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

цмакс *=* JrsßHc\ следовательно, для ее уменьшения нужно увеличи­ вать коэрцитивную силу Н с и уменьшать J rs. Уменьшение остаточ­ ной намагниченности насыщения нежелательно. Поэтому коэрци­

к прямоугольной, или коэффициенты прямоугольности и выпуклости должны быть возможно большими, так как чем больше коэффициент

од н од ом е н н ы е части ц ы .

прямоугольности, тем больше остаточная намагниченность насыще­ ния, а чем круче боковые ветви предельной петли гистерезиса, тем больше крутизна кривой квазиидеального намагничивания, т. е. больше восприимчивость ленты.

Магнитные свойства рабочего слоя лент зависят не только от материала ферромагнитного порошка, но и от структуры слоя — от формы и размеров частиц, их концентрации в слое, а также рас­ пределения их в слое. Так, в современных магнитных лентах при­ меняется в основном гамма-окись железа, но, в зависимости от тех­ нологического процесса получения порошка и изготовления лент, структура рабочего слоя лент разных типов изменяется в широких пределах, и, как следствие этого, магнитные свойства и рабочие характеристики лент также различны. Коэрцитивная сила слоя увеличивается при использовании частиц порошка с выраженной анизотропией формы, что является одной из причин применения игольчатых частиц. Коэрцитивная сила оказывается больше при большем отношении длины частиц к их ширине и при условии, что диапазон распределения частиц по размерам мал, так что основная масса частиц имеет однодоменную магнитную структуру. Однодомен­ ная структура частиц порошка обеспечивает также приближение формы петли гистерезиса к прямоугольной (рис. 29) [23].

61

Крутизна боковых ветвей петли гистерезиса, а также кривой квазиидеалытого намагничивания возрастает за счет ориентации длинных осей частиц порошка в направлении намагничивающего поля, осуществляемой в процессе изготовления лент (рис. 30). Кроме того, однородность частиц по коэрцитивной силе и их однодоменная структура, критерием которых является крутизна боковых ветвей гистерезисной петли, обеспечивают незначительную протяженность критической зоны, а следовательно, лучшую передачу сигналов, записанных с малой длиной волны.

Частицы порошка должны быть мелкими для снижения структур­ ного шума, но число частиц с излишне малыми размерами, при кото­ рых они теряют свои магнитные свойства, должно быть как можно меньше.

Рабочие характеристики лент в сильной степени зависят от чи­ стоты поверхности рабочего слоя. Очень малые по величине шерохо­ ватости поверхности (порядка нескольких десятых микрометра) приводят к ухудшению передачи высоких частот (вернее, сигналов, записанных с малой X) и к возрастанию модуляционного шума. Для улучшения поверхности рабочего слоя лент ее подвергают специаль­ ной обработке.

В заключение рассмотрим основные рабочие характеристики магнитных лент и способы их определения.

К рабочим характеристикам магнитных лент относятся: средняя чувствительность Ч, неравномерность чувствительности, частотная характеристика ЧХ, нелинейные искажения, уровень шума раз­ магниченной ленты Шр, уровень шума паузы ПІп, уровень шума намагниченной ленты ІПН, стираемость.

С р е д н я я ч у в с т в и т е л ь н о с т ь . Величина абсолютной чувствительности магнитной ленты оценивается отношением оста­ точного магнитного потока в ленте Фг к напряженности поля запи­ сываемого сигнала Н=:

Ча=Фг/Н

Абсолютная чувствительность может быть определена при усло­ вии равномерного намагничивания по кривой квазиидеального намагничивания. В этом случае:

Фг= noJrba

По кривой квазиидеального намагничивания при оптимальном

Ча= poYba

Чувствительность ленты зависит от структуры рабочего слоя, определяющей крутизну кривой квазиидеального намагничивания у, в частности от концентрации порошка в слое, и от толщины рабочего слоя а. Увеличивать чувствительность ленты за счет повышения толщины рабочего слоя нельзя, так как при этом возрастают потери

62

при малых значениях длины волны записи. Чем больше чувствитель­ ность ленты, тем меньше поле, которое должна создавать головка записи, и больше получаемый при воспроизведении сигнал. Для сравнительной оценки лент вводят относительную среднюю чув­ ствительность Ч. Для ее определения на испытываемой и типовой лентах записывают одной головкой сигнал опорной частоты (400 Гц) при одинаковых токах записи и оптимальных для каждой ленты токах подмагничивания. Относительную чувствительность оцени­ вают отношением напряжений на выходе усилителя воспроизведения для испытываемой Ua и типовой UT лент, выраженным в децибелах:

4 = 20 lg иг

Н е р а в н о м е р н о с т ь - ч у в с т в и т е л ь н о с т и . Величиной мак­ симального отклонения относительной чувствительности ленты от ее среднего значения оценивают неравномерность чувствительности. Чувствительность изменяется по длине за счет неравномерной кон­ центрации порошка в рабочем слое и степени ориентации частиц в нем, а также за счет неравномерной толщины слоя. При малых значениях длины волны записи неравномерность чувствительности является следствием шероховатости поверхности рабочего слоя.

