Создание архивов данных.

Системой записи сигналов называется совокупность различных способов записи, имеющих общую сущность основных физических процессов. По такому классификационному признаку можно выделить следующие наиболее часто встречающиеся системы записи сигналов

1. Механическая система. Ее отличительной особенностью является то, что в процессе нанесения сигналограммы носитель подвергается механическому воздействию специальными резцами (либо иным способом). В результате такого воздействия на носителе (обычно дисковом) остается рельефный след. Самым типичным представителем механической системы записи является электрофон с граммофонной пластинкой.

2. Магнитная система. Основным физическим процессом, определяющим название данной системы, является процесс намагничивания отдельных участков носителя, покрытого тонким слоем магнитного материала. При этом интенсивность и полярность намагничивания соответствует записываемому сигналу. Эта система включает в себя большое разнообразие устройств магнитной записи, используемых как для бытовых целей, так и в вычислительной и иной специальной технике. Типичным представителем магнитной системы записи является магнитофон.

3. Оптическая система. Все устройства данной системы объединены тем обстоятельством, что на носитель записи производится воздействие сфокусированным специальными объективами мощным лазерным лучом, который изменяет либо коэффициент отражения носителя, либо его прозрачность. С помощью луча лазера меньшей мощности и фотоприемника эта информация может быть прочитана и восстановлена. Самым распространенным представителем такой системы является проигрыватель лазерных компакт-дисков Устройства данной системы используются также в вычислительной технике и для записи видеопрограмм. Эта система записи является в настоящее время наиболее интенсивно развивающейся и перспективной в силу высоких качественных показателей устройств, выполненных на ее основе.

4. Фотографическая система. Основой физических процессов, используемой в устройствах фотографической записи информации, является чувствительность некоторых химических веществ к свету. Из таких веществ наиболее распространенным является азотнокислое серебро. Под воздействием света в кристаллах азотнокислого серебра происходит скрытое (невидимое) изменение, которое может храниться в таком виде долгое время и превращается в видимое изображение в процессе химической реакции проявления. При этом выделяется чистое атомарное серебро, дающее на пленке (пластинке, бумаге) черный цвет. В цветных фоточувствительных материалах имеется три светочувствительных слоя (к красным, зеленым и синим лучам) и соответственно в процессе проявления образуются красители, а серебро удаляется специальными химическими растворами. При этом на пленке остается чисто цветное изображение в дополнительных цветах (негатив). Затем повторной засветкой другой пленки и проявлением получают позитивное окончательное изображение. Наиболее типичным представителем фотографической системы записи информации является кино. На кинопленке содержится как визуальная информация в виде отдельных кадров изображения, так и звуковое сопровождение в виде специальной звуковой дорожки.

Кроме важнейшего классификационного признака, рассмотренного выше, существуют и другие признаки, отличающие друг от друга различные устройства для записи и воспроизведения информации. Рассмотрим один из них, наиболее важный. Речь идет об аналоговых и цифровых устройствах записи. В аналоговых устройствах изменение физических параметров носителя информации происходит по закону, определяемому формой записываемого сигнала. Можно сказать, что состояние носителя записи как бы «копирует» закон изменения копируемого сигнала. Так, на грампластинке можно буквально видеть звуковую дорожку, вырезанную резцом по закону звукового сигнала.

В цифровых устройствах записи сигналов на носитель наносится импульсная последовательность, полученная путем сложного преобразования исходного сигнала в последовательность «нулей» и «единиц». При этом кроме самого исходного сигнала в этой цифровой последовательности содержится дополнительная информация, вводимая туда по определенным алгоритмам с целью повышения помехозащищенности. Прочесть и восстановить информацию можно только на специальной аппаратуре, которая намного сложнее и дороже соответствующей аппаратуры аналоговой записи.

Независимо от классификационных признаков любое устройство записи и воспроизведения можно отобразить функциональной схемой, показанной на рис. 1.

Информация от источника поступает на преобразователь Пр. 1. Пусть, например, имеется в виду аналоговый звуковой магнитофон. Тогда на преобразователь Пр. 1 поступает звук в виде акустических воли, а сам преобразователь - обычный микрофон. Он преобразует сигналы звукового давления в электрические сигналы (напряжение), которые поступают на преобразователь Пр. 2. Данный преобразователь преобразует сигнал (напряжение) в параметр 1 (магнитный поток в головке записи), и данный поток намагничивает носитель (магнитную пленку). На этом заканчивается процесс записи. При воспроизведении параметр 2 (магнитный поток в элементе носителя) преобразуется воспроизводящей головкой Пр. 3 в сигнал (напряжение или ток), который через устройство отображения (усилитель плюс акустическая система) поступает а виде звуковых волн к слушателю (потребителю).

Рис 1

Разновидность систем и устройств записи - воспроизведения в схеме рис. I будет отображаться на физическом содержании каждого элемента схемы. Например, может быть другой носитель (не магнитный), могут быть другие преобразователи, но структура в целом останется той же самой.

