Магнитофон

Магнитофон (от магнит и др.-греч. φωνή — звук) — электромеханическое устройство, предназначенное как для записи (преобразования акустических колебаний в электромагнитные и фиксации их на носитель), так и для воспроизведения ранее записанных на магнитные носители сигналов. В качестве носителя используются материалы с магнитными свойствами: магнитная лента, проволока, манжета, диск, магнитный барабан и т. д..

Разделяют магнитофоны для записи звука (собственно магнитофоны в строгом значении слова, именно о них и пойдёт речь ниже) и для записи видеосигнала (видеомагнитофоны). Магнитофон для технической записи речи называется диктофоном. Магнитофонами в обиходе нередко называют также разнообразные устройства для магнитной записи цифровой и аналоговой информации не звукового характера (регистраторы параметров технических устройств, накопители вычислительных машин).

Классификация

по типу носителя магнитофоны подразделяются на ленточные (катушечные и кассетные) и проволочные. Кроме того, известны аппараты, использующие магнитный диск^[1] или манжету;
по способу регистрируемой информации магнитофоны разделяют на аналоговые и цифровые;
по области применения магнитофоны разделяют на студийные, бытовые и промышленные (последний тип ранее широко использовался не только для записи звуковой информации, но и для записи аналоговых данных (напр. сигналов с аналоговых датчиков температуры, давления и пр. в промышленных процессах или лабораторных исследованиях); промышленные магнитофоны для записи данных в некоторых источниках также называют магнитографами);
по наличию встроенного усилителя мощности — на полные магнитофоны и магнитофоны-приставки (жаргонное «дека» от англ. deck — панель);
по мобильности — на носимые, переносные и стационарные;

Магнитофоны также можно классифицировать:

по числу воспроизводимых и записываемых дорожек: 1, 2, 4 или более;
по скорости записи/воспроизведения. Самые распространенный стандартные значения скорости: 76,2, 38,1 см/с (студийные магнитофоны); 19,05 см/с (бытовые и студийные магнитофоны); 9,52 см/с (бытовые магнитофоны); 4,76 см/с; 2,38 см/с (диктофоны, бытовые кассетные магнитофоны). Существуют многоскоростные магнитофоны, магнитофоны с другими значениями скорости, а также с изменяющейся скоростью ленты по мере ее перематывания;
по числу головок: одна (только воспроизводящая, в магнитофонах-проигрывателях), две (наиболее часто реализуемый вариант: первой, по ходу движения ленты, стоит стирающая головка, далее — универсальная, которая может как записывать, так и воспроизводить информацию), три (так называемый «сквозной тракт» — для записи и воспроизведения используются раздельные специализированные головки), четыре (с допополнительной головкой воспроизведения, работающей при реверсивном ходе ленты), реже — больше;
по формату записи-воспроизведения: монофонические, стереофонические, квадрофонические.

Технические параметры

Механические:

отклонение скорости носителя от номинальной, %;
коэффициент детонации (неравномерность скорости движения ленты)., %;

Электрические:

частотный диапазон (записываемого сигнала), Гц;
неравномерность АЧХ (в раб. диапазоне частот), дБ;
коэффициент нелинейных искажений (КНИ, англ. TND), %;
динамический диапазон, дБ;
соотношение сигнал/шум, дБ;
выходная мощность, Вт (для аппаратов с УМЗЧ);

Устройство

Основными функциональными узлами магнитофона являются лентопротяжный механизм (ЛПМ), блок магнитных головок (БМГ, БВГ) для записи, воспроизведения и стирания сигналов и электронные устройства, обеспечивающие работу БМГ.

