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

этого множителя от аргумента па/%. Из графика следует, что только при а/Х -> 0, т. е. при бесконечно малой ширине критической зоны, этот множитель может быть принят равным единице. При конечной ширине критической зоны остаточная намагниченность в сигналограмме уменьшается, причем степень ее ослабления зависит от соот­ ношения а/Х: чем оно больше, тем меньше остаточная намагничен­

намагниченность также равна нулю и записи сигнала не происходит. Уменьшение амплитуды остаточной намагниченности сигнало­

граммы с уменьшением 2 длины волны записи X назы­

вают фазовыми потерями.

Ширина критической зоны увеличивается по мере удаления от поверхности головки (см. рис. 22), поэтому фазовые потери больше для глубинных слоев магнитной ленты. С уменьшением длины волны записи намагниченность в глубине рабочего слоя ленты падает в большей степени, чем на поверхности. Ширина критической зоны прежде всего зависит от однородности частиц ферромагнитного порошка рабочего слоя ленты по коэрцитивной силе, а также от толщины рабочего слоя.

Следует подчеркнуть большое значение технологического про­ цесса изготовления магнитных порошков и нанесения слоя суспензии магнитного порошка на основу. Уменьшение фазовых потерь и воз­ можность записи сигналов с малыми длинами волн могут быть достигнуты путем уменьшения толщины рабочего слоя лент и повы­ шения однородности частиц магнитного порошка, образующих этот слой. Кроме того, фазовые потери возрастают при плохом контакте магнитной ленты с головкой записи, что обычно является следствием шероховатости поверхности рабочего слоя ленты. При этом лента попадает в более широкую часть критической зоны. Во избежание этого в технологии используют специальные приемы, одним из кото­ рых является каландрование магнитной ленты.

Остаточная намагниченность в ленте при малых значениях длины волны записи уменьшается также за счет саморазмагничивания. Для ослабления влияния саморазмагничивания рабочий слой ленты следует делать тоньше, а его материал и структура должны

обеспечивать возможно большую коэрцитивную силу и крутизну боковых ветвей петли гистерезиса.

В процессе воспроизведения сигнала также наблюдаются волно­ вые потери, зависящие от толщины рабочего слоя ленты и наличия промежутка между поверхностью рабочего слоя и головкой воспроиз­ ведения. Эти потери называют слойными и контактными. Сущность слойпых потерь поясняет рис. 24. Электрический сигнал, возника­ ющий в обмотке головки воспроизведения, пропорционален магнит­ ному потоку, который создает в сердечнике головки намагниченный участок рабочего слоя ленты, находящийся вблизи зазора. Этот поток зависит от намагниченности рассматриваемого участка ленты. Однако магнитный поток сигналограммы только частично будет замыкаться по сердечнику головки воспроизведения. Часть потока будет замыкаться с обратной стороны ленты, часть — между лентой и головкой (при наличии промежутка между ними), и, наконец, часть потока будет замыкаться внутри самого рабочего слоя ленты. Распределение магнитного потока зависит от соотношения магнит­ ных сопротивлений на указанных путях. Так, если длина волны записи X велика, а рабочий слой ленты имеет малую толщину, то магнитное сопротивление между полюсами внутри слоя будет боль­ шим. Сердечник головки делают из материала с большой магнитной проницаемостью и, следовательно, с малым магнитным сопротивле­ нием. В результате при больших значениях длины волны записи X большая часть потока сигналограммы будет проходить по сердечнику головки воспроизведения и создаст большой сигнал.

Картина изменится при малых значениях длин волн записи X. Магнитное сопротивление между полюсами внутри рабочего слоя ленты уменьшится, и значительная часть потока будет замыкаться по этому пути; магнитный поток в сердечнике головки при той же намагниченности ленты будет меньше, чем при большем значении X. Чтобы увеличить часть потока, проходящего по сердечпику головки воспроизведения, при малых X следует увеличивать магнитное сопро­ тивление рабочего слоя ленты за счет уменьшения его толщины и маг­ нитной проницаемости.

