Pull to refresh
«Лаборатория Касперского»
Ловим вирусы, исследуем угрозы, спасаем мир

Теплые и ламповые: пять балалаек про технологии магнитной аудиозаписи

Reading time 12 min
Views 14K
Окей, Хабр, в предыдущем посте я (намеренно) больше внимания уделил ностальгической рыдалке на тему аудиокассет, чем технической части. В этом посте исправляюсь. Аудиокассеты очень интересны тем, что историю этой технологии можно отследить от начала (1962 год) до конца (конец девяностых — начало двухтысячных). В более привычной нам цифровой вселенной пока мало аналогичных примеров. Восьмибитные компьютеры? Нет, принцип их жив и поныне в контроллерах и прочих Arduino. ЭЛТ-мониторы — вот благодатная тема про теплое-ламповое изображение, но стоит лишь один раз поднять скромный 17-дюймовый девайс, и сразу хочется приветствовать прогресс всеми руками, ногами и спиной.

Разве что голосовые модемы являются хорошим примером «закрытой» технологии. Чем такие технологии интересны, так это возможностью изучить все этапы развития. Вот начальная стадия, когда устройства стоят дорого, а их потребительские свойства далеки от идеала. Вот золотой век: технология становится массовой, в R&D вкладываются значительные средства, достигается наивысшее качество продукта, но только в самых дорогих экземплярах. Вот закат: уже есть технология посвежее, цены и маржа падают, продукция стремительно упрощается, падает надежность. А вот загробная жизнь: производятся только копеечные, самые простые устройства, минимально выполняющие заданную функцию, уныло и плоховато.

Если пытаться проводить (возможно неоправданные) параллели, то сейчас на пике своего «могущества» находится рынок смартфонов. Разнообразие огромное, маржа (у некоторых) приличная, есть топовые модели с диким ценником и не обязательными, но приятными элитными бонусами. Не исключено, что так будет не всегда, но есть ли замена смартфонам? И вот что: я не уверен, что дешевый телефон отличается от дорогого так радикально, как отличаются друг от друга дорогой и дешевый магнитофон. Поговорим же о трудностях записи на магнитную ленту или про сорок лет попыток справиться неискоренимой ущербностью формата.

Балалайка первая: Закрытый тракт


Еще до того, как с магнитной ленты удастся что-то прочитать, желательно обеспечить как можно более равномерное ее протягивание мимо магнитной головки. В устройствах, в которых это действительно важно: в видеомагнитофонах, цифровых рекордерах DAT и современных ленточных накопителях лента вытягивается из кассеты.


То же самое происходит в больших катушечных магнитофонах. В компакт-кассетах от такого подхода отказались, для удешевления как самих магнитофонов, так и носителей. Из-за этого, а так же из-за низкой (тоже из-за экономии) скорости движения ленты (4,76 сантиметра в секунду, в два или даже четыре раза меньше типовой скорости катушечных магнитофонов) у кассетной техники относительно высокий коэффициент детонации. Данная характеристика (по-английски известная как wow and flutter) показывает, насколько равномерно магнитофон или проигрыватель пластинок способны вращать пластинку или пропускать ленту мимо магнитной головки. Магнитофон, который крутит ленту то быстро, то медленно, имеет свой фирменный, и хорошо узнаваемый звуковой почерк — такой, с подвыванием, от чего на английском языке эта особенность и называется «уау».



Со временем кассета по качеству звука если и не сравнялась, то максимально приблизилась к таковому у «больших» магнитофонов, за счет массы ухищрений, в том числе по категории равномерности протягивания ленты. В серьезных кассетных деках для этого используются отдельные двигатели, которые вращают только тонвал, а всем остальным заняты движки попроще. А также применяется закрытый тракт: это когда тонвалов в магнитофоне два. Лента получается «зажатой» между двумя вращающимися металлическими штырями, к которым снизу прижимаются резиновые ролики, а за счет различного диаметра валов она еще и натягивается между ними. Это непростая конструкция. В магнитофоне, который я купил, отсутствовал приводной ремень, который «придерживал» левую катушку с лентой. Без него она чрезмерно раскручивалась, и излишек ленты жевался первым прижимным роликом. Точнее не совсем жевался, а так, нежно покусывался. Кхм. В обычном магнитофоне с одним тонвалом такой проблемы просто не было бы.



