С помощью электроники можно преобразовать звуковые или световые волны в электрические колебания. Это позволяет записать их. Благодаря обратным преобразованиям можно воспроизвести заложенные таким образом на хранение звуки и изображение. Ниже описываются различные способы записи и воспроизведения.
До сих пор мы изучали лишь способы передачи звуков и изображения в трехмерном пространстве. Благодаря радио и телевидению мы можем слышать и видеть происходящее далеко от нас, в том числе и других городах и странах, на других континентах и даже на небесных телах. Но звуки и изображения могут также передаваться и в четвертом измерении — во времени. Любопытно отметить, что еще задолго до появления электроники человечество решило проблему передачи изображений во времени, когда удалось сделать первые фотографии.
Три вида преобразования
В наши дни существует несколько способов записи и воспроизведения звуков. Каждый из них основан на преобразовании электрических колебаний в колебания иного рода, которые могут легко сохраняться и вновь преобразовываться в электрические.
Какие основные виды преобразований используют? Механическое, оптическое и магнитное. Ты прекрасно осведомлен, Незнайкин, как легко электрические колебания преобразуют в механические. На этом принципе основаны громкоговорители.
Теперь мы займемся рассмотрением трех видов записи и воспроизведения звука
Предки современных электропроигрывателей
Надо сказать, что механический способ передачи звуков во времени родился целое столетие назад, т. е. задолго до появления электроники. Фонограф был изобретен в 1878 г. Эдисоном. В этом предшественнике современных электропроигрывателей запись производилась на цилиндр, покрытый тонким слоем олова. При этом цилиндр вращался и медленно перемещался вдоль своей оси.
Записываемые звуки улавливались широким рупором из листового металла, в вершине которого располагалась мембрана; в центре мембраны был укреплен резец, опиравшийся на цилиндр. Звуковые волны заставляли резец колебаться, и он вырезал на оловянном покрытии цилиндра канавку переменной глубины. Комбинированное движение (вращение и перемещение вдоль оси) придавало канавке форму цилиндрической спирали.
Для воспроизведения записанного таким образом звука было достаточно вернуть резец в начало канавки и вновь начать вращать цилиндр. Изменение рельефа канавки вызывало механические колебания, порождавшие звуковые волны. Нужно ли мне говорить, что это не было высококачественное воспроизведение звука?..
Качество звучания фонографов улучшилось, когда цилиндры заменили пластинками и особенно когда изобретателям пришла светлая идея производить запись не глубинную, а поперечную, оставляя глубину канавки постоянной.
Запись звука на грампластинку
Однако только с появлением электроники грампластинка стала прекрасным средством записи и воспроизведения. Ты догадываешься, что при записи используют микрофон, токи которого до подачи на механический резец усиливают. Записывающее устройство (рекордер) сделано по тому же принципу, что и громкоговоритель: оно состоит из постоянного магнита, между его полюсами помещен электромагнит, сердечник которого способен колебаться вокруг своей оси (рис. 216).
Рис. 216. Катушка помещена в магнитное поле постоянного магнита. Она укреплена на стержне, который может колебаться вокруг оси 1 . Верхняя часть стержня удерживается эластичной подвеской в точке 2 .
Если через катушку пропускать электрические сигналы, характеризующие звук, то колебания катушки можно использовать для записи звука на диске с помощью острия иглы, укрепленной на нижнем конце стержня. И наоборот: если стержень приводится в колебания в результате движения иглы по канавке грампластинки, то в катушке наводятся соответствующие электрические сигналы.
Когда по электромагниту протекает усиленный микрофонный ток, он приводит в колебательные движения сердечник электромагнита с укрепленным вишу стальным резцом, острие которого вырезает канавку на пластинке, вращающейся под этим механическим записывающим устройством (рис. 217).
Рис. 217. Увлекаемый бесконечным винтом 1 рекордер 2 перемещается вдоль радиуса диска с восковым покрытием, на котором и записывается звук.
Рекордер установлен на винте, который его медленно перемещает к центру диска. Этот диск представляет собой стальную пластинку, покрытую слоем воска. Диск вращается с частотой 331/3 об/мин, а длительность звучания составляет около получаса. Это означает, что канавка насчитывает примерно тысячу витков, причем внутренние имеют диаметр около 12 см. Расстояние между двумя соседними витками канавки меньше 0,1 мм. При поперечной записи звука количество изгибов канавки на единицу ее длины определяет частоту звуков, а от амплитуды этих изгибов зависит интенсивность звуков.
Ты прекрасно понимаешь, что чем меньше диаметр витка канавки, тем плотнее располагаются изгибы канавки при записи звука одной и той же частоты. Тем не менее на современных грампластинках даже на витках, расположенных ближе к центру, удается записать частоты, достигающие 15000 Гц.
Производство грампластинок
Таким образом осуществляется запись звука. Но ты, вероятно, спрашиваешь себя, каким способом запись с этого оригинального диска переносят на миллионы грампластинок, поступающих в продажу. Для этого с оригинального диска прежде всего снимают медную копию: диск с записью покрывают тонким слоем графитового порошка (он проводит электрический ток) и опускают в ванну с раствором сульфата меди, в которой против диска устанавливают медную пластину.
