- •Глава 13. Магнитная звукозапись Контрольные вопросы
- •13.1. Общие закономерности при записи и воспроизведении звука
- •13.2. Основы магнитной записи электрических сигналов
- •13.3. Магнитные носители записи
- •13.4. Магнитные головки
- •13.5 Стирание магнитной фонограммы
- •13.6. Запись без подмагничивания и с подмагничиванием постоянным током
- •13.7.Запись с высокочастотным подмагничиванием
- •Влияние амплитуды тока вчп на параметры магнитофона
- •13.9. Волновые потери тракта записи-воспроизведения
- •13.10. Корректирование амплитудно-частотных характеристик магнитного звена магнитофона
- •13.11. Шумы и помехи при магнитной записи
- •13.12. Особенности построения цифровых магнитофонов
- •13.13. Канал магнитной записи-воспроизведения цифровых магнитофонов
- •13.14. Особенности помехоустойчивого кодирования в цифровых магнитофонах
- •13.15. Стандарты цифровой записи
13.9. Волновые потери тракта записи-воспроизведения
Волновыми потерями называются потери, зависящие от длины волны записи. В конечном итоге, волновые потери приводят к частотным искажениям, но в отличии от привычных для нас частотных потерь, волновые потери зависят не только от частоты записываемого сигнала, но и от скорости движения звуконосителя.
Рис.13.23. График зависимости остаточной намагниченности от частоты
Анализ показывает, что на частоте f1 длина волны записи 1=V f1 равна эффективной ширине рабочего зазора 2эфф записывающей головки. Этот вид искажений получил название щелевых искажений.
Для объяснения этого вида потерь представим упрощенно процесс записи в виде ориентирования элементарного магнита в поле записывающей головки. Действительно, если 1= 2эфф, то произвольно ориентированный магнит дважды за время пребывания в поле головки (под действием положительного и отрицательного полупериодов синусоидального сигнала) изменит свою ориентацию и выйдет из поля записывающей головки в прежнем произвольно ориентированном состоянии, т.е. никой записи не произойдет. Аналогичная картина наблюдается на всех частотах, где 2эфф.=n.
Для уменьшения щелевых потерь необходимо либо увеличить длину волны записи (увеличив скорость протяжки звуконосителя), либо уменьшить ширину зазора головки.
Следующим существенным видом волновых потерь являются так называемые угловые (фазовые) потери. Так как критическая зона расположена в общем случае под углом к направлению движения носителя, то записи в отдельных элементарных слоях сдвинуты по фазе относительно друг друга.
Если связать количество элементарных слоев с длиной волны записи, то отсюда следует, что с ростом частоты длины элементарных векторов будут уменьшаться, количество их увеличиваться, что приведет к уменьшению суммарного вектора намагниченности (рис.13.24).
Чем толще магнитная лента, тем больше угловые (фазовые) потери, тем сильнее будут ослабляться верхние звуковые частоты ( количество элементарных векторов будет больше, а суммарная намагниченности ленты меньше).
Рис.13.24. Векторные диаграммы остаточной намагниченности при записи
а -длинных волн (низких частот) и б -коротких волн (высоких частот)
Сказанное подтверждает тот факт, что при использовании лент с тонким до 1 мкм рабочим слоем это явление не наблюдается. Однако, при использовании тонких лент уменьшается общая намагниченность ленты, что уменьшает динамический диапазон записи.
Так как волновые потери зависят от формы критической зоны (протяженность зоны связана с щелевыми искажениями; угол наклона и глубина проникновения - с фазовыми искажениями),а форма критической зоны от тока ВЧП,– можно утверждать, что волновые потери (и соответствующие им частотные искажения) зависят от амплитуды тока ВЧП.
На рис.13.25 представлены графики зависимости остаточной намагниченности от амплитуды тока ВЧП для больших длин волн (а) и для малых длин волн (б). Чем можно объяснить эту зависимость?
Если оптимальное значение тока ВЧП устанавливать при записи длинных волн, то критическая зона проникает глубоко в рабочий слой ленты. В этом случае лента используется максимально и ее отдача при воспроизведении длинных волн записи максимальна.
Однако, более глубокое проникновение и соответствующее расширение зоны в рабочем слое при записи коротких волн не увеличивает полезной намагниченности, а наоборот, из-за роста щелевых потерь и вследствие взаимодействия элементарных слоев и фонограмм с различными фазовыми сдвигами между векторами намагниченности, уменьшает ее.