Измерять коэффициент детонации сейчас можно с помощью компьютера и звуковой карты. На скриншоте — программа wfgui. Измерение делается так: записываем на кассету синусоидальный тон с частотой 3000 или 3150 герц. Воспроизводим, а программа считает отклонения от заданной частоты. На скриншоте видно усредненное отклонение в 0,2% — это раз в пять больше, чем должно быть у моего магнитофона, на уровне кассетных дек попроще. Впрочем, через пару недель эксплуатации коэффициент детонации снизился до весьма неплохих 0,05%. На этот параметр в магнитофоне влияет практически всё, включая качество прижимных роликов из резины, равномерность работы двигателей, наличие смазки там, где закреплены оси тонвалов. Предлагаю еще раз порадоваться, что в цифровой технике мы уже давно избавились от вот этой необходимости «протирки оптических осей».

Ах да, если измерять коэффициент детонации как сказано выше, то это будет комбинированный коэффициент записи и воспроизведения. В идеале нужна еще и эталонная кассета, где сигнал с заданной частотой записан с минимальной детонацией. Она также пригодится, если вы хотите максимально точно откалибровать скорость вашего магнитофона, иначе он может воспроизводить записанные на нем же кассеты нормально, а вот другие — как повезет. Аргх.

Балалайка вторая: про виды магнитной ленты


Сколько я себя помню, этот переключатель типов ленты типа «Normal — Cr0² — (опционально) Metal» был почти на всех моих устройствах. Но я его считал чем-то бесполезным, потому что, в период, когда кассеты были актуальными, у меня никогда, ничего кроме ленты первого типа «Normal» не было. Кассеты делились на «советские» и «импортные», на «новые» и «уже тридцать три раза было что-то записано». Я мечтал просто о новой кассете, хоть какой, и не задумывался о сортах.

Так что в этом году я попробовал записывать и слушать ленту разных типов впервые. Всего типов ленты было четыре. Первый, самый распространенный — создан на основе оксида железа, или, говоря по-народному, ржавчины. В ленте второго типа используется оксид хрома или аналогичные составы. В ленте третьего типа — комбинация из оксида железа и хрома, но она по ряду причин не прижилась. Наконец, в ленте четвертого типа используется чистый металл.

Если сильно не вдаваться в технические подробности, на ленты Type II и Type IV можно записывать более мощный сигнал, за счет чего повышается соотношение сигнал-шум. А значит, более качественная лента меньше шипит. Но она еще способна и более точно передавать слышимый диапазон частот. Поэтому данная характеристика в технических свойствах магнитофона всегда указывается в зависимости от типа ленты. При воспроизведении для лент первого типа и для второго-четвертого используются разные параметры эквализации сигнала, поэтому в дешевых плеерах есть переключатель, а в дорогих деках — автоматический определитель типа ленты при помощи дырок на торце кассеты.


Снизу вверх — Монгол Шуудан, кассета с лентой первого типа, второго и четвертого.

С нормальной (первого типа) лентой фирменное магнитофонное шипение будет слышно почти всегда, и избавиться от него можно только с помощью систем шумоподавления (про них ниже отдельная балалайка). Лента второго типа заметно шумит только в самых тихих музыкальных моментах, и в паузах, и то если выкрутить громкость на максимум. В обычной ситуации шум если и слышен, то почти не раздражает. Разницу между лентами второго и четвертого типа я не заметил ни на слух, ни с помощью измерений. Возможно мне попался не самый лучший образец «металлической» ленты.

