи с одной кассеты на другую Заговорив о много дорожечной магнитной записи, уместно вспомнить еще один аппарат для магнитной записи электрических сигналов - видеомагнитофон При этом мы, правда, несколько забегаем вперед, так как видеомагнитофон - аппарат для записи изображения, превращенного в электрический сигнал телевизионными методами, а знакомство с телевидением у нас еще впереди (глава 16) Пока, правда, нам достаточно, не касаясь подробностей, отметить лишь одну особенность телевизионного сигнала-его спектр содержит составляющие с очень высокими частотами В частности, для стандарта, принятого в нашей стране, спектр видеосигнала (сигнал, в котором отображается картинка) простирается примерно до 6 мегагерц (Т-256), это в 300 раз больше, чем максимальная частота звука, которую должен записать и воспроизвести обычный звуковой магнитофон
Но можно ли вообще записать на магнитную ленту сигнал такой высокой частоты1? Еще недавно мы выяснили, что чем выше записываемая частота, тем быстрее нужно продвигать ленту относительно магнитной головки (Т-236) Для записи звука в диапазоне до 20 килогерц в магнитофонах первого класса скорость движения ленты почти 20 см/сек (19,5 см/с), и отсюда можно подсчитать, что для записи видеосигнала ленту нужно протягивать мимо головки со скоростью 20 * 300 = 6000 см/сек = 60 м/с, примерно 200 км/ч! Трудно представить себе магнитофон, где лента движется быстрее курьерского поезда, не говоря уже о том, что при такой скорости большой пятисотметровой катушки хватит на каких-нибудь 8 секунд
И вместе с тем задача магнитной записи видеосигнала решена, причем решена просто и остроумно сама лента движется сравнительно медленно, переходя с одной катушки на другую, а магнитная головка, вращаясь очень быстро, с огромной скоростью «прочерчивает» на ленте параллельные магнитные дорожки с записью видеосигнала Эти невидимые дорожки располагаются поперек пленки (Р-139, 8) либо под небольшим углом (Р-139, 9) Чтобы запись, а затем и воспроизведение сигнала шли непрерывно, используются 2 или 4 вращающиеся головки, они размещены на блоке вращающихся головок БВГ, который сидит на оси отдельного двигателя (Р-139, 6, 7)
Ужe много лет на телецентрах используют, как их называют, профессиональные видеомагнитофоны, довольно большие установки, с помощью которых записывают на ленту многие программы, а затем передают их в эфир В последние годы появились небольшие бытовые видеомагнитофоны, они предназначены для того, чтобы просматривать программы на обычном домашнем или клубном телевизоре Типичный представитель этого класса аппаратов - советский кассетный видеомагнитофон «Электроника ВМ-12». для которого был выбран наиболее распространенный в мире стандарт «VHS» Существуют и другие стандарты («Betarnax», «Video-2000» и др ), причем все они друг с другом совершенно несовместимы, в том числе по типу кассет и размещению дорожек видеосигнала В видеомагнитофоне ВМ-12 запись ведется на ленту шириной 12,7 мм (Р-139. 9), она движется со скоростью 2,34 см/с, а БВГ обеспечивает движение головок ГИ для записи изображения относительно пленки со скоростью примерно 30 м/с Это меньше, чем следует из нашего простейшего расчета, - снижение скорости намного упрощает аппарат, хотя и несколько ухудшает качество картинки
На ленте выделено место для двух дорожек записи звука (Р-139, 9), а также для дорожки сигналов автоматики Изображение будет устойчивым лишь втом случае, если и лента и магнитные головки на БВГ будут двигаться очень точно и равномерно Причем требования к механическим системам предъявляются настолько жесткие (БВГ, например, не должен отклоняться от своего «расписания» даже на миллионные доли секунды), что выполнить их можно только с помощью систем электронной автоматики, управляющих скоростью и фазой вращения двигателей ведущего вала и БВГ Четкая система автоматического управления двигателями видеомагнитофона позволяет записывать изображение очень узкими дорожками и на небольшой, размером с ладонь, кассете видеомагнитофона ВМ-12 умещается трехчасовая программа, например два полнометражных фильма
А сейчас нам пора возвращаться к аппаратам для записи звука, и видеомагнитофон ВМ-12 дает удобный повод-идея кассет для магнитной ленты, как и многое другое, пришла в видеозапись из звукозаписи Удобство кассет не требует особых объяснений - кассета избавляет вас от необходимости каждый раз заправлять ленту, кассеты проще хранить, чем катушки, легче находить нужную запись Первоначально кассеты применялись в переносных магнитофонах не очень высокого класса, с учетом этого и создавался соответствующий стандарт невысокая скорость протягивания ленты, в основном 4,76 см/с, иногда еще и вторая скорость для записи речи (кассетный диктофон) -2,38 см/с, пленка довольно узкая (ширина 3,81 мм) и сравнительно тонкая (до 0,018 мм, из них треть приходится на ферромагнитный слой), при небольшой скорости в компактной кассете умещаются ленты на 60 или на 90 минут звучания Удобная мелочь на кассете есть предохранительный пластмассовый язычок (упор) Если его выломать, то в образовавшуюся нишу будет входить рычаг, отключающий при этом систему записи, таким образом, выломав предохранительный язычок, вы защищаете дорогую вам запись от случайного стирания (Р-139, 5)
Постепенно кассетные магнитофоны совершенствовались, появились аппараты четырехдорожечные и стереофонические (в них дорожки левого и правого каналов расположены рядом, и стереозапись можно проигрывать на монофоническом кассетном магнитофоне, разумеется без стереоэффекта,Р-139, 4) По качеству записи и воспроизведения «кассетники» приблизились к катушечным аппаратам первого и даже высшего класса, хотя, конечно, в катушечном магнитофоне высокое качество получают проще и, пожалуй, надежнее И все же удобство пользования, малые габариты самого аппарата и особенно домашней фонотеки на компактных кассетах сделали «кассетник» основным типом бытового магнитофона
Т-239. Лентопротяжный механизм магнитофона - механическая система в мире точной электроники.
