книги из ГПНТБ / Брагинский, Г. И. Технология магнитных лент

тудой. Сигналы записывают, и при последующем воспроизведении измеряют напряжение на выходе усилителя воспроизведения на каж­ дой частоте. Относительное изменение выходного сигнала (в дБ) откладывают на оси ординат. Как видно из рис. 14, в диапазоне частот от 30 до 15 000 Гц отклонение частотной характеристики магнитофона от идеально равномерной не превышает ±1 дБ.

Спектр сигнала может изменяться также за счет появления новых частотных составляющих, не содержащихся во входном сигнале. Такие искажения называют нелинейными. Они возникают при нали­ чии нелинейной зависимости между входным и выходным сигналами. Допустим, что зависимость между выходным сигналом у и входным сигналом X выражается нелинейной функцией:

Если входной сигнал изменяется во времени по простому синусо­ идальному закону

то выходной сигнал определится подстановкой формулы (5) в выра­

При магнитной записи нелинейные искажения возникают за счет нелинейной зависимости между остаточной намагниченностью носи­ теля записи и напряженностью намагничивающего поля. Эту зави­ симость определяют экспериментально и изображают графически (рис. 15). Форма кривой подобна форме кривой первоначального намагничивания (см. рис. 2). Допустим, что напряженность поля, действующего на магнитную ленту по длине х, изменяется по синусо­ идальной кривой, показанной в нижней части рис. 15. Для каждого значения х находят значение Н, а по кривой J г = / (É) — остаточ­ ную намагниченность, возникающую на участке ленты с координа­

41

взависимости от х не по синусоиде. Такая кривая содержит несколько синусоидальных составляющих.

Впроцессе воспроизведения электрический сигнал, получаемый

вголовке, пропорционален остаточной намагниченности сигнало­ граммы, следовательно, воспроизводимый сигнал будет изменяться по несинусоидальной кривой подобной J г = / (х).

Таким образом, магнитная нелинейность вызывает нелинейные искажения, для уменьшения которых при магнитной записи звука применяют специальные способы записи. Величина нелинейных искажений оценивается коэффициентом гармоник (в %), который' определяется следующим образом:

где А 2, А 3, А 4 и т. д. — амплитуды гармоник, возникших на выходе, за счет нелинейности при подаче на вход синусоидального сигнала; А 4 — амплитуда основной составляющей в выходном сигнале.

Часто ограничиваются измерением только одной наиболее харак­ терной гармоники, возникающей в выходном сигнале. Так, при маг­

записи, как правило, зависит от величины записываемого сигнала, возрастая с его увеличением. Это ограничивает максимально допу­ стимый сигнал при записи, а следовательно, и максимальный сигнал, получаемый с сигналограммы при воспроизведении. Наряду с этим минимальный сигнал, который можно воспроизвести с сигнало­ граммы, также ограничен, он должен быть больше сигнала шума, возникающего в цепи воспроизведения. Отношение величины шумо­ вого сигнала к максимально допустимому воспроизводимому сигналу (при заданной величине допустимых нелинейных искажений) назы­ вают относительным уровнем шума. Относительный уровень шума (в дБ) выражается как 201g иш/иыакс, где иш— величина шумового сигнала, имакс — максимальная величина сигнала.

Относительный уровень шума канала записи — воспроизведения определяет диапазон уровней сигналов, которые могут быть воспроиз­ ведены без искажений. Под диапазоном уровней понимают выра­ жение 201g имакс/кмин, где пмакс и имин — максимальная и минималь­ ная величины воспроизводимого электрического сигнала.

Очевидно, чем меньше относительный уровень шума, тем шире диапазон уровней сигнала, который может быть записан и воспроиз­ веден с сигналограммы.

42

тельной степени зависит от носителя, на котором записывается сигналограмма, поэтому выбор параметров магнитной ленты при разработке ее технологии в основном определяется указанными условиями. В зависимости от характеристик сигналов, для записи которых предназначен носитель, изменяются предъявляемые к нему требования и соответственно параметры магнитных лент.

