Rejestracja analogowa: wprowadzenie do taśmy i magnetofonów wielośladowych - cz. I

W tej serii poradników chciałbym poruszyć i przybliżyć temat nadal bardzo obecny w środowisku inżynierii i realizacji dźwięku, jednak odchodzący poniekąd w niepamięć i nie omawiany już tak często, mianowicie: nagrywania na taśmę.

Po pojawieniu się i zdominowaniu rynku przez technologię cyfrową, taśma magnetyczna i urządzenia ją obsługujące zaczęły być sukcesywnie wypierane ze studiów nagraniowych na świecie, podczas gdy firmy produkujące profesjonalny sprzęt analogowy wycofały go z produkcji; obecnie nie produkowane są nowe modele profesjonalnych magnetofonów wielośladowych.

Niemniej, w obiegu krąży jeszcze wiele maszyn zachowanych w bardzo dobrym stanie, a sama taśma posiada wielu zapalonych entuzjastów - w tym na najwyższych szczeblach branży - którzy do dziś odmawiają wprowadzenia cyfrowych systemów do swoich studiów. Mówiąc w skrócie, pomimo faktu wszechobecności technologii cyfrowej i jej niskiej ceny, klasyczna technologia analogowa wciąż znajduje uznanie ze względu na niezaprzeczalny charakter brzmienia, według niektórych niepodrabialny na innych systemach.

Nie będzie to tekst biorący głos w toczonej do znudzenia dyskusji cyfra vs. analog - oba oblicza nagrywania dźwięku mają swoje wady oraz zalety i zależą od indywidualnych preferencji. Trudno jednak zaprzeczyć faktowi, że brzmienie dobrze wykonanego nagrania analogowego jest w klasyczny sposób określane jako „pełne”, „ciepłe” czy „mięsiste”.

Ponadto warto pamiętać, że rejestracja na taśmę magnetyczną była pierwszą metodą rejestracji dźwięku oferującą tak wysoką jakość, oraz że zdominowała rynek na wiele dekad. Wydaje mi się, że zrozumienie zasad funkcjonowania systemów analogowych jest kluczem do pojęcia zasad inżynierii dźwięku w ogóle. Szczególnie dzisiaj, w dobie operowania przez nas wszystkich technologią, której zasady funkcjonowania pozostają nierzadko dla nas tajemnicą.

Menu na skróty:

• Krótko o historii (magnetycznej) rejestracji dźwięku

• Pryncypia magnetycznej rejestracji dźwięku, czyli co właściwie znaczy nagrywanie „analogowe”

Taśma magnetyczna
Głowice magnetyczne

• Problemy związane z odtwarzaniem z taśmy. Konieczność wyrównania (equalizacji) sygnału wyjściowego. Napięcie podkładu

Krótko o historii (magnetycznej) rejestracji dźwięku

Pierwsze eksperymenty z rejestracją dźwięku datowane są na drugą połowę XIX wieku. Nie będę omawiał jednak całkowitych początków nagrywania, wiążących się z takimi wynalazkami, jak pierwszy francuski fonautograf czy późniejszy fonograf, będących fizycznymi, nie elektrycznymi, metodami zapisu, wynalezionymi jeszcze przed skonstruowaniem mikrofonu. Interesująca nas metoda to zapis magnetyczny.

Istotą jego działania jest utrwalanie informacji na namagnesowanym medium (nośniku), przechowującym dane dostarczone w formie analogowego sygnału elektrycznego, następnie przekonwertowanego na oddziaływanie elektromagnetyczne. Pierwszym urządzeniem do rejestracji magnetycznej był telefonograf z 1898 roku, wynaleziony przez duńskiego inżyniera Valdemara Poulsena, używający metalowego drutu jako nośnika. Urządzenie zdolne było zapisywać i odczytywać z niego dane dźwiękowe za pomocą głowic magnetycznych, jednak oferowało bardzo niską jakość, przez co nie mogło być stosowane do nagrywania muzyki.