Механика

Лентопротяжный механизм (ЛПМ) магнитофона может содержать как один двигатель (однодвигательный ЛПМ), так и два или три (в высококачественных стационарных аппаратах). Он должен обеспечивать равномерное прямое и обратное (т. н. реверс, в некоторых моделях («реверсный магнитофон»), для автоматического (автореверс) воспроизведения записи со встречных дорожек ленты без переворачивания рулонов) равномерное движение магнитного носителя. Также прямую (FF/FW) и обратную (REW)^[2] ускоренную перемотку носителя, режимы Пауза (Pause) и Стоп (Stop), а также (в нек. моделях) — специальный (неплотный, с зазором) подвод головок в ленте во время ускоренной перемотки, для обеспечения функции «автопоиск» (AMS (AutoMusicScan), APSS, APLD и тп.). Также, в некоторых реверсных аппаратах (с механизмом «переворачивания» (англ. flip-flop) или же «сдвига») — обеспечивать изменение позиции магнитной головки. Для обеспечения плотной намотки рулона и защиты ленты от механических перегрузок магнитофоны высоких классов оснащаются системой контроля натяжения ленты.

Магнитные головки

Важнейший узел магнитофона — магнитные головки. Их характеристики во многом определяют качество работы аппарата в целом. Они классифицируются по назначению: головки воспроизведения (ГВ), записи (ГЗ), универсальные записи-воспроизведения (ГУ) и стирания (ГС). Количество их, устанавливаемое на ЛПМ, варьируется от одной (ГВ в магнитофонах-проигрывателях или ГЗ в магнитофонах, предназначенных только для записи), двух (ГУ и ГС — наиболее распространённый вариант), трёх (ГВ, ГЗ, ГС — т. н. «сквозной канал») до четырёх (две ГВ для функции реверса, и по одной ГЗ и ГС) и более (головка для фунции «реверс» может применятся и одна, но с т. н. механизмом «переворачивания» или же «сдвига»).

В случае использования нескольких головок на общем основании говорят о блоке магнитых головок (БМГ). Существуют аппараты со сменным БМГ, что позволяет получить, например, разное количество дорожек (немецкий бытовой магнитофон высокого класса Uher Royal de Luxe, 1969 г.^[3]).

Иногда применяются комбинированные головки, конструктивно объединяющие, например, ГУ и ГС. Также иногда применяется отдельная головка подмагничивания и др.
Уровень шумов при стирании постоянным магнитным полем больше, чем при стирании высокочастотным переменным магнитным полем, но в самых дешёвых моделях до сих пор применяется ГС из постоянного магнита, которая механически подводится к ленте при стирании.
Магнитная головка может работать как с одной дорожкой (моно), так и с несколькими — от двух (стерео) до 16 (см. Многодорожечная запись).
Качество применённых магнитных головок в основном и определяют качество записи/воспроизведения сигнала в магнитофоне. От качества головки также зависит и её долговечность (срок службы). На первых моделях кассетных магнитофонов стояли головки с сердечником из мягкого пермаллоя, служившие порядка 2000 часов. В середине 1970-х годов им на смену пришли износостойкие головки из стеклоферрита (FX-головки, срок службы до 10 лет), а чуть позже — из сендаста (DX-головки, срок службы 6-8 лет). Более технологичные и дешевые сендастовые головки получили широкое распространение как универсальные (запись и воспроизведение сигнала), так и в качестве записывающих в магнитофонах средней ценовой группы. Стеклоферритовые головки использовались преимущественно в качестве универсальных или воспроизводящих у флагманских моделей.
В середине 1990-х годов были разработаны магнитные головки из аморфного металла (А-головки), практически не имеющего кристаллической структуры и отличающегося прекрасными магнитными свойствами и износостойкостью на уровне стеклоферрита. Примерно в это же время по технологии тонкоплёночных микросхем были созданы магниторезистивные головки (Z-головки), которые изменяли своё сопротивление в зависимости от интенсивности магнитного потока магнитофонной ленты. Выходной сигнал с этих головок, включенных в диагональ измерительного моста, мог достигать единиц милливольт. Соответственно — собственные шумы кассетного магнитофона снижались до уровня −62-68 дБ и приближались к уровню шумов качественного катушечного магнитофона. Эти два типа головок составляли БМГ «запись-воспроизведение» в трёхголовочных AZ-аппаратах со «сквозным каналом» фирмы Technics (RS-AZ6,7).
В процессе работы магнитные головки засоряются осыпающимся с ленты магнитным слоем и потому подлежат периодической очистке.

