Общие закономерности при записи и воспроизведении звука

При использовании любой системы звукозаписи фонограмму получают путем преобразования временного физического процесса, выражающего данный записываемый звуковой сигнал, в соответствующие пространственные изменения физического состояния носителя записи. В процессе воспроизведения сигнала происходит об­ратное пре­об­разование.

Указанные преобразования осуществляются в резуль­тате развертки (продольной, спиральной или строчной). Так, про­дольная развертка осуществ­ляется при равномерном движении носителя мимо неподвижных в простран­стве запи­сывающего и воспроизводящего элементов (классическая магнитная звукоза­пись). Спиральная развертка применяется при использовании носителя в виде диска или барабана (грамзапись). При строч­ной развертке сигнал на по­верхно­сти носителя фиксируется в виде отдельных строк (видеозапись).

Для того, чтобы установить основные соотноше­ния, ха­рактеризующие фо­нограмму, рассмотрим процесс записи гармонического сигнала. Если электри­ческий сигнал, подво­димый к записывающему устройству, из­меняется по за­кону:

,

(13.1)

то по такому же закону (при отсутствии искажений) изменяется один из пара­метров записывающего устройства (например, на­пряженность магнитного поля).

Физический след, возникающий на носителе в любой момент, пропорционален записываемому сигналу

,

(13.2)

где k - постоянный коэффициент;

m - параметр, характеризующий фонограмму (например, остаточная намагниченность).

За счет движения носителя относительно записы­вающего элемента физи­ческий след изменяется в на­правлении длины фонограммы. При условии, что ско­рость движения носителя в процессе записи постоянна и равна V_з

(13.3)

где x-координата длины.

Выражая время через x и V_з, найдем, как будет изменять­ся физический след вдоль фонограммы:

(13.4)

Таким образом, в результате записи сигнала, изменяющегося во времени, величина, характеризующая фоно­грамму, изменяется по тому же закону, но уже не по вре­мени, а по его длине.

Отношение имеет физический смысл числа перио­дов гармонического колебания, записанных на единице длины звуконосителя, т.е. плотность записи. Величина, обрат­ная плотно­сти записи, - есть длина отрезка но­сите­ля, прохо­дящего мимо записывающего элемента за один период записы­ваемого колебания, т.е. участок звуконосителя, на котором записан один период сигнала. Это, так называемая длина волны записи.

С учетом этого

(13.5)

Обозначим воспроизводимый сигнал e(t).

При условии линейности процесса воспроизведения

(13.6)

При постоянной скорости движения носителя при вос­про­изведении

x= V_вt, тогда

(13.7)

Из (13.7) следует, что для неискаженной передачи сиг­нала необходимо ра­венство скоростей протяжки звуконосителя при записи и при воспроизведении. В действи­тельности указанные ско­рости по разным причинам могут отличаться друг от друга, вызывая из­менение высоты звучания при воспроизведе­нии. Слух чело­века замечает такие изменения, если они пре­вышают 0,5–2 %. По­этому для студийных магнитофонов от­клонение скорости от номинальной не должно превышать 0,3 %. Для удобства обмена фонограммами скорости про­тяжки зву­коносителей в аппаратуре магнитной записи стан­дартизированы и составляют 381; 190,5; 95,25; 47,6 мм/c.

Однако, отклонение скорости на некоторую величину от стандартной еще не главная проблема, имеющая место при магнитной записи. При движении звуконоси­теля, его скорость по ряду при­чин может быть не посто­янной, а отклоняться (периодически или не периодически) от своего среднего значения.

Рассмотрим искажения сигнала, возникающие при ко­леба­ниях скорости движения носителя записи.

Допустим, что воспроизводится сигнал с идеальной фонограммы, на кото­рой записан гармонический сигнал, т.е.

Для упрощения анализа влияния колебаний скорости дви­жения носителя на передаваемый сигнал предположим, что ско­рость изменяется по косинусои­дальному закону.

,

(13.8)

где V_0. постоянная составляющая скорости, равная скоро­сти движения носи­теля в процессе записи идеальной фоно­граммы; a-амплитуда переменной со­ставляющей скорости; (F - частота колебания скорости движения звуко­носителя).

