13.11. Шумы и помехи при магнитной записи

Основным источником шума при магнитной записи является звуконоси­тель. Классифицировать шумы носителя записи можно по различным призна­кам. Например, с точки зрения причины возникновения шум подразделяют на структурный и контактный.

Ранее отмечалось, что рабочий слой магнитной ленты состоит из боль­шого числа мелких частиц ферромагнитного порошка, распределенных в свя­зующем веществе. Эти частицы представляют собой элементарные области са­мопроизвольной намагниченности. Неоднородность частиц, а также неравно­мерные распределения их в слое приводит к тому, что из магнитной ленты, даже полностью размагниченной, исходят микроскопические поля рассеяния. При воспроизведении они создают сигнал шума в головке воспроизведения.

Неоднородность носителя связана также с колебаниями толщины и ши­рины магнитного слоя ленты. Шум, возникающий вследствие магнитной неод­нородности, называется структурным. Уровень структурного шума тем больше, чем больше размеры ферромагнитных частиц и тем меньше, чем больше размер зазора головки воспроизведения.

Второй причиной шума является хаотическое изменение механического контакта ленты с головками, как в процессе воспроизведения, так и в процессе записи. Нерегулярные изменения контакта между лентой и головкой записи вы­зывают изменения намагниченности, которые при воспроизведении создают сигнал шума. Это так называемый контактный шум.

Шумы можно также классифицировать в зависимости от состояния звуко­носителя. При такой классификации различают три вида шумов: шум размагни­ченной ленты, шум паузы и модуляционный шум.

Под шумом размагниченной ленты понимают шум ленты, размагниченной в идеальном размагничивающем устройстве, т.е. в устройстве, обеспечивающем сколь угодно большое начальное значение размагничивающего поля и сколь угодно малую разницу между последующими значениями амплитуд. Уровень шума размагниченной ленты служит как бы показателем ее потенциальной воз­можности создания собственных помех. Шум размагниченной ленты– это структурный шум. Для лент стандартной толщины величина этого шума со­ставляет - (66  70) дБ.

Шумом паузы называется шум размагниченной ленты, подвергнутой дей­ствию поля подмагничивания, создаваемого головкой записи. Относительный уровень шума паузы входит в число важнейших показателей магнитофона, так как определяет динамический диапазон записываемых сигналов.

При записи с ВЧП теоретически намагниченность фонограммы в паузе должна отсутствовать и шум паузы должен быть равен шуму размагниченной ленты.

Однако существует целый ряд факторов, вызывающих паразитную намаг­ниченность ленты.

Вероятные причины шума паузы фонограммы:

­–сохранение некоторой остаточной намагниченности в рабочем слое но­сителя за счет ранее записанного сигнала, которая была недостаточно стерта в процессе размагничивания;

–действие постоянного постороннего магнитного поля при наличии поля ВЧП, образуемого головкой записи (например, магнитного поля земли);

–несимметричность формы колебаний магнитного поля ВЧП, обусловли­вающую постоянную составляющую переменного магнитного поля;

–паразитное намагничивание (например, от прикосновения инструмента или от влияния намагниченных деталей лентопротяжного механизма);

Все эти причины вызывают появление остаточной намагниченности. Вследствие структурной неоднородности рабочего слоя ленты остаточная на­магниченность не постоянна и в процессе воспроизведения данная составляю­щая прослушивается в виде шума.

Однако даже при полном устранении причин, вызывающих паразитное намагничивание ленты, шум паузы остается на 3  7 дБ выше шума размагни­ченной ленты. Механизм этого увеличения шума изучен недостаточно, но су­ществует предположение, что причинами шума паузы является копирование на ленте доменной структуры и поверхностных дефектов сердечника записываю­щей головки и перезапись на ленту его шумового магнитного потока.,

На величину шума паузы влияют как величина, так и частота тока под­магничивания. Чем больше величина тока и чем выше его частота, тем уровень шума паузы меньше.

Следует иметь в виду, что в режиме записи на ленту также записывается шум усили­теля записи. Кроме того, шум паузы включает шумы усилителя воспроизведе­ния. Однако шумы усилителей по сравнению с собственным шумом ленты не­велики и практически не отражаются на общем показателе магнитофона.

Модуляционные искажения и шумы. Заметим, что во многих литературных источниках не делается различия между модуляционными искажениями и модуляционными шумами, что приводит к путанице и неудобствам их оценки и выборе метода борьбы с ними. В этом плане представляется правильным подход Б.Г. Коллендера, который предлагает классифицировать и оценивать помехи в звукозаписи в соответствии с особенностями их слухового восприятия.