Элементарные слои намагниченного участка ленты, находящиеся на разном расстоянии от поверхности головки воспроизведения, играют разную роль в создании потока в сердечнике воспроизводящей головки даже при условии, что намагниченность равномерна по толщине рабочего слоя магнитной ленты. Верхний элементарный слой прилегает к головке воспроизведения (при отсутствии зазора между головкой и лентой), и весь поток,создаваемый этим слоем, проходит по сердечнику, имеющему малое магнитное сопротивление. Элементарный слой, отстоящий от головки на толщину рабочего слоя ленты, создает в головке меньший поток, так как магнитное сопротивление на этом пути увеличивается. Если толщина рабочего слоя ленты сравнима с А,, то поток в головке от глубинного элемен­ тарного слоя будет очень мал. Подсчитано, что 75% э. д. с. в вос­ производящей головке создается поверхностным слоем ленты толщиной 0,22А [30, с. 54]. Например, при скорости записи 95 мм/с

52

рабочего слоя 10—15 мкм, следовательно, весь слой работает), а на частоте 10 000 Гц X = 9,5 мкм и полезным будет только слой толщиной 2 мкм. Очевидно, что при таком уменьшении толщины слоя, создающего поток в головке воспроизведения, последний резко уменьшается.

Распределение магнитного потока, создаваемого сигналограммой, и величина его составляющей, проходящей по сердечнику головки воспроизведения, зависит также от плотности прилегания ленты к головке: ухудшение контакта вызывает увеличение магнитного сопротивления на пути лента — головка, следствием чего является уменьшение потока в головке воспроизведения. Нарушение контакта между магнитной лентой и головкой воспроизведения ослабляет поток в головке тем больше, чем меньше длина волны записи на сигналограмме. Подсчитано [28], что при величине зазора между лентой и головкой 0,2^ п о т о к в головке уменьшается в 4 раза (на 12 дБ) по сравнению с той его величиной, которую создает в головке та же сигналограмма при идеальном контакте, а при зазоре 0,4а, поток в головке уменьшается в 10 раз (на 20 дБ).

Аналитически найдено приближенное выражение, определяющее амплитудное значение магнитного потока в головке воспроизведе­ ния Ф' при воспроизведении магнитной сигналограммы, на которой записан синусоидальный сигнал:

грамме при условии равномерного намагничивания по толщине ленты; а — толщина рабочего слоя; Ъ — ширина сигналограммы и головки воспроизведения; d — зазор между лентой и головкой воспроизведения.

Приведенное выражение получено для условия, когда магнитная проницаемость рабочего слоя ленты равна единице, что является

рабочего слоя ленты и длин волны записи и выражает слойные по­ тери. При аД -> 0 он равен единице, а с увеличением этого соотно­ шения уменьшается.

Множитель е~2яа/х выражает контактные потери. В реальных магнитных лентах магнитная проницаемость всегда больше единицы, поэтому поток в головке воспроизведения при малых X уменьшается еще больше, чем это следует из выражения (8).

На рис. 25 приведены расчетные кривые, показывающие, как изменяется поток в головке воспроизведения (какую часть от потока сигналограммы он составляет) в зависимости от соотношения аД ,. при разных значениях магнитной проницаемости ленты. Из кривых

53

видно, что для воспроизведения сигналов, записанных с малой длиной волны записи, следует уменьшать толщину рабочего слоя ленты и его магнитную проницаемость.

Кроме того, в процессе воспроизведения сигнала возникают щелевые потери, которые проявляются также в уменьшении вос­ производимого сигнала с уменьшением длины волны записи на сигналограмме. Эти потери обусловлены конечной шириной рабочего зазора воспроизводящей головки. Не рассматривая подробно физи­ ческой сути этих потерь, отметим только, что амплитудное значение потока в головке воспроизведения уменьшается пропорционально

С учетом щелевых потерь амплитудное значение потока в головке воспроизведе­ ния определится выражением:

На рис. 23 была приведена кривая, показывающая характер изменения ще­ левой функции в зависимости от аргу­ мента ла Д • Для уменьшения щелевых потерь нужно уменьшить ширину зазора головки воспроизведения. Во всяком слу­ чае, ширина рабочего зазора головки воспроизведения должна быть в 2—3 раза меньше самой малой длины волны записи.

При А = X щелевая функция равна нулю, при этом движущаяся сигналограмма не создает в головке воспроизведения переменного магнитного потока и воспроизводимый сигнал равен нулю.

Частотная характеристика звукопередачи при магнитной записи.

