Тема 22: Корректирующий усилитель рекордера механической записи

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Механическая звукозапись
1.1Особенности записи стереосигналов
2 Выбор и обоснование структурной схемы корректирующего усилителя
3 Расчёт оконечного каскада
4 Выбор предоконечных транзисторов
5 Расчёт нелинейных искажений
6 Промежуточный усилитель
7 Расчёт регулятора усиления
8 Расчёт регулятора тембра
9 Расчёт предварительного усилителя – корректора
Заключение
Список использованной литературы
Приложение А- Спецификация
Приложение Б – Механическая запись

Уже почти 100 лет известен способ восстановить по такой записи исходный сигнал, но об этом позже.Источник звука излучает звуковую волну. Волна – это непрерывный (аналоговый) процесс, следовательно, звуковые колебания, которые воспринимает человеческий мозг через колебания слуховой мембраны уха – это тоже аналоговый процесс. Мы воспринимаем только аналоговый звуковой сигнал.
Механический способ записи-воспроизведения звука
Приведенный выше простой физический опыт №1 дает намек на то, каким образом можно записать звуковые колебания. Для этого нужно острой иглой, которая колеблется со звуковой частотой, вырезать или выдавить в более-менее твердой поверхности канавку, которая своей формой (глубиной и/или шириной) повторяла бы звуковую волну.
Первый универсальный аппарат для механической записи и воспроизведения звука был изобретен в 1877г ТомасомЭдисоном (рис. 7).
Звук воздействовал на мембрану, с которой была жестко связана стальная игла. Для усиления колебаний мембраны применялся рупор. Игла касалась поверхности цилиндра, покрытого оловянной фольгой. Цилиндр вращался вручную, игла одновременно смещалась, оставляя на поверхности цилиндра дорожку переменной глубины (рис. 8а).  Для воспроизведения нужно было вернуть рупор с иглой в первоначальное положение и снова вращать рукоятку. В рупоре возникал тихий, но отчетливый звук – происходило воспроизведение звуковой записи (рис. 9).
Цилиндры с записью было очень сложно тиражировать, поэтому многие сохранившиеся записи для фонографа существуют в единственном экземпляре. Плотность записи была очень низкой, следовательно, время записи было небольшим.
Дорожка, которую выдавливала (или вырезала) игла в поверхности оловянного цилиндра получила название «звуковой». Профиль «дна» или «бортиков» звуковой дорожки аналогичен той волнообразной кривой, которая получалась на закопченном стекле (см. опыт №1). Таким образом, впервые механически была сделана аналоговая запись звукового сигнала, и впервые аналоговый звуковой сигнал был воспроизведен.
В 1887г изобретатель Эмиль Берлинер стал использовать для записи не валики, а диски. В диске игла вырезала дорожку переменной ширины, которая также была волнообразной и повторяла профиль звуковой волны (рис. 8б). В дальнейшем Берлинер предложил диск с оригиналом записи использовать как матрицу для тиражирования граммофонных пластинок. Этот процесс технологически был во много раз гораздо проще, чем тиражирование звуковых цилиндров, поэтому грампластинки получили очень широкое распространение. 
В итоге универсальный аппарат Эдисона был разделен на два: один – для записи, другой – для воспроизведения. Основным элементом звукозаписывающего устройства был рекордер, практически повторявший конструкцию фонографа. На рис. 10 показан рекордер Берлиннера, а на рис. 11 - граммофон, отличительным элементом которого является труба-рупор.Впоследствии на смену граммофону пришел патефон – более компактное и совершенное устройство для воспроизведения звуковых записей с грампластинок (рис. 12). Рупор патефона имел форму резонатора и был спрятан внутри аппарата.
  
Электронная эра в механической записи-воспроизведении звука
С изобретением электронных ламп в процесс записи-воспроизведения звука стала активно внедряться электроника. Трехэлектродная электронная лампа – триод (рис. 13) – может генерировать и усиливать электрические колебания.
Каким же образом можно преобразовать звуковые колебания в электрические, а электрические – в механические колебания иглы рекордера?