Модуляционные искажения и шумы представляют собой особого рода помехи, возникающие в системах записи и воспроизведения информации. Эти помехи обусловлены нестабильностью движения носителя записи и неоднородностью его структуры. Математически они описываются выражениями, в которых полезный сигнал и мешающее воздействие перемножаются, поэтому такие помехи называют мультипликативными.

В магнитофонах мультипликативные помехи вызываются колебаниями скорости магнитной ленты, ее переменным контактом с магнитными головками, неравномерной структурой рабочего слоя и физико-механическими свойст­­­-

вами основы ленты. Указанные причины приводят к паразитной модуляции полезного сигнала–частотной (ПЧМ) и амплитудной (ПАМ), которые изменяют спектр сигнала, дополняя его новыми составляющими.

Искажения, вызываемые паразитной частотной модуляцией и методика их измерения были нами подробно рассмотрены в первой главе пособия.

Паразитная амплитудная модуляция возникает из-за переменного контакта ленты с магнитными головками и неоднородности структуры ленты. В отличие от ПЧМ, определяемой, в первую очередь, свойствами лентопротяжного механизма, ПАМ в основном зависит от свойств ленты и сигнала. Так, при ПАМ действует большая часть причин, обусловливающих шум намагниченной ленты, а с увеличением частоты, точнее с укорочением длины волны записи, ПАМ возрастает из-за влияния контактных потерь.

Слух наиболее чувствителен к ПАМ в области частот наилучшего восприятия.15 кГц, поэтому модуляционные искажения от ПАМ измеряют на частоте 3150 Гц. Восприятие этих искажений при прослушивании сигнала характеризуется хриплостью звучания, а зависимость слышимости от частоты модулирующих возмущений примерно такая же, как и от ПЧМ. Порог слышимости ПАМ на гармоническом сигнале равен примерно 1 %, а при записи музыки и речи находится выше 15 %. В многодорожечных магнитофонах с узкими дорожками записи ПАМ может достигать 2530 %. Паразитная амплитудная модуляция также сильно проявляется, если лента, используемая в магнитофоне, имеет механические дефекты: повышенную сабельность, коробление, потянутые края.

При наличии записываемого сигнала возникают модуляционные шумы звуконосителя. Записав синусоидальный сигнал (рис.13.36–а), при воспроизведении получаем сигнал, модулированный шумом (рис.13.36–б). Отфильтровав исходный сигнал, можно на экране осциллографа наблюдать напряжение шума (рис.6.1–в), модулированное частотой сигнала.

Рис.13.36. Влияние модуляционного шума на сигнал: а–записываемый сигнал; б–воспроизводимый сигнал, модулированный шумом; в–шум

Основной причиной появления модуляционного шума является наличие постоянной составляющей в мгновенных значениях тока записи. Сказанное поясняет рис.13.37. Из рисунка видно, что уровень постоянной составляющей в мгновенных значениях сигнала зависит от амплитуды записываемого сигнала. Он максимален в момент времени t₂ и равен нулю при смене полярности записываемого сигнала (t₃). Ранее отмечалось, что наличие постоянной составляющей увеличивает уровень шумов.

Естественно, что модуляционный шум наиболее сильно проявляется при больших длинах волн записи.

В отличие от модуляционных искажений, модуляционный шум по вос­приятию действует подобно аддитивной помехе и слышен в соответствии со своей величиной и законами маскировки слабых сигналов сильными. В связи с этим наибольшая слышимость модуляционного шума наблюдается при воспро­изведении сигналов, которые находятся в области пониженной чувствительно­сти слуха, т.е. на самых низких или на самых высоких частотах. В этом случае маскирующий эффект полезного сигнала наименьший, а составляющие шума, напротив, простираются в область повышенной чувствительности слуха. Если, например, на вход магнитофона подать гармонический сигнал очень низкой или очень высокой частоты, который почти не воспринимается на слух, то на вы­ходе магнитофона присутствие этого сигнала обнаружится по резко возрастаю­щему уровню шума. В практике звукозаписи модуляционный шум чаще всего слышен при низкочастотных сигналах–звуках литавр, контрабаса, фортепиано и т.п.

Рис.13.37. К причине появления модуляционного шума

Модуляционный шум, измеренный на низкочастотных сигналах, по-ви­димому, обусловлен в основном структурной неравномерностью рабочего слоя и поэтому характеризует в первую очередь качество магнитной ленты. Измере­ния показывают, что в зависимости от типа ленты шум при звукозаписи может увеличиваться по отношению к шуму паузы от 35 дБ у лент высокого качества и до 1520 дБ у лент низкого качества.