Для того чтобы воспроизводимый сигнал мало отличался по слухо­ вому восприятию от записываемого, система записи и воспроизведе­ ния должна обеспечивать одинаковую передачу всех частотных составляющих в диапазоне частот от 30 до 16 000 Гц. Однако вели­ чина воспроизводимого сигнала зависит от длины волны записи на фонограмме. При записи составляющих, частота которых изме­ няется в указанных пределах, длина волны записи, с которой фикси­ руются различные составляющие, также изменяется в широких пределах, что приводит к частотным искажениям. Кроме того, ча­ стотные искажения возникают при воспроизведении сигнала с маг­ нитной фонограммы, так как принцип действия воспроизводящих головок основан на явлении индукции. По закону электромагнитной модуляции э. д. с., индуцируемая в головке воспроизведения, опре­

54

Этот вывод подтверждают экспериментальные данные. В области низких и средних частот частотная характеристика системы головка записи — магнитная лента — головка воспроизведения имеет вид наклонной прямой (рис. 26), т. е. э. д. с. на выходе головки растет пропорционально частоте, что обусловлено индукционным принци­ пом действия воспроизводящих головок. На некоторой частоте, значение которой зависит от условий записи и воспроизведения (скорости записи и воспроизведения, параметров головок и магнитной

55

ленты, тока высокочастотного подмагничивания), э. д. с. головки воспроизведения достигает максимального значения. На более высо­

Равномерная передача всех частотных составляющих звукового сигнала в магнитофонах обеспечивается за счет введения частотной

ющие высоких частот, которые в процессе формирования фонограммы и в процессе воспроизведения ослабляются за счет волновых потерь. Коррекцию в усилителях подбирают таким образом, чтобы обеспе­ чивалась равномерная частотная характеристика магнитофона в це­ лом, т. е. при подаче на вход усилителя записи сигналов разных

■56

частот, но одинаковых по величине на выходе усилителя воспроизве­

При воспроизведении сигнала с магнитной сигналограммы в цепи воспроизведения, наряду с полезным записанным сигналом, по­ является паразитный, нерегулярно изменяющийся во времени сигнал. При воспроизведении звука с магнитной фонограммы этот сигнал помехи прослушивается как шум. При прохождении магнит­ ной сигналограммы мимо головки воспроизведения шумовой сигнал возникает за счет магнитной ленты, электрических устройств, а также

врезультате вибраций ленты, обусловленных дефектами ленто­ протяжных механизмов. Ограничимся рассмотрением причин возник­ новения шума магнитной сигналограммы, создаваемого магнитной лентой, тем более что в современных устройствах уровень шума сигналограммы превалирует над уровнем шума канала. Шумовой сигнал вызывается нерегулярными колебаниями магнитного потока

всердечнике воспроизводящей головки, когда мимо нее продви­

гается магнитная сигналограмма.

Одна из причин появления шума сигналограммы — магнитная неоднородность носителя. В частности, неоднородность частиц по­ рошка, а также неравномерная их средняя концентрация по длине ленты приводят к тому, что даже из размагниченной ленты исходят микроскопические поля рассеяния, изменяющиеся по ее длине. В процессе воспроизведения они создают сигнал шума в головке воспроизведения. Магнитная неоднородность носителя связана также с нерегулярными изменениями толщины и ширины рабочего слоя ленты. Шум, возникающий вследствие магнитной неоднородности ленты, называют структурным. Уровень структурной составляющей шума зависит от магнитного состояния носителя. В размагниченном носителе он мал, а в намагниченном значительно больше.

Для определения структурного шума намагниченной ленты ее намагничивают в равномерном магнитном поле, например в поле соленоида. В абсолютно однородном рабочем слое ленты остаточный магнитный поток в результате воздействия постоянного магнитного поля оставался бы неизменным по длине. Магнитная же неоднород­ ность носителя приводит к тому, что число частиц ферромагнитного порошка в разных сечениях рабочего слоя ленты изменяется по длине, а поэтому при воздействии постоянного поля изменяется остаточный магнитный поток в ленте, что и создает шумовой сигнал. Величина структурного шума намагниченной ленты возрастает с увеличением остаточного магнитного потока. Уровень структур­ ного шума как размагниченной, так и намагниченной ленты зависит от ее качества. Как правило, меньший структурный шум создают ленты, рабочий слой которых состоит из малых частиц.

