МЯУ!
МУР-Р-Р...

ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЗВУКА:

МАГНИТНЫЙ СПОСОБ

1. Начало
Появление магнитной записи звука тесно связано с возникновением фонографа и зарождением радиоэлектроники. Через 11 лет после появления фонографа, 8 сентября 1888 года в американском техническом журнале «The Electrical World» появилась статья инженера Оберлина Смита (рис. 1), которая была посвящена усовершенствованию конструкции фонографа Томаса Эдисона. Статья могла пройти незамеченной, если бы в ней не были предложены прогрессивные идеи, касающиеся записи звука.
Оберлин Смит изложил новый принцип записи звука – магнитный. В качестве носителя он предложил хлопчатобумажную нить, пронизанную стальными опилками. Стальные опилки, по мысли автора, должны были намагнититься вблизи проводов микрофонной цепи. При этом отдельные частички должны были «магнитно» запечатлеть определенную фазу электрического волнообразного процесса. Автор сомневался в использовании сплошной стальной ленты, думая, что «едва ли она разделится на отдельные магниты». Смит не указал способа воспроизведения магнитной фонограммы и не создал никакой действующей конструкции аппарата для магнитной записи звука. Он лишь ограничился статьей и не предпринял никаких попыток по практической реализации своих идей. Благодаря только одной этой статье Смит остался в истории науки и техники, и, когда разговор заходит о появлении магнитофона, о нем обязательно вспоминают.

2. История
Прошло еще десять лет прежде, чем идеей магнитной записи звука заинтересовался, теперь уже в Дании, 29-летний лаборант технического сектора телефонной станции Копенгагена Вальдемар Паульсен (рис. 2). В отличие от Смита, он не ограничился высказыванием идей, а предпринял попытку их реализовать и разработал конструкцию аппарата для магнитной записи звука. 1 декабря 1898 года он запатентовал свое изобретение. Аппарат Паульсена получил название «телеграфон». Заметим, что датский изобретатель вошел в историю техники не только с телеграфоном, но и благодаря другим своим изобретениям в области радиотехники, например, он придумал генератор незатухающих колебаний для радиосвязи.
Телеграфон (рис. 3) представлял не что иное, как электромагнитный фонограф. Конструкция телеграфона действительно в некоторой мере напоминала популярный в то время звуковоспроизводящий аппарат. Такой же вращающийся цилиндр, но без слоя воска, вместо него была навита тонкая стальная струна диаметром 0,5 мм, причем, в первых моделях использовалась обычная струна от фортепьяно. На эту струну и производилась запись звука. Цилиндр вращался с помощью часового механизма, записывающая головка (электромагнит) двигалась вдоль витков со скоростью 2,1 м/с. Для 40 минут записи звука необходимо было 6000 метров проволоки. Телеграфон воспроизводил записи в диапазоне частот 150-2500 Гц. Запись стиралась обычным сильным постоянным магнитом. Для этого необходимо было только провести им по проволоке. В настоящее время в Венском музее искусства и ремесел имеется действующий телеграфон, и посетители могут послушать записанную на стальной проволоке информацию.

На Всемирной выставке в Париже в 1900 году Вальдемар Паульсен именно за конструкцию телеграфона получил Гран-При. В течение нескольких лет изобретатель оформил патенты на свое изобретение еще в 12 странах, кроме Дании, в том числе в России и США. В 1901 году Паульсен создал новый аппарат, который по конструкции значительно отличался от предшественника и уже имел основные черты современных магнитофонов (рис. 4). Для записи использовалась стальная лента шириной 3 мм и толщиной 0,05 мм. Лента сматывалась с одной бобины и наматывалась на другую, проходя мимо записывающей и воспроизводящей головок. Запись прослушивалась на телефонных трубках.