1. СИСТЕМА МЕХАНИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

1.1. ГРАМПЛАСТИНКИ

Первой информацией, которую удалось записать с последующим воспроизведением, была звуковая. Несмотря на наличие книгопечати и нотной грамоты для записи музыки, желание услышать запечатленный ранее звук давно будоражило техническую мысль изобретателей. Но лишь в 1877 году французский инженер Ш. Кро запатентовал идею механической записи звука на вращающийся диск с последующим его воспроизведением. Первый практически работающий аппарат-фонограф был разработан и изготовлен американским изобретателем Эдисоном в том же 1877 году. Вместо диска здесь использовался барабан, обвернутый оловянной фольгой. Другим отличием от идеи Ш. Кро было то, что фонограмма наносилась не поперечным царапаньем по поверхности диска, а выдавливанием по радиусу барабана. В течение 11 лет было разработано много различных конструкций, использующих для нанесения фонограммы валики или барабаны. Однако все они имели один очень серьезный недостаток: сложность массового тиражирования, отчего так и не нашли широкого распространения.

Первая граммофонная пластинка, очень напоминающая современную, появилась в 1888 году. Ее изготовил Берлинер в виде диска из целлулоида, который им же в 1889 году был заменен пластмассой из шеллака, шпата и сажи. Глубинная запись была отвергнута и осталась только поперечная. Если не считать произошедшего за сто лет снижения скорости вращения пластинок, использования иных пластмасс и стереофонических записей, то, в сущности, пластинка Берлинера работает до сих пор. На рис. 2 показан фрагмент сечения граммофонной пластинки.

Рис 2

На рис. 2 обозначено: t — шаг звуковой дорожки; a - ширина звуковой канавки; b - поле звуковой дорожки; g - угол раскрытия канавки; h - глубина канавки.

Отметим достоинства грамзаписи, обеспечивающие ей такую долгую жизнь:

1) высокая производительность массового тиражирования;

2) надежность хранения оригинала в металлических дисках;

3) легкость перехода при проигрывании с одного участка пластинки на любой другой;

4) простота и сравнительная дешевизна проигрывающей аппаратуры.

Вместе с тем грамзапись не лишена и недостатков. Основные из них:

1) быстрый износ фонограмм;

2) невозможность стирания и перезаписи;

3) невозможность монтажа фонограмм;

4) трудность осуществления записи в домашних условиях, например, по сравнению с магнитофоном.

До 1924 года запись велась исключительно акустическим способом, т.е. для перемещения записывающего резца (иглы) использовалась напрямую энергия звуковых волн. Записи были очень некачественными, полоса записываемых частот - в пределах 150...4000 Гц. Наблюдались значительные нелинейные искажения из-за явлений механических резонансов и перегрузок..

После 1924 года для записи стали использовать микрофоны с последующим усилением сигнала электронными усилителями. Полоса частот расширилась (50.. .10000 Гц), резко снизились нелинейные и частотные искажения.

В последующие десятилетия, вплоть до сегодняшних дней, в грамзаписи были введены две существенные новые идеи, улучшающие технические характеристики, но не отвергающие общих принципов грамзаписи:

- стерео и квадрофония;

- переменный шаг записи в «долгопроигрывающих» пластинках.

Идея переменного шага звуковой дорожки (рис. 2) проста и понятна: уменьшить площадь пластинки, на которой не записана информация (свободное поле «6»). В пластинках с постоянным шагом записи величина t постоянна и не зависит от громкости звучания. Она рассчитана так, чтобы при максимальной амплитуде колебаний записывающего резца дорожки не перекрывались, для чего и нужно пустое пространство «b» на пластинке. Но тогда при средней и малой громкости получаются большие пустые пробелы, и площадь пластинки используется неэффективно.

Переменный шаг записи был запатентован английской фирмой «Колумбия» в 1930 году, но до практической реализации дело дошло лишь в 1952 году. При этом эффективность использования площади пластинки возросла примерно на 25 %.

Достигается это тем, что на двигатель, перемещающий каретку записывающего резца по радиусу диска, подается сумма напряжений: начального напряжения от источника питания U₁. и напряжения U₂, получаемого путем усиления напряжения с магнитной головки Г₁ (рис. 3).

Рис 3

В нижней части рисунка показан условно магнитофон, с которого считывается фонограмма на грамзапись. С головки Г₂ сигнал через усилитель поступает на вибратор резца. С головки Г₁ сигнал берется с упреждением по времени за счет длины участка ленты. Обычно упреждение составляет от 0,5 до 1,0 оборота диска.

При слабом сигнале фонограммы напряжение U₂ мало и питание двигателя 3 напряжением U₁ дает малое значение шага звуковой дорожки. Если громкость фонограммы возрастает, то первой это зафиксирует головка Г₁ и до прихода этого фрагмента фонограммы до головки записи Г₂ двигатель 3 через редуктор 2 успеет развести дорожки на большее расстояние. При снижении громкости сигнал (U₂ уменьшится и шаг дорожки вновь сократится.

Внедрение этого способа экономии площади пластинок произошло с появлением так называемых «долгоиграющих» пластинок, когда появилась потребность довести время звучания до 25...30 минут. В СССР и России пластинки с переменным шагом дорожки выпускаются с 1956 года.

1,2. СТЕРЕОФОНИЧЕСКИЕ ГРАМПЛАСТИНКИ

В разное время различными фирмами грамзаписи прорабатывались три идеи технической реализации стереозаписи.

1. Запись левого и правого каналов по двум независимым канавкам на разных сторонах пластинки.

2.Запись в одной канавке с механическими способами разделения каналов:

а) один канал пишется за счет глубинного перемещения резца, другой - за счет поперечного;

б) один канал пишется на одной стороне канавки, а второй на другой. При этом канавки имеют угол раскрытия 90 градусов.

3. Запись в одной канавке с частотным разделением каналов (0 . 12 кГ ц) и (13...25 кГц).