Nową technologię rozwijano w poszukiwaniu lepszych rozwiązań, co zaowocowało zastąpieniem drutu przez taśmę magnetyczną (poprzedzoną krótkim epizodem eksperymentów z taśmą stalową - drogą, niepraktyczną i szczególnie niebezpieczną w użyciu). Wynalazek ten, tak jak i wiele innych przełomowych odkryć w dziedzinie rejestracji i reprodukcji dźwięku (w tym nagrywanie i odtwarzanie stereo), zawdzięczamy niemieckim inżynierom, prowadzącym intensywne badania i pracę nad metodami zapisu podczas dwudziestolecia międzywojennego oraz II Wojny Światowej. Sama taśma magnetyczna, będąca rozwinięciem pracy Poulsena, jest wynalazkiem Fritza Pfleumera z roku 1928 - pierwotnie, był to pasek papieru pokrytym tlenkiem żelaza (III) (Fe₂O₃₎.

Dalsze prace nad tą technologią prowadzone były przez niemiecki koncern AEG przed i w trakcie II WŚ; pierwszy działający magnetofon taśmowy stworzono w 1935 roku, natomiast magnetofon stereo - w 1943. W tym okresie wynaleziono również metodę stosowania prądu podkładu lub biasowania (AC biasing), polegającą na dodaniu do nagrania niesłyszalnego sygnału o częstotliwościach rzędu 50-150kHz, co drastycznie zwiększyło jakość nagrań (proces ten, tak jak pozostałe związane z tematem, zostanie dokładnie omówiony w niniejszym tekście).

Omawiana technologia pierwotnie była utrzymywana w tajemnicy i wykorzystywana głównie w celach wojskowych. Po zakończeniu II Wojny Światowej została ona zdobyta przez Aliantów, następnie przewieziona do Stanów Zjednoczonych, gdzie dalej udoskonalono ją i, ze względu na niezrównaną dotychczas jakość reprodukcji, natychmiast wprowadzono na rynek rozrywkowy i konsumencki.

W przeciągu bardzo krótkiego czasu taśma magnetyczna zrewolucjonizowała rynek i wprowadziła nowe, nieosiągalne dotąd możliwości zapisu dźwięku. Nagrywanie stereo umożliwiło, poprzez umieszczenie dwóch śladów do rejestracji na jednym pasku taśmy, łączenie sygnałów z wielu źródeł dźwięku na raz. Rozwinięcie tej technologii zaowocowało rejestracją wielośladową, będącą podstawą dzisiejszej technologii nagrań dźwięku.

do góry

Pryncypia magnetycznej rejestracji dźwięku, czyli co właściwie znaczy nagrywanie „analogowe”.

W zasadzie cała współczesna technologia audio bazuje na zjawiskach indukcji magnetycznej i elektromagnetycznej. Mikrofon dynamiczny, będący membraną połączoną z ruchomą cewką z metalowego drutu umieszczoną w polu magnetycznym, jest transduktorem (przetwornikiem) zmieniającym energię akustyczną w elektryczną. Zgodnie z teorią indukcji elektromagnetycznej, w przewodniku elektrycznym (jak drut miedziany) przecinającym linie pola magnetycznego wytwarza się prąd elektryczny o analogicznychwłaściwościach, jak częstotliwość i natężenie, do siły wprawiającej go w ruch - sygnał elektryczny wytworzony w mikrofonie jest analogowy, tj. ciągły (w przeciwieństwie do dyskretnych, oddzielnych sygnałów cyfrowych) oraz analogiczny do oddziałującej siły akustycznej; zmiany w uzyskanym napięciu bezpośrednio korelują ze zmianami ciśnienia akustycznego. Tak więc używając określenia ‘analogowy’, mamy na myśli fakt, że sygnał dźwiękowy, którym manipulujemy i który rejestrujemy, jest bezpośrednim elektrycznym odpowiednikiem energii akustycznej, subiektywnie odbieranej przez nas jako dźwięk.