Окрыленный успехом, Паульсен решил приступить к производству телеграфонов. В 1903 году при финансовой поддержке американских бизнесменов возникла Американская телеграфонная компания (American Telegraphone Company), которая начала производство аппаратов для магнитной записи звука. В начале продажа продукции шла неплохо и пользовалась успехом. Развернувшаяся конкурентная борьба между телеграфонами и граммофонами не принесла первым победы, она к ним пришла только во второй половине 20 века. А в тот период, невзирая на все усилия Паульсена, созданные им несколько фирм обанкротились и прекратили свое существование. Производство телеграфонов было приостановлено на много лет.
Покупатели отдавали предпочтение граммофонам, так как они давали более громкий звук. Усилить слабый электрический сигнал, воспроизводимый телефонным наушником, было нечем, еще не была изобретена усилительная лампа – триод Ли де Фореста. Наступивший магнитофонный кризис, продлился до начала 20-х годов ХХ века. Оживление рынка магнитофонов началось с появлением первых ламповых усилителей. Дальнейший прогресс в этой области растянулся на многие десятилетия и пошел в направлении создания новых магнитных лент; воспроизводящих, записывающих и стирающих головок; лентопротяжных механизмов и так далее.

Несмотря на несовершенство тогдашних магнитофонов, от них не отказывались. На проходившем в Копенгагене в 1916 году Международном конгрессе доклады записывались на магнитофон, в котором в качестве носителя информации использовался стальной провод (рис. 5). Для записи докладов, составивших в сумме 14 часов, понадобилось 2 500 км провода общим весом 100 кг. Некоторое время в радиовещании применялась записывающая аппаратура с использованием ленты из нержавеющей стали. Хотя стальная лента и проволока имели некоторое преимущество по сравнению с другими носителями звука, со временем они вышли из употребления. Поиски оптимального носителя звуков продолжались много лет. Были опробованы биметаллические звуконосители. В них на немагнитную основу (латунь, бронза) гальваническим способом наносился ферромагнитный слой. Эти ленты также со временем вышли из употребления, так как не обладали хорошими магнитными свойствами.
Магнитные фонограммы еще не могли конкурировать с грампластинками. Магнитофоны были тяжелыми, при воспроизведении давали очень слабый звук, который можно было услышать только на телефонные наушники. Так, магнитофон фирмы Маркони весил несколько сотен килограммов, а стальная лента в нем наматывалась на бобины диаметром 0,5 м и при обрыве соединялась электросваркой. В немецком учебнике по электротехнике того времени отмечалось: «Этот интересный аппарат не может считаться введенным в практический обиход, но его точное и удивительно чистое воспроизведение звуков позволяет рассчитывать, что телеграфон не останется простым курьезом…»
Новый интерес к магнитофону начал возрастать только с появлением мощных усилителей на электронных лампах. Уже в 1920-х годах американский флот применял магнитофон для ускорения передачи и приема радиотелеграфных сообщений. Несколько позже магнитофоны начали изготавливать в Германии и Англии. Для записи по-прежнему использовалась стальная лента, которой пользовался еще Вальдемар Паульсен. Никто пока не осмеливался отказаться от этого типа звуконосителя.
Значительный толчок могла получить магнитная запись после появления в 1925 году советского патента инженера И.И. Крейчмана на гибкую ленту, сделанную из пластмассы и покрытую магнитным порошком. Но, к сожалению, это изобретение прошло незамеченным. Важный шаг вперед сделал немецкий исследователь доктор Фриц Пфлеймер (рис. 6) благодаря изучению патента Паульсена. В этом патенте он нашел указание на то, что запись можно вести не только на провод и ленты, но и на диски, покрытые намагниченным порошком. Пфлеймер провел исследования по поиску приемлемых магнитных носителей звука. Сначала он сделал попытку заменить стальную ленту бумажной, которая была покрыта магнитным материалом, и получил обнадеживающий результат. Затем он перешел на более удобные, пластмассовые ленты. Начиная с 1932 года этот тип лент быстро совершенствовался. И уже в 1935 году в Германии на радиовыставке была продемонстрирована совместная разработка фирм АЕК и «ИГ Фарбениндустри» промышленных образцов пластмассовых магнитных лент. Лента произвела сенсацию, так как стоила в 5 раз меньше металлической и обладала хорошими свойствами, такими, как отличные магнитные свойства, простота склеивания, удобный монтаж записи, незначительный вес и дешевизна. Началось постепенное вытеснение металлических звуконосителей пластмассовыми. Наметившиеся успехи в магнитной записи звука особый интерес вызвали у военной разведки. И не удивительно. Что может быть лучше магнитофона для фиксации радиоперехвата и подслушивания телефонных разговоров?
На рис. 7 показан немецкий магнитофон времен 2-й Мировой войны. В качестве звукового носителя использовалась магнитная лента, а сам аппарат применялся совместно с радиостанцией.