В результате наилучшим оказался вариант 2б, где обеспечивалась совместимость проигрывания как моно, так и стереопластинок, не требовалось усложнения механической и электрической части проигрывателя.

Для обеспечения развязки между каналами записывающий резец и воспроизводящая игла должны двигаться так, чтобы смещение их по левому и правому каналам происходило под углом 90 градусов (рис. 4).

Рис. 4

КВАДРОФОНИЧЕСКИЕ ГРАМПЛАСТИНКИ

Основная цель разработчиков квадрофонической записи на грампластинку - улучшить качество воспроизведения, приблизив звучание к натуральному звучанию в концертном зале. Квадро - значит четыре. При этом запись ведется с четырех микрофонов, расположенных как бы «вокруг» слушателя. Соответственно располагаются и акустические системы при воспроизведении, (рис. 5).

На рис. 5 обозначено: L_f и R_f - передние левый и правый каналы;

L_a и R_a - задние левый и правый каналы.

Если проблема записи четырех независимых каналов в магнитофоне решается просто (четыре дорожки на ленте), то в грампластинке это представляет большие сложности. После многолетних работ в этой области более жизнеспособными оказались две системы записи: CD - 4 и SQ. Обе эти системы смогли выдержать конкурентную борьбу только потому, что их разработчикам удалось разместить информацию от четырех каналов в одной звуковой канавке (как в стереопластинках).

Система CD — 4 разработана японской фирмой JVC в 1970 году. Здесь использована идея разделения канавок под углом 90 градусов, как в стереопластинках, но на каждой стороне канавки записывается два сигнала: один - на звуковых частотах, другой - на поднесущей частоте, т.е. с гетеродинированием вверх. Спектральная характеристика записываемых сигналов на одной стороне звуковой канавки приведена на рис. 6.

Рис. 6

Достоинством такой системы является хорошее разделение всех четырех каналов (развязка не хуже, чем в стереопластинках). Недостатками являются высокие требования к звукоснимателям (диапазон воспроизведения частот от 20 Гц до 45 кГц) и усложненной схемой обработки сигнала после звукоснимателя.

Система SQ разработана фирмой CBS (США) в 1971 году. Существенным отличием от системы CD- 4 является то, что диапазон записываемых частот не выходит за рамки звуковых, запись производится на две стороны звуковой канавки, как в стереопластинках, но сигнал, подающийся на запись, формируется последующему алгоритму:

Здесь L и R - сигналы, записываемые на левую и правую стороны звуковой канавки; L_f , R_f , L_a и R_a - — по обозначениям рис. 5.

Алгоритмы (1) реализуются кодирующей матрицей рис. 7,а. Восстановление сигналов четырех каналов при воспроизведении квадрозаписи осуществляется с помощью декодирующей матрицы рис. 7,6.

Рис. 7

В связи с наличием фазосдвигающих цепей в кодирующей матрице игла в звуковой канавке производит движения не только под углом ±45 градусов, но и винтообразные движения по стенкам канавки, причем в разные стороны. Достоинством системы является то, что используется простой звукосниматель, как в обычной стереозаписи, нет необходимости в переносе спектров частот двух каналов.

Недостатком системы является слабая развязка задних каналов.

Потребность в консервации (записи) телевизионных программ возникла практически одновременно с появлением телевизионного вещания. Однако решена она была далеко не сразу. Особенно трудно было разработать аппаратуру для домашнего пользования. Несмотря на то, что разработка систем магнитной видеозаписи велась с середины 50-х годов, эти студийные видеомагнитофоны были совершенно непригодны для домашнего использования. Поэтому ряд фирм занялся разработкой видеопластинок и видеопроигрывателей. Из них более или менее удачными, оставившими заметный след в истории видеозаписи, являются три разработки.

Лекция 2

TED (ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ ДИСК)

Совместная разработка английской фирмы «DecKa'» и западногерманской фирмы «Telefunken» (1970 год). Это полностью механическая видеопластинка. Конечно, не могло быть и речи о попытке записывать частоты с полосой несколько мегагерц теми же способами, что и звук. Никакая игла даже самого миниатюрного звукоснимателя не сможет механически копировать изгибы звуковой канавки с такой скоростью. Поэтому была предложена очень оригинальная идея. Использовалась частотная модуляция, причем отпечаток информации на пластинке представлял собой гребни одинаковой высоты, расстояние между которыми и являлось носителем информации. Для снятия информации была разработана совершенно уникальная конструкция, чувствительным элементом которой являлся датчик из пьезокерамики (рис. 8).

Как можно заметить на рис. 8, алмазная игла специальной формы плавно надвигается на очередной зубец видеозаписи, а затем резко соскакивает с задней вертикальной грани зубца. Именно в этот момент пьезокерамика испытывает микроудар и формирует импульсный электрический сигнал, снятие которого с нее не представляет собой проблемы. Последовательность таких импульсов, модулированных по периоду следования, и несет в себе информацию о сигнале, записанном на пластинке.

Несмотря на уникальность разработки, качество изображения и потребительские свойства пластинки были невысоки. Длительность записи - 15 минут. Четкость изображения низкая, определяется полосой частот записи изображения (2,8...4,2 МГц). Звук записывался на поднесущей частоте 1,07 МГц с девиацией ±50 кГц, Глубина канавки записи составляла 0,5 мкм при угле раскрытия 150 градусов и плотности размещения канавки 280 l/мм. Такие размеры канавки делали устройство очень чувствительным ко всем факторам физического воздействия (толчки, пылинки на пластинке и т.п.). Поггому широкого распространения такие устройства не получили.