Ч а с т о т н а я х а р а к т е р и с т и к а . Способность ленты переда­ вать составляющие высоких частот оценивается частотной характе­ ристикой. Поскольку ослабление сигналов высокой частоты за счет лент обусловлено волновыми потерями, было бы правильнее определять волновую характеристику ленты, т. е. зависимость воспроизводимого сигнала от длины волны записи. Однако обычно определяют частот­ ную характеристику при фиксированной скорости движения ленты. Так как передача сигналов с разной частотой зависит от совместного действия ленты и магнитных головок, вводят относительную частот­ ную характеристику лент. Для этого на испытуемую и типовую ленту записывают сигналы опорной частоты и высокой частоты с оди­ наковым током записи и при оптимальных для каждой ленты токах подмагничивания. При последующем воспроизведении измеряют сигналы на выходе воспроизводящего устройства и находят относи­ тельную частотную характеристику ленты так:

ЧХ = 20 lg и - 20 lg -^в- ч-т

где и 0шч и и £/0 ч т — напряжение на выходе при воспроизведе­ нии с испытуемой и типовой лент фонограммы с записью сигнала опорной частоты; UB ч и и [/в ч т — напряжение, соответству­ ющее записи высокой частоты на испытуемой и типовой лентах. Чем больше указанная разность, тем лучше лента передает сигналы высокой частоты.

Для улучшения частотной характеристики магнитных лент сле­ дует уменьшать толщину рабочего слоя и повышать их гибкость. Технология изготовления магнитного порошка должна обеспечивать

63

однородность частиц по форме и размерам, причем размеры должны

правило, оцениваются коэффициентом третьей гармоники. Для их определения записывают с максимальным уровнем записи синусо­ идальный сигнал опорной частоты (400 Гц) при установленном зна­

Уровень записи устанавливают с помощью измерительной ленты. На последней записан сигнал опорной частоты с нормализованным значением остаточного магнитного потока в ленте (256 нВб на 1 м ширины сигналограммы для лент шириной 6,25 мм). При больших длинах волн записи равенство сигналов, получаемых при воспроиз­ ведении, имеет место при равенстве остаточных потоков в лентах. Поэтому ток записи, при котором воспроизводимый сигнал равен сигналу, получаемому при воспроизведении измерительной фоно­ граммы, создает в ленте тот же остаточный поток (при равенстве частот). Для оценки лент по нелинейным искажениям определяют также допустимый уровень записи, при котором коэффициент третьей гармоники имеет определенное заданное значение. С этой целью записывают сигнал опорной частоты при разных токах записи, пре­ вышающих ток, соответствующий нормированному остаточному по­ току. При последующем воспроизведении измеряют К 3 и находят ток записи, при котором искажения не превышают заданной вели­ чины. Отношение напряжения £/д, получаемого на выходе при вос­ произведении сигналограммы, которая записана с уровнем, соот­ ветствующим заданному значению К 3, к напряжению С/н на выходе того же устройства при воспроизведении сигналограммы, которая записана на той же ленте с нормированным уровнем, определяет перегрузочную способность ленты (в дБ): 201g UJUH.

Исследования большого количества лент разных типов показало, что нелинейные искажения, вносимые лентой, уменьшаются, а пере­ грузочная способность возрастает с увеличением остаточной намаг­ ниченности насыщения рабочего слоя лент [11]. Поэтому повышение однородности частиц порошка и их ориентация снижают нелинейные искажения.

Ш ум ле нт ы. Относительные уровни шума размагниченной и на­ магниченной ленты и шум паузы определяют по отношению к сигналу, записанному с максимальным нормированным остаточным потоком. Для этого измеряют напряжение на выходе при воспроизведении сигналограммы с записанным при нормированном уровне сигналом

64

опорной частоты UH и напряжение шума при прохождении мимо головки воспроизведения а) размагниченного участка ленты (Up); б) участка, намагниченного постоянным полем, создаваемым голов­ кой записи, когда по ее обмотке проходит постоянный ток, равный эффективному значению тока записи, создающему нормированный поток (£/„); в) участка, соответствующего паузе (Un). Уровень шума (в дБ) определяется по следующим формулам:

а) для размагниченной ленты

Шр_ 2 0 1 г І І .

