5. ЗАПИСЬ СИГНАЛОВ НА МАГНИТНУЮ ЛЕНТУ

В процессе записи на каждый элемент магнитной ленты воздействует изменяющееся поле головки записи. При рассмотрении процесса записи будем полагать, что напряженность поля над рабочим зазором головки одинакова на всем протяжении зазора и изменяется в соответствии с сигналом. Рассмотрим запись при гармоническом сигнале i = I0cos2πft. Если

 

 

процесс намагничивания ленты осуществляется на линейном участке кривой намагничивания, то при записи закон изменения продольной остаточной намагниченности ленты J_r(x) соответствует закону изменения намагничивающего поля

                                                                 (9.8)

где λ=v/f — длина волны записи; х — vt — смещение участка ленты; J_r0 — амплитудное значение остаточной намагниченности; v — скорость движения ленты.

Если время прохождения элемента ленты мимо рабочего зазора головки мало по сравнению со скоростью изменения сигнала (поля), то можно

 

 

считать, что каждый элемент ленты намагничивается постоянным полем. В этих условиях каждый проходящий мимо зазора головки элемент ленты приобретает остаточную намагниченность, обусловленную величиной поля головки. Рабочий слой ленты попеременно намагничивается то в одном, то в другом направлении, образуя при данных идеальных условиях фонограмму с синусоидально изменяющимся в продольном направлении остаточным магнитным потоком Ф_г. Этот поток при воспроизведении воздействует на головку воспроизведения, наводя в ней ЭДС. В реальных условиях записи необходимо учитывать нелинейность намагничивания.

При записи без подмагничивания на предварительно размагниченную магнитную ленту  процесс намагничивания изображен на рис. 123, а.

При таком способе записи получаются большие нелинейные искажения: синусоидальному изменению напряженности внешнего поля (кривая 1) соответствует нелинейное изменение остаточной намагниченности (кривая 2), изменение остаточного потока фонограммы также нелинейно. Причиной этих искажений является нелинейность характеристики намагничивания магнитной ленты (кривая 3). Для уменьшения нелинейных искажений при записи применяют подмагничивание. Подмагничивающее поле может быть постоянным и переменным, однако поле подмагничивания должно быть больше поля записываемого сигнала.

Запись с подмагничиванием постоянным током (в записывающую головку наряду с сигналом подается постоянный ток) осуществляется в двух режимах: на размагниченную и предварительно намагниченную до насыщения магнитную ленту. При записи на размагниченную ленту и смещении постоянным током нелинейные искажения меньше, чем при записи без смещения, однако этот способ записи имеет существенные недостатки. Амплитуда остаточной намагниченности мала (рис. 123, б), что является следствием малой протяженности рабочего участка кривой начальной намагниченности. При токе сигнала, равном нулю, остаточная намагниченность не равна нулю. А так как рабочий слой магнитной ленты неоднороден, остаточная намагниченность на разных участках различная. При воспроизведении это приводит к увеличению уровня шума. Диаграмма намагничивания

 

 

при записи на предварительно намагниченную ленту показана на рис. 123, в.

Перед началом записи магнитная лента доводится до насыщения (точка 1), а затем, кроме переменного тока записи, образующего переменное магнитное поле, в обмотку подается постоянный ток. Последний образует постоянное магнитное поле Н₀, смещающее рабочую точку на более линейный участок петли гистерезиса. Нелинейные искажения, по сравнению с записью без подмагничивания, существенно уменьшились, амплитуда остаточной намагниченности увеличилась, а постоянная намагниченность, приводящая к увеличению шума, существенно уменьшилась. Большую нелинейность и крутизну рабочего участка зависимости J_r(H) можно получить при идеальном намагничивании. Для этого на ферромагнитный материал одновременно воздействуют намагничивающим постоянным Н₌ и переменным H_~ полем достаточно большой напряженности, амплитуда которого постепенно уменьшается до нуля (рис. 124, а).

При увеличении Н_~ график кривой остаточной намагниченности стремится к некоторому предельному виду, характеризующемуся высокой крутизной и линейностью рабочей части (рис. 125, кривая 1). Если при уменьшении до нуля амплитуды Н_~ одновременно уменьшать до нуля и постоянное намагничивающее поле H₌, то происходит так называемое квазиидеальное намагничивание. Крутизна кривой квазиидеального намагничивания (рис. 125, кривая 2) больше, чем у начальной кривой намагничивания (рис. 125, кривая 3), однако меньше, чем у кривой идеального намагничивания. Квазиидеальное намагничивание происходит при записи с высокочастотным подмагничиванием (ВЧП).