Рупор устройства записи был заменен микрофоном (рис. 14). Электродинамический микрофон имеет тонкую легкую мембрану и жестко связанную с ней проволочную катушку, которая находится внутри кольцевого постоянного магнита. Под действием звука мембрана колеблется, следовательно, в постоянном магнитном поле колеблется и катушка. В ней возникает слабый переменный индукционный ток (явление электромагнитной индукции) звуковой частоты. Это и есть звуковой сигнал, преобразованный в электрический. Далее этот сигнал поступал на ламповый усилитель, к выходу которого был подключен электромагнитный рекордер. Устройство такого рекордера аналогично электромагниту с подвижным якоре. На рис. 15 показан электромагнитный рекордер: 1 - постоянный магнит; 2 - центрирующая пружина; 3 - ферромагнитный якорь; 4 - резец; 5 - звуковая катушка. Создаваемое в нем переменное магнитное поле звуковой частоты вызывает механические колебания якоря с иглой. Игла, как и раньше, вырезает в поверхности диска звуковую дорожку.
 
В устройства воспроизведения – патефоны –  внедрили пьезоэлектрические звукосниматели (рис. 16: пьезоэлектрический элемент 4, поводок 3, иглодержатель 2, игла 1, выводные проводники 5), ламповые усилители, динамические громкоговорители (динамики) и электродвигатели. Таким образом, на смену патефонам пришли радиограммофоны, затем – электропроигрыватели. В журнале «Радио» №3 за 1968 год я обнаружил описание аппарата с пружинным патефонным двигателем и транзисторным усилителем звука.

Основа пьезоэлектрического звукоснимателя – пьезокристалл, при деформации которого на противоположных гранях возникает разность потенциалов. Если кристалл колеблется со звуковой частотой, то соответственно меняется разность потенциалов, т.е. возникает слабый электрический сигнал звуковой частоты. Остается его усилить.
Динамический громкоговоритель (рис. 17: а) в разрезе, б) общий вид) состоит из диффузора, жестко связанного с проволочной катушкой, которая находится внутри кольцевого постоянного магнита. При протекании по катушке переменного тока звуковой частоты возникает сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Эта сила (в физике – сила Ампера) заставляет колебаться катушку, а вместе с ней диффузор со звуковой частотой. Колебания диффузора создают звук, который мы слышим.
 