Лентопротяжный механизм - один из самых сложных и самых ответственных узлов магнитофона, от него зависят многие характеристики записи и воспроизведения звука, также как в электропроигрывателях они зависят от системы вращения диска (Т-229) Для магнитофона также опасна неравномерность движения фонограммы, детонация, а кроме того, опасны рывки, проскальзывание пленки, слишком сильное или слишком слабое ее натяжение В магнитофонах лентопротяжный механизм должен выполнять ряд вспомогательных операций - ускоренную перемотку вперед и назад, а также подмотку пленки на приемную катушку во время записи или воспроизведения В некоторых магнитофонах высокого класса работают три двигателя один из них приводит в движение систему протягивания пленки, второй- приемную катушку, третий - подающую На второй и третий двигатели подается пониженное напряжение, и один из них с небольшим усилием подматывает пленку вперед, второй (он вращается в обратную сторону) -тормозит ее, не дает подающей кассете раскрутиться и запутать пленку Когда же нужно осуществить быструю перемотку пленки вперед или назад, на один из вспомогательных двигателей подается полное напряжение
В большинстве магнитофонов среднего класса все, что требуется от лентопротяжного механизма, обеспечивает один двигатель (Р-140. 1) Он связан с приемным и подающим узлом фрикционными, то есть проскальзывающими, передачами, и только при перемотке одна из них становится жесткой, без проскальзывания В таких магнитофонах переход с одного режима на другой, например с перемотки на рабочий ход (запись или воспроизведение), связан с рядом механических операций, в то время как при трехмоторном лентопротяжном механизме дело в основном ограничивается электрическими переключениями В некоторых магнитофонах встречаются двухмоторные лентопротяжные механизмы (Р-140, 2), второй мотор используется для подмотки пленки и ускоренной перемотки вперед
В большинстве лентопротяжных механизмов встречаются одинаковые по своему назначению и даже по выполнению узлы В частности, система протягивания пленки, в которую входят ведущий вал и прижимной ролик с плотно надетым на него внешним резиновым кольцом Или рычаг, который во время перемотки отводит пленку от головок, предотвращает их стирание А еще тормоза они быстро останавливают некоторые вращающиеся детали, которые могут рвануть пленку и порвать ее
Есть все эти узлы и в лентопротяжном механизме типичного бытового видеомагнитофона, упрощенная кинематическая схема которого показана на Р-140, 4, 5 (для упрощения на ней показана трехмоторная система вместо обычной одномоторной) Но есть в механике кассетного видеомагнитофона нечто такое, чего не встретишь в обычном магнитофоне, - система заправки ленты После того как видеокассета установлена на место и нажата кнопка воспроизведения (или записи), заправочные ролики, которые приводятся в движение системой рычагов от отдельного двигателя, вытягивают ленту из кассеты и обхватывают ею блок вращающихся головок (Р-140, 5) Этаже система после нажатия на кнопку «Стоп» возвращает ленту в кассету
Коротко рассказать о лентопротяжных механизмах магнитофонов невозможно, так много в них разных интересных конструктивных решений, им посвящено немало книг, в том числе популярных Тот, кто захочет серьезно заняться магнитофонами, наверняка обратится к этой литературе А нам пора, оставив в стороне красивые и совершенные механические системы, вернуться к не менее красивым и совершенным системам электронным