Контрольные вопросы

1. Каковы основные свойства звука? Дайте им физическую интерпре­тацию.

2. Каковы особенности восприятия органами слуха высоких и низких звуковых частот?

3. Какова физическая интерпретация громкости звука, равной 60 дБ?

4. Как формируется тембр звука?

5. Чем отличается квадрафоническое звучание от монофонического?

1.2. Способы записи и воспроизведения звука

Звукозапись основана на изменении физического состояния или формы различных участков носителя записи. В аудиотехнике на­шли применение следующие электроакустические способы запи­си и воспроизведения звука: механический, магнитный, оптиче­ский, магнитооптический, с помощью электронных компонен­тов памяти, например флэш-карт.

1.2.1. Механический способ записи и воспроизведения звука

Исторически сложилось так, что самая первая фонограмма была выполнена механическим способом. В августе 1877 г. был запатен­тован первый фонограф, созданный американским изобретате­лем Томасом Алва Эдисоном.

Основные элементы фонографа: раструб, служащий для при­ема звуковых волн, и мембрана, жестко соединенная с иглой. Зву­ковые волны раскачивали мембрану с иглой, которая прочерчи­вала бороздку на диске из мягкого материала (воск, олово). Изви­лины бороздки соответствовали амплитуде и частоте звуковых волн. При повторном проигрывании записанной бороздки игла, сколь­зя по ее извилинам, возбуждала мембрану, вызывая колебания воздуха, т.е. звук.

Для грамзаписи свойствен ряд недостатков: громоздкость, не­обходимость питания от сети, невысокое качество звучания, не­возможность перезаписи в домашних условиях. В настоящее время грамзапись почти полностью вытеснена более прогрессивным, магнитным способом записи.

1.2.2. Магнитный способ записи и воспроизведения звука

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, который перемещался вдоль стальной проволоки и намагничивал ее соот­ветственно звуковым колебаниям.

При воспроизведении фонограммы намагниченная проволока наводила электродвижущую силу в катушке электромагнита, а возникающий в ней ток подавался на телефон, который воспро­изводил записанный ранее 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.

Особенности магнитного способа записи. 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. Че­тыре электрона с некомпенсированными спинами обусловлива­ют магнитные свойства железа.

При внесении ферромагнетика в магнитное поле спины всех электронов принимают упорядоченное положение (в соответствиис направлением магнитных силовых линий), при этом металл намагничивается.

Все ферромагнетики подразделяют на магнитотвердые и маг- нитомягкие. Первые обладают свойством сохранять намагничен­ность длительное время после вынесения их из магнитного поля, 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;

фиксация магнитного поля на звуконосителе. Используемая в качестве носителя записи тонкая лавсановая лента с нанесенным на нее ферромагнитным покрытием 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 той же скорос­тью, как и при записи. Намагниченные участки ленты, проходя мимо головки, наводят в ее 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 на несложной аппаратуре; мгновенная готовность записи к воспроизведению; возможность многократного копирования (размножения) за­писей;

возможность удаления ненужной записи магнитным стирани­ем практически мгновенно и многократное использование ленты;

возможность звукового монтажа с помощью второго магнито­фона или двухкассетной деки;

получение различных звуковых эффектов, наложение одной записи на другую и т.д.

Виды магнитофонов. Перечисленные особенности магнитного способа записи и воспроизведения звука характерны для аналого­вых магнитофонов. Недостатком аналоговых магнитофонов явля­ется резкая потеря качества фонограммы при перезаписи, транс­ляции и хранении.

От этого недостатка свободны цифровые магнитофоны, или DAT-магнитофоны (digital audio tape). Они способны обеспечить необходимое качество записи и воспроизведения звука и имеют 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 амплитуды округляются с за­данным шагом до ближайшего целого числа. Этот этап называется квантованием. Все уровни квантования кодируются (в двоичном счислении) в виде 1 и 0. Полученные импульсы фиксируются в виде магнитных импульсов на ленте или микроуглублений на ла­зерных дисках.

Процесс преобразования аудиосигналов из аналоговой формы в цифровую осуществляет специальная микросхема, которая на­зывается амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП). Обрат­ную функцию — преобразование цифровых кодов в эквивалент­ные им аналоговые значения — выполняют цифроаналоговые пре­образователи (ЦАП).

На рис. 1.4 показан принцип действия АЦП и ЦАП, а именно: исходный аналоговый сигнал с показанными точками мгновенного отсчета через интервал дискретизации At (см. рис. 1.4, а), последо­вательность отсчетов, округленных до ближайшего из уровней кван­тования х„ (см. рис. 1.4, б), взятых через равные интервалы Ах. Справа от графика проставлены уровни квантования, обозначенные че­тырехзначными кодовыми словами (см. рис. 1.4, б), импульсно- кодовый цифровой сигнал (см. рис. 1.4, в), соответствующий ана­логовому сигналу (см. рис. 1.4, а), аналоговый сигнал после ЦАП (см. рис. 1.4, г). Как видно, он немного отличается от пер­воначального сигнала; чем меньше шаг квантования, тем меньше это отличие.

Для цифровой записи характерны высокие точность и надеж­ность, так как от воспроизводящего оборудования требуется лишь распознать наличие или отсутствие магнитного импульса. Поэто­му цифровые сигналы можно многократно записывать, усиливать и транслировать, не опасаясь ухудшения их качества.

Недостатком цифровой записи является то, что ее нельзя не­посредственно воспроизводить громкоговорителем. Для этого ее вначале нужно снова перевести в аналоговую форму с помощью ЦАП.

Носителем магнитной записи может быть не только лента, но и диски с ферромагнитным покрытием. Запись информации на10100 j 0110 j 0111

Рис. 1.4. Принцип действия АЦП и ЦАП

магнитные диски получила широкое распространение в компью­терной технике. Диски могут быть гибкие — на основе лавсановой пленки и жесткие — на твердых носителях (алюминий, керамика, стекло). Жесткие диски в быту часто называют винчестерами.

Последние достижения в области компьютерных винчестеров огромны. Достаточно сказать, что современные винчестеры мас­сой менее 100 г, питающиеся от миниатюрных батареек напряже­нием 3 В, обладают памятью емкостью 10 Гбайт и более. Это об­стоятельство не могло остаться без внимания конструкторов му­зыкальных плейеров-рекордеров. В подразд. 1.7.3 приведены образ­цы таких изделий.