2.2.2. Магнитная запись звука

Диапазон частот колебаний, воспринимаемых человеком, лежит в пределах 16—20 000 Гц, а диапазон уровней 120—130 дБ. Последняя цифра означает, что максимальная амплитуда колебаний, воспринимаемых ухом человека, в миллионы раз превышает ампли­ туду колебаний, лежащих на пороге слышимости. Практически неискаженная передача звукового сигнала достигается, если канал передачи (в частности, канал запись — воспроизведение) обеспечи­

15—20%. Для уменьшения нелинейных искажений при магнитной записи звука применяют способ записи с высокочастотным подмагничиванием. Он заключается в том, что по обмотке головки записи одновременно с током звуковой частоты пропускают ток с частотой, в 5—10 раз превышающей верхнюю частоту записываемого сигнала, и с постоянной амплитудой в 5—8 раз больше амплитуды тока сиг­ нала. Для объяснения причины уменьшения нелинейных искажений при записи с высокочастотным подмагничиванием рассмотрим про­ цесс намагничивания каждого отдельного участка магнитной ленты при его передвижении в поле записывающей головки.

На рис. 16 показано статическое магнитное поле вблизи зазора записывающей головки, т. е. поле, возникающее при прохождении по обмотке головки постоянного тока. Изучение этого поля показало, что величина и направление его напряженности изменяется по длине магнитной ленты и толщине ее рабочего слоя. Продольная соста­ вляющая вектора напряженности (в современных магнитофонах основную роль играет продольное намагничивание) имеет макси­

43

движения ленты для различных расстояний от поверхности головки. Оси координат на рис. 17 совпадают с центральной линией зазора и поверхностью головки. Как видно из рис. 17, максимальное зна­ чение напряженности, наблюдающееся над центром зазора, убывает по мере удаления от поверхности головки (расстояние от поверхности головки у выражено в долях ширины зазора).

При движении магнитной ленты мимо зазора головки каждый участок рабочего слоя подвергается воздействию поля конечный промежуток времени, равный протяженности поля б, деленной на скорость движения ленты ѵ. Остаточная намагниченность, приобре­ таемая каждым отдельным участком ленты, не зависит от времени

воздействия поля и характера его распреде­ ления в пространстве и определяется макси­ мальной напряженностью над центром зазора. При прохождении по обмотке головки постоян­ ного тока на все элементы движущейся ленты воздействует поле с одинаковой максимальной напряженностью и все они приобретут одинако­ вую намагниченность. Остаточная намагничен­ ность будет неравномерной по толщине ра­ бочего слоя ленты, так как напряженность поля над центром зазора уменьшается по мере удаления от поверхности головки. Когда по обмотке головки записи проходит ток звуко­ вой частоты, поле над зазором изменяется во времени, однако в любой момент оно будет максимальным над центром зазора. При констру­

ировании записывающих головок добиваются, чтобы протяженность поля была мала. Соответственно будет мало время (по сравнению с периодом записываемого тока), в течение которого участок ленты проходит поле. Таким образом, можно не учитывать изменение поля головки за это время, и остаточная намагниченность каждого уча­ стка ленты будет определяться значением напряженности поля над центром зазора в момент прохождения ленты над зазором.

При записи с высокочастотным подмагничиванием на каждый элемент ленты, движущейся над зазором головки, воздействует суммарное магнитное поле, содержащее две составляющих. Одна из них изменяется во времени со звуковой частотой, и при условии, что отношение Ь/ѵ меньше периода записываемых колебаний, ее действие можно уподобить действию постоянного магнитного поля. Составляющая же поля, обусловленная током высокой частоты, за время прохождения элементом ленты головки записи многократно изменит свое направление и вызовет перемагничивание каждого элемента рабочего слоя ленты. Другими словами, на каждый отдель­ ный участок рабочего слоя, проходящий поле записывающей го­ ловки, действует постоянное по направлению поле, напряженность которого определяется мгновенным значением записываемого сиг­ нала, и знакопеременное поле, создаваемое током высокой частоты, которое вызывает циклическое перемагничивание. Обе составляющие

44

поля имеют максимальную напряженность над центром зазора головки записи и постепенно уменьшаются до нуля за пределами зазора.