3. Магнитофон
Магнитофоном был назван аппарат для магнитной записи звука, который выпустила фирма AЕG в 1935 году (рис. 8). В конструкции использовался ряд новшеств: ферромагнитная лента, кольцеобразные головки и применялось высокочастотное подмагничивание и стирание. Это название – магнитофон – оказалось настолько удачным, что употребляется в нашей лексике до сих пор. До этого в разных странах аппарат для магнитной записи звука называли своему. На его родине, в Дании, а также США – телеграфоном, Германии – диалиграф, текстофон и сталь-тон-машина.

В Германии успешно занимались не только созданием новых магнитофонных лент, но и головок. Немецкий инженер Е. Шюллер в 1938 году разработал и внедрил в производство новый тип функциональных кольцеобразных головок (рис. 9). В появившихся магнитофонах с новыми кольцеобразными головками для выполнения каждого этапа создания магнитной фонограммы использовалась специально разработанная головка (записывающая, воспроизводящая и стирающая).
В то время, как в Европе интерес к разработкам в области магнитной записи звука все возрастал, в Новом Свете конструированием магнитофонов почти не занимались вплоть до 1937 года. Крупные фирмы, производившие радиоэлектронную продукцию, словно сговорились не обращать внимание на перспективную область электроники. Только в исследовательской лаборатории отца современного телефона Александра Белла уделяли этой проблеме некоторое внимание. Ситуация стала резко меняться после того как в 1940 году в чикагской бесприбыльной исследовательской организации Armor Rese a rch Fundation молодой инженер Кармас разработал новые покрытия для магнитофонных пленок. Это дало возможность понизить скорость движения пленок в магнитофоне с 76 см/с до 19 и 9,6 см/с.

В России первые ленточные магнитофоны появились в 1942 году. Это был магнитофон типа «СМ-45», работавший на ферромагнитной ленте. После войны начали производиться модели серии «МЭЗ» для радиовещания и студийные «РМС-16». В 1949 году в Киеве был выпущен первый отечественный массовый бытовой магнитофон «Днепр» - рис. 10.
В 1944 году, когда казалось, что пластмассовые носители звука окончательно потеснили металлические, в США вспоминают о первоначальной идее записи звука Вальдемара Паульсена. Американский журнал Electronics помещает описание магнитофона с использованием металлической ленты. Конструкция аппарата была разработана в Национальном бюро стандартов. Для работы аппарата использовалась лента из специального стального сплава, которая двигалась между двумя записывающими и двумя стирающими головками. Лента имела толщину около 0,075 мм, ширину 3 мм и скорость движения около 1,5 м/с. Это была, пожалуй, одна из последних конструкций магнитофонов, рассчитанных на использование металлических лент.
В это же время, не обращая внимание на то, что только окончилась вторая мировая война, в разрушенной Германии продолжают вести исследования по совершенствованию принципа магнитной записи звука. И не безуспешно. На немецком радиовещании устанавливается магнитофон, работающий на пластмассовой ленте, на которую нанесен слой оксида железа. Скорость движения ленты составляла 80 см/с, что позволяло записывать частоты звука до 10 000 Гц. Лента имела толщину около 0,05 мм и ширину 5 мм. Совершенствование конструкций магнитофонов продолжалось не только в направлении создания новых носителей звука, но и в разработке перспективных механизмов протяжки ленты. В 1947 году появился магнитофон, в котором механизм протяжки ленты имел три электродвигателя (рис. 11). Один – для подачи ленты, другой для вращения с постоянной скоростью ведущего вала и протягивания ленты, а третий – для подмотки ленты. Лента перемещалась со скоростью около 76 см/с и обеспечивала воспроизведение частот в диапазоне 32 – 9 600 Гц.