б) для намагниченной ленты

Шн= 20 lg

U н

в) для паузы

Шп — 20 lg Un Un

Чтобы понизить шум ленты как в паузе, так и в намагниченном состоянии, технологический процесс изготовления лент должен обеспечивать не только однородность частиц порошка и их малые размеры, но также и равномерную концентрацию их в рабочем слое как по длине ленты, так и по толщине слоя. Шум намагниченной ленты зависит также от чистоты обработки поверхности рабочего слоя.

С т и р а е м о с т ь оценивают степенью ослабления сигнала в результате воздействия поля стирающей головки. Уровень стира­ ния определяют по формуле:

УС= 20 lg

где 1/д — сигнал на выходе усилителя при воспроизведении сигнало­ граммы, на которой записан сигнал с частотою 400 или 1000 Гц с максимально допустимым уровнем записи; UCT — сигнал на выходе усилителя при воспроизведении сигналограммы после стирания.

Для современных магнитных лент значение УС не менее 72— 75 дБ.

Если проанализировать приводящиеся в литературе [32] магнитные свойства и рабочие характеристики лент (независимо от порошкового материала, содержащегося в их рабочем слое), выпускаемых различными зарубежными фирмами, можно сделать ряд полезных для технологии выводов.

Лучшие по рабочим характеристикам ленты отличаются боль­ шими значениями коэффициентов прямоугольности и выпуклости предельных петель гистерезиса и повышенной остаточной намагни­ ченностью насыщения Jrs. Высокое значение указанных параметров достигается при использовании магнитных порошков с однородными по форме и размерам игольчатыми частицами (с однодоменной структурой), а также за счет ориентации игольчатых частиц при нанесении суспензии магнитного порошка на основу. Это обеспечивает

повышение чувствительности лент, уменьшение нелинейных искаже­ ний и улучшение частотной характеристики.

Сравнительные данные по различным магнитным лентам [32] позволяют сделать вывод, что ленты, предназначенные для записи на малых скоростях движения, должны иметь малую толщину рабо­ чего слоя и основы.

2.2.3. Магнитная видеозапись

Телевизионный сигнал и запись магнитной видеограммы.

Принципиально видеозапись не отличается от записи звука. В этом случае также записывается электрический сигнал, изменяющийся во времени и возникающий на выходе передающей телевизионной камеры. При непосредственной передаче телевизионный сигнал поступает на передающее устройство и через канал связи передается

ктелевизионным приемникам. В случае использования видеозаписи

кпередатчику подается сигнал, воспроизводимый с магнитной видео­ граммы.

Основные трудности видеозаписи обусловлены широким частот­

ным диапазоном телевизионного сигнала. При принятом в СССР

и в Европе телевизионном стандарте (625 строк и 25 кадров в 1 с) нижняя граничная частота спектра телевизионного сигнала соста­ вляет 0 Гц, а верхняя — 6,5 МГц.

Выше было показано, что при существующем способе воспроиз­ ведения сигнала с магнитной сигналограммы, основанном на кон­ такте сигналограммы с воспроизводящей головкой, неизбежны слойные, контактные и щелевые волновые потери. Они ограничивают минимальную длину волны записи, с которой сигнал может быть надежно записан и воспроизведен. Минимально допустимое значение длины волны записи является критерием, характеризующим раз­ решающую способность системы запись —воспроизведение.

Усовершенствование магнитных головок и разработка магнитных лент с тонкими рабочими слоями, содержащими однородные, одно­ доменные частицы магнитного порошка, повысили разрешающую способность магнитной записи. В настоящее время минимальная длина волны записи доведена примерно до 2—3 мкм. Следовательно, чтобы записать составляющие спектра телевизионного сигнала, соответствующие верхней граничной частоте 6,5 МГц с минимально допустимой длиной волны записи порядка % = 3 мкм, скорость относительного движения лента — головка должна быть: ѵ = к мин/в^ ^ 20 м/с. Осуществить такую скорость движения ленты относи­ тельно неподвижной магнитной головки сложно. Аппаратура, рабо­ тающая при таких высоких скоростях, не достаточно надежна, а расход ленты очень велик.

Наиболее широкое распространение получил способ строчной записи, в котором необходимая для записи высоких частотных соста­ вляющих телевизионного сигнала большая скорость относительного движения лента — головка создается за счет быстрого перемещения головок относительно ленты. Скорость движения ленты при этом невелика и не превышает величин, обычно используемых в магнито­

66

фонах. В СССР применяют видеомагнитофоны со строчной записью [33].