Звукозапись с ВЧП. Если в головку записи подать ток ВЧП и ток сигнала записи (l = const), то на частицы магнитной ленты, движущейся перед головкой, воздействует поле (рис. 126). Огибающая суммарного поля записи подобна кривой составляющей напряженности статического поля головки (см. рис. 121, кривая 1).

Соответствующим подбором частоты ВЧП можно достичь того, что каждая частица, проходя перед рабочим зазором, многократно перемагнитится. Для этого частота генератора ВЧП должна быть в 5-10 раз выше наибольшей частоты записываемого сигнала. Так, в студийном магнитофоне МЭЗ-62 частота генератора ВЧП равна 120 кГц при верхней частоте сигнала записи, равной 16 кГц. При таком соотношении частот тока ВЧП и тока сигнала при записи низких и средних частот за время прохождения участка ленты мимо рабочего зазора

 

 

головки ток сигнала в обмотке существенно не изменится (i₀ ≈ const), a ток ВЧП изменится многократно. Оба поля ВЧП и сигнала записи, в соответствии с законом изменения поля головки, будут одновременно уменьшаться к нулю. Сравнивая рис. 124.б и 126, видим, что способ записи с BЧП аналогичен способу квазиидеального намагничивания.

 

 

График зависимости остаточной намагниченности ленты от поля сигнала Н₌ при разных значениях поля ВЧП и квазиидеальном намагничивании показан на рис 127. При увеличении поля ВЧП зависимость J_r(H₌) спрямляется, что приводит к снижению нелинейных искажений, а крутизна кривой J_r(H₌) увеличивается. Существует некоторое оптимальное значение поля подмагничивания, при котором зависимость J_r(H₌) имеет максимальную крутизну, при этом сигнал, получаемый с магнитной ленты при воспроизведении (отдача ленты), также максимален.

На рис. 128 показана зависимость остаточной намагниченности ленты и коэффициента гармоник сигнала k_г от тока ВЧП. Зависимость J_r(i_вчп) имеет максимум, а зависимость k_г(i_вчп) — минимум, образующиеся при разных значениях тока ВЧП. Обычно ток ВЧП устанавливают с учетом получения максимума остаточной намагниченности магнитной ленты.

Рассмотрим процесс воздействия на магнитную ленту поля ВЧП, когда поле сигнала равно нулю. В этом случае на участок ленты при ее передвижении мимо зазора (от его центра к правому краю) головки записи действует переменное поле, огибающая амплитуд которого может быть представлена прямой линией. Для простоты будем считать, что частота изменения поля неограниченно большая. Под влиянием переменного поля намагниченность частицы с положительным или отрицательным полем смещения (см. рис. 116) многократно изменяется до тех пор, пока амплитуда поля |H~| не уменьшится до |H₊| или |H_|. Это значение поля называется критическим. При дальнейшем уменьшении абсолютного значения амплитуды поля частица принимает один из знаков намагниченности. Если у частицы Н_i > 0(|H_| < |H₊|), то остаточная намагниченность отрицательная, а если H_i<0(|H_| > |H₊|), то остаточная намагниченность положительная.

Таким образом, при воздействии на магнитную ленту симметричного спадающего переменного поля все частицы со значением поля смещения Нi < 0 намагничиваются в положительном направлении (J_макс), а все частицы с H_i > 0 — в отрицательном (—J_макс). Количество положительно и отрицательно намагниченных частиц статистически одинаково, и суммарная намагниченность магнитной ленты равна нулю. Такое магнитное состояние ленты образуется автоматически, так как в этих условиях при выборе частицей знака намагниченности определяющим является знак поля смещения H_i, а количество частиц с отрицательным и положительным знаками поля смещения равновероятно. Аналогичный процесс возникает при прохождении участка ленты мимо головки стирания, т. е. происходит размагничивание ленты.

Пусть размагниченная лента движется перед рабочим зазором головки, в которую подан ток сигнала и ток ВЧП. Для простоты будем полагать, что частота изменения образующегося поля ВЧП во много раз больше частоты изменения поля полезного сигнала. В процессе намагничивания частицы рабочего слоя многократно перемагничиваются в спадающем поле записи в одну и в другую сторону. Рассмотрим этот процесс при H₌ >0 для двух магнитных частиц с разными знаками поля смещения H_i. Прямоугольные петли гистерезиса двух частиц, имеющих поля смещения H_i > 0 и H_i < 0, изображены на рис. 129. Эти частицы при размагничивании получили соответственно отрицательную (—J_макс) и положительную (+J_макс)  намагниченности. В нижней части рисунка изображено спадающее поле записи, образованное при суммировании поля сигнала H₌ > 0 и поля ВЧП.