Дальнейшее развитие аппаратуры магнитной записи звука (АМЗ) продолжалось по уже обозначенным направлениям:

1. совершенствование носителя записи – теперь это однозначно была магнитная лента;
2. совершенствование кинематики – лентопротяжного механизма;
3. совершенствование электронной части: усилителей, генераторов, темброблоков, систем шумопонижения и т.п.;
4. совершенствование магнитных головок, главным образом, для записи и воспроизведения.

Основной расцвет АМЗ пришелся на последнюю четверть ХХ века. Отечественная промышленность выпускала большое количество разных магнитофонов – от простых и дешевых монофонических до сложных и дорогих высококачественных квадрофонических.

3. Физика процесса
На рис. 12 показан макет блок-схемы магнитофона:
1 – микрофон, 2 – усилитель записи, 3 – записывающая и воспроизводящая (универсальная) магнитная головка, 4 – усилитель воспроизведения, 4 – динамик, 6 – стирающая магнитная головка, 7 – генератор стирания.
Этот макет являлся частью моего наглядного пособия по теме «Электромагнитная индукция».
Процесс записи: звуковые колебания преобразуются микрофоном в слабый переменный ток звуковой частоты (аналоговый электрический сигнал) a слабый электрический сигнал усиливается усилителем записи и поступает на магнитную головку, которая создает в зазоре переменное магнитное поле звуковой частоты a линии индукции магнитного поля замыкаются через рабочий слой магнитной ленты, выполненный из тончайшего ферромагнитного порошка a рабочий слой намагничивается таким образом, что области намагничивая чередуются в нем пропорционально звуковой частоте, а величина намагниченности оказывается пропорциональна громкости звука a возникает аналоговая магнитная запись звука.
Магнитная лента движется с постоянной скоростью с левой бобины на правую.
Процесс воспроизведения: магнитная лента движется мимо магнитной головки a переменное магнитное той же (звуковой) частоты замыкается своими силовыми линиями через сердечник магнитной головки a в точном соответствии с  явлением электромагнитной индукции в обмотке магнитной головки возникает слабый индукционный ток звуковой частоты a далее этот ток (звуковой сигнал) усиливается усилителем воспроизведения a громкоговоритель (динамик) преобразует переменный ток в звуковые колебания.
Процесс стирания состоит в том, что специальная стирающая магнитная головка (конструктивно она устроена несколько проще записывающей и воспроизводящей) перемагничивает рабочий слой ленты с помощью магнитного поля ультразвуковой частоты (40-70 кГц). Электрический ток такой частоты вырабатывается специальным генератором стирания. Естественно, человеческое ухо не может услышать ультразвук, поэтому «перемагниченная» лента оказывается «чистой». В большинстве простых бытовых магнитофонов генератор стирания включался автоматически при записи на ленту, при этом прежняя запись (если она была) – «стиралась». Некоторые бытовые и все студийные модели магнитофонов имели возможность отключения режима «стирания», что позволяло «накладывать» одну запись на другую, создавая различные звуковые эффекты и трюки.

4. Дополнения

4.1. Как было показано ранее (рис. 9), магнитная головка представляет собой кольцевой электромагнит с зазором. Зазор нужен для того, чтобы создать наибольшую напряженность магнитного поля. Чем уже зазор, тем больше напряженность.

4.2. В недорогих простых магнитофонах (рис. 13) для записи и воспроизведения использовалась одна и та же магнитная головка, которую называли «универсальной». В процессе работы происходило ее переключение в режим «запись/воспроизведение».