Rejestracja magnetyczna również opiera się na zjawiskach indukcji: jeżeli przez przewodnik elektryczny, np. metal, przepuszczony zostanie prąd elektryczny, metal ten zaczyna wytwarzać pole elektromagnetyczne. Potraktujmy to jako wstępne wyjaśnienie działania głowicy rejestrującej w magnetofonie; mówiąc w skrócie, elektryczny sygnał z mikrofonu wprowadzony jest do głowicy, która zamienia go na analogiczne oddziaływanie magnetyczne, którego ‘odbiorcą’ jest taśma, na której trwale nagrane są informacje, będące zapisem zmian właściwości pola elektromagnetycznego w czasie.

Działaniu magnetofonu i poszczególnych rodzajów głowic uważnie przyjrzymy się w dalszej części tekstu - najpierw jednak, dokładniej omówmy samo medium, będące podstawą całego procesu.

do góry

Taśma magnetyczna

W dopracowanej, ostatecznej wersji, taśma magnetyczna była medium przełomowym - w odróżnieniu od poprzednich rozwiązań, była wytrzymała, stosunkowo tania w produkcji i łatwa w obsłudze i konserwacji (stwierdzenie to brzmi niewątpliwie dziwnie z dzisiejszego, „cyfrowego” punktu widzenia). Jej wprowadzenie zrewolucjonizowało przemysł medialny i rozrywkowy oraz proces tworzenia nagrań.

Dotychczas wszelkie nagrania muzyczne oznaczały konieczność perfekcyjnego wykonania całości w jednym ujęciu (podczas rejestracji gramofonowej); audycje radiowe nadawane były na żywo. Obecność nowego nośnika oznaczała możliwość uprzedniego przygotowania programów przed ich wejściem na antenę, a sesje nagraniowe zyskały zupełnie nowe oblicze.

Nowoczesna taśma magnetofonowa składa się z kilku warstw różnych materiałów spełniających odpowiednie funkcje. Najgrubszą z warstw tworzy poliestr albo poli (chlorek winylu) - PVC. Jest to trwały polimer, odporny na uszkodzenia, rozciągnięcie i zerwanie. Od wewnętrznej strony znajduje się powłoka antystatyczna również wykonana z odpowiednich polimerów, natomiast od zewnętrznej - najważniejsza warstwa z ferromagnetykiem, (np. tlenkiem odpowiedniego metalu jak tlenek żelaza (III) i (IV) czy dwutlenek chromu CrO₂), pokrytym dodatkową warstwą ochronną.

Ferromagnetyki (jak żelazo, chrom, kobalt, i tak dalej) wykazują pewne unikalne właściwości na poziomie strukturalnym. Bez zbytniego wgłębiania się w szczegóły, ich atomy grupują się w obszary permanentnego namagnesowania, zwane domenami magnetycznymi, z których każda jest odmiennie spolaryzowana. Bez zewnętrznego oddziaływania magnetycznego, osobne domeny są spolaryzowane przeciwnie (lub prostopadle) do siebie, co powoduje, że wzajemnie anulują swoje oddziaływanie.

Niemniej jednak każda bryłka czy ziarno ferromagnetyku posiada wysoki poziom magnetyzacji; w przypadku nawet słabego zewnętrznego oddziaływania magnetycznego, momenty magnetyczne domen "układają się" równolegle z nim, w ten sposób znacznie potęgując siłę tego zewnętrznego oddziaływania. Kolejną właściwością umożliwiającą zapis magnetyczny jest histereza metali ferromagnetycznych - fakt, że raz namagnesowane w danym kierunku domeny metalu nie powrócą do stanu wyjściowego bez poddania zewnętrznej siły przeciwnej do poprzedniej. W skrócie, jest to zdolność do „pamięci” magnetycznej tych metali.