Между диском, подключенным к отрицательному полюсу, и медной пластиной, соединенной с положительным полюсом, пропускают постоянный ток.
Происходящий процесс называется гальванопластикой: атомы меди покидают пластину и после довольно сложных электрохимических реакций осаждаются на диске. Таким образом получают обратную, можно сказать «негативную», копию диска. Метод гальванопластики позволяет получить с этой копии другую, на этот раз позитивную, т. е. полностью подобную оригинальному диску.
С позитивной копии снимают несколько негативных, которые используют в качестве матриц для производства грампластинок, предназначенных для продажи. Процесс производства пластинок заключается в том, что пластинки из поливинилхлорида прессуют дисками-матрицами, нагретыми до достаточно высокой температуры, чтобы размягчить поливинилхлоридные диски, которые в результате такого воздействия приобретают рельеф записанной пластинки.
Звукосниматели
Теперь ты знаешь, как изготавливают грампластинки. И несомненно догадываешься, как они считываются на электропроигрывателе. Обратимость физических явлений тебе хорошо знакома.
Следовательно, звукосниматель может быть выполнен по тому же принципу, что и рекордер для записи. Звукосниматель снабжают очень тонкой иглой, сделанной из алмаза или сапфира. Она укрепляется на конце тоненького стерженька, установленного на электромагните. Последний расположен между полюсами постоянного магнита. Неровности канавки приводят иглу в колебательные движения, которые передаются электромагниту: его перемещения в поле постоянного магнита наводят в его обмотке токи, которые после усиления подаются на громкоговоритель, воспроизводящий записанные звуки. Звукосниматель укреплен на конце тонарма, свободно вращающегося вокруг оси. Прохождение иглы по спиральной канавке вращающейся грампластинки вызывает перемещение тонарма.
Звукосниматель должен очень легко опираться на грампластинку, чтобы не вызывать ее износа. Для того чтобы оказываемое звукоснимателем давление было в пределах (19,6 — 49,0)·103 Н, тонарм поддерживается пружиной или уравновешивается противовесом, установленным на конце, противоположном тому, где находится звукосниматель.
Запомни, Незнайкин, что вместо электромагнитного звукоснимателя очень часто используют пьезоэлектрические (рис. 218). В таком звукоснимателе колебания иглы через связывающую эластичную подвеску передаются пьезоэлектрическому кристаллу. А кристалл выдает напряжения, которые точно соответствуют получаемым им механическим колебаниям.
Рис. 218. Пьезоэлектрический звукосниматель, в котором кристалл 1 воспринимает колебания, передаваемые ему иглой 2 через эластичный держатель 3.
Звуковые кинофильмы
Я сказал тебе, что звук можно также записать и воспроизвести оптическими средствами. Последние практически используют только в кинофильмах, благодаря чему с 1930 г. кинематограф перестал быть немым. Звуковой фильм имеет у края пленки узкую дорожку, содержащую теневые зоны, частота и интенсивность которых соответствуют частоте и амплитуде записанных звуков. Существует два типа звуковых дорожек. В одном случае ширина дорожки постоянная, а переменной является ее прозрачность. В другом случае дорожка имеет однородную прозрачность на всем своем протяжении, но ширина дорожки изменяется (рис. 219).
Рис. 219. Звуковые дорожки на киноленте.
а — дорожка переменной прозрачности; б — дорожка переменной ширины.
Для записи звука на этих дорожках луч света направляют через диафрагму, отверстие которой изменяется под воздействием электрических напряжений, или подают эти напряжения на источник света, интенсивность свечения которого, таким образом, изменяется.
Воспроизведение звука, записанного на звуковой дорожке кинофильма, осуществляется с помощью фотоэлемента, воспринимающего свет, проходящий через звуковую дорожку. Изменения яркости света вызывают в цепи фотоэлемента соответствующие изменения напряжения или тока, которые усиливают и затем подают на громкоговоритель.
Магнитофоны
А теперь займемся третьим способом передачи звука во времени. Именно этим способом пользуюсь я в настоящую минуту и воспользуешься ты, Незнайкин, когда будешь слушать запись моего рассказа. Да, мой дорогой друг, речь идет о магнитофоне, который позволяет мне слушать твои беседы с моим племянником и дает мне возможность объяснять интересующие тебя вопросы.
Существует множество типов магнитофонов, но все они основаны на одних и тех же принципах. Запись ведется на магнитном материале. Вначале для этой цели использовали тонкую стальную проволоку. В наши дни пользуются пластмассовыми лентами, покрытыми тонким слоем очень мелкого порошка окиси железа.
Запись, как и воспроизведение, осуществляется с помощью электромагнита, кольцевой сердечник которого имеет очень узкий зазор, величиной в несколько микрометров. Магнитная лента равномерно протягивается, прижимаясь к зазору сердечника электромагнита (рис. 220).
Рис. 220. Запись звука с помощью магнитофона.
