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发表于 2006-9-18 13:45
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录音机的原理
第一章 概 述
我们工作与生活中大量使用的磁带式录音机,它的发明可以追溯到19世纪前,它的历史也与19世纪电话机的发展历史密切相联。
今日,在美国波士顿法院路109号门口,钉着一块铜牌,上面写着:1875年6月2日,电话在这里诞生。电话的发明者是贝尔和沃森,那幢房子就是他们最初做电话试验并取得成功的地方。
图1—1 贝尔获得发明电话专利,专利证号码NO:174655
约20年后,1898年开始出现了磁性录音机。世界上第一台磁性录音机是丹麦人波尔森发明的,他的做法是:录音时,将电磁铁悬挂在钢丝上,通以碳粒式送话器传来的音频电流,直接用电磁铁按照电流的强弱对钢丝加以磁化。放音时,仍用电磁铁取出电流的变化,用受话器收听,勉强可以听到声音。
图1—2 美国专利公报记载的波尔森发明的 录音电话机构造(1900年)
这时的录音是没有偏磁的,因为当时还没有电子管,再生媒介是钢丝剩磁,还原的录音音量极小,失真大。
第二次世界大战,刺激了电子、机械工业的发展,英国BBC广播电台开始使用的钢带式录音机(1935年):
这种录音机的技术参数为:
钢带:钨钢,带宽3mm,厚0.08mm,单盘钢带长度:3000m,钢带速度150m/s,录音时间28分钟
偏磁:DC方式 (这是最初出现的直流偏磁方式),整个录音机重量约1.1吨
这时出现电气录音刚开始时,频宽只能达到l00Hz~1200Hz,动态范围l5~20dB。与钢丝式录音机使用一样,录音前钢带必需先抹声并消磁。
到了1940年左右,电子管用于录音中的AC交流偏磁,录音的频宽已经到了40Hz—8000Hz,动态范围提高到 25dB。
同期内,贝尔实验室ArthurKeller所发明的动圈式唱头,以钻石和蓝宝石为唱针,频率响应居然可从40Hz-12000Hz,电子管的应用,也使录音机已与电唱机产生分道,录音机音质落后于唱机。
1940年后,磁性录音机技术的有了新的发展,特别是抛弃笨重的钢丝向纸基磁带发展,德国AEG公司在磁带录音机上首次使用了纸基磁带,录音性能也有了很大提高。第二次世界大战结束时,赴德国考察的美国技术考察团,在德国发现了这种录音机,曾对其进步程度感到吃惊。
战后,这种纸基磁带录音机技术被美国所继承,仅经过2~3年,3M公司就研制出比德国更好的纸基磁带,接着又研制出高性能的塑料带基磁带(Scotch-111型)。随着高质量磁带的出现,磁头的研究与生产也日见完善。Ampex等几家公司先后研制出专业用磁带录音机,同时生产和出售家用磁带录音机。
从三十年代有声电影就已经开使用麦克风录音,以电影胶片为载体时,管弦乐曲配乐的各声部清晰度比SP唱片好。唱片时代一直努力想达到的目标:把频率响应提高到10,OOOHz以上,却直到二次大战以后才得以实现。
英国Decca在1944年春天发表ffrr文章(Full FrequercyRangRecording),成为第一家完成此目标的公司。原因是在战争中英国海岸警备队使用的水中监听机,必须具备1OKHz以上的能力才能录下敌方潜艇马达声,Decca的技术主任阿萨.哈替努力下终于开发出完美重放1OKHz高频声音的仪器。
五十年代,世界各国都在努力提高磁带录音机的质量和增加产量。从日本的情况来看,生产录音机的厂家已达几十个,年产量约数百万台,其中80%出口,成为世界上生产磁带录音机最多的国家之一。在磁带的生产方面,1950年,东京通信工业公司(现在的索尼公司)出售了纸基磁带及磁带录音机,有六家公司在磁带产品的数量和质量方面与世界各国的磁带生产厂家展开竞争。
1951年,中国第一台录音机试制成功。至八十年代,深圳市赛格康乐电子有限公司也成为中国第一台国产双卡收录机的诞生地。
第二章 录音头偏磁的原理
许多情况下,印刷在的磁带上的120μS,70μS会让我们有个误解:只有磁带才需要偏磁,磁头是不用偏磁的。
而实际上,磁头在录音时,也需要偏磁,以克服磁头产生的失真度。有如功放未级管有交越失真般,磁头的铁芯在将线圈中的电流转变成磁场时,它的起始点曲线也是非线性的。无论二、三磁头机,所有录放音磁头的偏磁特性规律都具有这种变化趋势。
见下图2-1磁头的偏磁特性:
由图2-1可以看出;
1.如曲线①,315Hz的录音磁平(录音后的放音输出电平)与直流偏磁电流DC的关系:
保持315Hz的录音电流不变,偏磁电流较小时,录音回放磁平低,当达到某值时,录音磁平达到最大值,图中此偏磁电流值约160uA,此后偏磁再大,录音磁平反而变低。原因是磁头已趋饱和。
2.如曲线②,偏磁电流对高音频(8kHz)的影响,从偏磁加大后,8KHz录音后的输出电平下降很快,即个单个磁头的频响的高音频段变差.音频的输出减少得比315Hz快得多。
原因:新加大的偏磁电流已经发挥直流抹音的效果,>8K高段声音最容易被抹。
3.如曲线③,偏磁电流与失真度(γ)的关系:偏磁电流在120uA,失真度下得很快,但当偏磁电流>160uA后,失真度不再减少.