1.4.2. ВИДЕОДИСК ФИРМЫ RCA (США)

Этот диск.и устройство для его проигрывания были разработаны в 1972 году и не являются чисто механическим устройством. Хотя штамповка пластинок в конечном этапе механическая, способ съема информации носит совсем немеханический характер. Используемый датчик является емкостным. Сигнал звука и изображения, сформированные примерно так же, как и в предыдущем случае, представлены в виде углублений (питов), частота следования которых и несет информацию о записанном сигнале.

На рис 9,а показан фрагмент пластинки с иглой над ним, а на рис. 9,6 ■ в увеличенном изображении емкостной датчик иглы.

Рис 9

Питы (рис, 9,а) формируются вдоль мелкой ^-образной канавки в виде углублений в диске из токопроводящего хлорвинила. Работа датчика (рис 9,6) основана на изменении емкости между корпусом пластинки и металлическим слоем, напыленным на торец иглы. Когда торец иглы находится над питом (углублением), емкость уменьшается, а когда над гладкой поверхностью пластинки - емкость увеличивается. Поскольку в питах записана информация с ЧМ, емкость датчика будет изменяться по закону модулирующего сигнала. Для извлечения информации в ее исходном виде изменения емкости датчика преобразуются в изменение резонансной частоты колебательного контура, включенного как коллекторная нагрузка некоего резонансного усилителя, возбуждаемого постоянной частотой 915 МГц. Частота колебательного контура располагается в районе 910 МГц и изменяется под воздействием емкостного датчика. Поскольку частоты не совпадают, усиление происходит на скате резонансной характеристики контура и частотная модуляция превращается в амплитудную за счет изменения эквивалентного резонансного сопротивления контура.

Данный видеодиск имел лучшие характеристики по сравнению с описанным ранее диском TED за счет того, что отпала необходимость в создании механической вибрации иглы. Это позволило сократить размеры питов и увеличить информационную емкость пластинки. Однако принцип контакта иглы с пластинкой (диском) оставался прежним - игла двигалась по выемке в пластинке и удерживалась в ней чисто механически. При таком способе удержания иглы возможности по сокращению поперечных размеров дорожки записи весьма ограничены.

1.4.2. ДИСК ФИРМЫ VHD

В начале 70-х годов фирмой VHD (США) был выпущен видеодиск, очень напоминающий описанный выше, но без направляющей дорожки. Питы нанесены на абсолютно гладкую поверхность диска, а удержание головки емкостного датчика на информационной дорожке осуществляется через электронные датчики быстродействующим электромагнитным двигателем. Для этого на диске, кроме информационных питов, в междорожечные промежутки записываются «длинные» питы сравнительно низких, причем разных частот f₁ и f₂. Эти частоты лежат вне спектра информационного сигнала, поэтому легко селектируются узкополосными фильтрами и поступают на устройство автоматического регулирования положения головки емкостного датчика.

Принцип управления основан на сравнении амплитуд сигналов с частотами f₁ и f₂. Если амплитуды равны, значит, датчик находится в центре информационной дорожки и перемещать его не нужно. Если амплитуды отличаются в ту или иную стороны, происходит выработка управляющего воздействия на регулятор и ошибка исправляется.

Технические характеристики видеодиска VHD были сравнительно неплохи. Во всяком случае, длительность проигрывания обеих сторон пластинки достигала 2 часов. Однако эпоха видеодисков была закончена. Появившиеся в конце 70-х годов бытовые видеомагнитофоны, а затем оптические видеодиски очень быстро вытеснили все виды видеопластинок. Однако усилия разработчиков видеопластинок не пропали даром. Многие идеи и технические решения, найденные в процессе их разработки, использовались и используются в других областях техники. В частности, идея управления головкой емкостного датчика использовалась в видеомагнитофонах при создании устройства автотрекинга, удерживающего магнитную головку на строке видеозаписи.

МИКРОФОНЫ И ЗВУКОСНИМАТЕЛИ

Оба типа указанных электрических приборов предназначены для преобразования механических колебаний в электрические. Отличие состоит в том, что микрофоны преобразуют колебания воздуха, а звукосниматели - колебания воспроизводящей иглы.

МИКРОФОНЫ

По устройству и принципу действия все микрофоны делятся: на индукционные, конденсаторные, пьезоэлектрические, электромагнитные, угольные.

ИНДУКЦИОННЫЕ МИКРОФОНЫ

Индукционные микрофоны, в свою очередь, бывают динамические (катушечные) и ленточные. Объединяет их то, что принцип работы основан на использовании явления электромагнитной индукции, открытого М. Фарадеем в 1831 году. Суть его состоит в том, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, генерируется электрический ток. Отличает эти микрофоны то, что в катушечных микрофонах проводник представляет собой тероидальную катушку из тонкого провода, а в ленточных - миниатюрную ленточку из тонкой металлической фольги.

