Лабораторная работа № 7. Звукозапись. Аналоговый способ записи-воспроизведения звука (на примере магнитной записи)
1. Цель работы
Изучить основы теории записи воспроизведения звука, принцип действия, устройство и условия применения аналоговых кассетных магнитофонов, получить навыки их практического применения.
2. Теоретическая справка
В природе звук имеет аналоговый характер. Звуковой сигнал периодически изменяется, причем эти изменения происходят непрерывно. Звуковой сигнал может быть преобразован в электрический сигнал звуковой частоты, например при помощи микрофона. Важно, чтобы частота и характер изменения электрического сигнала точно соответствовали частоте и характеру изменения звуковой волны, неся о ней полную информацию. Аппаратура способная записать и воспроизвести непрерывную аналоговую информацию называется аналоговой.
В 1857 г. англичанин Леон Скотт создал первое устройство, регистрирующее акустические колебания, а в 1878 г. американцем Томасом Эдисоном по такому же принципу был создан фонограф – прибор позволявший записывать и воспроизводить различные звуки и человеческую речь. Это были первые устройства механической записи звука.
Первый аппарат «для магнитной записи речевых сообщений, передаваемых по телефону», создан в 1898 г. датским инженером Вальдемаром Поульсеном и получил наименование телеграфона. Магнитная запись в телеграфоне производилась на стальную проволоку диаметром 0,5–1 мм. Аппарат под наименованием магнитофон сконструирован германской фирмой AEG В 1934 г. В нем применялась порошковая магнитная лента (т.е. принципиально такая же, как и применяемая в настоящее время); магнитные головки кольцевого типа и электронные усилители записи и воспроизведения звука. Рассмотрим аналоговую запись на примере аналогового магнитофона.
Принцип магнитной записи звука – основан на способности ферромагнитных материалов намагничиваться пропорционально силе внешнего магнитного поля и сохранять это состояние после прекращения действия этого поля в течение длительного времени.
В настоящее время в качестве носителя аудио и видеоинформации при магнитном способе записи применяют тонкую ленту, покрытую слоем ферромагнетика.
Для того чтобы упрощенно показать механизм магнитной записи необходимо представить, что рабочий слой магнитной ленты состоит из множества мельчайших магнитиков – доменов (рис. 1). В исходном состоянии эти магнитики ориентированы произвольно (рис. 1, а). Проходя мимо рабочего зазора записывающей головки, магнитики подвергаются воздействию переменного магнитного поля, которое ориентирует их в зависимости от своего направления (рис. 1, б). При этом толщина слоя ориентированных магнитиков пропорциональна величине магнитного поля.
Аппарат, предназначенный для записи и воспроизведения звука на магнитном носителе, называется магнитофоном(от магнит и греч. phone – звук).
Важнейшими параметрами магнитофона являются: номинальный диапазон частот, коэффициент нелинейных искажений и коэффициент детонации. Коэффициент детонации характеризует равномерность движения магнитной ленты в магнитофоне. Если магнитная лента при записи или воспроизведении движется неравномерно, то возникают характерные искажения звука – детонации. Эти искажения наиболее заметны при воспроизведении фортепьянной музыки и проявляются в виде «плавания» звука. Для высококачественного магнитофона коэффициент детонаций не должен превышать 0,05–0,1%.
Рис. 1. Упрощенный механизм магнитной записи: а) исходное состояние рабочего слоя (нет записи); б) изменение рабочего слоя в результате записи; 1 – основа пленки; 2 – рабочий слой пленки; 3 – элементарные магнитные частицы (домены); 4 – переменное магнитное поле
Динамический диапазон звуковоспроизводящей аппаратуры – разница между минимальным и максимальным уровнями передаваемого сигнала. Максимальный уровень обычно ограничивается нелинейными искажениями, которые при превышении определенного порога резко возрастают. Минимальный уровень сигнала ограничивается уровнем шума аппаратуры и носителя информации. При аналоговой записи звука динамический диапазон составляет около 60 дБ. При использовании современных систем шумопонижения динамический диапазон аналоговой магнитной записи звука возрастает до 70 дБ.
Магнитная запись звука обеспечивает высокое качество фонограммы. Сразу после записи звука фонограмма готова к воспроизведению. Запись на магнитной ленте, можно стереть, а затем записать новую фонограмму. Качество фонограммы практически не зависит от количества воспроизведений. Перечисленные достоинства магнитной записи определили ее широкое распространение. К недостаткам магнитной записи относится возможность повреждения фонограммы в результате воздействия внешних магнитных полей.