Вызывая неоднократное перемагничивание частицы а, спадающее поле записи в один из моментов времени сравняется со значением поля возврата частицы | H_ | = | Н'_с — H_i], т. е. | Н_i | = | H_ | (рис. 129, а). Если при этом соотношение поля сигнала, называемого критическим (H_=кр), и поля смещения частицы таково, что | H_=кр | > | H_i |, то H_=кр + H'_ВЧП > H₊ = H_i + Н'_с и частица окончательно приобретет положительную намагниченность. После наступления равенства | H_ | = | H_t | все последующие отрицательны амплитуды поля записи по абсолютной величине меньше |H_-|, в то время как положительные амплитуды, способствующие образованию положительной намагниченности частицы J_макс, больше поля H₊. Таким образом, положительная намагниченность +J_макс образуется у частиц, для которых выполняется условие H_i < H_=кр. У частиц с отрицательным полем смещения (рис. 129, б) j при H_ > 0 сохраняется знак намагниченности (+J_макс).

Аналогично при отрицательном поле сигнала (H_ < 0) отрицательный знак намагниченности сохраняется у всех частиц с H_i < 0 и образуется у всех частиц с отрицательным полем смещения, у которых | H_i | < | H_=кр |.

Поскольку при H₌ > 0 часть частиц участка ленты, прежде намагниченная отрицательно, приобретает положительную намагниченность, а положительно намагниченные частицы сохраняют свой знак (см. рис. 117, б), результирующая намагниченность участка ленты будет положительной и пропорциональной H₌. Аналогично при H₌<0 результирующая намагниченность участка ленты будет отрицательной и пропорциональной |—Н₌\ (см. рис. 117, г). Остаточная намагниченность участка ленты определяется количеством перемагниченных частиц и, как будет показано ниже, зависит от поля ВЧП.

Обычно при записи с ВЧП для снижения нелинейных искажений выбирают такой режим, при котором |H_ВЧП| » |H₌|, поэтому в перемагничивании участвует область диаграммы Прейсаха, близкая к оси Н'_с, т. е. частицы с соотношениями | H_i | < Н'_с. Отсюда условие | Н_ | = | Н'_с — Н_i| можно записать | H_ | ≈ Н'_с или |Н₁|≈ Н'_с.

Критическая зона. Рассмотрим зону в магнитном поле окологоловочного пространства, где формируется запись, т. е. где происходит перемагничивание частиц в соответствии со значением поля сигнала. Рассмотрим вначале очень тонкий рабочий слой магнитной ленты, в

 

 

 

 

котором все частицы характеризуются одинаковыми значениями Н_i и Н'_с. Воспользуемся семейством кривых равных значений продольной напряженности Н_Х/Н₀ (см. рис. 121, б). Критической точкой, поля (рис. 130, а), где происходит запись, т.-е. формируются величина и знак намагниченности, при Н₌ > 0 является точка поля, расположенная над правой половиной головки на пересечении рабочего слоя магнитной ленты и линии напряженности, равной (см. рис₄ 129, а)

| H'_ВЧП - H_=кр | = | Н'_с - H_i | = |H_| = |H₁| ≈ H_С'.

Если рабочий слой магнитной ленты имеет, толщину ∆d, то при его пересечении с линией равных значений напряженности образуется критическая линия, на протяжении которой формируется запись. Результирующая намагниченность определяется суммой перемагниченных частиц, лежащих на отрезке кривой 11' (рис. 130, б). Если принять, что тонкий рабочий слой магнитной ленты содержит два вида частиц со значениями H_, равными H_₁, и H_₂ |H_₁[ > |H__:2|, то критических точек тоже будет две, которые находятся там, где спадающее поле записи |H_ВЧП — H₌| (рис. 130, в) последовательно принимает значения, равные |H_₁| и |H_₂|. В одной точке образуется намагниченность J_r1, во второй — J_r2. В тонком слое магнитной ленты формируются два сигнала записи, сдвинутые вдоль оси х на расстояние, равное расстоянию между критическими точками.