Уровень модуляционного шума в сильной степени зависит от величины тока ВЧП. Чем больше подмагничивание, тем меньше уровень модуляционного шума. Это можно объяснить тем, что чем больший объем феррослоя участвует в процессе записи, тем меньше сказывается его неоднородность, так как проис­ходит усреднение на большом участке звуконосителя. С ростом же тока ВЧП как раз и происходит увеличение действующей толщины феррослоя.

Однако бороться с шумом путем увеличения тока ВЧП нецелесообразно, так как его увеличение изменяет другие пока­затели магнитофона. Так при токе большем оптимального возрастают нели­нейные искажения, уменьшается отдача, а расширение критической зоны приводит к волновым потерям на верхних звуковых частотах.

Максимальное отношение сигнал/шум обеспечивается при токе подмагни­чивания на 20% больше оптимального. Это объясняется тем, что при таком токе спад отдачи происходит медленнее, чем уменьшение шума. Кроме того, если в силу каких-то причин возникает неконтакт и уровень шума возрастает, то это одновременно сопровождается увеличение отдачи ленты за счет приближения тока ВЧП к оптимальному.

Переходные помехи. Если на одном носителе записи размещено не­сколько параллельных дорожек, то часть магнитного потока с одной из них мо­жет попадать в воспроизводящие головки других дорожек и создавать помеху, на­зываемую переходной. Уровень этой помехи зависит от длины волны записи, возрастая с ее увеличением.

Переходная помеха может возникать также из-за взаимных влияний голо­вок в многодорожечных блоках головок. Для устранения этой составляющей переходных помех, применяют электромагнитные экраны, располагаемые ме­жду головками.

Шумы усилителей. Природа шумов усилителей магнитофона не имеет ка­ких-либо специфических особенностей по сравнению с усилителями других звукотехнических устройств и достаточно известна. Отметим, однако, что уси­литель воспроизведения магнитофона создает сравнительно высокий уровень шума, что связано с большим коэффициентом передачи усилителя, который должен обеспечить усиление слабого полезного сигнала с ленты. Поэтому при

разработке магнитофонов борьбе с шумом усилителя воспроизведе­ния уделяется особое внимание. Магнитные головки и цепи, идущие к усили­телю тщательно экранируют, причем, обычно экраны воспроизводящих головок бывают двухслойными - из пермаллоя и меди. Шум усилителя воспроизведения становится более существенным при использовании узких дорожек записи, когда величина сигнала с ленты уменьшается.

В усилителе записи вследствие относительно высокого уровня полезного сигнала отношение сигнал/шум, как правило, велико и не отражается на показа­телях магнитофона. Шум усилителя записи может, однако возрасти и стать за­метным из-за нарушения режимов работы оконечных каскадов усилителя.

Копирэффект. Сущность копирэффекта заключается в том, что отдельные участки магнитной фонограммы, имеющие большую остаточную намагниченность, при свертывании ленточного носителя в рулон намагничивают ближайшие к ним участки соседних витков носителя, особенно, если последние совершенно не намагничены (пауза между сигналами) или слабо намагничены при записи. При воспроизведении такой фонограммы прослушиваются несколько опережающих и запаздывающих по отношению к основному сигналов–копий или эхо, которые являются помехами звуковому восприятию. Особенно неприятны для слуха опережающие эхо-сигналы, когда громкие звуки, воспроизведенные с магнитной ленты, чередуются с паузами.

Отношение между уровнем основной записи и ее копии или разность их значений в децибелах определяет относительный уровень копирэффекта.

Относительный уровень копирэффекта зависит от длины волны записи, общей толщины и толщины рабочего слоя носителя, величины частиц носителя, времени хранения ленточного носителя в смотанном состоянии, магнитных свойств материала рабочего слоя носителя и температуры окружающего воздуха.

Уровень эхо-сигнала, имеет максимальное значение на определенных частотах, при длине волны записи в три-четыре раза превышающей толщину ленты. Соответственно при малых скоростях движения ленты копирэффект больше сказывается на низких частотах. С увеличением времени хранения и температуры уровень копирэффекта возрастает.

Особенно сильно повышается уровень эхо-сигнала при воздействии дополнительного переменного магнитного поля. Действие, которое оказывает это поле, подобно действию высокочастотного поля подмагничивания при записи.

Копирэффект различен для лент разных типов: для лент с высокой коэрцитивной силой он меньше, чем для лент с малой коэрцитивной силой.

Относительный уровень копирэффекта у современных магнитных лент составляет -(5758) дБ.

Рис.13.38. Диаграмма уровней копирэффекта