И в том и в другом случае используется магнитное поле постоянного магнита. Схематически устройство индукционных микрофонов представлено на рис. 10,а и 10,б, где слева - катушечный микрофон, а справа ленточный. Как видно из рис. 10,а, в катушечном микрофоне функции колебательной системы и проводника разнесены. В качестве колебательной системы используется диафрагма из тонкого эластичного материала, по краям которой закреплена катушка, погруженная в кольцевой вырез в постоянном магните. Все это выполнено с использованием миниатюрных пружинных и иных подвесов, требует бережного обращения, а сборка такого микрофона - поистине ювелирная работа. Поскольку провод катушки имеет достаточную длину и очень малый диаметр, сопротивление катушечных микрофонов составляет от нескольких сотен ома до нескольких кОм. Это хорошо согласуется с большинством усилительных электронных приборов. Такие микрофоны имеют достаточно большой уровень сигнала и в повышающих трансформаторах не нуждаются. К недостаткам катушечных микрофонов относится трудность получения частотной характеристики, равномерной во всем частотном диапазоне, из-за ощутимой массы катушки и различных резонансных явлений в конструкции. Естественно, будучи магнитными, эти микрофоны (как и ленточные) очень чувствительны к переменным магнитным полям, что требует конструктивных специальных мер защиты.

В ленточном микрофоне (рис. 10,5) функции колебательной системы и проводника, движущегося в магнитном поле, совмещены в полоске фольги (ленточке). Это порождает главный недостаток ленточных микрофонов: длина ленточки небольшая, а следовательно, у такого микрофона низкое выходное сопротивление и малый уровень индуцированного напряжения. Поэтому такие микрофоны всегда используются совместно с выходным повышающим трансформатором, что отмечено на рис. 10,6.

Рис 10

Технические характеристики индукционных микрофонов

Основными характеристиками являются: диапазон рабочих частот f_н ~ f_в (Гц, кГц); неравномерность АЧХ в диапазоне частот, дБ; чувствительность, мВ/Па; уровень шумов.

Последние две характеристики нуждаются в некотором пояснении. Паскаль - единица звукового давления, равная: 1 Па = 1 Н/м = 10 дин/см² = 0,102 кгс/м² = 10‘⁵ бар = 7,5 -10^-3 мм рт. ст.

За порог слышимости человеческого уха принята величина звукового давления, равная 2 10^-5 паскаля: Р₀ = 2 10^-5 Па.

Уровень звукового давления в децибелах: N=20 ln Р/Р₀. Максимум звукового давления, которое может выдержать без разрушения человеческое ухо, составляет около 10³ Па, что соответствует 160 дБ относительно порога слышимости. Поскольку атмосферное давление составляет 10⁵ Па, самый громкий звук дает переменную составляющую атмосферного давления порядка 1%. Чувствительность большинства индукционных микрофонов составляет единицы милливольт на паскаль. Тогда на пороге слышимости 2 10^-5 Па выходное напряжение микрофона будет на уровне сотых долей микровольта. К сожалению, это нереально, и прежде всего в том смысле, что это напряжение утонет в шумах. Основным источником шумов индукционных микрофонов является воздействие переменных магнитных полей, особенно промышленной частоты 50 Гц. Поэтому в справочных данных на индукционный микрофон уровень шумов характеризуется следующим образом: уровень эквивалентного звукового давления 2-10^-5 Па, обусловленный воздействием на микрофон переменного магнитного поля 50 Гц напряженностью 0,08 А/м, не более N₁ дБ. Для лучших микрофонов этот показатель N₁ составляет 12... 15 дБ. Это очень хороший показатель, так как позволяет иметь динамический диапазон 140. ..145 дБ. К сожалению, напряженность поля 50 Гц величиной 0,08 А/м обеспечивается далеко не в каждом помещении. Обычно она значительно выше из-за того, что все современные здания буквально опутаны токонесущими проводами промышленной частоты,

В качестве примера индукционного динамического микрофона можно привести микрофон МД - 85 А с параметрами:

-диапазон частот 50. .16000 Гц при неравномерности АЧХ до 18 дБ; чувствительность 2,2 мВ/Па;

- показатель внутренних шумов = 15 дБ;

- выходное сопротивление = 200 Ом;

- габариты: диаметр 51 мм, длина 180 мм;

- масса 0,18 кг.

2.1.2. КОНДЕНСАТОРНЫЕ МИКРОФОНЫ

Принцип работы основан на том, что если у конденсатора, обладающего запасом энергии электрического поля, изменить емкость, то на нем будет изменяться напряжение. Емкость меняют очень просто: одной из обкладок конденсатора делают мембрану микрофона, которая колеблется под воздействием звукового давления относительно другой, неподвижной обкладки конденсатора. Схема включения конденсаторного микрофона приведена на рис. 11. Здесь С₁ - переменная емкость, изменяющаяся под воздействием звукового давления; С₂ - разделительный конденсатор.

Рис 11

Конденсатор Сі через высокоомный резистор R₁, заряжается от источника постоянного напряжения. При изменении емкости переменная составляющая напряжения на конденсаторе С₂ порождает ток, который на нагрузке R_н дает выходное напряжение микрофона Uвых.

Схема рис, 11 имеет существенный недостаток: необходим источник напряжения для питания микрофона. Этот источник должен быть именно батареей или аккумулятором, так как питать микрофон выпрямленным напряжением промышленной частоты нельзя из-за очень высоких требований к пульсации этого напряжения.

Кроме конденсаторных микрофонов с внешним питанием, существуют микрофоны и с внутренним питанием, в качестве которого используются электреты Электреты - это поляризованные диэлектрики, длительно сохраняющие электрический заряд. Идея поляризации диэлектрика на длительное время принадлежит М. Фарадею (1838 г.). Однако реально первый поляризованный диэлектрик был изготовлен в 1922 году японским ученым Угучи, который смешал равные части карнаубского воска и смолы, расплавил эту смесь и в течение 12 часов охлаждал ее в сильном электрическом поле (11 кВ/см). Сейчас существуют и другие рецепты получения электрет. Схема включения электреты в состав микрофона показана на рис. 12.