Электроника

Электронная часть магнитофона состоит из одного или нескольких (по количеству каналов) усилителей воспроизведения УВ и усилителей записи УЗ (или же, в более простых моделях, усилителей записи/воспроизведения (УЗВ)) и генератора стирания-подмагничивания (ГСП).
Более продвинутые модели содержат устройства индикации (аналоговые, либо цифровые), датчики срабатывания автостопа, систему автопоиска (AMS, APSS и тп.), устройство автоматической регулировки уровня записи (АРУЗ), устройство шумоподавления (как компандерные системы (Dolby B, dbx, Dolby C, Dolby S), так и динамические фильтры (DNL, «Маяк») и пр.), блок «динамического подмагничивания» (Dolby HX, Dolby HX Pro, СДП, СДП-2 и пр.), коммутатор входов/выходов (режим «Монитор») и некоторые другие. Также обычно содержит усилители, как для наушников, так для и/или акустических систем.

История

Принцип магнитной записи на стальную проволоку в 1888 году впервые разработал Оберлайн Смит (Oberlin Smith), под влиянием его посещения в 1878-м лаборатории Эдисона. Однако первое работающее устройство было изготовлено датским инженером Вальдемаром Поульсеном лишь в 1895 г. Сам аппарат изобретатель назвал «телеграфоном».

В 1925 году Курт Штилле (Curt Stille) представил электромагнитное устройство, записывающее речь. В 1925 г. в СССР запатентована «гибкая лента из целлулоида, покрытая стальными опилками (например, посредством столярного клея», однако развития изобретение не получило. В 1927 г. Фриц Пфлеймер (Dr. Fritz Pfleumer) запатентовал магнитную ленту (сначала на бумажной основе, затем — на полимерной). Сам этот принцип начали разрабатывать параллельно со Смитом, в лаборатории BASF.

В 1920-х годах Шуллером была предложена классическая конструкция кольцевой магнитной головки, представлявшей собой кольцевой магнитный сердечник с обмоткой на одной стороне и зазором на другой. При записи в обмотку подаётся ток записи, вызывающий выход магнитного поля в зазоре, который намагничивает магнитную ленту в такт изменению сигнала. При считывании, наоборот, лента, замыкая магнитный поток через зазор на сердечник, наводит ЭДС в обмотке. В 1934—1935 фирма BASF начала серийный выпуск магнитной ленты на основе карбонильного железа либо магнетита на диацетатной основе.

Принцип высокочастотного подмагничивания — подмешивания в записываемый сигнал высокочастотной составляющей — был предложен в начале 30-х гг. Браунмюлем и Вебером, усовершенствован в конце 30-х гг. Нагаи, Карпентером и др.

Эксперименты по магнитной записи видеосигнала начались в 50-х (Ampex); бытовые бобинные видеомагнитофоны на ленте шириной дюйм и полдюйма появились в середине 70-х гг.; в конце семидесятых появились кассетные системы, и после непродолжительной борьбы систем Betamax и VHS, различавшихся механикой лентопротяжного механизма и качеством изображения, победила VHS. При этом Betamax давала лучшее качество изображения, но обладала более сложным и менее надёжным лентопротяжным механизмом, что в конечном итоге и решило его судьбу. Современный студийный стандарт Betacam является развитием Betamax.

Стремление к миниатюризации бытовых магнитофонов и повышению удобства пользования ими привела к появлению на рынке, начиная с 1950-х гг., различных кассетных систем. Ко второй половине 1960-х фактически единым стандартом стала компакт-кассета, разработанная компанией Philips. В 1980—1990-х годах магнитофоны с компакт-кассетой практически вытеснили катушечные системы с потребительского рынка.