На рис. 31 показано схематически устройство для строчной записи с четырьмя вращающимися магнитными головками. Четыре одина­ ковых головки укреплены на диске со смещением относительно друг друга на 90°.

Диск с головками вращается с постоянной скоростью. Плоскость вращения диска с магнитными головками перпендикулярна поверх­ ности магнитной ленты, движущейся с постоянной скоростью в на­ правлении, параллельном оси вращения диска. При этом головки поочередно соприкасаются с магнитной лентой, которая в месте соприкосновения с головками изгибается в виде лотка при помощи направляющей стойки, где она удер­

того же вращающегося диска с головками, последние поочередно соприкасаются со «строчками» видеограммы. Специальное электрон­ ное коммутирующее устройство соединяет сигналы, воспроизводимые отдельными головками, в единый сигнал. Скорость относительного движения головка — лента при этом может быть большой при малой скорости движения ленты. Например, когда диск с головками вра­ щается со скоростью 250 об/с, а лента шириною 50 мм движется со скоростью 397 мм/с, скорость движения головки относительно ленты достигает 40 м/с.

В одну секунду записывается на магнитной ленте 4 X 250 = = 1000 магнитных дорожек, или строк, на которых фиксируется телевизионный сигнал, соответствующий 25 кадрам телевизионного изображения. Ширина магнитной дорожки 0,25 мм, расстояние между соседними дорожками 0,14 мм. Кроме видеограммы на краях ленты располагаются: дорожка с записью звукового сопровождения, дорожка с записью режиссерских указаний и дорожка с записью управляющего сигнала. Эти сигналограммы записываются отдель­ ными головками, установленными за диском по ходу движения ленты. Полученная при строчной записи высокая скорость движения головок относительно ленты обеспечивает запись высоких частот,

но при этом возникают затруднения с воспроизведением низких частот. Низкочастотные составляющие записываются с длинами волн порядка нескольких десятков сантиметров и даже метров. Чтобы магнитный поток сигналограммы замыкался в основном по сердечнику воспроизводящей головки, длина рабочей поверх­ ности головки (т. е. поверхности, соприкасающейся с лентой) должна быть больше длины волны записи [28].

Выполнить это условие для низких частот в видеограмме невоз­ можно, поэтому низкочастотные составляющие телевизионного сиг­ нала при воспроизведении окажутся ничтожно малыми. Таким обра­ зом, строчная запись также не обеспечивает передачи всего спектра телевизионного сигнала при прямой записи последнего. Поэтому при видеозаписи используют мщуляцалшый способ, записывая некоторую несущую, модулируемую телевизионным сигналом. При­ меняют способ частотной модуляции, при котором частота несущей изменяется в некоторых пределах относительно своего среднего значения в такт с изменениями величины модулирующего сигнала:

(о= ü)q-(- AcücosQ t

где cö0 — несущая частота; Асо — амплитуда отклонения частоты, или девиация; Й — модулирующая частота (в нашем случае — ча­ стота телевизионного сигнала).

Девиация Асо пропорциональна амплитуде записываемого сиг­ нала и не зависит от его частоты. При видеозаписи величина деви­ ации Асо устанавливается значительно меньше Ймакс и полоса частот записываемого ЧМ-колебания много уже частотного диапазона телевизионного сигнала. Следовательно, на видеограмме длина волны записи изменяется в меньших пределах по сравнению с прямой записью телевизионного сигнала. В воспроизводящем устройстве демодулятор выделяет из воспроизводимого сигнала телевизионный сигнал.

Вместе с тем частота несущей со0 должна быть больше верхней граничной частоты телевизионного сигнала, и спектр записываемого модулированного сигнала смещается в область более высоких частот, что приводит к необходимости увеличивать скорость относительного движения головка — лента. Ранее отмечалось, что в видеомагнито­ фонах с четырьмя вращающимися головками эта скорость достигает 40 м/с. Частота несущей модулированного сигнала порядка 8 МГц, диапазон, в котором изменяются частоты записываемого сигнала, примерно 0,5—11 МГц, соответственно максимальная длина волны записи 80 мкм и минимальная 3,6 мкм.