Отрицательный заряд с правой грани электреты попадает через резистор R на мембрану, в результате между мембраной и пластиной электреты образуется конденсатор, емкость которого начинает меняться под воздействием на мембрану (левая обкладка конденсатора) акустических волн.

Рис. 12

Качественные характеристики конденсаторных микрофонов очень высокие. Например, микрофон МК-012 - высококачественный конденсаторный микрофон для концертных залов и телестудий - имеет характеристики:

- диапазон частот 20 Гц - 20 КГц с неравномерностью АЧХ не более ± 1,5 дБ;

- чувствительность около 10 мВ/Па;

- динамический диапазон 140 дБ;

- коэффициент гармоник менее 0,5 %.

Эти микрофоны нечувствительны к магнитным полям, и их шумы обусловлены сравнительно высоким сопротивлением и наводками на элементы конструкции от переменных электрических полей. Динамический диапазон 140 дБ намного превышает динамический диапазон лучшего симфонического оркестра, звучащего в зале с безупречной акустикой и звукоизоляцией. Поэтому лучшие микрофоны из известных на сегодняшний день - это микрофоны конденсаторные.

2.1.3. пьезоэлектрические МИКРОФОНЫ

Принцип их действия основан на пьезоэффекте, когда под механическим воздействием на гранях пластинки, обладающей пьезоэффектом, возникает напряжение. Наибольшим пьезоэффектом обладают кристаллы сегнетовой соли.

В основном пьезоэлектрические микрофоны используются в слуховых аппаратах Они имеют низкие качественные показатели, высокое внутреннее сопротивление со значительной емкостной составляющей.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МИКРОФОНЫ

Принцип действия основан на том, что к мембране крепится якорь из мягкой стали, который колеблется в зазоре постоянного магнита и тем самым изменяет величину магнитного потока. Вокруг магнитопровода с изменяющимся магнитным потоком наматывается катушка, с которой и снимается выходное напряжение микрофона. В связи со значительной массой якоря частотная характеристика узкая, с большой неравномерностью с высоким уровнем шумов. Достоинство состоит в том, что такой микрофон имеет обратное действие, т.е. может работать как телефон. Используется в основном в телефонных аппаратах высокого качества.

УГОЛЬНЫЕ МИКРОФОНЫ

В этих микрофонах используется свойство угольного порошка изменять омическое сопротивление в зависимости от степени сжатия зерен. Обладают низким сопротивлением, очень узкой полосой рабочих частот и высоким уровнем шумов. Достоинством является очень высокая чувствительность. Используется в ординарных телефонных аппаратах для линий связи невысокого качества.

ЗВУКОСНИМАТЕЛИ

Назначение звукоснимателей - преобразование информации, записанной в виде фонограммы на пластинке (диске), в электрический сигнал.

По своим свойствам и принципу устройства все звукосниматели делятся на скоростные и амплитудные.

Скоростные звукосниматели еще называют магнитными. Принцип их работы состоит в том, что колеблющаяся игла звукоснимателя изменяет магнитное сопротивление магнитопровода постоянного магнита и тем самым изменяет магнитный поток в катушках, надетых на магнитопровод. В результате в катушках индуцируется ЭДС;

где У - колебательная скорость иглы;

Ф - магнитный поток в катушке;

п - число витков катушки.

На рис. 13 схематично представлено устройство магнитного звукоснимателя. Рис. 13,а - вид сбоку, рис. 13,6- вид спереди.

На рис. 13 обозначено: 1 - постоянный магнит; 2 - магнитопровод из магнитомягкого материала; 3 - иглодержатель из магнитомягкого материала: 4 - катушки; 5 - игла звуко- 5 снимателя.

Фрагменты магнитопровода, на которых расположены катушки, сходятся к иглодержателю под углом 90°, но не касаются его, а имеют воздушные зазоры. При колебании иглы зазоры меняются и магнитный поток в катушке меняется. Рис. 13 предполагает звукосниматель стереопластиики, поэтому движение иглодержателя по оси А-А"относится к одному каналу, а по оси У-У' - к другому. В частности, если игла движется только по оси Х-Х\ можно считать, что зазор между иглодержателем и правым фрагментом магнитопровода меняется, а другой зазор остается постоянным. Тогда в правой катушке будет наводиться ЭДС, а в левой - нет. В реальных условиях запись имеется в обоих каналах, поэтому оба зазора меняются, и происходит воспроизведение сигнала и левого и правого каналов. Рассмотренная конструкция магнитного звукоснимателя отличается тем, что катушки неподвижны. В динамических магнитных звукоснимателях миниатюрные катушки вместе с иглодержателем колеблются в поле постоянного магнита, и в них наводится ЭДС. Из-за малой массы и малого числа витков чувствительность таких звукоснимателей низкая.

Общим свойством магнитных звукоснимателей является широкий диапазон воспроизводимых частот при сравнительно равномерной частотной характеристике и высокая гибкость, что уменьшает износ пластинки.

Амплитудные звукосниматели делятся на пьезоэлектрические, полупроводниковые, фотоэлектрические и емкостные. Их отличительной особенностью от магнитных является то, что вырабатываемая ими ЭДС пропорциональна отклонению иглы, а не скорости этого отклонения.

В полупроводниковых звукоснимателях используется эффект изменения сопротивления пластины полупроводника при ее изгибе. Таким образом, пластина является не источником ЭДС, а только управляемым резистором. Отсюда основной недостаток: пластину необходимо питать источником постоянного напряжения, причем очень высококачественным, не имеющим пульсаций и шумов. Главное преимущество полупроводниковых звукоснимателей - широкий диапазон частот, практически от нуля герц.