Определим координату x участка фонограммы, воспроизводимого в момент времени t

(13.9)

Сигнал на выходе воспроизводящего устройства определя­ется как

(13.10)

Известно, что круговая частота сигнала определя­ется как скорость изменения фазы колебания, т.е.первой производ­ной от аргумента синуса

(13.11)

следовательно:

(13.12)

Выражение (13.12) характеризует частотно-модули­рован­ное колебание, глубина которого определяется от­ношением . Частота и закон модуляции определя­ется частотой и законом колебания скорости звуконоси­теля.

Частотно-модулированный сигнал можно представить в виде бесконечного ряда частот.

где J₀, J₁, J₂ ...– функции Бесселя соответствующих порядков.

Таким образом, колебание скорости движения носи­теля с фонограммой вызывает изменение как амплитуды основной, так и появление дополнитель­ных частотных составляющих. Этот вид искажений получил название детона­ций.

Слуховое восприятие детонаций слушателями зависит от частоты колебаний скорости. Если происходят медленные изменения скорости с часто­той ниже 4¸5 Гц, детонации воспринимаются как плавное изме­нение высоты тона, как говорят звук "пла­вает". При частотах от 5 до 16 Гц характер восприятия изменя­ется, возникает эффект тремолирующего, дрожащего звука. Ко­гда частота детонаций лежит в диапазоне звуковых частот, ухо человека уже не замечает изменения высоты тона, а восприни­мает детонации как изменение тембра звука в виде хриплости и своеобразной жесткости звучания. Если частота детонации пре­вышает 1000 Гц, то она воспринимается в виде характерного шипения, сопровождающего звук.

В целом можно считать, что заметность де­тонаций максимальна в области частот 1¸20 Гц и спа­дает с увеличением и уменьшением частоты. Поэтому, магни­тофоны при­нято характеризовать не только коэффициентом ко­лебаний скорости , а и коэффициентом детонации , который пред­ставляет собой коэффициент колебаний скорости ленты, изме­ренный с учетом воспри­ятия детонации человеческим слухом. При измерении коэффициента детона­ций перед измерительным прибором включают, так назы­ваемый, фильтр слу­хового восприятия ФСВ, частотная характери­стика которого соответ­ствует заметно­сти восприятия высоты тона (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Частотная характеристика фильтра слухового восприятия

Для измерений используется специальная измерительная лента, со­дер­жащая сигналограмму синусоидального колебания с часто­той 3150 Гц, запи­санную на прецизионном лентопро­тяжном ме­ханизме, имеющем собственный коэффициент дето­нации 0,012–0,015 %, т.е. в три раза меньше, чем у лучших про­фессиональ­ных стационарных аппаратов.

Рис.13.2.Структурная схема детонометра

При проведении измерений (рис.13.2) сигнал, подаваемый на вход де­тонометра, уси­ли­вается до необходимой величины. Затем, сигнал посту­пает в блок демодуляции ДМ. Известны различные способы де­моду­ля­ции, нашедшие применение в де­тонометрах, выпущен­ных раз­ными предприятиями. Среди них широко исполь­зу­ется способ, при котором частотно-модулированный сигнал преобразуется в им­пульс­ный, с пере­менной скважностью. Далее такой сигнал пропуска­ется че­рез ФНЧ, на выходе которого напряжение соответствует коле­бани­ям скорости ленты. Этот способ демодуляции при простом схемном решении обеспечивает полную независи­мость резуль­татов измерения от влияния паразитной ампли­тудной модуля­ции, действующей в процессе измерений. Напряжение на вы­ходе ФНЧ соответст­вует колебаниям скорости ленты. Если из­меряется коэф­фициент детонации, то сигнал перед показываю­щим прибором ПП проходит через фильтр слухового воспри­ятия.

Учитывая свойства слуха воспринимать детонацию по мак­симальным изменениям частоты прослушиваемого сигнала, необходимо, чтобы в детонометре измерялась величина пол­ного размаха колебаний скорости от пика до пика. Для этого напряжение колебаний перед подачей на показывающий прибор ПП выпрямляется по схеме удвоения, а постоянная времени RC-фильтра выбирается такой, чтобы показания прибора соответ­ствовали квази­пиковой величине этих колебаний.