В реальных рабочих слоях магнитных лент частицы занимают всю толщину слоя, а величина |H_| = |Н'_С — Н_i| у каждой из частиц находится в диапазоне значений, определяемых диаграммой Прейсаха. В этом случае критические точки сливаются в критическую зону и в элементарном слое образуется непрерывное множество записей. Фонограмма формируется целым участком (рис. 130, г). Полезная намагниченность участка определяется суммированием этих записей. При записи высокочастотных сигналов для определения суммарной намагниченности необходимо учитывать сдвиги по фазе между элементарными записями. В общем случае можно считать, что положение критической зоны зависит только от поля ВЧП и не зависит от поля сигнала, в то время как остаточная намагниченность пропорциональна полю сигнала.

Поле ВЧП влияет следующим образом. При увеличении тока подмагничивания критические линии проникают глубже в рабочий слой, способствуя увеличению объема

 

 

критической зоны. Однако с ростом поля ВЧП (H₌ = const) уменьшается значение поля H_=кр (см. рис. 128, а, пунктирная линия), а следовательно, уменьшается и количество частиц, для которых выдерживается соотношение Hi < |H__кр|. Это приводит к сокращению количества перемагниченных частиц из всего объема, определяемого диаграммой Прейсаха. И пока с ростом доля ВЧП скорость снижения величины Н_=кр будет меньше скорости роста объема критической зоны, результирующая намагниченность увеличивается.

 

 

Когда скорость роста объема критической зоны начнет отставать от скорости спада Н_=кр, результирующая намагниченность будет снижаться. Ток ВЧП, при котором намагниченность максимальна, называется оптимальным.

На рис. 131 показаны критические зоны при изменении тока ВЧП. Если ток ВЧП невелик, критическая зона лишь частично охватывает рабочий слой магнитной ленты (рис. 131, а). При увеличении тока ВЧП растет объем критической зоны (рис. 131, е) и полезная намагниченность, пока не достигнет значения i_вчпопт. При дальнейшем увеличении тока ВЧП критическая зона отодвигается дальше от рабочего зазора, проходит глубже в слой и расширяется (рис. 131, г). При этом уменьшается разрешающая способность записи и вследствие уменьшения значения H_=кр падает полезная намагниченность рабочего слоя ленты (см. рис. 128).

Поскольку напряженность поля по мере удаления от поверхности ленты уменьшается, установить подмагничивание оптимальным для всех слоев ленты невозможно, Однако для каждого слоя ленты можно установить свое значение оптимального тока ВЧП.

Форма критической зоны при оптимальном токе ВЧП и зависимость остаточного подмагничивания от тока ВЧП (см. рис. 128, а) тесно связаны с соотношением между толщиной и рабочим зазором головки. Если толщина рабочего слоя ленты достаточно велика по сравнению с шириной рабочего зазора головки (d » 2δ), что характерно для бытовых магнитофонов с универсальными головками, то критическая зона неглубоко проникает в рабочий слой ленты, характеристика подмагничивания имеет плоскую вершину, и оптимум подмагничивания явно не выражен. Если ширина рабочего зазора головки соизмерима с толщиной рабочего слоя ленты, что характерно для студийных магнитофонов, то критическая зона занимает среднее положение (рис. 131, е), и характеристика не имеет плоской вершины. Оптимум подмагничивания явно выражен [106],

Уровень магнитной записи. Уровень записи,— величина полезного остаточного магнитного потока в поперечном сечении магнитной фонограммы, отнесенная к ширине дорожки. От уровня записи зависит уровень сигнала при воспроизведении (отдача ленты). В настоящее время так называемый номинальный уровень записи, который соответствует потоку фонограммы короткозамкнутому на сердечник головки при низкой частоте сигнала, измеряют в нановеберах на метр.

При скоростях 38,1 и 19,05 см/с для студийных и репортерских магнитофонов, работающих на лентах шириной 6,25 мм на частоте 1000 Гц для монофонического исполнения принят номинальный уровень записи 320 нВб/м, для стереофонического — 510 нВб/м. При скорости 9,53см/с установлен номинальный уровень 256 нВб/м на частоте 315

 

 

Гц. В бытовых катушечных магнитофонах установлен номинальный уровень записи 256 нВб/м, в кассетных — 160нВб/м. Эти данные относятся ко всем скоростям бытового магнитофона. В процессе записи уровень записи контролируют по индикатору, показания которого определяют с по мощью измерительных лент, содержащих запись с номинальным уровнем.

