Вероятно вы заметили общий подход к решению задачи, который существует в рассмотренных системах звукозаписи. Записанный звук во всех случаях фиксируется на движущемся звуконосителе. Сам процесс записи сводится к тому, чтобы изменить так или иначе физическое состояние звуконосителя в такт записываемым звуковым колебаниям. При механической записи на пластинку изменялась форма канавки, вырезаемой резцом в звуконосителе; при фотографической записи изменялась в конечном счете прозрачность пленки. Спрашивается, нельзя ли еще что-либо изменить в звуконосителе с целью фиксации на нем звука? Оказалось, что выбор здесь невелик. Ограничения определяются не принципиальными возможностями, а практическими удобствами и качеством получаемой записи.
Кроме рассмотренных механической и фотографической систем, развилась и используется еще только одна система — магнитная. В ней при записи изменяется степень намагничивания звуконосителя. Само собой разумеется, что звуконоситель для этой записи должен быть сделан из материала, способного хорошо намагничиваться и сохранять это состояние длительное время. Такие материалы называются ферромагнитными; наиболее широко известными из них являются различные стали.
На рис. 14 показана схема устройства аппарата для магнитной записи и воспроизведения звука.
Рис. 14. Схема магнитной записи и воспроизведения звука: 1 — микрофон; 2 — усилитель записи; 3 — записывающая головка; 4 — воспроизводящая головка; 5 — усилитель вое произведения; 6 — громкоговоритель; 7, 8 — катушки со стальной проволокой; 9 — стальная проволока.
Звуконоситель в виде тонкой стальной проволоки равномерно перематывается с левой катушки на правую. Намагничивание его осуществляется специальным электромагнитом (называемым записывающей головкой), подключенным на выход усилителя записи. Сердечник записывающей головки имеет форму кольца с зазором посередине (рис. 15).
Рис. 15. Магнитная головка.
Когда мы говорим перед микрофоном, усиленные микрофонные токи, протекая через обмотку головки записи, создадут в зазоре головки магнитное поле, изменения которого повторяют изменения звукового давления на мембрану микрофона. В результате звуконоситель намагничивается сильнее или-слабее в зависимости от того, какова в данный момент сила магнитного поля в зазоре. Таким образом, проволока, прошедшая записывающую головку, несет на себе звуковой след в форме переменной намагниченности различных ее участков. Намагниченное состояние звуконосителя обычно хорошо сохраняется в течение многих лет. В отличие от механической и фотографической систем в магнитной системе звуковой след не виден на глаз — проволоку с записью нельзя непосредственно отличить от проволоки без записи. Для опознавания следует ее погрузить в мелкие стальные опилки. Тогда только обнаружится намагниченность отдельных участков. К ним опилки прилипнут.
Для воспроизведения служит второй электромагнит (воспроизводящая головка). Намагниченная проволока с записью, соприкасаясь при своем движении с воспроизводящей головкой, возбуждает в ее обмотке электрические колебания подобно тому, как это происходит в динамомашине при вращении якоря. Сила и частота этих колебаний соответствуют записанным на проволоку звукам. Предварительно усилив их, мы сможем прослушать записанное через громкоговоритель.
Магнитная система звукозаписи обладает рядом интересных возможностей и особенностей. Например, оказывается возможным удалить запись со звуконосителя, если она нам почему-либо не нужна, т. е., как говорят, «стереть» старую запись так же, как мы стираем с бумаги карандашный рисунок. Для «стирания» записи надо или размагнитить звуконоситель на всех участках или же привести их в одинаково намагниченное состояние. Как это сделать, мы увидим дальше.
После стирания можно произвести новую запись. Это очень большое преимущество магнитной системы. Вспомним, что в фотографической системе кинопленка, после того, как на нее записали звук и ее проявили, безусловно, не может быть использована для новой записи. Нельзя также повторно использовать и целлулоидный или лаковый диск при механической системе. А ведь на практике не все записи оказываются хорошими, удачными. Случайная оговорка в речи, неверная нота при музыкальном исполнении безвозвратно губят звуконоситель. Особенно «накладны» такие порчи звуконосителя при любительской записи на дому. Во всех случаях магнитная система оказывается в выигрышном положении благодаря возможности повторно (и кстати отметим, практически неограниченное число раз) использовать звуконоситель.