4.3. В таких магнитофонах для записи и воспроизведения использовался также один «универсальный» усилитель. В процессе работы происходило его переключение в режим «запись/воспроизведение».

4.4. Явление электромагнитной индукции, которое в 1831  открыл Майкл Фарадей, состоит в том, что при изменении магнитного поля в замкнутом проводнике (контуре) возникает ток, называемый индукционным. Фарадей обнаружил также, что кусок железа (ферромагнетика), помещенный внутрь контура, значительно усиливает этот ток.

4.5. Магнитная лента состоит (упрощенно) из двух слоев: основа – например, лавсан и рабочий слой, напылённый на основу в вакууме – смесь оксидов ферромагнетиков. Фирмы, занимавшиеся производством магнитных лент, держали состав и технологии их производства в строжайшем секрете.

4.6. Стандартная ширина магнитной ленты составляла 6,25 мм для бобинных магнитофонов; ёмкость бобины – от 150м до 550м; скорости движения ленты 9,75 см/с или 19,05 см/с, реже – 4,76 см/с. Лента в кассетах имела ширину мм; ёмкость кассет измерялась в единицах времени 30, 60 или 90 мин (например, МК-60); скорость движения – 4,76 см/с, иногда (диктофоны или диктофонный режим) – 2,72 см/с. В поздних моделях двухкассетных магнитофонов (рис. 14) стал применяться режим ускоренной перезаписи с одной кассеты на другую при скорости 9,53 см/с.

4.7. Дорожки, т.е. те участки, на которые ведется запись, на магнитной ленте располагались примерно следующим образом (рис. 15):

4.8. Кроме простых, выпускались магнитофоны «со сквозным каналом», которые содержали отдельный усилитель записи и усилитель воспроизведения, а также соответствующие магнитные головки (рис. 16): 1 – стирающая, 2 – записывающая, 3 – воспроизводящая.

Отечественная промышленность (вплоть до начала 2000-х годов) выпускала достаточно много моделей высококачественных магнитофонов со сквозным каналом и трехмоторной кинематикой:

Фото с сайта http://www.rw6ase.narod.ru

4.9. Однажды, где-то в начале 80-х ХХ века, я видел в комиссионном магазине отечественный магнитофон «Садко-501», который мог вести 38-дорожечную запись на магнитную ленту для ЭВМ.

Фото с сайта http://www.rrl-museum.cqham.ru

4.10. Среди бытовых магнитофонов следует отметить четырехканальный аппарат «Юпитер-квадро». В нем запись (и воспроизведение) велась одновременно на 4 дорожки. Сигнал с каждой дорожки воспроизводился своим каналом квадрофонического усилителя. Слушатель должен был находиться в центре между двумя фронтальными и двумя тыловыми колонками. При этом у него создавалось впечатление, что он находится внутри оркестра. Аналоговая квадрофония широкого распространения не получила. Слишком дороги были сами аппараты, а качественные записи – очень редки.

Усилитель "Юпитер-квадро"

Магнитофон "Юпитер-квадро"

ССЫЛКИ:

О принципах радиосвязи будет рассказано в отдельной статье.

В телеграфоне был применен метод так называемой «перпендикулярной магнитной записи». Однако в последующем об этом типе записи данных забыли, оправданно или неоправданно – не нам судить. А вспомнили только к концу 20-го века. Теперь же мы пожинаем плоды усилий конструкторов компании Seagate, которая начала активно использовать перпендикулярную запись в своих терабайтных накопителях.

В то время еще не существовало слова «магнитофон», но я буду применять его для краткости.

Как известно, ферромагнетики обладают свойством долго сохранять остаточную намагниченность.

Для поддержания постоянной скорости движения магнитной ленты применяется специальное устройство – тонвал с прижимным роликом. Для упрощения на данном макете не показан.

НАЗАД на страницу РАДИОзвук