Магнитные ленты

Магнитные ленты представляют собой композицию из несущей основы, изготов­ленной из пластичного материала, и рабочего слоя в виде смеси ферромагнитного порошка со связующим веществом. В настоящее время в качестве основы обычно используется полиэтилентерефталат (лавсан), обладающий высокой прочностью, эластичностью, влагостойкостью и технологичностью. Кроме лавсановых, сущест­вуют ленты на ацетатной и иных основах.

В качестве магнитного материала применяют у-окись железа (у-Fе₂О₃), окись хрома (СгО₂), чистое железо, соединения кобальта (Сo) и некоторые другие ве­щества. Самое широкое распространение получили ленты на основе соединения у-Fе₂О₃, на втором месте по популярности стоят ленты на основе СгО₂. Бывают также разновидности лент с оксидом железа, модифицированным кобальтом, с дву­мя рабочими слоями (внутренний - феррооксидный, внешний - хромдиоксидный) и т.п.

После намагничивания материала магнит­ной ленты и снятия внешнего магнитного поля он продолжает сохранять остаточную индукцию. На рис. 4.25 для различных мате­риалов показаны кривые намагничивания, то есть зависимости магнитной индукции В, измеряемой в теслах (Тл), от напряженности внешнего магнитного поля Н, измеряемой в единицах «ампер на метр» (А/м). Кривые обладают гистерезисным характером. При возрастании напряженности магнитного поля в положительном направлении магнитная индукция возрастает сначала довольно резко, затем кривая намагничивания становится по­логой и, наконец, достигает значения маг­нитного насыщения В_н. При последующем уменьшении напряженности Н магнитного поля индукция В также уменьшается. Когда значение Н падает до нуля, материал оста­ется намагниченным (В_ост > 0).

Рис. 4.25. Зависимость магнитной индукции В от напряженности внешнего магнитного поля Н в различных материалах

Остаточная индукция В_ост является самой важной характеристикой магнитного материала лен­ты. Чем она выше, тем больше максимальный остаточный магнитный поток и, сле­довательно, лучше характеристики записи воспроизведения обеспечит эта лента. Величина Н_с, равная напряженности магнитного поля, необходимой для изме­нения индукции от В_ост до нуля, называется коэрцитивной силой по индукции. Кроме этого, ферромагнитные материалы характеризуются магнитной прони­цаемостью ц, показывающей, во сколько раз магнитная индукция в ферромагне­тике больше, чем в воздухе.

Для снижения нелинейных искажений и повышения остаточной намагничен­ности ленты в магнитофонах применяется запись сигналов с высокочастотным подмагничиванием. Тогда записываемое низкочастотное (звуковое) колебание S_зп.(рис 4.26) суммируется с колебанием подмагничивания S_П (рис 4,26). частота Р_п которого гораздо выше верхней звуковой частоты и составляет десятки килогерц. В результате возникает сигнал S_ЗП (рис.4.26), с помощью которого осуществляет­ся смещение диапазона изменения записываемого аудиосигнала на линейный участок кривой намагниченности. При этом само высокочастотное колебание на магнитную ленту не записывается. Оптимальное значение тока высокочастотно­го подмагничивания зависит от магнитных свойств используемой ленты.

Магнитная лента может использоваться для записи и воспроизведения много­кратно. Если перед записью нового фрагмента фонограммы ее не размагнитить, произойдет наложение записей друг на друга. Для удаления предыдущей инфор­мации производят ее стирание путем воздействия сильного внешнего магнитного поля на активный слой ленты, в результате чего рабочий слой сначала намагни­чивается до насыщения, а затем размагничивается. Это поле может быть как пе­ременным, так и постоянным. В первом случае используются колебания генера­тора тока стирания и подмагничивания (ГСП), формирующего гармонический сигнал, в соответствии с которым меняется магнитное поле специальной стира­ющей головки. Во втором случае стирающая головка представляет собой посто­янный магнит.