Волновые потери при записи с ВПЧ. Волновая характеристика записи - это зависимость отдачи магнитной ленты (ЭДС головки воспроизведения) от длины волны записи λ = v/f. При этом подразумевается, что звено воспроизведения (см. рис. 113) не вносит искажений. Волновыми потерями записи при фиксированной длине волны записи λ называют разность значений между намагниченностями, определенными по идеальной (1) и реальной (2) волновым характеристикам, выраженную в децибелах (рис. 132). Волновые потери растут с уменьшением длины волны записи. Рассмотрим основные причины.

Установлено, что волновые потери зависят от тока ВЧП. 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 при таком выборе тока ВЧП запись коротких волн будет происходить с большими волновыми потерями, так как при записи коротких волн в каждом тонком (элементарном) слое критической зоны образуется ряд фонограмм с различными значениями и фазой вектора намагниченности.

У поверхности рабочего слоя, где критическая зона узка, потери невелики. По мере удаления в глубь рабочего слоя критическая зона становится все шире и потери из-за сдвига фаз возрастают. При уменьшении длины волны записи фазовые сдвиги между намагниченностью отдельны фонограмм увеличиваются и суммарная намагниченность слоя падает. Можно считать, что при записи коротких волн полезный остаточный магнитный поток создается в основном в поверхностной части рабочего слоя. Боле глубокое проникание критической зоны в рабочий слой при коротких волнах записи не увеличивает в нем остаточной намагниченности, а, наоборот, расширение критической зоны и возникающие вследствие этого фазовые потери, а также возрастающие потери из-за вертикальной составляющей Ну снижают намагниченность в поверхностной части рабочего слоя.

Чтобы улучшить передачу высокочастотных сигналов, оптимальный ток ВЧП следует устанавливать при записи коротких волн. На рис. 133 изображен график зависимости остаточной намагниченности от тока ВЧП при записи коротких (1) и длинных (2) волн. Оптимальное значение тока ВЧП для коротких волн записи i_опт1 значительно меньше, чем для длинных i_опт2. При небольшом токе ВЧП критическая зона неглубоко проникает в рабочий слой ленты и при записи длинных волн магнитная лента будет недоиспользована. Отдача ленты при воспроизведении длинных волн будет мала. Стремясь получить большую отдачу фонограммы и повысить отношение сигнал/шум при воспроизведении сигналов средних частот, в магнитофонах обычно устанавливают оптимальный ток ВЧП для длинных волн записи. Поэтому запись коротких волн, как правило, происходит в неоптимальных условиях и волновые потери возрастают.

Особенностью записи с ВЧП является малая зависимость волновых потерь от ширины рабочего зазора головки записи 2δ. При изменении в некоторых пределах величины 2δ меняются конфигурация и интенсивность намагничивающего поля, поэтому, подобрав ток подмагничивания (образуя прежнюю критическую зону), волновые потери можно оставить без изменения. Толщина рабочего слоя d оказывает влияние на волновые потери. Однако ее воздействие является косвенным, поскольку на длинных волнах стараются использовать

 

 

рабочий слой на возможно большую глубину и в толстых слоях образуются широкие критические зоны.

Запись с токами ВЧП, меньшими оптимального, приводит к уменьшению волновых потерь на коротких волнах записи, но это эквивалентно использованию лент с меньшей толщиной d, т. е. к недоиспользованию ленты.

В современных тонких лентах, обеспечивающих меньшие потери при записи коротких волн, для повышения отдачи фонограммы используют ферромагнитный материал с большой остаточной намагничиваемостью и увеличивают объемную концентрацию магнитного порошка в рабочем слое [21, 73].

Стирание записи. Процесс стирания необходим для подготовки магнитной ленты к записи. В зависимости от способа записи различают стирание размагничиванием или намагничиванием до насыщения. В первом случае магнитная лента полностью размагнитится, а во втором — намагничивается до насыщения. В звукозаписи используется только первый метод. При стирании размагничиванием магнитная лента подвергается воздействию большого числа перемагничиваний в плавно спадающем  симметричном магнитном поле, так что по выходе из него остаточная намагниченность сводится к нулю (см. рис. 115).

Применяемая обычно частота стирания находится в пределах 30— 100 кГц. В профессиональных и бытовых магнитофонах стирание выполняют перед записью при  помощи головки стирания (см. рис. 113). Для стирания можно использовать и ток промышленной частоты 50 Гц. При этом используют специальные дроссели и размагничиванию подвергается весь рулон магнитной ленты. При втором способе стирания магнитная лента однородно намагничивается в постоянном по направлению поле.