Усиленные микрофонные токи проходят по катушке электромагнита и создают переменные магнитные поля, соответствующим образом намагничивающие проходящую перед зазором сердечника ленту.
При воспроизведении ленту пропускают перед подобным электромагнитом. Ее магнитные поля наводят в обмотке электромагнита переменные токи, которые после усиления приводят в действие диффузор громкоговорителя. В зависимости от назначения электромагнит, применяемый при записи или воспроизведении, называется воспроизводящей или записывающей магнитной головкой.
Некогда скорость протяжки ленты составляла 760 мм/с. Затем, по мере того как удавалось уменьшить зазор сердечника и улучшить качество ленты, скорость протяжки стало возможно уменьшить вдвое. Так перешли к 381, а впоследствии к 190,5; 95,3; 47,6 и 23,8 мм/с. Даже на скорости 95,3 мм/с прекрасно воспроизводятся самые высокие звуковые частоты.
Магнитная дорожка довольно узкая, и одна лента может содержать две или даже четыре дорожки, идущие параллельно. Ширина ленты равна 6,25 мм. Магнитофон может иметь три магнитные головки: одна служит для записи, другая — для воспроизведения, а третья — для стирания. Последняя операция производится с помощью напряжения с частотой 25–60 кГц. Это же самое напряжение подмешивается к записываемым сигналам, чтобы «подмагнитить» зерна окиси железа в ленте и сделать запись более эффективной. Во многих магнитофонах устанавливают только две головки, одна из которых благодаря соответствующим переключениям может служить как для записи, так и для воспроизведения, а другая — для стирания.
Видеомагнитофоны и видеопластинки
Перейдем теперь от звука к изображению. Как можно передавать изображение во времени?
В данном случае также можно воспользоваться механическими, оптическими или магнитными способами. Оптические способы ты хорошо знаешь — это фотография и кино. Здесь электронику совершенно не используют. Напротив, электронику очень широко используют при магнитной записи и воспроизведении изображений. Аппарат, выполняющий эти функции, называется видеомагнитофоном. Принцип его работы очень похож на принцип работы аппарата для записи и воспроизведения звука.
В видеомагнитофоне на магнитную ленту записывают видеосигнал. Следует различать два случая: непосредственную запись и запись телевизионных передач.
В первом случае необходимо использовать передающую телевизионную камеру и усилитель выдаваемых ею сигналов. При записи же телевизионных передач на записывающую головку видеомагнитофона подают видеосигналы, полученные после детектирования. Само собой разумеется, что здесь приходится иметь дело с полосой частот, значительно более широкой, чем при записи звука.
Как же зафиксировать изменения магнитного поля с частотой в несколько мегагерц на ленте, движущейся со скоростью несколько десятков сантиметров в секунду?
Для этого записывающие головки перемещают в направлении, перпендикулярном направлению движения ленты. В видеомагнитофоне устанавливают три или четыре записывающие головки, вращающиеся вокруг оси; дорожки записи располагаются на магнитной ленте в виде множества косых полос.
Частоту вращения головок выбирают с таким расчетом, чтобы каждая косая полоса соответствовала одной строке телевизионного кадра. Можно сказать, что при четкости изображения 625 строк записывающая головка прочерчивает косую полосу на магнитной ленте ровно за 64 мкс.
Существуют также видеомагнитофоны, оснащенные только одной записывающей головкой, которая остается неподвижной, как и в обычном магнитофоне для записи звука. Дорожка записи имеет здесь форму непрерывной линии. Записать широкую полосу частот удается благодаря действительно микроскопической величине рабочего зазора головки.
При воспроизведении изображений считывание записи производится теми же головками, которые использовались для записи. Надлежащим образом усиленные видеосигналы подаются на кинескоп телевизора.
Как правило, для записи изображения и для его воспроизведения с помощью видеомагнитофона пользуются телевизором. Видеомагнитофон получает с телевизора принятые, усиленные и продетектированные им видеосигналы. А при воспроизведении изображения видеомагнитофон подает сигналы на телевизор.
Мне часто случается отсутствовать в то время, когда по телевидению передается очень интересная для меня программа. В этих случаях я произвожу запись автоматически, используя для этой цели часы, включающие, а затем выключающие телевизор с видеомагнитофоном в установленное мною время. Таким образом, передача записывается в мое отсутствие, и я могу ее воспроизвести на экране своего телевизора, когда у меня будет свободное время, чтобы спокойно ее просмотреть.
И наконец, можно ли записать видеосигналы механическим способом?
На первый взгляд, это кажется невозможным. Тем не менее в 1970 г. чудо совершилось: исследователи сумели сделать видеопластинку. Затем они добились еще большего: год спустя они уже демонстрировали модели, воспроизводящие цветные изображения.
Эти диски вращаются с колоссальной частотой (1500 об/мин) и на каждом миллиметре по радиусу содержат 140 витков канавки. Длительность записи на такой видеопластинке составляет 5 мин. За это время игла считывающего устройства совершает по канавке с глубинной записью путь длиной 15 км.
Какими будут другие чудесные достижения техники видеозаписи? Будущее, несомненно, станет все богаче и богаче подобными новинками.