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.

Подадим в записывающую головку синусоидальный сигнал и, поддерживая постоянную величину тока записи, будем увеличивать частоту сигнала. Если за­­тем каким либо способом измерить остаточную намагниченность ленты, то окажется, что с ростом частоты остаточная намагниченность уменьшается и на некоторой частоте f1 намагниченность становится равной нулю, затем она вновь возрастает и вновь уменьшится до нуля на частоте f2=2f1 и т.д. (рис.13.23).

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 2эфф 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= 2эфф, 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 2эфф.=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 11,5 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