Лента первого типа до сих пор продается в рознице. Кассеты нельзя купить на заправке, но с доставкой — запросто (а в более консервативной Америке можно купить и обычном продуктово-промтоварном магазине). Стоить они будут 150-200 рублей за штуку, это не очень дорого, но и недешево. Ленты второго и четвертого типа не выпускаются, и все, что есть в продаже — это сохранившиеся с «тех времен» запечатанные экземпляры. Секта свидетелей шшшш утверждает, что даже сорокалетней давности экземпляры пишутся и слушаются прекрасно, и скорее всего так и есть. Но цены…



Ладно, на скриншоте выше экстремальный пример: сверхпонтовая кассета Sony в керамическом (!) корпусе. Кассеты второго типа можно купить от 400 рублей за версию начала двухтысячных, и от 1000 рублей за экземпляр более винтажных времен, когда (как припоминают старожилы) качество и лент, и корпусов, и прочих запчастей, было лучше. Цены на металлические ленты просто невменяемые, от 20 до 100 долларов за штучку.

Очевидно, что именно запечатанные кассеты стали коллекционным товаром, как марки: там ценность уже не в возможности что-то на них записать. Ценность в редкости серии, давности производства, элитности оформления. Мне повезло, и я наткнулся на дешевую партию кассет, которые были однажды записаны, и с тех пор их никто не трогал — это можно понять по идеальному состоянию пластиковых коробочек. Лента TDK SA90 второго типа — такой оптимальный вариант записи на ленту, от которой не будет стыдно даже в цифровом 2018 году. Подробнее про хромовые ленты можно почитать в этой винтажной брошюре BASF.

Балалайка третья: что происходит с резиной за четверть века


Резина превращается почти в жидкость. Типичное описание лота на eBay от оригинального владельца: «слушали, потом перестали, недавно достали, а оно жужжит, но не работает». Если знать, что с таким аппаратом делать, можно вполне недорого приобрести очень качественный магнитофон.


На фото — резиновый привод магнитофона Sony TC-K511S, выпущенного в 1993 году. За 25 лет материал пассика размягчился, но он не потерял форму окончательно, и его получилось просто снять. В магнитофоне Kenwood, выпущенном всего на два года раньше, остатки ремня загрязняют механизм, и в некоторых неудачных случаях они могут вывести магнитофон из строя совсем. В любом случае потребуется серьезная чистка. Аналогичная ситуация наблюдается и в портативных плеерах, короче везде, где используется резина. Профилактическая замена ремней кажется требуется для всех кассетных магнитофонов, за исключением тех, что используют прямой привод. И то, второстепенные агрегаты там вероятно используют резиновые ремни.

По-хорошему, пассиками ограничиваться нельзя. В идеале нужно поменять резиновые прижимные ролики, обеспечивающие вместе с металлическими штырями тонвалов равномерное движение ленты. Они обычно либо сильно загрязнены, либо резина также потеряла свои свойства, появились трещины. Но часто достаточно хорошенько (не раз и не два) почистить их ватной палочкой с чистым спиртом. Остальные движущиеся части магнитофона более долговечны, хотя тоже как повезет. В дешевых устройствах, где всё пластмассовое, могут трескаться шестерни (в особо неудачных случаях пластмасса тоже начинает «растекаться»). Протираются сами магнитные головки. Высыхает смазка, затрудняя работу механизма. Теряют свои свойства моторы — и музыка играет медленнее или быстрее, чем надо. Текут конденсаторы. Растягиваются или лопаются пружины механических кнопок. Перегорает лампочка, благодаря которой магнитофон отслеживает движение ленты, и начинает срабатывать аварийный останов.



Если вы спросите меня, что в старом магнитофоне может пойти не так, я отвечу: да почти всё! Причем везде по-разному: в дешевом магнитофоне конца 90-х виновата в поломках будет унылость конструкции, в дорогих деках конца 80-х — ее сложность. Возможно железный монстр из 70-х с минимумом электроники переживет их всех. В теории современные устройства — смартфоны, ноутбуки, портативные плееры — должны быть гораздо долговечнее, у них часто нет вообще никаких движущихся частей. Но это в теории. Во-первых, культура потребления сейчас другая, мало кто покупает дорогой ноутбук, чтобы пользоваться им 10-15 лет. Во-вторых, мы еще не знаем, какие из нынешних моделей удачные, а какие нет. Из ноутбуков 20-летней давности есть много моделей, которые кажется вовсе не дожили до нашего времени. А есть те, что выглядят и работают как новые.