В настоящее время магнитофон является одним из наиболее массовых бытовых аппаратов для записи-воспроизведения звука. Почти все современные магнитофоны работают с лентой шириной 3,81 мм. Выпускаемые в настоящее время магнитофоны можно подразделить на профессиональныеибытовые; дляаналоговойицифровойзаписи звука.
По типу исполнениямагнитофоны бывают стационарные и переносные, в т.ч. диктофоны;
По способу записи и воспроизведения звука– монофонические и стереофонические;
По форме упаковки используемой магнитной ленты– катушечные и кассетные.
Магнитофон можно условно разделить на две части: электрическую схему и лентопротяжный механизм. В состав электрической схемы магнитофона входят усилители записи и воспроизведения, генератор высокой частоты, магнитные головки (рис. 2), блок питания, индикатор уровня записи-воспроизведения и другие дополнительные узлы на рисунке 2 не показаны.
Рис. 2. Блок-схема магнитофона для аналоговой записи-воспроизведения звука: ГС – головка стирания, ГЗ – головка записи, ГВ – головка воспроизведения (в двухголовочных магнитофонах используют универсальную магнитную головку (ГУ), выполняющую функции головок записи и воспроизведения), ГСП – генератор тока стирания и подмагничивания, УЗ – усилитель записи, УВ – усилитель воспроизведения, М – микрофон, Гр – громкоговоритель
Рассмотрим работу магнитофона по блок-схеме приведенной на рисунке 2. Магнитная лента перемещается с постоянной скоростью относительно блока магнитных головок. Каждый участок магнитной ленты сначала проходит мимо стирающей головки. В обмотку стирающей головки подается электрический сигнал частотой 40–100 кГц от генератора высокой частоты (ГВЧ). В результате этого магнитная лента многократно перемагничивается, что и приводит к уничтожению старой записи. Далее магнитная лента проходит мимо записывающей головки. В качестве источника сигнала будем рассматривать микрофон. Микрофон преобразует акустические колебания звуковой частоты в колебания электрического тока. Электрический сигнал усиливается и подается в головку записи, в которой происходит преобразование колебаний электрического тока в переменное магнитное поле. Магнитное поле записывающей головки намагничивает магнитную ленту, пропорционально величине входного электрического сигнала. Для снижения нелинейных искажений в аналоговых магнитофонах применяют запись с высокочастотным подмагничиванием (ВЧП). Генератор тока стирания во многих случаях является и источником тока ВЧП для головки записи.
Магнитная головка (рис. 3) представляет собой сердечник из ферромагнитного материала – 1, с размещенной на нем обмоткой – 3. Снаружи головка закрыта экранирующим материалом для защиты от внешних магнитных полей. Важную роль в работе магнитной головки играет немагнитный зазор – 2. В записывающей головке магнитное поле в области немагнитного зазора намагничивает ленту. В воспроизводящей головке немагнитный зазор является зоной, где происходит воспроизведение сигнала, записанного на ленте. Качество работы магнитной головки определяется величиной зазора и его положением относительно магнитной ленты.
Рис. 3. Работа магнитной головки при записи (стирании) и воспроизведении: 1 – сердечник, 2 – рабочий зазор, 3 – катушки, 4 – силовые линии магнитного поля, 5 – рабочий слой ленты
Лентопротяжный механизм магнитофона предназначен для обеспечения равномерного движения магнитной ленты относительно блока магнитных головок и ускоренной перемотки ленты в обоих направлениях. Скорость движения ленты в режимах записи-воспроизведения стандартизирована и составляет для кассетного магнитофона 4,76 см/сек.
Компакт-кассета была разработана фирмой Philips в 1963 г. с первоначальной целью упростить обслуживание магнитофона, исключив операцию зарядки ленты в лентопротяжный тракт, и создать массовый переносной аппарат. В настоящее время кассетная запись стала не только самостоятельным, но и доминирующим направлением в технике магнитной записи звука. Применение компакт-кассет позволило существенно повысить оперативность и плотность записи на единицу массы и объема носителя.
На магнитной ленте находятся 4 дорожки записи, каждая шириной 0,6 мм. Две дорожки (1-я и 2-я) для работы в одном направлении и две дорожки (3-я и 4-я) – для работы в обратном направлении (рис. 4). При монофонической записи на дорожках 1, 2 и 3, 4 фонограммы идентичны.