Весьма высокий уровень стандартизации достигнут в производстве магнитных лент. Согласно классификации международной электротехнической комиссии (МЭК-IЕС) магнитные ленты для аудиокассет подразделяются на 4 группы в за­висимости от требуемых значений оптимального тока высокочастотного подмаг­ничивания и параметров коррекции амплитудно-частотной характеристики маг­нитофонных трактов:

• МЭК 1 (IЕС 1) - лента с феррооксидным рабочим слоем (Fe₂,О₃), «обычная» или «нормальная»;
• МЭК II (IЕС II) - лента с рабочим слоем из хромдиоксида (СгО₂) или заме­нителей;
• МЭК III (IЕС III) - лента с двумя рабочими слоями (внутренним - ферро­оксидным, внешним - хромдиоксидным);
• МЭК IV (IЕС IV) - лента с рабочим слоем из металлического порошка желе­за (Мetal).

Рис. 4.26. Формирование сигнала записи с высокочастотным подмагничиванием

Сравнивая два первых, наиболее распространенных, -типа магнитных лент, можно обозначить ряд преимуществ магнитных лент на основе хромдиоксида. При их применении для записи аудиосигналов достигаемое соотношение сигнал/ шум на 12-16 дБ лучше, чем при использовании лент на феррооксидной основе. Нелинейные искажения и саморазмагничивание на высоких частотах также бу­дут меньшими.

Приведенные на рис. 4.27 кривые намагничивания лент типов I, II и IV свиде­тельствуют о том, что лента типа IV (Меtal) способна обеспечить существенный выигрыш в уровне записанного сигнала по сравнению с хромдиоксидной и фер­рооксидной лентами. Кроме того, металлопорошковые ленты характеризуются минимальными искажениями и широким частотным диапазоном. Еще одно пре­имущество заключается в их абсолютно гладкой поверхности, что существенно снижает абразивный износ магнитных головок. Однако стоимость таких лент существенно выше, они требуют значительно большего тока подмагничивания: не все бытовые магнитофоны в состоянии производить на них запись из-за от­сутствия необходимых корректирующих цепей. В режиме воспроизведения дан­ный недостаток удается игнорировать: кассеты с лентой типа IV (Меtal) можно без потери качества прослушивать при положении переключателя лент «СгО₂» (тип II).

Рис.4.27.Зависимость коэффициента третьей гармоники и ЭДС оттока подмагничивания воспроизводящей головки

Магнитные ленты типа III широкого распространения не получили. Как уже отмечалось, характеристики магнитной ленты в значительной степени определяют качество записи и воспроизведения фонограмм. При этом наиболее важны следующие параметры:

• относительная чувствительность;
• величина нелинейных искажений;
• отношение сигнал/шум.

Чувствительность ленты характеризуется степенью ее намагниченности, кото­рая определяется как отношение величины остаточного магнитного потока к низ­кочастотному полю головки, создаваемому током записи. Проще говоря, чем выше чувствительность ленты, тем меньшим коэффициентом усиления может обладать усилитель записи.

Относительная чувствительность ленты определяется как отношение уровня сигнала на данной магнитной ленте к аналогичному уровню сигнала на образцо­вых или эталонных лентах такого же типа, выпускаемых фирмами-производите­лями. Этот параметр измеряется на частотах 315 Гц и 10 кГц и характеризует тот уровень, с которым сигнал реально записывается на ленту при нулевом показании индикатора записи (оно означает уровень сигнала в децибелах).

Имея результаты измерения чувствительности на частотах 315 Гц и 10 кГц, можно оценить амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) магнитной ленты. Точная АЧХ получается при измерениях на нескольких частотах. Полученная кривая должна быть прямолинейна и параллельна оси абсцисс в звуковом диапа­зоне частот, а значение на частоте 315 Гц - как можно ближе к 0 дБ. Обычно АЧХ магнитной ленты указывается на вкладыше магнитофонной кассеты.