Пьезоэлектрические звукосниматели работают с использованием свойства пьезоматериалов вырабатывать ЭДС при изгибе материала. Их чувствительность выше по сравнению с магнитными, но меньше гибкость и диапазон воспроизводимых частот. Используются пьезоэлектрические звукосниматели в звуковоспроизводящей аппаратуре невысокого класса.

Фотоэлектрическиезвукосниматели основаны на эффекте модуляции светового потока, поступающего от источника света к фотоприемникам пра­вого и левого каналов. Миниатюрный специальный и легкий экран движется в такт игле звукоснимателя и перекрывает световой поток на два фотоприемни­ка, расположенных под углом 90° относительно друг друга. Достоинства - очень широкая полоса частот. Именно на таких принципах были построены звукосниматели фирмой «TOSHIBA» для квадрофонических звуковоспроиз­водящих устройств. Полоса частот от 20 Г'ц до 40 кГц.

В емкостныхзвукосниматель является подвижной пластиной конденса­тора, который включается в контур ВЧ автогенератора. В результате получа­ется частотная модуляция, которая с помощью детектора преобразуется в зву­ковой сигнал. Полоса частот достигает 50 кГц. Так устроен звукосниматель в системе CD-4 квадрофонического воспроизведения.

В настоящее время грампластинки вытесняются лазерными компакт- дисками. Однако у населения имеется огромное количество грампластинок и воспроизводящих устройств. Высокая стоимость компакт-дисков и воспроиз­водящей аппаратуры будет обусловливать довольно продолжительный срок эксплуатации обычных электрофонов. В них используются звукосниматели как магнитные, так и пьезоэлектрические. В аппаратуре высокого класса ис­пользуются в основном магнитные звукосниматели с алмазными иглами.

Лекция 3

ПРОЦЕСС ЗАПИСИ НА МАГНИТНЫЙ НОСИТЕЛЬ

В процессе записи на магнитном носителе формируется магнитограмма, т.е. магнитный след, остающийся на пленке (диске) в результате взаимодействия носителя с записывающей магнитной головкой. За исключением особых, очень редких случаев, намагничивание носителя ведется вдоль направления его движения. Невозможно выполнить идеальное продольное намагничивание, не проникая внутрь магнитного носителя, а действуя на него только внешне, со стороны. Даже самые совершенные магнитные головки имеют поперечные составляющие поля в области взаимодействия с носителем.

Магнитные головки выполняются в виде замкнутого магнитопровода с двумя зазорами, на который наматывается обмотка. Обычно головки имеют тороидальную форму (рис. 18).

Рабочий зазор d и тыловой зазор d₁ заполняются немагнитным материалом (обычно бронза), а основная часть магнитопровода головки изготавливается из магнитомягкого материала (пермаллой, сендаст и т.п.) с высокой магнитной проницаемостью m. Поскольку на зазоре получается резкий скачок магнитной проницаемости, в районе зазора образуется краевое поле, которое и используется для контакта с магнитным носителем (рис. 19). Конечно, основная часть магнитного потока головки замыкается внутри рабочего зазора, и на краевые поля выходит его очень незначительная часть, так что для записи информации поле, генерируемое головкой, используется крайне неэффективно. Однако другого способа пока не придумали, и все носители с продольным намагничиванием работают на краевых полях магнитных головок.

Тыловой (дополнительный) зазор магнитной головки d₁ предназначен для предотвращения остаточного намагничивания головки при записи. Большинство головок используется как для записи, так и для воспроизведения, поэтому наличие тылового зазора в них обязательно. Если головка только воспроизводящая, то тыловой зазор не нужен.

Рис 18 Рис 19

Толщина магнитопровода головки определяется шириной дорожки записи и колеблется от единиц миллиметров в устройствах аудиозаписи до десятков микрон в устройствах видеозаписи. Ширина рабочего зазора d колеблется от долей до единиц микрон. Ширина тылового зазора d₁ обычно составляет несколько десятков микрон.

ЗАПИСЬ МЕДЛЕННО МЕНЯЮЩИХСЯ СИГНАЛОВ

Под медленно меняющимся сигналом будем подразумевать такой сигнал, текущее значение которого за время прохождения частицы магнитного носителя мимо рабочего зазора головки существенно не изменяется. В этом случае частица ферромагнитного вещества подвергается воздействию плавно нарастающего магнитного поля с последующим спаданием этого поля до нуля

Если построить зависимость остаточной намагниченности от величины прикладываемого магнитного поля (рис. 23), то видно, что она резко нелинейная. На начальном участке крутизна практически равна нулю, так как при малых уровнях внешнего магнитного поля процесс намагничивания обратим, т.е. домены возвращают ориентацию своих магнитных моментов в исходное состояние. Далее крутизна резко возрастает и кривая М_ост(H) входит в насыщение. Ясно, что без принятия специальных мер записывать сигнал на такой носитель нецелесообразно, так как возникнут большие нелинейные искажения.