 
В дальнейшем полупроводниковые компоненты – транзисторы – вытеснили радиолампы, но ничего принципиально нового в процесс записи-воспроизведения звука внесено не было. Совершенствовалась механика, схемотехника записывающей и усилительной аппаратуры, механика устройств записи и воспроизведения, конструкция динамиков и звуковых колонок – все это для достижения максимальной естественности звучания (рис. 18).
Нелирическое отступление №1: СТЕРЕО
Было бы ошибкой пропустить один важный момент. Зачем человеку два уха? Варианты ответов: чтобы лучше слышать; на всякий случай, если одно «выйдет из строя»; для красоты и симметрии: одноухий человек выглядит не очень эстетично – вполне устраивают многих моих студентов. Такие ответы относятся к разряду «прикольных», но, одновременно, – глупых. Мало кто из современных молодых людей слышал о бинауральном эффекте, некоторые слышали остереофонии, но все втыкают себе в уши два наушника и имеют аппаратуру, как минимум, с двумя колонками.Подробно вопрос о стереофонии я планирую рассмотреть отдельно. Пока остановлюсь на некоторых общих моментах.
Человек является продуктом земной биологической эволюции. Не только он, но и все животные имеют по два уха. Почему и зачем? Как так получилось? Ответ прост: в процессе эволюции выживают те особи, которые оказываются наиболее приспособленными к условиям окружающей среды. Два уха позволяют нам воспринимать звуковую картину окружающего мира объемной (объем – STEREO), пространственной. Возможность определять направление на источник звука – это и есть бинауральный эффект (рис. 19). Звук достигает ушей, а они лишь преобразуют звуковую волну в механические колебания. Затем особые клетки вырабатывают электрические импульсы, которые поступают в мозг. Наш мозг анализирует полученную информацию (как именно – этого точно пока еще никто не знает!). В итоге мы воспринимаем слухом некую пространственную (объемную) звуковую картину.
Рис. 20.
Технически наиболее простым оказалось смоделировать объемное звучание с помощью двух источников (рис. 20) – колонок, громкоговорителей, наушников, головных телефонов и т.п. Но имелись (и сейчас используются)  более сложные стереосистемы: в кинотеатрах, например, применялись 6-и канальные стереосистемы. Я сам в 70-х годах прошлого века прослушивал магнитные записи с помощью отечественного магнитофона «Юпитер-квадро», соответствующего усилителя и 4-х звуковых колонок – квадрофонический звук. Отечественная промышленность выпускала (в советские времена) даже квадрофонические грампластинки и был выпущен соответствующий отечественный электропроигрыватель!!
  Как оказалось, стереоэффект наиболее ощутим человеческим ухом на средних частотах. Это позволило создать звуковые системы с одним сабвуфером и двумя и более парными звуковыми колонками.
Нелирическое отступление №2: МАГНИТНАЯ ЗАПИСЬ
В 1889г датский инженер Вольдемар Паульсен изобрел аппарат для магнитной записи звука на стальную проволоку. Назвал он его «телеграфоном». Качество записанного звука, проблемы с носителем – стальной проволокой – не позволили этому аппарату сразу получить широкое распространение. К началу 40-х годов ХХ в. совершенствование элементной базы, изобретение магнитной ленты, новые схемотехнические решения позволили внедрить магнитофон в цепочку записи звука на пластинку.Основное внимание было сосредоточено именно на процессе записи звука. Появились специальные студийные многодорожечные магнитофоны, с помощью которых не только непосредственно выполнялалась, но и монтировалась звуковая запись. Я сам однажды видел в комиссионном магазине 38-дорожечный магнитофон! А дальше все происходило как раньше: рекордер a пластинка a проигрыватель.Процесс магнитной записи звука более подробно планирую рассмотреть отдельно.
«Цифра» в звуке: НАЧАЛО
Борьба за качественный звук не прекращалась с тех пор, как стали воспроизводить записи. Попытки убрать помехи в процессе механической записи на диск, при изготовлении матрицы привели к значительному усложнению звукозаписывающей аппаратуры. Студии, в которых происходила механическая запись, цеха по тиражированию грампластинок по уровню стерильности немного уступали современным производствам компонентов микроэлектроники. Но виниловый диск – грампластинка – имеет звуковую дорожку, в которую всегда попадает пыль. Отсюда  «неубиваемые», чисто механические помехи при воспроизведении.Поиски различных путей повышения качества натолкнули на мысль «оцифровать» звук, т.е. преобразовать аналоговый сигнал в цифровой. Упрощенно, цифровой сигнал представляет собой закодированный звуковой сигнал из набора двоичных цифр – нулей и единиц. Поскольку кодируется чистый, без помех исходный звуковой сигнал, то декодируется и воспроизводится тот же чистый сигнал. Помехи автоматически отсеиваются уже на этапе записи. Проблема заключается в том, что на грампластинку нельзя записать цифровой сигнал.
Студийные магнитофоны стали цифровыми. Аналоговый звуковой сигнал преобразовывался в цифровой с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя), затем в цифровом виде записывался на магнитную ленту. При воспроизведении сначала происходил процесс преобразования записанного цифрового сигнала с помощью ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь)в аналоговый, затем усиление и… воспроизведение? Нет. Дальше процесс повторялся: сигнал на рекордер a запись на диск a тиражирование a  воспроизведение с помощью проигрывателя.В чем же дело? Почему цифровые магнитофоны не получили широкого распространения? Ведь при цифровой записи на магнитную ленту и последующем воспроизведении исключалась целая цепочка обработки исходного звукового сигнала, следовательно, исключались всевозможные помехи качеству. Цифровые магнитофоны были довольно сложны, следовательно – очень дороги. Запускать их в массовое производство было бессмысленно. Тем более, что в 80-е годы появилось множество качественных аналоговых магнитофонов, которые устраивали весьма искушенного потребителя и по качеству, и по цене.
Нелирическое отступление №3: «ЦИФРОВОЙ ПРОРЫВ»
Настоящий (так называемый) «прорыв» в качестве записи-воспроизведения звука произошел тогда, когда появилась реальная и недорогостоящая возможность исключить из этой (сигнал на рекордер a запись на диск a тиражирование a  воспроизведение с помощью проигрывателя) цепочки сам носитель записанного звука – виниловый диск, этот «сборщик» пыли и прочего мусора. На смену ему пришел CD – Compact Disk или лазерный диск. Появление дешевых полупроводниковых лазеров, дешевых CD, дешевых CD-рекордеров послужило основой прорыва цифровых технологий в записи-воспроизведении звука.
Но не все так просто и однозначно. Многие меломаны критически относятся к цифровой записи, считая, что цифровой звук недостаточно естественен, чист, прозрачен и т.д. и т.п., что он жесткий, металлический и еще Бог его знает какой… Короче – нехороший. Виниловое звучание, пусть с шорохами и потрескиваниями, более глубокое, прозрачное, и, в конце-то концов, более естественное!
Лично мне тоже больше по душе «виниловый» звук, ибо он воспроизводится с носителя, на котором записана аналоговая копия исходного звукового сигнала, который (напомню) и воспринимает наше ухо. Все остальное – от лукавого.
Но победило то, что более компактно, дёшево, ёмко и надёжно.
2