Изменения чувствительности в основном определяются неравномерностью толщины рабочего слоя ленты и концентрации в нем ферромагнитного порошка. Увеличение неравномерности может быть вызвано пылью, а также продуктами износа ленты и магнитных головок на поверхности рабочего слоя.

На равномерность АЧХ магнитных лент существенно влияет величина тока высокочастотного подмагничивания. При оптимальном токе подмагничиваиия обеспечивается наибольший уровень записи. Его превышение сверх оптимально­го вызывает резкое ослабление уровня записи высоких звуковых частот и некото­рое его увеличение при записи низких звуковых частот. При уменьшении тока подмагничивания картина меняется на обратную. Оптимальный ток высокочас­тотного подмагничивания устанавливают по максимуму отдачи (чувствительнос­ти) магнитной ленты на частотах 400 Гц или 1000 Гц.

Неравномерность АЧХ определяет линейные искажения сигналов. Кроме это­го, от магнитных свойств рабочего слоя и тока высокочастотного подмагничива­ния зависит величина нелинейных искажений, являющихся основной частью суммарных нелинейных искажений канала магнитной записи. Чем больше оста­точная намагниченность материала, тем они меньше. Для их оценки используют параметр, называемый коэффициентомгармоник, и, чаще всего, коэффициент тре­тьей гармоники К₃. Современные ленты имеют величину К₃ в пределах 0,4-2,2%. Примерный вид зависимости К₃ и ЭДС воспроизводящей головки Е на разных частотах от отношения величины тока подмагничивания I_п к его оптимальному значению I_{п опт} показан на рис.4.27. При оптимальном выборе данного параметра обеспечивается некоторый компромисс между равномерностью амплитудно-час­тотной характеристики и величиной нелинейных искажений.

Также на величину нелинейных искажений влияет правильный выбор уровня записываемого сигнала, ибо увеличение уровня записи выше допустимого приво­дит к перемодуляции ленты и появлению повышенных нелинейных искажений, а его уменьшение снижает отношение сигнал/шум. Поэтому следует поддержи­вать такую величину уровня записи, при которой достигался бы компромисс между максимально возможным записываемым уровнем намагниченности ленты.

Максимальный уровень записи, выбранный в соответствии с этими критери­ями, позволяет судить о перегрузочной способности ленты и определяет верхнюю границу динамического диапазона канала записи. Чем шире данный диапазон, тем выше качество записи и воспроизведения фонограмм. Его нижняя граница опре­деляется величиной шума магнитной ленты, зависящего от магнитного состояния ленты. Различают несколько видов шумовых сигналов, получающихся при вос­произведении:

• шум паузы;
• шум размагниченной ленты;
• шум намагниченной ленты;
• модуляционный шум.

Кроме того, по источникам происхождения шумы подразделяются на контакт­ные и структурные. Первые возникают из-за непостоянства плотности прилега­ния магнитной ленты к головкам, а вторые - вследствие магнитной неоднородно­сти рабочего слоя.

Шум паузы - это шум ленты, которая была размагничена стирающей головкой и затем подверглась воздействию высокочастотного поля подмагничивания запи­сывающей головки. Относительный уровень шума паузы при воспроизведении определяют как отношение напряжения шума ленты к напряжению, соответству­ющему номинальному уровню записи.

Относительный уровень шума намагниченной ленты служит для оценки по­мехи, проявляющейся в виде так называемого модуляционного шума, который накладывается на записанный сигнал и растет с увеличением его амплитуды. Мо­дуляционный шум определяется неравномерностью структуры рабочего слоя лен­ты и колебаниями скорости ее движения. При воспроизведении он прослушива­ется как шорохи. Несмотря на сравнительно малый уровень, такие шумы хорошо заметны на слух, поскольку практически не подвержены действию существующих систем шумопонижения.