Шум намагниченной ленты весьма существенно возрастает в том случае, когда ее намагничивание осуществляется с помощью записы­

57

неравномерное магнитное поле, за счет чего намагниченность оказы­ вается неравномерной по толщине рабочего слоя. При наличии неоднородной концентрации частиц порошка по толщине рабочего слоя ленты неравномерное ее намагничивание вызывает дополни­ тельные изменения остаточного потока по длине ленты, что при вос­ произведении создает сигнал шума. Эту составляющую шума назы­ вают контактным шумом. Кроме неоднородной концентрации порошка по сечению ленты контактный шум обусловлен нерегуляр­ ными изменениями контакта между лентой и головкой записи, кото­ рые связаны с шероховатостью соприкасающихся поверхностей ленты и головки.

Для всех типов лент шум ленты, намагниченной головкой записи, значительно превышает структурный шум, определяемый при равно­ мерном намагничивающем поле. Это доказывает, что основной при­ чиной шума намагниченной ленты является контактный шум. По мнению ряда авторов [11, 31], контактный шум обусловлен главным образом неравномерным распределением частиц порошка по-толщине слоя. Уровень шума намагниченной ленты зависит от величины тока высокочастотного подмагничивания; это необходимо учитывать при выборе режима подмагничивания.

При записи периодического звукового сигнала структурный и контактный шум проявляются в виде модуляционного шума. Магнитная неоднородность рабочего слоя ленты и нарушение контакта ленты с головкой создают паразитную модуляцию записан­ ного сигнала. При воспроизведении это прослушивается в виде своеобразных шорохов и шипения, сопровождающего звуковой сигнал.

В перерывах между сигналами прослушивается так называемый шум паузы. Шум паузы определяют как шум ленты, подвергнутой размагничиванию и последующему воздействию поля высокочастот­ ного подмагничивания с помощью головки записи. В идеальном случае шум паузы должен быть равен шуму размагниченной ленты. Однако в большинстве случаев уровень шума паузы заметно пре­ вышает уровень размагниченной ленты. Это повышение уровня шума паузы происходит в результате некоторого намагничивания ленты в паузах, которое возникает за счет воздействия посторонних магнитных полей, несимметрии тока высокочастотного подмагничи­ вания, остаточной намагниченности головок, стальных деталей лентопротяжного механизма и т. д. Шум паузы зависит от размеров частиц порошка. Меньший шум паузы создают ленты, изготовленные из порошка с относительно малыми размерами частиц.

Копирэффект. Одна из наиболее заметных помех, возникающих при воспроизведении звука с магнитной фонограммы, обусловлена копирэффектом. Его сущность заключается в том, что магнитные поля, которые создают намагниченные участки фонограммы, воздей­ ствуют на соседние слои магнитной ленты, смотанной в рулон. В ре­ зультате слои ленты, примыкающие к намагниченному участку фонограммы, намагничиваются и на них образуются магнитные отпечатки записанного сигнала. При воспроизведении магнитные

58

отпечатки создают паразитные сигналы в виде опережающего или запаздывающего «эхо» основного сигнала. Величина копирэффекта оценивается соотношением между сигналами, полученными при воспроизведении основного и «скопированного» участков фоно­ граммы, выраженным в децибелах:

K 3 = 2 0 1 g - ^ -

где UK— напряжение сигнала копии; Uc — напряжение основного

сигнала.

Уровень копирэффекта зависит от расстояния между рабочими слоями ленты, смотанной в рулон, т. е. от толщины основы, магнит­ ных свойств и толщины рабочего слоя ленты, времени копирования (хранения) и от температуры окружающего воздуха. Копирэффект связан с явлением магнитного последействия, которое выражается в том, что в очень слабых магнитных полях происходит медленное нарастание остаточной намагниченности. Относительный уровень копирэффекта понижается при уменьшении толщины рабочего слоя и объемной концентрации порошка в нем, при уменьшении магнит­ ного последействия, а также при увеличении толщины основы ленты. Опыт показывает, что магнитное последействие ослабляется при повышении химической чистоты исходных материалов, используемых для изготовления магнитного порошка, и при увеличении однород­ ности частиц по размерам, обеспечивающей их однодоменную струк­ туру. Начальный участок кривой остаточного намагничивания J г = = / (Н) должен иметь возможно меньшую крутизну.