Для каждой записи существенное значение имеет ее долговечность, т. е. сколько раз мы сможем ее воспроизвести без заметного ухудшения качества. Кому не знакомо шипящее и искаженное звучание заигранной граммпластинки? Да и при всех других формах механической системы малая износоустойчивость является неизбежным злом. Она вытекает из самого принципа воспроизведения этих записей — игла, двигаясь по канавкам, каждый раз все больше и больше разрушает их.
Казалось бы, в фотографической системе с износом все должно быть благополучно. Ведь луч света, просвечивающий пленку при воспроизведении, не царапает ее, как игла. Но и здесь, чем большее число раз мы воспроизводим пленку, тем сильнее прослушиваются шумы, трески и отдельные щелчки. Это можно заметить при просмотре в кинотеатре старого кинофильма. Износ записи на кинопленке объясняется тем, что из-за трения между отдельными слоями пленки в рулоне поверхность ее царапается. Пыль, попадающая в эти царапины, делает их непрозрачными. Каждая такая загрязненная царапина вызывает при прослушивании щелчок.
По степени износоустойчивости магнитная запись также имеет преимущество. Был проделан интересный опыт: склеили в кольцо запись, сделанную на узкой стальной ленточке и длительно воспроизводили ее. Оказалось, что даже после 500 000 проигрываний заметных искажений не было обнаружено. Воспроизводящая головка не разрушает звуконоситель — он свободно скользит при воспроизведении по ее рабочей поверхности. Пыль или другие случайные загрязнения не мешают магнитным силовым линиям перейти от звуконосителя в сердечник воспроизводящей головки и поэтому также не оказывают влияния.
Таково второе преимущество магнитной системы.
Практически ни в одной системе, кроме магнитной, нельзя определить качество записи (хорошо или плохо) до ее окончания. До этого момента ее нельзя прослушать. При фотографической системе, кроме того, надо еще дополнительно ждать, пока проявится пленка, а при производстве граммофонных пластинок по меньшей мере сутки уйдут на изготовление матрицы и прессование пластинки.
При магнитной звукозаписи не требуется производить какой- либо обработки звуконосителя. Запись готова сразу, моментально. И качество ее легко контролировать даже в процессе самой записи, ведя прослушивание хотя бы на телефонные трубки, включенные в усилитель воспроизведения. Так как воспроизводящая головка отстоит на некотором расстоянии от записывающей, мы услышим звук, записанный какую-то долю секунды назад. Отставание в контрольном прослушивании будет точно равно тому времени, которое требуется звуконосителю, чтобы пройти расстояние, отделяющее обе головки. Практически это отставание столь ничтожно, что его даже трудна заметить.
К достоинствам магнитной звукозаписи следует отнести также и то, что аппаратура отличается исключительной простотой в обслуживании. Запись на кинопленку и на диск требует большого навыка и опыта у оператора. От того, например, как установлен резец, хорошо ли подготовлен звуконоситель, зависит качество получающейся записи. Запись становится своего рода искусством. Иначе обстоит дело в магнитной звукозаписи: при ней научиться записывать или воспроизводить можно в несколько минут. Вся операция сводится к устанавливанию звуконосителя на аппарате и нажатию той или иной пусковой кнопки. Магнитная звукозапись может производиться в любых условиях: на ходу, на пароходе во время качки, на самолете во время боя. Она безотказна и надежна в работе. Аппаратуру можно разместить вдали от оператора, который будет управлять ею дистанционно, лишь изредка подходя, чтобы сменить звуконоситель.
Несмотря на все эти положительные свойства, магнитная система звукозаписи получила широкое практическое применение лишь за последние годы. Дело в том, что очень долго качество записи было низким. Потребовался длительный период настойчивых исследований и изысканий, значительная часть которых была проделана у нас в стране. Лишь сравнительно недавно два принципиальных новшества резко изменили положение: из третьесортной магнитная запись стала чуть ли не наилучшей по натуральности воспроизведения записанного звука. В сочетании со всеми ранее перечисленными достоинствами это послужило основанием для широкого применения ее в различных отраслях народного хозяйства, науки и техники. Такими новшествами явились: запись на порошкообразный звуконоситель (магнитную пленку) и так называемый высокочастотный режим записи. Разберем их по порядку.