磁头的偏磁特性的选择:在一定范围内变化时,对315Hz的输出电平影响
较小,对>10KHz高音频的输出电平和失真度影响较大,高音频的输出电平下降,即频响变差,失真度和频响有较大矛盾,如何处理好这个矛盾,是录音通道偏磁电路设计的重点工作之一.
第三章 消音头消除磁带剩磁的原理
消音,就是将磁带上记录的剩磁信号消掉。与录音偏磁方式相对应,可分为直流消音法和交流消音法。
(1)直流消音
直流消音法是给磁带加上一个强直流磁场,使录音时的剩磁信号全部被磁化到饱和点,以达到消音的目的。实际消音时,可使用电磁铁(清音磁头)或永久磁铁。
消音磁头也和录音磁头一样,是在有缝隙的铁心上缠绕线圈。当线圈上有较大的直流电流通过并使磁带移动时,就会如图所示,在铁心缝隙处,磁带受到强直流磁场的作用而被磁化到饱和状态,因此录音剩磁信号全部达到饱和点。录音磁化信号也就全部被消掉。(再放音时,磁带经过磁头已经不会产生磁力线变化,磁头也无信号输出),经过铁心缝隙后,磁带上就达到最大剩磁,即恒定剩磁。
直流消音法,是在利用磁滞曲线直线部分,在有直流偏磁录音方式的录音机上使用。缺点是仍余留有少量信号还在磁带上。
(2)交流消音 .
交流消音法是给磁带加上一个强交流磁
场,将磁带上的录音信号消掉。如果以较大的交流电流流过消音磁头,并使磁带移动,就会如图所示,磁带经过铁心缝隙时,由于受到强交流磁场的作用而被磁化到饱和状态,结果,录音信号全部被消掉。此后,随着磁带离开铁心缝隙,提供给磁带的交流磁场在正负方向上多次反转极性而逐渐减弱,描成一条回线,最后达到中性点O,剩磁变为零,也就是磁带完全被消磁。
交流消音法用于使用交流偏磁法的录音机上。消音磁头上流过的电流频率与录音偏磁电流的频率相同。
第四章 录音偏磁的原理
录音磁头是由图所示的环形铁心和缠绕在上面的线圈组成,铁心中间留一缝。磁带是由塑料带基及其表面上均匀涂敷的微小磁性体组成。录音时,磁带的磁性面以恒定速度经过录音磁头缝隙。当录音磁头线圈流过电流时,磁头缝隙处产生与电流成正比的磁场,把磁带上的磁性体磁化。如果电流象录音信号那样随时间变化,则磁带上的磁性体在经过缝隙时就会随电流(磁场)的变化而被磁化,磁带离开缝隙之后,在沿磁带长度方向的不同位置上留下了剩磁信号,将录音信号记录下来,如图所示。
直流录音偏磁
为了减小录音失真,用超声偏压(交流)代替直流偏压时,可以和信号一起直接加到录音头上。超声信号是在可闻频段以上的频率,应在40千赫到100千赫的范围内——频率愈高,保真度就愈好。二磁头机的偏磁在60KHz,三磁头机的偏磁在100~180KHz。
如果录音时不加任何偏磁,则录音的效果会极差........小信号失真大,大信号破嗓门。不加任何偏磁的效果图示:
一旦用超声偏压代替直流偏压参与磁头偏磁时,录音效果立即改善,失真急剧下降到5%之下:
录音信号和超声偏压信号的混合结果见上图。总的信号变化已经讲过,应在曲线AB的线性工作区域内。超声偏压信号在录音和放音时是和音频信号同时存在的,不过人们的听觉器官听不见而已。超声偏压的使用是很受欢迎的,因为它在节目的低音量时刻和在寂静的区域内,使磁带输出更寂静的效果,并且是很容易获得和很容易调整的,结果是录音时有更多的信噪比与动态值。
因此,记录在磁带上的信号波长是录音电流经过一个周期时磁带走过的长度,该波长与磁带速度成正比,与录音电流的频率成反比另外,磁带表面的磁通密度与录音波长成反比。也就是说,若录音电流对频率是恒定的,例如10KHz的声音在磁带表面的被磁化磁通密度,是1KHz的声音在磁带表面的被磁化磁通密度一倍程。
第五章 放音频率均衡放大器
第一节 盒式录音机的综合频率特性