Катушечные магнитофоны

В качестве носителя используется магнитная лента, намотанная на пластмассовые или металлические катушки (в быту употреблялось также название «бобина»; до появления кассетных магнитофонов катушки называли кассетами) или на сердечники без щёчек (для предотвращения спадания ленты магнитфоны, рассчитанные на сердечники, имеют на подающем и приёмном узлах диски-«тарелки», также существуют разборные катушки со съёмными щёчками). Намотка ленты рабочем слоем внутрь рулона, но в очень старых магнитофонах нередко встречалась намотка рабочим слоем наружу. За счёт широкой ленты и высокой скорости её протяжки катушечные магнитофоны могут обеспечивать очень высокое качество записи и воспроизведения, выше, чем качество механической грамзаписи, CD и компакт-кассет. Стандартные скорости ленты в бытовых катушечных магнитофонах — 4,76, 9,53 и 19,05 см/с (в некоторых высококлассных применялась и 38,1 см/с); в студийных — 19,05, 38,1 и 76,2 см/с. Медленные скорости 2,38 и 4,76 см/с считались «диктофонными» (скорость 2,38 см/с встречалась только в тифлотехнических аппаратах^[4] и регистраторах). В кинематографии для синхронной записи звука могла применяться скорость 48,5 см/с (скорость протяжки 35-мм киноплёнки), в спецаппаратуре встречалась также скорость 28,0 см/с. Все возможности качественной записи реализуются на высоких скоростях, 19,05 см/с и выше.

Катушечники отличаются большими габаритами, массой (хотя существовали и переносные, и носимые, и карманные модели) и энергопотреблением.

Многодорожечные (с 8 и более дорожками) многоканальные катушечные магнитофоны в 60-х — 90-х годах активно использовались как студийные. В бытовом секторе были практически вытеснены кассетными моделями к середине 80-х годов — для среднего потребителя компактность и простота использования оказались важнее качества звучания.

В СССР стандартные катушки для 6,25-мм ленты различали по номерам. «Номером» служил внешний диаметр катушки в сантиметрах. В батарейных магнитофонах, как правило, использовались катушки № 10 и № 13, в сетевых — № 15 и № 18, реже — № 13, № 22 и № 27. Самые маленькие катушки — № 7,5 — применялись в некоторых диктофонах^[5]; кроме того, на них продавалась ракордная лента.

Самая распространенная лента для катушечных магнитофонов — шириной 6,25 мм, толщиной 55, 37 и 27 мкм, значительно реже встречалась лента толщиной 18 мкм. Толстые ленты имеют лучшие механические свойства и стабильность характеристик, а большая толщина рабочего слоя обеспечивает высокую перегрузочную способность. Тонкие, в свою очередь, в силу лучшей гибкости не требуют большого натяжения для хорошего прилегания к головкам и имеют большую длину при том же диаметре рулона, так на катушку № 18 помещается 350 м ленты толщиной 55 мкм или 525 м ленты 37 мкм. Диаметр километрового рулона ленты толщиной 55 мкм, намотанной на сердечник (стандартно для студийных магнитофонов) составляет около 30 см.

Кассетные магнитофоны

Высококачественный стационарный кассетный магнитофон-приставка (Technics M45)

В качестве носителя используется магнитная лента, хранимая в кассетах (самый распространённый тип — компакт-кассета: ширина плёнки кассеты 3,81 мм; размер и форма пластикового контейнера — стандартные; скорость — за редкими исключениями 4,76 см/с; длина и тип ленты могут различаться; время воспроизведения 60, 90 и 120 минут (обе стороны); разработаны фирмой Philips в 1964 г.). Первоначально использовались кассеты с лентой на основе гамма-окиси железа (Fe₂O₃, Type I). Они имели высокий уровень собственных шумов, небольшой динамический диапазон (до 48 дБ) и достаточно узкий диапазон частот (до 12 кГц). Ленты на основе двуокиси хрома (CrO₂, Type II) превосходят их по динамическому диапазону и частоте записываемого сигнала. Наилучшее качество обеспечивают ленты типа Metal (Type IV), снятые с производства в начале 2000-х годов. Многослойные плёнки («феррохром», Type III), предложенные в 1970-е годы, довольно быстро вышли из употребления. С 2006 года в массовом производстве сохранились только ленты Type I, изготавливаемые методом напыления магнитного слоя в вакууме и малопригодные для высококачественной записи музыки. В зависимости от вида ленты, при записи устанавливаются параметры тока подмагничивания, а при воспроизведении — частотной компенсации верхних частот.