На рис. 18 приведен циклический процесс изменения магнитного состояния ферромагнитного тела при воздействии на него поля, которое включает постоянную и переменную составляющие и посте­

ность этого элемента после прохождения его в знакопеременном поле, постепенно уменьшающемся до нуля, будет близка к нулю при любом его исходном магнитном состоянии. На этом основан процесс стирания магнитной сигналограммы [28]. При наличии же постоянной составляющей поля каждый элемент приобретает оста­ точную намагниченность, величина которой пропорциональна макси­ мальному значению 7/=.

Экспериментально полученные кривые, выражающие зависимость остаточной намагниченности J г от постоянной составляющей //=

45

суммарного поля (изменяющегося во времени так, как показано на рис. 18), изображены на рис. 19. Эти кривые получены при на­ магничивании образца,составленного из нескольких отрезков маг­ нитной ленты, в однородном полё соленоида, по которому проходит

действующая на разные участки движущейся магнитной ленты, изменяется по закону записываемого сигнала. Остаточная намагни­ ченность, возникающая в каждом элементе, определяется зависи­ мостью между J г и Н =, и при линейности последней остаточная намагниченность будет изменяться вдоль носителя по закону запи­ сываемых колебаний. Кривые, изображенные на рис. 19, являются динамическими характеристиками магнитной ленты, соответству­ ющими разным режимам подмагиичивания. Их называют также кривыми безгистерезисного или квазиидеального намагничивания. Таким образом, высокочастотное подмагничивание обеспечивает ди­

По кривым квазиидеального намагничивания находят восприим­ чивость магнитной ленты при записи с высокочастотным подмагни-

чувствительность магнитной ленты. Чем больше Д /^/Ді/^, тем больше остаточный магнитный поток в ленте при данной величине напря-

46

жениости поля записи, а как следствие этого, больше сигнал, полу­ чаемый при последующем воспроизведении. Из рис. 19 видно, что крутизна кривых квазиидеального намагничивания, т. е. восприим­ чивость магнитной ленты, зависит от величины начальной амплитуды переменной составляющей поля Н^.. Существует оптимальное зна­ чение переменной составляющей поля, при котором магнитная лента обладает максимальной восприимчивостью. Применительно к маг­ нитной записи это означает, что имеется оптимальное значение высокочастотного тока подмагничивания / в . ч т . о п т > ПРИ котором отдача сигналограммы максимальна. Оптимальный режим подмагни­ чивания устанавливают экспериментально.

Крутизна кривой квазиидеального намагничивания при опти­ мальном подмагничивании и длина ее прямолинейного участка зависят от магнитных свойств рабочего слоя ленты, которые опре­ деляются его материалом и технологией изготовления магнитной ленты. Чем больше длина прямолинейного участка динамической характеристики, тем больше максимально допустимый уровень записанного сигнала. Уровень записи оценивают остаточным маг­ нитным потоком в ленте, максимальное значение которого лими­ тируется возрастанием нелинейных искажений, поскольку динами­ ческая характеристика линейна лишь в ограниченных пределах.

Одной из важных задач исследователей и технологов, производя­ щих магнитные ленты, является разработка и получение рабочих слоев, обеспечивающих возможно большие крутизну и протяженность прямолинейного участка кривой квазиидеального намагничивания.

Критическое значение поля подмагничивания и критическая зона. При рассмотрении намагничивания порошковых ферромагнетиков, содержащих малые однодоменные частицы, было отмечено (см. стр. 31), что необратимые изменения магнитного состояния отдельной частицы происходят при условии, что напряженность воздейству­ ющего внешнего поля больше некоторой критической величины, определяющей коэрцитивную силу частицы. При воздействии сум­ марного поля, содержащего переменную и постоянную составля­ ющие, необратимое изменение магнитного состояния в соответствии с постоянной составляющей поля происходит при определенном критическом значении переменного поля.