Рис. 4. Расположение дорожек на ленте: а – при монофонической записи, б – при стереофонической записи (размеры в мм)
Кассеты отличаются по времени записи: международная маркировка – С-60 (2×30 мин.), С-90 (2×45 мин), С-120 (2×60 мин).
Типы магнитных лент для компакт-кассет. В соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) магнитные ленты для компакт-кассет подразделяются на четыре типа в зависимости от тока оптимального высокочастотного подмагничивания и необходимой коррекции АЧХ магнитофона:
Тип I (Fe, Normal) – ленты с магнитным порошком гамма-оксида железа.
Тип II (Cr, High) – ленты с магнитным порошком диоксида хрома.
Тип III (FeCr) – ленты с двумя рабочими слоями: слой с гамма-оксидом железа + слой с диоксидом хрома.
Тип IV (Metal) – ленты с металлическим магнитным порошком.
Принадлежность ленты к данному типу приведена на компакт-кассете. В скобках даны обычно применяемые наименования соответствующих позиций переключателя типа магнитной ленты магнитофона.
Шум носителя магнитной записи в общем случае изменяется хаотически и содержит все частоты диапазона, передаваемого каналом воспроизведения. Его величина и значения частотных составляющих зависят от свойств носителя и условий записи и воспроизведения. Он вносит основной вклад в результирующий шум аналоговой системы магнитной записи, и представляет собой одно из важнейших ограничений динамического диапазона аналоговой магнитной записи.
В аналоговой записи звука шум носителя магнитной записи проявляется как «шероховатость», шипение и потрескивание при воспроизведении звука и характеризуется шумом паузы и шумом намагниченного носителя. Для борьбы с этим явлением применяют различные системы шумопонижения.
Шумопонижение – улучшение качества аналоговой записи звука путем снижения помех и расширения динамического диапазона. Обычно задача шумопонижения состоит в снижении помех, обусловленных наиболее «шумящим» элементом тракта передачи – носителем информации. Шумопонижение достигается специальной обработкой сигнала в канале записи и (или) в канале воспроизведения. Шумопонижение, выполняемое только в канале воспроизведения, имеет то достоинство, что может улучшать уже имеющиеся записи, полученные без использования системы шумопонижения. Однако более эффективны системы шумопонижения, в которых сигнал подвергается обработке, как при записи, так и при воспроизведении. Принцип их действия заключается в том, что в канале записи сигнал перед тем, как его записать на носителе, подвергают компрессии: динамический диапазон сигнала сужают за счет большего усиления слабых сигналов. При этом уровень слабых сигналов оказывается выше по отношению к уровню шума носителя. В канале воспроизведения сигнал подвергают обратному преобразованию – экспандированию, при котором сильные сигналы усиливаются в большей степени, чем слабые. При этом исходный баланс между слабыми и сильными сигналами восстанавливается, а уровень шума носителя снижается.
Несколько вариантов систем шумопонижения для аналоговой магнитной записи звука, основанных на указанном принципе, разработаны английским инженером и носят его имя Долби (Dolby): Dolby-A, Dolby-B, Dolby-C, Dolby S, Dolby HХ Pro и др.
Широкое распространение в бытовой аппаратуре магнитной записи, приобрела относительно простая система шумопонижения Dolby-B, где компрессию при записи и экспандирование при воспроизведении выполняет одно и то же устройство, что позволяет точно сбалансировать эти процессы, упрощает конструкцию и стоимость магнитофона. Компрессия и экспандирование в системе Dolby-B происходят только в области частот выше 500 Гц, в которой шум носителя наиболее ощутим. На рисунке 5 приведены характеристики усиления слабых сигналов при записи и их ослабления при воспроизведении. Система Dolby-B на частоте 5000 Гц и выше обеспечивает понижение шума на 10 дБ.
Воспроизведение магнитной фонограммы – процесс обратный записи. Намагниченные участки магнитной ленты проходят мимо Рабочего зазора воспроизводящей головки наводят в ее обмотке электродвижущую силу. В результате происходит преобразование переменного магнитного поля в электрический сигнал звуковой частоты. Электрический сигнал усиливается усилителем воспроизведения и подается на громкоговоритель, в котором происходит преобразование электрического тока в механические движения диффузора громкоговорителя, который в свою очередь становится источником акустических колебаний.
Рис. 5. Амплитудно-частотные характеристики: 1 – усиления слабых сигналов при записи; 2 – ослабления при воспроизведении в системе шумопонижения