ЗАПИСЬ БЫСТРО МЕНЯЮЩИХСЯ СИГНАЛОВ

Если для простоты взять сигнал гармонический, то быстро меняющимся его можно считать тогда, когда период этого сигнала и время взаимодействия элемента магнитного носителя с полем магнитной головки соизмеримы. В этом случае нельзя считать, что магнитное поле, сквозь которое проходит элемент магнитного носителя, имеет постоянную конфигурацию М(х), так как эта конфигурация пульсирует с частотой записываемого сигнала. Если попытаться проследить, какому воздействию при этом подвергается каждый элемент носителя в области взаимодействия с полем магнитной головки, то картина получается очень сложной. Однако результат этого взаимодействия очень интересный. В частности, известно, что с ростом частоты записываемого поля амплитуда сигнала остаточной намагниченности падает вместе со снижением коэффициента нелинейных искажений. На высоких частотах, когда в области взаимодействия с полем головки магнитный материал успевает несколько раз перемагнититься, нелинейных искажений в магнитограмме почти не остается, но и уровень записанного сигнала близок к нулю. Именно на этом основана работа стирающих головок, у которых ширина рабочего зазора специально делается большой, а частота - высокой, чтобы носитель успел многократно перемагнититься. Эффект размагничивания высокочастотным полем основан на одном свойстве ферромагнитного материала, а именно: если размах перемагничивающего поля становится меньше величины Н_к (рис. 24), то гистерезис исчезает и движение точки по характеристике М(Н)происходит по обратимой наклонной прямой. На рис. 24 проставлены несколько характерных точек процесса многократного перемагничивания, где видно, что после достижения точки 6 движение осуществляется по прямой, проходящей через начало координат.

Рис 24 Рис 25

4А. ЗАПИСЬ С ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ПОДМАГНИЧИВАНИЕМ

Запись с ВЧ подмагничиванием используется для существенного снижения уровня нелинейных искажений записываемого сигнала. Здесь используется то же свойство ферромагнитного материала, что и в процессе ВЧ размагничивания. Различие лишь в том, что в процессе размагничивания на головку подается только ВЧ сигнал, тогда как при записи с ВЧ подмагничиванием ВЧ сигнал присутствует в головке на фоне постоянной составляющей, которой является записываемый сигнал (рис. 25). В этом случае переход процесса ВЧ перемагничивания на обратимую наклонную траекторию также происходит, но эта траектория смещена (приподнята) за счет присутствия записываемого сигнала. Поэтому после выхода носителя из области взаимодействия с головкой на нём остаётся остаточная намагниченность M_ост, пропорциональная величине записываемого сигнала.

Существует оптимальная величина тока ВЧ подмагничивания, при которой достигается минимальный уровень нелинейных искажений (рис. 26). Существует также оптимальная величина тока ВЧ подмагничивания, при которой достигается максимум E_в (ЭДС воспроизведения) (рис. 27). К сожалению, эти оптимальные значения l_1ОПТ и l_2ОПТ не совпадают. Кроме того, величина E_в при записи с ВЧ подмагничиванием сильно зависит от частоты записываемого сигнала, или его длины волны на пленке l. (рис. 28),

Если еще вспомнить о том, что разные слои магнитного носителя, проходящие на разной высоте над магнитной головкой, имеют зависимости по рис. 26, 27, 28, то становится ясным, что поиск оптимального значения величины тока ВЧ подмагничивания – задача очень непростая. К тому же все это сильно зависит от типа используемой пленки и качества лентопротяжного механизма. Поэтому в лучших аналоговых аудиомагнитофонах достижение величины К₁ порядка 1% считается большим успехом, причем для ее поддержания необходимы тщательный уход за головками, лентопротяжным механизмом. а также использование только определенного типа магнитной ленты.

Рис. 26 Рис. 27

Рис. 28

4.5. ЗАПИСЬ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

1. Запись очень короткого импульса

Если предположить, что с помощью специального генератора удалось на очень короткое время, много меньшее времени прохождения носителя мимо рабочего зазора, обеспечить в головке импульс постоянного тока длительностью t —> 0, то это вовсе не означает, что при воспроизведении будет получен столь же короткий импульс. Рассмотрим этот вопрос несколько подробнее.

В момент действия постоянного магнитного поля над головкой каждый элемент носителя получит остаточную намагниченность согласно той величине поля, которая на него воздействовала. Конфигурация поля над головкой была рассмотрена выше. Как правило, это симметричная кривая с максимумом посередине. Тогда магнитный отпечаток на пленке будет сформирован кривой остаточной намагниченности (см. рис. 23). Если амплитуда импульса небольшая и ни один элемент носителя не входил в насыщение, то форма магнитного отпечатка будет напоминать форму продольной составляющей поля над головкой. Импульс будет иметь сглаженные передний фронт t₁ и спад t₂, а его протяженность будет примерно равна ширине рабочего зазора головки (рис. 29,а).

Если же дать более мощный импульс, то фрагменты носителя, попавшие в среднюю часть рабочего зазора, будут намагничены до насыщения и в магнитном отпечатке появится плоская часть, в результате чего общая длительность отпечатка возрастет. Так что при записи коротких импульсных сигналов вводить носитель в насыщение невыгодно, ибо это снижает разрешающую способность записи и два коротких импульса, следующие на небольшом интервале, могут слиться в один.

Запись импульса конечной длительности

При записи такого импульса, даже не входя в насыщение, мы получим отпечаток, подобный рис. 29,б, причем в нем плоская часть будет определяться длительностью импульса тока в магнитной головке, а фронты импульса - по-прежнему шириной рабочего зазора головки.

Таким образом, можно сделать вывод: для записи и воспроизведения коротких импульсов при заданной скорости движения магнитного носителя необходимо уменьшать ширину рабочего зазора головки и не вводить носитель в насыщение.

А б

Рис. 29