Существенного уменьшения волновых потерь можно добиться, если ток подмагничивания регулировать в зависимости от спектрального состава записываемых сигналов. Этот принцип используется в так называемой системе динамического подмагничивания, в которой ток подмагничивания уменьшается при записи верхних звуковых частот и увеличивается при записи низких.
Рис.13.25. График зависимости остаточной намагниченности от амплитуды тока ВЧП для больших (а) и малых (б) длин волн
Решить эту проблему можно также путем изменения самой системы магнитной записи, при одновременной записи длинных волн звукового сигнала широким зазором, с достаточно большим подмагничиванием и коротких волн звукового сигнала узким зазором, с меньшим подмагничиванием. (При этом можно использовать либо одну специальную головку или две отдельные с указанными зазорами).
Обычно в магнитофонах, стремясь получить большую отдачу фонограммы и повысить отношение сигнала к шуму, устанавливают рабочий ток подмагничивания для длинных волн записи (для частоты 1000 Гц), т.е. запись происходит в неоптимальных для верхних частот условиях и волновые потери могут быть существенными.
Количественный расчет волновых потерь записи наталкивается на значительные трудности, связанные с необходимостью учитывать большое число различных факторов, а также с отсутствием математических соотношений, которые однозначно связывают выходной эффект тракта записи с характером воздействия и его параметрами. Проще получить такие зависимости экспериментально, что и реализуется на практике.
В отличии от записи, процесс воспроизведения является существенно линейным, поскольку он не связан с перемагничиванием магнитных материалов в относительно сильных полях. Поэтому нелинейные искажения при воспроизведении не возникают. В то же время велики волновые потери, анализом которых нам и предстоит сейчас заняться.
Для упрощения анализ будем производить на идеализированной модели воспроизводящей головки (рис.13.26).
Магнитная лента имеет рабочий слой толщиной d и начальной магнитной проницаемостью 0=1.Она намагничена однородно по толщине гармоническим сигналом, так, что остаточный поток: (13.16)
Рис.13.26. Модель тракта к расчету волновых
потерь
Будем считать, что головка, расположенная на расстоянии a от ленты, имеет бесконечную протяженность, а магнитная проницаемость ее сердечника . Задача состоит в определении магнитного потока, попадающего с ленты в сердечник головки.
Как уже отмечалось, тракт воспроизведения можно рассматривать как линейную систему и для его анализа применять методы теории линейных цепей. Входным воздействием при этом служит остаточный магнитный поток дорожки , откликом. искомый поток в сердечнике головки . В общем виде связь между и описывается выражением
-
,
(13.17)
являющееся аналогом интеграла Дюамеля для рассматриваемого случая. Здесь –функция чувствительности воспроизводящей головки, l–координата вдоль направления записи.
В силу линейности процесса преобразования воспроизводящая головка обладает функцией чувствительности , описываемой выражением, аналогичным выражению для напряженности поля в зазоре головки Так при ширине рабочего зазора 2 на расстоянии а от поверхности воспроизводящей головки ее функция чувствительности составляет
-
(13.18)
Отметим, что формула (5.3) позволяет количественно оценить влияние неконтакта на параметры магнитофона, рассмотренное в главе 2 чисто качественно (см. рис.2.4).Так, увеличение расстояния между головкой и сигналограммой (увеличение неконтакта) приводит к увеличению протяженности функции и, следовательно, к ухудшению разрешающей способности процесса воспроизведения.
Подставляя в (5.2) выражения для (5.1) и для (5.3), имеем
-
(13.19)
Выражение (5.4) устанавливает связь между потоком в головке и остаточным потоком дорожки. Из (5.4) видно, что поток в головке меньше потока дорожки в раз. Коэффициенты зависят от длины волны и поэтому потери, описываемые ими, являются волновыми.
Каждый из коэффициентов определяется каким- либо одним конструктивным фактором , поэтому носит название коэффициента щелевых потерь, – коэффициента контактных потерь, – коэффициента слойных потерь. Максимальное значение каждого из коэффициентов равно единице. Они не определяют максимальную величину воспроизводимого сигнала, а характеризуют различие в уровнях при воспроизведении сигналов с разной длиной волны.
Щелевые потери, описываемые коэффициентом , возникают из-за конечной ширины рабочего зазора воспроизводящей головки. График функции представлен на рис.13.27 . Из этого рисунка видно, что функция имеет периодический характер, причем, первый нуль (эдс воспроизведения равна нулю) появляется в том случае, когда длина волны записи равна ширине рабочего зазора.