Еще одна история про ремонт портативного плеера — у меня в Телеграм-канале.

Балалайка четвертая: про ток подмагничивания (осторожно, драконы!)


Ток подмагничивания или BIAS сложнее описать человеческими словами. Я попробую, но чуть позже, а сначала напишу нечеловеческими, ахахаха. Информация и картинки взяты из этой брошюры.



Как вообще происходит запись на магнитную ленту? Лента протягивается мимо магнитной головки. Электромагнит вступает в непосредственный контакт с лентой и отпечатывает на ней «рисунок» из намагниченных с определенной полярностью частиц металла. Считывающая головка превращает изменения магнитной полярности в изменения полярности электрического сигнала, и, соответственно, в звук. Все очень просто, но не совсем. На сцену выходит коэрцитивная сила: такое свойство ферромагнетиков (к которым относится и магнитная лента), что их нельзя просто так взять и размагнитить или изменить полярность намагниченности.


Проблема в том, что для выведения ферромагнетика из стабильного состояния — например для изменения полярности — требуется серьезное воздействие. В электрической системе изменение полярности происходит мгновенно (на картинке слева), в магнитной ленте — занимает некоторое время (в центре), а для звука это означает внесение явных искажений (справа). Что делать? Если вместе с полезным сигналом воздействовать на ленту еще одним сигналом большой мощности и очень высокой частоты — искажений в полезном сигнале будет меньше. Именно этот дополнительный сигнал называется током подмагничивания. Это синусоидальный сигнал очень высокой частоты, за пределами возможностей человекеского слуха (от 75 килогерц, а в моем магнитофоне и вовсе 210 кГц).

Нет, вы понимаете, что происходит? Учитель литературы заходит в класс, и, хотя он никак не взаимодействует с учениками, сочинение начинает записываться немного лучше! Мощность тока подмагничивания зависит от типа ленты: именно поэтому на кассетах первого типа написано Normal Bias, а на втором типе — High (у них отличается коэрцитивная сила). Ток подмагничивания также можно подстраивать для достижения оптимального звучания, но придется выбирать — либо меньше искажений, либо шире частотный диапазон. На дорогих лентах этот неизбежный (один из многих) компромисс не так сильно выражен. Кассетные магнитофоны высокого класса умеют калибровать ток подмагничивания под конкретную ленту, вручную или автоматически: на ленту записываются сигналы высокой и низкой частоты, тут же считываются отдельной головкой воспроизведения, а ток подмагничивания подстраивается так, чтобы мощность сигналов примерно совпадала.

Балалайка пятая: Системы шумопонижения


Механические и, так сказать, научно-исследовательские способы повышения качества записи на кассету мы уже обсудили. Давайте обсудим, как можно во время записи изменять звуковой сигнал так, чтобы при воспроизведении шумов было меньше, а музыки больше. За это отвечают системы шумопонижения, исторически разрабатываемые фирмой Dolby (но не только). В оборудование для конечных потребителей попали три разных варианта систем шумопонижения Dolby. Сначала это была Dolby B — ее представили в 1968 году, и почти все музыкальные кассеты записаны с ее использованием.

В 1980 году появилась система Dolby C. Пришлось добавлять в магнитофоны переключатель между разными системами шумопонижения. В 1989 году, уже на закате кассетной темы в западных странах, появилась система Dolby S. Как они все работают? Рассмотрим на примере Dolby B.



Картинка взята отсюда, и там еще много интересного. Заодно вы можете оценить, как выглядела типичная домашняя страничка в середине 90-х. Идея простая: давайте запишем на кассету больше сигнала, чтобы было слышно меньше шума. Так как шипение кассеты больше всего затрагивает высокие частоты, их при записи можно усилить, а при воспроизведении — вернуть уровень сигнала на место. Профит?