由于磁头的高端录音损耗,在磁头注入同样的录音电流,高频段 (>10KHz)的磁带实际输出电压会减少许多倍程。所以,在录音时,要给予高端频率>5KHz)进行补偿。而放音时,又以相反的频响曲线进行补偿,以期获得平坦的回放曲线与高的信噪比。
图 5-1
通常,我们需要录音带的最终放音的综合频率特性曲线是平直线(理想状态),图5-1是盒式录音机的频率特性曲线,其中ABC是最终放音的综合频率特性曲线
(自录自放的综合频率特性曲线),理想情况下,要求ABC频段为平坦响应.实际上ABC 频段不可能平坦,在高、低频段均可能下降,中间部分也不可能完全平坦,上升或下降的范围与316Hz的电平比较应在+3~-5dB之内。
为了ABC频段为平坦响应,怎样获得尽可能宽的平坦的综合频率特性,是录音机电路设计中最重要的内容之一。
图5-1中,曲线(1)+(2)是录音磁头在最佳偏磁状态下进行恒流录音(从fd~fg),保持录音电流相等)后,从磁头二端直接测得的放音输出特性(自录自放特性).曲线的主要特点是:在某个频率fm(因磁头不同而不同,通常在2~4kHz之间)处即曲线的M点输出最大;低于fm的中低音频段约每二分之一频程衰减6dB;高于fm的中、高音频段,由于磁头本身对高音频存在多种损耗,它的衰减速度比低音频段快得多,频率越高,衰减越快.一切录放音磁头的自录自放特性曲线,其变化趋势都如此(见第三贴曲线图)。
图5-1中,曲线(3)+(4)是盒式录音机放音频率均衡放大器的补偿曲线,这是国际通用的标准曲线.按国际统一标准,在使用常规磁带(NORMAL)的情况下,对该曲线规定了两个时间常数:120μs和3180μs,其中120μs对应的转折频率为1.33kHz,高于该转折频率时响应曲线(4)趋于平坦,与1.33kHz的输出电平相比较,最多衰减6dB;1.33kHz以下的低音频段曲线(3)则具有每二分之一频程6dB的提升斜率.因,放音频率均衡放大器的总频率补偿曲线可看成是转折频率为1.33kHz的低音频提升曲线.3180μs对应的转折频率为50Hz,低于该转折频率时曲线趋于平坦,与50Hz的输出相比较,最多提升3dB。
校正录音机的综合频率特性成为平坦的ABC频段,第一步要先校正放音频率均衡放大器的频率补偿曲线(3)+(4)段。校正的具体方法:通常都用标准频响测试磁带MTT-216R(单声道)或MTT-216(双声道)放音,从放音EQ放大器的输出端测量各频率点的输出电平,使达到处处电平相等。
对比自录自放(全通道)的频率特性曲线(1)+(2)和放音EQ放大器的频率补偿特性曲线(3)+(4)可看出,在fm以下的频率,曲线(1)与曲线(3)正好对应相反,综合(1)与(3)便可把(1)校正成平坦响应的AB段.因此录音时。fm以下的频率一般不必加录音电流补偿,而只须由恒流源供给磁头以恒定录音电流即可.但是当频率很低时(通常低于63Hz),由于磁头的电感量不够大,恒流录音之后的输出会进一步下降3~6dB,如曲线(1)',为此,对于某些要求较高的录音机也常有适当的低音频补偿,如曲线(1)''。
为了使录好音的磁带经过具有频率响应曲线(3)+(4)的通用放音EQ放大器放音后,获得ABC直线的平坦输出特性,必须把fm以上的自录自放(全通道)频响曲线(2)也补偿成具有平坦输出特性的曲线(6)。这就要求录音时需对fm以上的频率进行录音电流提升补偿,并且其提升曲线(5)应与曲线(2)对称相反。
经过这样提升补偿后,磁头二端的自录自放(全通道)频响特性曲线将为(1)+(6),(1)+(6)的特性正好与(3)+(4)反对称.这样就最后获得平坦输出的综合频率特性。
