Тема 2. Низкочастотная аудиотехника
2.1. Запись и воспроизведение звука
В современной электроакустике широко применяются магнитный, оптический, магнитооптический и электронный способы записи звука. Механический способ записи звука на грампластинки используетсячрезвычайно редко, поэтому здесь не рассматривается.
2.1.1. Магнитный способ записи и
воспроизведения звуковых сигналов
Первый магнитофон, предложенный в 1889 г Вольдемаром Паульсеном напоминал фонограф Эдисона, только вместо оловянной фольги в нем использовалась стальная проволока. Звуковые колебания с помощью микрофона превращались в колебания электрического тока и подавались на электромагнит. Электромагнит перемещался вдоль стальной проволоки и намагничивал её в такт звуковым колебаниям.
При воспроизведении фонограммы движение электромагнита повторялись в той же последовательности. Но теперь намагниченная проволока наводила электродвижущую силу в катушке электромагнита, передвигающегося по проволоке, а возникающий в катушке ток подавался на телефон, который воспроизводил записанный звук.
В современных магнитофонах вместо стальной проволоки в качестве звуконосителя используется тонкая лавсановая лента, покрытая ферромагнитным порошком. Вместо электромагнита используется более эффективная кольцевая магнитная головка. Электрические сигналы, снимаемые головкой, подвергаются усилению до необходимой мощности.
Магнитный способ записи и воспроизведения звука основан на свойстве некоторых металлов (железо, никель, кобальт, хром) намагничиваться в магнитном поле и сохранять остаточную намагниченность продолжительное время. Такие материалы получили название ферромагнетиков.
Способность ферромагнетиков к намагничиванию обусловлена особенностями строения электронных оболочек их атомов. Так, в атоме железа на предпоследней оболочке один из шести электронов имеет положительный спин, а пять – отрицательные. В результате остаются четыре электрона с нескомпенсированными спинами, которые и обусловливают магнитные свойства железа. При внесении ферромагнетика в магнитное поле спины всех электронов принимают упорядоченное положение (в соответствии с направлением магнитных силовых линий), при этом металл намагничивается.
Все ферромагнетики подразделяют на магнитожесткие и магнитомягкие. Первые обладают свойством сохранять намагниченность длительное время после вынесения их из магнитного поля (гамма-окись железа, диоксид хрома и др.), поэтому их применяют при изготовлении звуконосителя (магнитной ленты). Вторые – после воздействия внешнего магнитного поля намагниченность не сохраняют (пермаллой, феррит и др.) – их используют для изготовления магнитных головок.
Запись и воспроизведение звуковой информации магнитным способом включает следующие физические процессы:
преобразование с помощью микрофона звуковых (механических) колебаний в электрические колебания звуковой частоты;
преобразование электрических колебаний в переменное магнитное поле с помощью катушки индуктивности, находящейся в магнитной головке;
фиксацию магнитного поля на звуконосителе. В качестве носителя записи используется тонкая лавсановая лента с нанесенным на неё ферромагнитным покрытием. Лента движется с постоянной скоростью перед полюсами магнитной головки и фиксирует колебания магнитного поля головок;
воспроизведение записи путем преобразования магнитного поля ленты в электрические, а затем в звуковые колебания.
Для воспроизведения записанной информации ленту пропускают перед воспроизводящей магнитной головкой с такой же скоростью, как и при записи. Намагниченные участки ленты, проходя мимо головки, наводят в её обмотке изменяющееся электрическое напряжение, соответствующее колебаниям записанного сигнала. Восстановленный сигнал усиливают и направляют на громкоговоритель.
Магнитный способ записи и воспроизведения звука имеет ряд преимуществ перед механическим способом записи:
высококачественная магнитная запись звука может быть осуществлена вне студии простым путем на несложной аппаратуре;
мгновенная готовность записи к воспроизведению;
возможность многократного копирования (размножения) записей;
ненужная запись может быть удалена магнитным стиранием практически мгновенно, а сама лента может быть использована многократно;
возможность звукового монтажа с помощью второго магнитофона или двухкассетной деки;
получение различных звуковых эффектов, наложения одной записи на другую и т. д.
Недостатком аналоговых магнитофонов является резкая потеря качества фонограммы при перезаписи, трансляции и хранении.
От этого недостатка свободны цифровые или DAT-магнитофоны (Digital Audio Таре). Они способны обеспечить высокое качество записи и воспроизведения звука и высокие сервисные возможности.
Для осуществления цифровой записи звуковые колебания вначале с помощью микрофона преобразуются в аналоговые колебания электрического тока. Затем амплитуда напряжения аналогового сигнала через очень короткие промежутки времени, например 44100 раз в секунду, измеряется. Этот этап называется дискретизацией. Полученные значения округляются с заданным шагом до ближайшего целочисленного значения. Этот этап называется квантованием. Все уровни квантования кодируются (в двоичном счислении) в виде "1" и "0". Полученные импульсы фиксируется на магнитных лентах или оптических дисках в виде магнитных импульсов на ленте или в виде микроуглублений на лазерных дисках.
Процесс преобразования аудиосигналов из аналоговой формы в цифровую осуществляет специальная микросхема, которая называется амплитудно-цифровой преобразователь – АЦП. Обратную функцию – преобразования цифровых кодов в эквивалентные им значения выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
На рис. 2.7. показан принцип действия АЦП и ЦАП. На рис. 2.7.(а) показан исходный аналоговый сигнал с выделенными мгновенными отсчетами через интервал дискретизации u (t). На рис. 2.7.(б) показана последовательность отсчетов, округленных до ближайшего из уровней квантования ±xn, взятых через равные интервалы x. Справа от графика проставлены уровни квантования, обозначенные четырехзначными кодовыми словами. На рис 2.7.(в) показан импульсно-кодовый цифровой сигнал, соответствующий аналоговому сигналу на рис. 2.7.(а).
На рис. 2.7.(г) показан аналоговый сигнал после ЦАП. Как видно из рисунка он немного отличается от первоначального сигнала. Чем меньше шаг квантования, тем меньше эти отличия.
Рис. 2.1. Принцип работы АЦП и ЦАП.
а. исходный аналоговый сигнал u (t) c выделенными дискретными отсчетами;
б. последовательность отсчетов, округленных до ближайшего из уровней квантования ±xn;