Увеличение толщины основы ленты, во-первых, увеличивает объем носителя, а во-вторых, повышает жесткость ленты, что при­ водит к неплотному прилеганию ленты к головкам. Уменьшение толщины рабочего слоя ленты и концентрации порошка в нем сни­ жает копирэффект, но уменьшает величину максимально допусти­ мого остаточного потока, а значит, и максимальную отдачу фоно­ граммы. Поэтому указанные параметры следует выбирать с учетом всех характеристик ленты. Относительный уровень копирэффекта зависит от длины волны записи на фонограмме и имеет максимальное значение при К = 2tcD, где D — общая толщина ленты. При пони­ жении скорости движения ленты частота, соответствующая макси­ мальному копирэффекту, понижается. Это делает менее заметным его субъективное восприятие.

Снижение скорости движения лент в магнитофонах, которое стало возможным за счет повышения качества лент и головок, сде­ лало копирэффект практически мало заметным. Так, для ленты тол­ щиной 50 мкм при скорости движения 381 мм/с максимальная вели­ чина сигнала копии приходится на частоты ~1000 Гц, к которым ухо весьма чувствительно; а при скорости 95 мм/с — на 250 Гц, т. е. лежит в области, где чувствительность уха ниже. Кроме того, при малых скоростях и при больших диаметрах витка ленты в рулоне уменьшается вероятность того, что скопированное «громкое» место,

59

т. е. возможное мешающее эхо, придется на участок с «тихой» за­ писью или на паузу.

Рабочие характеристики магнитных лент для записи звука и их связь с магнитными свойствами. Выбор магнитных свойств, от ко­ торых зависят рабочие характеристики магнитных лент, опреде­ ляется необходимостью получения с сигналограммы возможно боль­ шего сигнала и повышения допустимой продольной и поверхностной плотности записи.

Поскольку звукозапись является наиболее изученным видом магнитной записи, именно на ее примере целесообразно рассмотреть основные магнитные параметры лент, обоснование выбора которых справедливо также и для других областей магнитной записи, которые будут описаны в дальнейшем.

Рабочие, или так называемые электроакустические, свойства магнитных лент для звукозаписи определяются главным образом ферромагнитным рабочим слоем. Для повышения допустимой вели­ чины продольной плотности записи толщина рабочего слоя лент должна быть возможно меньшей. Это обеспечивает запись и вос­ произведение сигналов с более высокой частотой при заданной ско­ рости записи или позволяет понизить скорость записи при заданном частотном диапазоне. Однако уменьшение толщины слоя при прочих равных условиях приводит к уменьшению остаточного магнитного потока фонограммы, а следовательно, и к снижению отдачи фоно­ граммы (величины воспроизводимого сигнала) на низких частотах. Поэтому уменьшение толщины рабочего слоя лент следует осуще­ ствлять одновременно с изменением магнитных свойств слоя, напра­ вленным на увеличение остаточной намагниченности. Практически, в зависимости от назначения, ленты делают с различной толщиной рабочего слоя. Магнитные свойства рабочего слоя лент непосред­ ственно определяют их электроакустические характеристики, хотя точных количественных соотношений между ними и не может быть установлено.

Рассмотрим требования к основным параметрам современных магнитных лент.

1. Остаточная намагниченность насыщения J rs должна быть возможно большей, так как чем больше J rs, тем больше длина прямо­ линейного участка динамической характеристики ленты, а следова­ тельно, больше допустимый уровень записи (остаточный поток) при заданных нелинейных искажениях. Величина J rs зависит от мате­ риала частиц порошка, их структуры, формы и концентрации в слое. J rs увеличивается с повышением концентрации порошка, однако получить объемную концентрацию выше 38—40% не удается. Оста­ точная намагниченность насыщения лучших современных магнитных лент достигает 80—100 кА/м. Особенно важно увеличение J rs для лент с тонким рабочим слоем.

2. Магнитная проницаемость рабочего слоя лент должна быть небольшой. Это важно для уменьшения слойных и контактных по­ терь, а значит, для повышения допустимой продольной плотности записи. Относительная максимальная магнитная проницаемость

60