Не совсем: нельзя бесконечно усиливать уровень сигнала, иначе уровень искажений тут же станет запредельным. Система Dolby избирательно усиливает высокочастотную составляющую звука относительно небольшой громкости, то есть работает в тихих местах, где и надо, а в громких старается не мешать, там и так все хорошо. Увы, у этого решения есть определенные недостатки. Во-первых, повышать и понижать уровень сигнала нужно симметрично. Это не всегда получается. И кассета — не идеальный носитель, вносимые ей искажения могут сбивать с толку систему шумопонижения. И реализация системы может отличаться на магнитофонах разных производителей.

Dolby С применяет похожий подход и к высоким частотам, и к низким. Dolby S — еще более сложная система многополосной обработки сигнала, обещающая снижение шума до 10 дБ в низкочастотном диапазоне и до 24 дБ в высокочастотном. Вот в этом замечательном ролике канала Techmoan про кассеты и современность показано, как три разных системы Dolby борются с чистым шумом, когда полезного сигнала нет, то есть шумопонижение работает в идеальных условиях.

Я испытал все три системы шумопонижения. Эффект от Dolby B и Dolby C вы можете сами оценить на моем видео из предыдущего поста. Dolby S я испытал на относительно простом магнитофоне Sony, и с этой системой шума ленты действительно не слышно. Проблема в том, что все три системы хоть немного, но меняют и музыкальный сигнал, и совсем не так, как мне хотелось бы. На дворе 2018 год, и у меня нет проблемы послушать музыку без шипения! Если в 1989 году Dolby S преподносилась как способ писать на кассету звук с качеством почти как CD, то сейчас кассеты интересны как раз тем, что их звук отличается от цифры.


В общем, свои кассеты я записываю без применения систем шумопонижения. На кассетах первого типа это приводит к хорошо слышному шипению, которое не так ужасно, как можно подумать. А на кассетах второго типа уровень собственного шума достаточно низок, чтобы вовсе не заморачиваться всякими Dolby. Ах да, на качественной технике еще распространена система Dolby HX Pro, но она не имеет ничего общего с шумопонижением. Это система динамического изменения уже знакомого нам по предыдущей балалайке тока подмагничивания. Меняя мощность подмагничивания в зависимости от громкости звукового сигнала она позволяет улучшить отдачу на средних частотах. Такие дела.

Как видите, набор проблем в пользовательских устройствах тридцатилетней давности сильно отличается от нынешних. Перед инженерами и разработчиками, впрочем, по-прежнему стоят задачи с похожими свойствами: как собрать троллейбус из хлеба прилично работающее устройство или софт из, казалось бы, совершенно профнепригодных материалов. В конце 70-х Sony пыталась предложить конкурента компактным кассетам — формат Elcaset с гораздо более выдающимися характеристиками. Но не взлетело: вариант «дорого и качественно» обычно проигрывает варианту «дешево и доступно».


Пожалуй самая лучшая реализация формата компакт-кассеты была в устройствах для воспроизведения следующего формата — Digital Compact Cassette, разработанного в девяностых компанией Philips. DCC представляла собой слегка модифицированную кассету, на которую в 9 параллельных дорожек писались цифровые данные (около 250 мегабайт на обе стороны). Фишкой формата была совместимость с обычными кассетами, но только на воспроизведение. И вот, говорят, воспроизводили эти устройства даже обычные кассеты очень неплохо, так как требования, предъявляемые к механизму для воспроизведения цифровых данных были заведомо выше. Проект оказался провальным. Современные ленточные накопители свою родословную ведут скорее от видеомагнитофонов, и с кассетной техникой имеют мало общего.

Мой опыт «запоздалого» знакомства с аудиокассетами показывает: ничто не вечно. Привычный нам ландшафт технологий через 10-20 лет может полностью измениться. И хоть я и ценю олдовые технологии, по причинам ностальгическим, финансовым и другим, я не против этой неизбежной эволюции. Ведь чтобы отправить «смартфон» или «ноутбук» или «планшет» на свалку истории, нужно придумать что-нибудь новое. Интересно, что это такое может быть.
Tags:
Hubs:
+17
Comments 25
Comments Comments 25

Articles

Information

Website
www.kaspersky.ru
Registered
Founded
Employees
5,001–10,000 employees
Location
Россия