Отличительной особенностью кассетных магнитофонов является повышенный шум при воспроизведении записанной фонограммы. Это связано с двумя факторами.

Во-первых, низкая (по сравнению с катушечными магнитофонами) скорость протяжки ленты и малая ширина дорожки приводят к малому уровню сигнала (около 0,15…0,25 мВ), генерируемого магнитным полем в воспроизводящей головке магнитофона. Сигналы такого уровня оказываются сопоставимы с собственными шумами транзистора во входной цепи (решение этой проблемы пошло двумя путями: создание специализированных воспроизводящих головок с высокой индуктивностью и, как следствие, с повышенным уровнем выходного сигнала (до 0,45 мВ) и разработка сверхмалошумящих усилителей с параллельным включением транзисторов на входе. В результате лучшие модели кассетных магнитофонов имеют собственные шумы на уровне −60…-62 дБ).
Во-вторых, неоднородная структура магнитного слоя и шероховатости его поверхности приводит к повышенному уровню шумов самой ленты (-52…-54 дБ у обычных лент типа I). Опять же, из-за относительно низкой скорости движения ленты спектр этих шумов попадает в рабочий диапазон частот магнитофона и становится очень заметным. Для подавления шумов в кассетных магнитофонах стали применять различные системы шумоподавления. Самые ранние и простые из них — динамические (DNL и подобные) — используют тот факт, что в тихих участках музыкальной фонограммы доля высокочастотных составляющих невелика. Динамический шумоподавитель при воспроизведении слабых сигналов автоматически снижает усиление в области верхних частот (выше 5…6 кГц), где как раз и располагаются основные шумы ленты. На восприятии музыкальной записи такая коррекция сказывается незначительно, а при сильном сигнале шумы ленты не так заметны. В дорогих высококачественных аппаратах с начала 1970-х гг. применяются компандерные системы шумоподавления «Dolby NR B/C/S» или «dbx», которые при записи сжимают динамический диапазон сигнала, «приподнимая» тихие фрагменты записи над шумами ленты, а при воспроизведении — расширяют динамический диапазон до исходного. Кассеты, записанные с подавлением шумов, следует воспроизводить с той же системой шумоподавления, которая была выбрана при записи. Для корректного восстановления сигнала, записанного с применением компандерного шумоподавления, необходима точная подстройка параметров записи под конкретную используемую ленту; в магнитофонах, не предусматривающих такую подстройку, восстановленный сигнал часто теряет высокочастотные составляющие («завал верхов»). Для расширения динамического диапазона вверх (прежде всего, в области высоких звуковых частот) применяется система динамического подмагничивания Dolby HX Pro, впервые применённая компанией Bang and Olufsen в 1982. Эта система в процессе записи автоматически поддерживает оптимальный уровень подмагничивания соответственно изменению сигнала записи. Ленты, записанные с Dolby HX, могут воспроизводиться на магнитофонах, не имеющих этого устройства, но повышенный уровень записи может перегружать их канал воспроизведения.

В СССР и странах СНГ было принято в разговорной речи обозначать кассетный магнитофон словом «кассетник». В свою очередь катушечный магнитофон назывался словом «катушечник» или «бобинник» (от слова «бобина» — катушка).

Как правило, среди кассетных дек лучшими считаются флагманские модели Nakamichi (1000ZXL, ZX9, CR7, Dragon), Pioneer (model 1200, CT-A9X) и менее распространённые Tandberg (model 3014) и TEAC (6000, 7000, 10000), достигшие своего технологического потолка в 1981—1983 гг., а также верхние модели массовых брендов второй половины 1980-х: Sony (TC-K950ES), Aiwa (XK-S9000), Akai (GX-F91), Alpine (Alpage), JVC, Harman/Kardon, Marantz,Technics.