2
Рис.13.27. График коэффициента щелевых потерь
Естественно, что сигнал при этом не может быть воспроизведен, так как разность магнитных потенциалов между полюсами головки равна нулю. Сказанное поясняет рис.13.28, на котором в весьма упрощенном виде показано распределение элементарных магнитов для: а) 2=,б) 2=1,5.
Рис.13.28. К вопросу о щелевых искажениях
про воспроизведении
Щелевые искажения существенно влияют на частотную характеристику магнитофона. Так, для магнитофона, в котором используется
головка воспроизведения с шириной рабочего зазора 5 мкм при скорости
движения носителя 4,76 см/сек., частота первого нуля отдачи составляет около 9,5 кГц.
Щелевые потери снижаются при уменьшении ширины рабочего зазора и при увеличении скорости движения ленты. Необходимо, чтобы максимальная частота, воспроизводимая магнитофоном была меньше частоты, на которой появляется первый нуль щелевой функции. Головку и скорость протяжки звуконосителя выбирают таким образом, чтобы щелевые потери на верхней рабочей частоте не превышали 4-6 дБ.
Расчет щелевых потерь производится по формуле:
-
,
(13.20)
где коэффициент 0,88 учитывает разницу между геометрической и эффективной шириной зазора.
Рассматривая процесс воспроизведения мы предположили, что головки записи и воспроизведения взаимопараллельны и перпендикулярны направлению движения магнитной ленты. Непараллельность зазора при воспроизведении приводит к увеличению ширины зазора и, тем самым, к появлению дополнительных волновых потерь, аналогичных щелевым. При наличии перекоса между зазорами головок (рис.13.29), потери могут быть учтены коэффициентом азимутальных потерь К.
-
,
(13.21)
где h - ширина дорожки записи;
- угол перекоса.
Рис.13.29. К вопросу о перекосе рабочего зазора
Расчет показывает, что при угле перекоса, равном 30 для магнитофона со скоростью протяжки 19,05 см/с на частоте 10 кГц потери перекоса при однодорожечной записи составляют около 20 дБ.
Появление контактных потерь связано с тем, что лента не прижата полностью к головке и поэтому только часть остаточного потока замыкается через сердечник головки и создает полезный эффект. Для пояснения частотной зависимости контактных потерь следует вернуться к рис.13.6. На основании этого рисунка мы раньше делали вывод о том, что чем дальше лента отстоит от головки, тем больше эффективная ширина зазора, что в свою очередь приводит к волновым потерям на верхних звуковых частотах.
Расчет контактных потерь может быть произведен по формуле:
-
(13.22)
При отдача ленты падает более чем в 500 раз по сравнению с воспроизведением при плотном контакте с головкой. Поскольку минимальная длина волны записи около 1 мкм, ясно, что контактные потери представляют собой источник значительных искажений воспроизводимого сигнала.
Физическую породу слойных потерь можно пояснить следующим образом. Представим себе, что рабочий слой носителя записи конечной толщины разбит на большое число тонких слоев. Каждый такой слой удален от головки на определенное расстояние и создает в сердечнике головки магнитный поток. Следовательно, для каждого элементарного слоя создаваемый им поток будет зависеть от того, на сколько он удален от головки. Мы можем рассматривать слойные потери как частный случай контактных потерь. Таким образом, чем толще рабочий слой ленты, тем больше различие между отдачей при воспроизведении сигналов с длинными и короткими волнами записи. Соответственно потери уменьшаются и абсолютное значение отдачи, что ухудшает отношение сигнал/шум.
Расчет слойных потерь, произведенный по формуле:
-
(13.23)
показывает, что при слойные потери снижают отдачу более чем в 30 раз.
Рассматривая амплитудно- волновую характеристику тракта воспроизведения, необходимо учитывать индукционный характер воспроизведения.
В соответствии с законом электромагнитной индукции ЭДС в головке определяется изменением остаточного магнитного потока
-
,
(13.24)
где n–число витков в обмотке головки.
Подставив (5.4) в (5.9), получим
-
(13.25)
Из последней формулы видно, что воспроизводимый сигнал пропорционален частоте записанного сигнала. Таким образом, даже для идеального процесса воспроизведения частотная характеристика имеет наклон 6 дБ на октаву. Однако, начиная с частот 11,5 кГц волновые потери превышают прирост напряжения за счет индукционного характера воспроизведения.
Результирующая амплитудно-волновая характеристика тракта воспроизведения представлена на рис.13.30.
Рис.13.30. Амплитудно-волновая характеристика тракта воспроизведения