Применение частотной модуляции при записи телевизионного сигнала по сравнению с прямой записью позволяет также исполь­ зовать малое расстояние между соседними строчками видеограммы, взаимное влияние которых понижается с уменьшением длины волны записи, и обеспечить соотношение между максимальным воспроизво­ димым сигналом и шумом не менее 40 дБ при малой ширине видео­ граммы. Сигнал, получаемый после демодуляции, определяется законом изменения частоты несущей, и магнитная нелинейность

68

ленты не вызывает искажений сигнала. Поэтому при модуляционном способе запись осуществляется без высокочастотного подмагничивания; за счет амплитудного ограничения в воспроизводимом сигнале подавляется паразитная амплитудная модуляция, возникающая из-за неоднородности рабочего слоя ленты и нарушения контакта между головками и лентой в процессе записи и воспроизведения.

Указанные положительные стороны использования частотной модуляции и определили широкое применение этого способа в видео­ записи, хотя с ним связано некоторое усложнение аппаратуры (вве­ дение в канал модулятора и демодулятора, повышение скорости движения головок относительно ленты).

Рис. 32. Схема устройства для записи и воспроизведения телевизионного сигнала с одной вращающейся головкой:

1 — п о д а ю щ а я к а т у ш к а ; 2 — н а п р а в л я ю щ и й р о л и к ; 3 — м а гн и т ­ н а я л ен та ; 4 — б а р аб а н , н а п р а в л я ю щ и й л е н т у ; 5 — ви д е о го л о в к а ;

Строчная запись телевизионного сигнала может быть осуще­ ствлена и при использовании одной или двух вращающихся головок. В настоящее время ряд фирм различных стран выпускает видео­ магнитофоны такого типа. В большинстве случаев эти модели видео­ магнитофонов обеспечивают передачу суженного частотного диапа­

произведения телевизионного сигнала с одной вращающейся голов­ кой. Магнитная лента огибает гладкий направляющий барабан, образуя полный виток спирали; барабан состоит из двух частей, в щели между которыми находится диск с магнитной головкой. Диск вращается с постоянной скоростью, при этом магнитная го­ ловка, выступающая за образующую барабана, вдавливается в ленту в месте соприкосновения с ней. Этим создается надежный контакт между головкой и лентой. За один оборот диска с головкой на ленте записывается сигналограмма, расположенная под углом Ѳ к краю ленты (рис. 33). В то время как в устройствах с четырьмя враща­ ющимися головками угол Ѳблизок к 90°, в данной модели Ѳ 3-f-5°.

69

На каждой магнитной строчке записывается один полукадр телеви­ зионного изображения. Поэтому число оборотов диска с головкой связано с телевизионным стандартом [33, 34]. При принятой в Со­ ветском Союзе и в европейских странах частоте смены полукадров 50 диск с головкой должен делать 50 об/с. В зависимости от диаметра диска и ширины магнитной ленты (применяются ленты шириной 50,8; 25,4 и 12,7 мм) разные значения имеют линейная скорость головки и скорость движения головки относительно ленты. В видеомагнито­ фонах этого типа при скорости движения ленты 100—250 мм/с ско­ рость относительного движения головка — лента — 18—25 м/с. При этом уверенно записывается с длиной волны порядка 5 мкм несущая частота 4—4,5 МГц и верхняя частота модулирующего телевизион­ ного сигнала 2,5—3 МГц [33].

Рис. 33. Расположение видеограммы и фонограммы на магнитной ленте:

1 — к о н т р о л ь н ы й с и гн а л ; 2 — с и г н а л з в у к о в о г о со п р о в о ж д е н и я ; 3 — ви д е о ­ сигн ал .

На краях по длине ленты записывается звуковое сопровождение и управляющий сигнал. Последний, как и в видеомагнитофонах с четырьмя вращающимися головками, в процессе воспроизведения используется в системе автоматического регулирования движения ленты и видеоголовок, которая обеспечивает точное движение головок

врежиме воспроизведения по следу записи [33].

Вустройствах с двумя вращающимися головками лента охваты­ вает немного больше половины окружности направляющего бара­ бана (рис. 34). Как и в предыдущей модели, в щели между верхней

инижней частями направляющего барабана вращается диск с маг­ нитными головками. Для записи и воспроизведения используют две универсальные головки, диаметрально расположенные на диске.

Дорожки видеограммы располагаются на ленте наискось, как и в устройствах с одной вращающейся головкой. На каждой дорожке также записывается сигнал, соответствующий одному полукадру телевизионного изображения, поэтому для телевизионных систем с частотой смены полукадров 50 скорость вращения диска с голов­ ками должна быть 25 об/с. Скорость записи (скорость относительного движения головки — лента) зависит от диаметра диска, но и в этом случае она в 100 и более раз может превышать скорость движения ленты. Телевизионный сигнал записывается также с использованием частотной модуляции. Видеомагнитофоны с двумя или одной враща­ ющимися головками несколько проще по сравнению с видеомагнито­

70