Еще в период записи на стальную проволоку и ленту выяснилось, что применение звуконосителей с различными магнитными характеристиками существенно влияет на качество записи. Больше того, было выяснено, какие же характеристики нужны для звукозаписи. Они оказались совершенно не похожими на те, которые имеет сталь разных марок. Пробовали делать запись на различных сплавах, но и с ними практических успехов не добились. И вот оказалось, что близкие к искомым характеристики имеет коричневый порошок окиси железа, т. е., говоря упрощенно, железная ржавчина, Весьма тонкий слой ее (всего лишь 15–20 микрон) наносился с одной стороны на узкую, шириною 6,5 мм ацетилцеллюлозную ленточку, которая и служила звуконосителем. Так возникла магнитная пленка. Она используется в большинстве современных аппаратов магнитной звукозаписи. Пленка в них наматывается плотным рулоном, который нетрудно снять с аппарата. Для хранения рулон пленки вкладывают в картонный пакет (рис. 16).
Рис. 16. Рулон магнитной пленки, пакет для хранения ее.
Пленка удобна в работе, она легка и негорюча. При обрыве пленка хорошо клеится некоторыми специальными клеями, например, киноклеем. Это позволяет широко практиковать монтаж записи, т. е. соединение отдельных ее частей воедино путем склейки. Точно так же можно удалять, Вырезая ножницами, отдельные дефекты в записи — оговорки, посторонние шумы, щелчки и т. д.
Для сравнения напомним, что при стальной проволоке в качестве звуконосителя для соединения концов в случае обрыва требовался сварочный аппарат.
Магнитная пленка может хорошо и длительно сохраняться. Следует лишь оберегать ее ацетилцеллюлозную основу от высыхания, иначе пленка станет хрупкой и будет рваться при движении в аппарате. Правильные условия хранения ее сходны с принятыми в больших библиотеках и книгохранилищах. Требуется комнатная температура и несколько повышенная влажность воздуха (50–60 % относительной влажности). Следует также оберегать пленку от прямого воздействия солнечных лучей, сильных магнитных полей и резких механических сотрясений.
Тысячи прогонов пленки через аппарат практически не ухудшают ни ее, ни сделанной на ней записи. При этом, конечно, имеется в виду, что магнитные головки и стальные детали аппарата, с которыми соприкасается пленка при своем движении, не намагничены по какой-либо причине и пленке не наносятся механические повреждения из-за каких-либо неисправностей аппарата.
Работая с пленкой, надо следить, чтобы с головками сопри касалась ее рабочая сторона, т. е. та, на которую нанесен слой окиси железа. Она имеет матовый оттенок и легко отличима на глаз от нерабочей, глянцевой.
Вторым новшеством в магнитной записи, как уже говорилось, было введение особого высокочастотного режима записи. Для того, чтобы понять его особенности, следует иметь в виду, что в процессе записи звуконоситель всегда претерпевает целый цикл намагничиваний и перемагничиваний. Та или иная последовательность этих процессов и сам характер их и представляет собой то, что мы называем режимом записи.
В существующих аппаратах при записи движущийся звуконоситель прежде всего попадает под действие специального стирающего устройства. Назначение его — удалить возможные следы старых записей и соответственным образом подготовить звуконоситель к новой записи. Подобное стирающее устройство можно осуществить в виде сильного постоянного магнита, с полюсами которого соприкасается звуконоситель (рис. 17), или в виде специальной головки стирания, конструкция которой схожа с головками записи и воспроизведения и через обмотку которой пропускается постоянный ток (рис. 17).
Рис. 17. Стирание пленки постоянным магнитом и стирающей головкой.
И в том и в другом случае все участки звуконосителя, прошедшие стирание, будут одинаково намагничены. В таком состоянии звуконоситель подходит к головке записи. В ней оказалось выгодным пропускать через обмотку катушки, кроме тока звуковой частоты (которую мы записываем), еще и небольшой постоянный ток. Действие этого тока похоже на действие напряжения сеточного смещения в усилительной лампе. Оно, как известно, не участвуя в процессе усиления, устанавливает наивыгоднейший режим лампы, при котором усиление подведенных электрических колебаний протекает наиболее эффективно. Происходит, как говорят, «смещение» начальной рабочей точки в лучшую часть ламповой характеристики.