В конце 1960-х — начале 1970-х годов выпускались комбинированные катушечно-кассетные магнитофоны: венгерский BRG M11 Qualiton^[6] и японский Sony TC-330^[7].

Портативные магнитофоны

Среди портативных кассетных магнитофонов как для журналистики, так и для записи концертов и прочего можно отметить модели Sony и Marantz. Широко используется также портативная Sony TC-D6C (WM-D6C Pro) обладающая малыми габаритами. Модель Marantz PMD-430 дешевле, имеет сквозной тракт (три головки)

Портативные катушечные магнитофоны были весьма популярны во всём мире как для выездной записи музыки, так и для звукового сопровождения фильмов (в этом случае обычно требуется специальная дорожка синхронизации). Наиболее известные производители: Nagra-Kudelski, Stellavox, UHER (в СССР производился упрощённый аналог модели UHER 4000 под названием «Репортёр»^{[источник не указан 5073 дня]}).

Карт-машины (автоинформаторы)

Картриджные системы были разработаны в конце 50-х годов для воспроизведения музыки в автомобилях, но к концу 70-х годов были полностью вытеснены кассетными магнитофонами, и впоследствии применялись в основном в радиовещании.

Большое распространение получили в общественном транспорте (метро, трамвай, троллейбус) для объявления названий остановок и другой информации. Машинисту (водителю) достаточно нажать на кнопку пуска информатора, и он после проговорки фразы сам выключится.

Студийные магнитофоны

Студийные магнитофоны подразделяются на четыре типа в зависимости от подачи плёнки: на картриджах, на видеокассетах (для записи только звука, ADAT), на компакт-кассетах и на открытых катушках. Широкой известностью среди профессионалов пользовались бобинные многоканальные магнитофоны (и магнитографы) фирмы TEAC (Япония).

Цифровые магнитофоны

Естественным развитием технологии звукозаписи на магнитную ленту явилось применение цифрового метода записи. Магнитофоны, работающие с цифровыми записями обозначаются аббревиатурой DAT (Digital Audio Tape). На стадии лабораторных прототипов существовало две разновидности таких магнитофонов — S-DAT с последовательной многодорожечной записью неподвижной головкой, и R-DAT, имеющий систему записи, аналогичную используемой в видеотехнике — запись блоком головкок, размещёнными на вращающемся барабане (БВГ). Ввиду явных преимуществ по скорости доступа, ёмкости и пропускной способности, основной стала технология R-DAT.

DAT-магнитофонами ведётся запись на ленту оцифрованного аудиосигнала (как правило, от 1 моно до 8 каналов Surround) с различной частотой дискретизации (стандартом в настоящее время считается наличие частот 32, 44,1 и 48 кГц). На частоте дискретизации 48 кГц делаются студийные мастер-записи для подготовки Audio CD. Формат записи обычно машинно-специфичен и зависит от функционального потенциала устройства (некоторые модели имеют возможность автоматической разметки записей, быстрого поиска и несложного линейного монтажа на одной ленте).

Ввиду дороговизны аппаратного обеспечения и малой совместимости технологий записи DAT-магнитофоны применяются в основном при профессиональной студийной звукозаписи. Корпуса устройств часто имеют посадочные места для установки в стандартные студийные аппаратурные стойки. При этом топовые модели часто оснащаются дополнительными функциями (например, наложение при записи нестандартной временно́й разметки от внешнего генератора в модели TASCAM DA-60 Mark II). Кроме того, бытовая акустика обычно бывает не в состоянии обеспечить характеристики, необходимые для качественного воспроизведения сигнала с DAT-лент. При профессиональной записи (бутлеге) концертных программ используются также портативные модели DAT-магнитофонов (TASCAM DA-P1). Однако с появлением формата цифровой передачи данных S/PDIF, аппаратных интерфейсов Coaxial S/PDIF и TOS-link DAT-магнитофоны смогли занять свою (хотя и очень ограниченную) нишу на рынке бытовой звукозаписывающей аппаратуры.