Рассмотрим процесс намагничивания отдельной однодоменной и одноосной частицы ферромагнетика при воздействии поля, содер­ жащего переменную и постоянную составляющие. Предположим, что направление вектора напряженности внешнего поля совпадает с осью легкого намагничивания частицы. При этих условиях петля гисте­ резиса частицы будет иметь прямоугольную форму, а ширина петли будет равна удвоенной коэрцитивной силе частицы Н сі (рис. 20). Допустим также, что самопроизвольная намагниченность частицы равна —J rs, а поле взаимодействия этой частицы с окружающими ее частицами —Нті. В этом случае исходное магнитное состояние опре­ делится точкой А (см. рис. 20).

Если внешнее поле содержит только постоянную составляющую, то частица перемагнитится только при условии, что величина

47

напряженности воздействующего поля не меньше суммы ІІті + Н с, а направление противоположно вектору Нті. При воздействии поля, содержащего кроме постоянной также и переменную составляющую, частица перемагнитится при меньшей величине постоянной соста­ вляющей поля. В нижней части рис. 20 в системе координат Н — t изображена кривая суммарного поля, постепенно уменьшающегося до нуля. Постоянная составляющая поля Н = имеет направление, противоположное полю взаимодействия Нті, и больше его по вели­ чине. При больших значениях амплитуды переменной составляющей

частицы имеют однодоменную структуру и одинаковую коэрцитивную силу Н сі, но различные для разных частиц поля взаимодействия. При воздействии на такой образец суммарного и уменьшающегося магнитного поля в момент времени, когда перемен­ ная составляющая поля уменьшается до Нкр, часть частиц перемагни­ тится. Перемагнитятся в соответствии с направлением постоянной составляющей поля только те частицы, для которых в момент вре­ мени, когда переменная составляющая поля достигает критического значения, постоянная составляющая превышает поле взаимодей­ ствия и противоположна ему по направлению. Чем больше постоян­ ная составляющая при Н ^ = Нкр, тем большее число частиц изменит свое магнитное состояние и тем больше будет намагниченность всего тела.

Рабочий слой современных магнитных лент представляет собой порошковый ферромагнетик с частицами однодоменной структуры. При магнитной записи с высокочастотным подмагничиванием каждый участок ленты, содержащий большое число однодоменных частиц, проходя над зазором головки, подвергается воздействию поля,

48

содержащего переменную (высокочастотную) составляющую и по­ стоянную, определяющуюся мгновенным значением сигнала. Если поле подмагничивания над центром зазора имеет величину напря­ женности больше критической, то «запись», т. е. изменение знака намагниченности частиц в соответствии с направлением поля звуко­ вой составляющей, происходит на некотором расстоянии от зазора, где переменная составляющая поля равна Нкр. Область поля в про­ странстве вблизи зазора записывающей головки, в которой проис­ ходят необратимые изменения магнитного состояния частиц рабочего слоя ленты, называют критической зоной. Если бы частицы порошка рабочего слоя ленты были абсолютно однородны и имели одинаковую

коэрцитивную силу, то во всех точ­ ках критической зоны напряжен­ ность поля подмагничивания была бы равна критическому значению.

TF- *7771

Рис. 21. Линии равных продоль­ Рис. 22. Критическая зона при разных ных составляющих напряженно­ значениях тока высокочастотного подмаг­ сти поля вблизи зазора записы­ ничивания.

вающей головки при различных значениях Н/Н3 (Н3принята за 1).

Располагается критическая зона за «сбегающим» ребром, ограни­ чивающим зазор головки. На рис. 21 показаны линии равных зна­ чений продольной составляющей напряженности поля над рабочим зазором записывающей головки. Одна из этих линий, для которой выполняется условие Н ~ = Нлр, будет сечением критической зоны для ленты с одинаковой для всех частиц значением Нсі.