От магнитных свойств ленты, толщины рабочего слоя, ее общей толщины за­висит проявление так называемого копирэффекта. Он заключается в следующем: при хранении магнитной ленты в рулоне (кассета, катушка) сильно намагничен­ные участки могут намагничивать другие области ленты, прилегающие к ним и расположенные на соседних витках ленты. Во время прослушивания это свой­ство проявляется в виде эха. Сильнее всего влияние копирэффекта проявляется при наложении копии на участок с паузой. Заметим, что существует определен­ная зависимость его проявления от температуры (при повышенных температурах он сильнее). Это следует учитывать при хранении магнитных лент и эксплуата­ции магнитофона в специфических условиях, например летом в автомобиле.

Как сказано выше, чтобы осуществить повторную запись на магнитную ленту, предыдущая должна быть стерта. Стираемрсть ленты зависит от ее магнитных свойств, но кроме этого влияние оказывают и параметры генератора тока стира­ния и подмагничивания, стирающей головки, предшествовавшего режима записи, а также условия хранения. Считается, что при повторном использовании магнит­ной ленты старая запись должна выть ослаблена не менее чем на 70 дБ.

Кроме магнитных свойств магнитофонных лент, на качество записи и воспро­изведения аудиосигналов существенно влияют и их физико-механические свой­ства. К ним относятся:

• удлинение (под нагрузкой и остаточное);
• сабельность;
• коробление;
• шероховатость;
• адгезионная прочность;
• тепло- и влагостойкость;
• упругость;
• износостойкость;
• абразивность.

При работе лентопротяжного механизма (ЛПМ) и при контакте с другими час­тями магнитофона, например магнитными головками, лента подвергается меха­ническим воздействиям и сама влияет на детали тракта. Особенно чувствитель­ны к повышенным нагрузкам тонкие ленты толщиной 9 мкм (С-120), поэтому использование их на дешевых магнитофонах с низким качеством работы ЛПМ не рекомендуется. Частицы ферромагнитного материала, составляющие рабочий слой лент, обладают высокой механической твердостью, следовательно, при со­прикосновении поверхности ленты с магнитными головками происходит истира­ние как самой ленты, так и головок, расширение их рабочего зазора и ухудшение качества записи/воспроизведения высоких частот.

В кассетных магнитофонах применяют магнитную ленту с шириной 3,81 мм, толщиной 18, 12 и 9 мкм. При этом, естественно, в стандартную кассету может помещаться различное количество ленты, что, в свою очередь, определяет полное время звучания. В маркировке кассет указывается его величина: С-60, С-90, С-120 или МК-60, МК-90. Выпускаются кассеты и с нестандартным временем звучания: С-30, С-45 и пр. До недавнего времени в быту использовались и катушечные маг­нитофоны, где ширина ленты составляла 6,25 мм, а общая толщина, в зависимос­ти от материала основы, - 55 мкм или 37 мкм при толщине рабочего слоя 15 мкм и 11 мкм соответственно.

На кассетном магнитофоне в процессе записи магнитная лента разделяется на две половины (рис. 4.28), на каждой из которых запись производится в одном на­правлении, причем при стереозаписи информация записывается поканально на две дорожки (правый и левый каналы), а при монофонической в каждом направ­лении используется одна объединенная дорожка равная по ширине сумме двух дорожек, используемых в режиме стерео, и промежутка между ними. Это обеспе­чивает совместимость магнитных лент, записанных в режимах «Стерео» и «Моно». Корпус магнитофонной кассеты должен соответствовать определенным требованиям, чтобы обеспечить стабильность движения магнитной ленты при вне­шних механических и тепловых воздействиях. Для этого корпусы и механические элементы кассет выполняются из термостойких твердых сортов пластмасс или керамики. В них присутствуют:

• высокоточные жесткие направляющие;
• специальные ребра жесткости;
• дополнительные элементы лентоукладки;
• особые пружинящие прокладки;
• прижимающие щетки из специальных антифрикционных и антистатических материалов.

Магнитные ленты аудиокассет рассчитаны на эксплуатацию при температуре от -10 ^oС до +45 °С.

Рис 4.28 Размещение дорожек записи на ленте кассетного магнитофона: а – монофонического,

б - стереофонического