校正录音机综合频率特性的第二步实际上就是调整供给录音磁头的录音电流,使它具有如图5—1中的(1)”+A'B+(5)的补偿特性, 其中,如何获得曲线(5)所示变化规律的录音电流特性,是一般盒式录音机电路设计中较难处理的问题,这种情况需要用到“特殊的录音频率补偿电路”,来比较理想地解决这个问题。
第二节 放音EQ放大器的工作原理
放音频率补偿特性曲线的主要特点放音频率均衡放大器主要用来补偿磁头放音的低音频特性,应具有图5-2所示的频率补偿特性:
图5-2
该特性可看成是一条低音频提升的曲线.这也是国际通用的盒式录音机的标准放音频率补偿特性曲线.图中,曲线A是供放送常规磁带(NORMAL磁带=120μs)的频率补偿特性曲线,曲线B是供放送铬带(Cro2磁带=70μs)的频率补偿特性曲线,这两条曲线低音频提升特性相同,只在高音频时曲线刀比曲线A衰减多一些, 一般只在立体声(STEREO)录音机中考虑曲线A的同时,才考虑特性曲线B。
曲线中τ是时间常数,它所对应的频率称为转折频率,转折频率的含意是在此处总是具有提升(或衰减)3dB的转折特性(相对于平坦响应的电平而言).例如图中,τ1=3180us相对应的转折频率为50hz 。
第六章 偏磁、消音用振荡电路
电路及其条件
录音机振荡电路提供录音磁头的偏磁电流和消音磁头的交流信号。偏磁电流在录音时与录音信号重叠流过录音磁头;交流信号流过消音磁头而消音(图6—1)。
虽然也有使用永久磁铁或让直流电流流过磁头的直流消音和直流偏磁方式,但用得不多。常用的仍是性能优良的交流消音和交流偏磁方式。
图6—1 振荡电路的几种形式
虽然也有使用永久磁铁或让直流电流流过磁头的直流消音和直流偏磁方式,但用得不多。常用的仍是性能优良的交流消音和交流偏磁方式。
录音机振荡电路应满足以下条件;
(1)振荡频率应是最高录音频率的5倍以上 尽管任何交流信号都可达到偏磁和消音的目的,但如果振荡频率是可听频率,那么偏磁频率信号就会直接在录音机输出端重放出来。即使在可听频率之外,也往往引起录音信号或录音信号的谐波与偏磁频率信号的差拍。特别是在录制调频立体声广播时,往往会产生和调频广播导频信号(19kHz)或副载波(3.8kHz)谐波的差拍。反之,若偏磁频率偏高,磁头损耗加大,电路本身的杂散电容引起的损耗也会变大。所以选择频率时必须考虑上述问题。一般普及型录音机选用30—50kHz,中级机选用50~80kHz,高级机选用70~200kHz。
(2)波形失真要小 偏磁波形常用正弦波,要做到失真尽量小。若偏磁信号中偶次谐波多,波形的正负就不对称,其直流成分就会使磁头磁化,还将造成磁带直流磁化,结果噪声增大,高频特性变坏。所以希望消音和偏磁用振荡器尽量不要有偶次谐波。使用电子管时要避免三极管单管工作。
(3)频率稳定性要好,偏磁源的频率精度本身并不重要,但频率变化必须尽量小。若频率发生变化,不仅影响偏磁陷波的效果,而且有些电路还会出现偏磁电流和消音电流的变动。也有少量样机,以石英晶体为信号源,输出极为稳定偏磁振荡频率供给三磁头机使用。但频率低于200KHz的晶振体积笨重,故障率也高。
(4)输出要稳定 不能因电源变动、负载变动而引起输出变动,特别是偏磁电流一变,就会影响录音灵敏度、失真和频率特性等。消磁电流太低时,就不可能完全消磁。.所以要做到振荡输出尽量大,单声转换时应接有假负载。
振荡电路的形式一般采用LC的哈脱莱式、柯尔比茨式、陶瓷及石英振子式等,使用小功率晶体管(或电子管),从集电极反馈到基极。三磁头卡座上的交流振荡电路通常以双管为多。甚至要装入厚厚的金属屏蔽罩内。 |
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