Коэрцитивная сила частиц порошка рабочего слоя реальных маг­ нитных лент различна и лежит в пределах от Нсмин до f f CM3KC. Раз­ личие в коэрцитивной силе обусловлено неоднородностью частиц по форме и размерам, а также их различной ориентацией по отноше­ нию к полю (см. рис. 10). Коэрцитивная сила ленты, определяемая при макроскопических измерениях, имеет значение среднее между указанными крайними пределами. Поэтому критическая зона, в кото­ рой возникает необратимая намагниченность ленты, имеет некоторую конечную протяженность, ограниченную линиями равных напряжен­ ностей (рис. 22).

Положение, форма и протяженность критической зоны зависят от однородности частиц порошка рабочего слоя ленты по коэрцитив­ ной силе и от распределения поля вблизи зазора головки. Чем лучше локализовано поле вблизи зазора, т. е. чем круче кривая, характери­

зующая распределение напряженности поля (см. рис. 17), тем уже критическая зона.

Локализация поля зависит от ширины зазора головки и мате­ риала сердечника: чем больше его магнитная проницаемость, тем

более резко падает напряженность поля. Но главным образом про­ тяженность критической зоны зависит от свойств рабочего слоя магнитной ленты. Критическая зона расширяется с удалением от поверхности головки (см. рис. 22), поэтому она шире для лент, имеющих толстый рабочий слой. Положение и ширина критической зоны зависят также от величины тока высокочастотного подмагничивания. Чем он больше, тем дальше от зазора головки поле уменъпшвтся до критического значения, причем увеличивается и ширина критической зоны (см. рис. 22). С удалением же критической зоны от зазора головки уменьшается и постоянная составляющая поля. Следовательно, меньшее число частиц будет перемагничиваться и носи­ тель будет приобретать меньшую остаточную намагниченность. Про­ тяженность критической зоны оказывает влияние на величину оста­ точной намагниченности при малых значениях длины волны записи.

Волновые потери при магнитной записи с высокочастотным подмагничиванием и при воспроизведении сигнала. При малых дли­ нах волн записи на сигналограмме получаемый при воспроизведении сигнал значительно ослабляется. Ослабление воспроизводимого сиг­ нала, которое зависит от длины волны записи, называют волновыми потерями. Эти потери ограничивают допустимую продольную плот­ ность записи п = 1 Д , препятствуют уменьшению скорости движения носителя записи и являются основной причиной частотных искаже­

ний в тех случаях, когда записываемые сигналы имеют широкий диапазон частот.

Рассмотрим причины возникновения волновых потерь на при­ мере записи звука, хотя они имеют большое значение при записи и воспроизведении и других сигналов. Волновые потери возникают как в процессе записи магнитной сигналограммы, так и в процессе воспроизведения. При записи они приводят к уменьшению амплитуды остаточного магнитного потока в рабочем слое ленты с уменьшением длины волны записи при постоянной величине тока записи. В про­ цессе воспроизведения за счет волновых потерь амплитудное значение магнитного потока в головке воспроизведения, создаваемого движу­ щейся сигналограммой, при малых значениях длины волны записи значительно меньше, чем при больших длинах волн, для одной и той же амплитуды остаточной намагниченности сигналограммы.

В процессе записи с высокочастотным подмагничиванием волно­ вые потери обусловлены конечной протяженностью критической зоны, и величина этих потерь тем больше, чем больше отношение ширины критической зоны к длине волны записи. За счет конечной ширины критической зоны в рабочем слое ленты образуется как бы множество фонограмм, смещенных по фазе друг относительно друга. Остаточная намагниченность в каждом сечении ленты определяется

как равнодействующая векторов намагниченности отдельных фонограмм [29].

При ширине критической зоны а и длине волны записи Я остаточ­

50