Аналогично при магнитной записи постоянный ток в записывающей головке устанавливает начальную рабочую точку на середину наивыгоднейшего (с точки зрения записи) участка характеристики намагничивания. По аналогии этот ток иногда называют током смещения (или током подмагничивания). Вышеописанный цикл намагничиваний и перемагничиваний характеризует собой тот режим записи, который получил условное название режима постоянного тока. Он был более ранним и применялся во всех аппаратах старой конструкции. Режим постоянного тока имеет два недостатка: значительные нелинейные искажения в записи и шум в паузах звучания. Суть нелинейных искажений заключается, как известно, в том, что искажается форма записываемых колебаний; при прослушивании это обнаруживается в виде характерных хрипов. Причиной появления подобных искажений в данном случае является непрямолинейность рабочего участка характеристики намагничивания, которую не удается устранить даже самым тщательным подбором начальной рабочей точки (т. е. подбором тока подмагничивания). Вся эта характеристика в целом имеет непрямолинейный характер.
Шум в паузах слышен вследствие того, что звуконоситель всегда, даже в паузах, намагничивается постоянными полями стирания и подмагничивания, которые во время записи никогда не выключаются. Беда в том, что это намагничивание неодинаково на различных участках звуконосителя из-за неоднородности последнего. При всех видах звуконосителя, будь, то стальная проволока или магнитная пленка, звуконоситель неоднороден как по своим размерам, так и по магнитным свойствам. На пленке, например, в одном месте может быть нанесен более толстый слой магнитного порошка, чем в другом. А раз звуконоситель намагничен неодинаково, он будет при соприкосновении с сердечником воспроизводящей головки вызывать в нем пульсации магнитного потока, а в обмотке катушки соответственные электрические напряжения. Будучи усилены, они и создадут в громкоговорителе шум в виде шорохов, отдельных щелчков, тресков и т. д.
Все эти недостатки исключены при высокочастотном режиме записи. Суть его заключается в том, что вместо постоянного тока в головку записи подают, кроме тока записываемой звуковой частоты, ток высокой частоты (40–50 тысяч колебаний в секунду). Такая высокая частота сама на пленку не записывается, но благоприятно действует на нее, выпрямляя характеристику намагничивания. При правильно подобранном значении высокочастотного тока (как говорят, при оптимальном токе подмагничивания) эта характеристика становится почти совершенно прямолинейной. В результате звуковые колебания записываются с весьма малыми искажениями. Так как в паузах записи через обмотку записывающей головки проходит только ток высокой частоты, который, как мы сказали, не оставляет следа на звуконосителе, последний не намагничивается и его неоднородности не проявляются в виде шума.
Для нормального протекания высокочастотного режима необходимо, чтобы звуконоситель подходил к записывающей головке в размагниченном состоянии. Это должно обеспечиваться предшествующим процессом стирания. Такое стирание производится стирающей головкой, питаемой также током высокой частоты. Обычно этот ток получается от того же лампового генератора, что и ток подмагничивания, но по своей величине значительно превышает его. Магнитное поле стирающей головки меняется с частотой питающего тока. Звуконоситель претерпевает при своем движении около этой головки большое число перемагничиваний в ту и другую сторону. Самое сильное поле — в середине рабочего зазора головки. Там звуконоситель несколько раз (то в одном, то в другом направлении) намагничивается до насыщения и теряет при этом всякие следы старой записи, если таковая на нем существовала. Пройдя середину зазора, звуконоситель попадает в спадающее поле. Размах перемагничиваний ослабевает, уменьшаясь до нуля. В итоге со звуконосителя не только «стерта» старая запись, но и достигнута полная размагниченность.
Хотя высокочастотный режим записи и более сложен, так как требует специального лампового генератора, его сейчас повсеместно применяют в аппаратуре в силу присущих ему высоких качеств записи.
Режим постоянного тока имеет смысл использовать лишь в легкой переносной аппаратуре, где желательно сократить расход источников питания.