do góry

Głowice magnetyczne

Nie poddawajcie się i czytajcie dalej, już mówię jak w praktyce przekłada się to na nagrywanie dźwięku. Zbiór domen nie namagnesowanych zewnętrznie pozostaje neutralny magnetycznie, natomiast domeny poddane oddziaływaniu pozostają namagnesowane i nie przestają emitować tego oddziaływania. Tak więc „czysta”, nie nagrana taśma nie posiada pola magnetycznego, dlatego odtwarzając ją słyszymy jedynie szum. Na powierzchni taśmy nagranej, domeny ferromagnetyku uporządkowują się wobec podanego zewnątrz pola - urządzeniem emitującym to opole jest nieruchoma rejestrująca głowica magnetofonowa, po powierzchni której przesuwa się taśma. Na niej w ten sposób powstaje zapis zmieniającego się w czasie oddziaływania elektromagnetycznego.

Występują trzy główne typy głowic magnetofonowych:

• Głowica rejestrująca
• Głowica odtwarzająca
• Głowica kasująca

Są one praktycznie tym samym urządzeniem, jednak odpowiednio skonfigurowanym do wykonywania konkretnej funkcji. Klasycznie zbudowane są z miękkiego żelaza, lub w przypadku nowocześniejszych głowic - z ferrytów lub innych materiałów ceramicznych. Posiadają nawiniętą nań cewkę oraz szczelinę, nad którą przesuwa się taśma.

W głowicy rejestrującej podany jest zewnętrzny prąd elektryczny (sygnał analogowy z mikrofonu), który przepływając przez cewkę wytwarza pole elektromagnetyczne. Szczelina w głowicy stanowi dla niego barierę - po tej szczelinie przesuwa się taśma, na którą przechodzi owo oddziaływanie, ponieważ ferromagnetyk oferuje mniejszy opór dla pola niż powietrze. Na przesuwającej się taśmie powstaje w ten sposób zapis zmian pola.

W głowicy odtwarzającej zasada działania jest odwrotna. Taśma, w tym momencie wytwarzająca własne oddziaływanie magnetyczne, przesuwa się po szczelinie głowicy. To oddziaływanie indukuje prąd zmienny (sygnał analogowy) w cewce głowicy, który następnie skierowany jest do wzmacniacza, a dalej - do głośników.

Zadaniem głowicy kasującej (najczęściej umiejscowionej zaraz przed rejestrującą) jest zneutralizowanie magnetyzacji nagranej taśmy. Dzieje się to przez skierowanie do niej oscylującego dźwiękowego sygnału o wysokiej częstotliwości i intensywności, który powoduje losowe namagnesowanie domen w emulsji magnetycznej, przez co sygnał wyjściowy jest zerowy. Szczelina w głowicy kasującej jest zazwyczaj większa niż w pozostałych - zwiększa to czas kontaktu taśmy z samą głowicą, co z kolei zapewnia dokładne usunięcie poprzednio zapisanych informacji.

do góry

Problemy związane z odtwarzaniem z taśmy. Konieczność wyrównania (equalizacji) sygnału wyjściowego. Napięcie podkładu.

Kiedy na nośnik nagrany jest sygnał dźwiękowy, magnetyzacja taśmy jest wprost proporcjonalna do napięcia sygnału wpuszczonego do głowicy rejestrującej. Podczas odtwarzania jednak, zgodnie z prawem Faradaya, napięcie uzyskane w głowicy odtwarzającej jest proporcjonalne do magnetyzacji taśmy przez nią przechodzącej, jak i częstotliwości nagranego sygnału. Tak więc sygnał wyjściowy z głowicy odtwarzającej jest nieliniowy: na każdy wzrost częstotliwości o oktawę przypada wzrost siły sygnału o 6 dB, dlatego zachodzi konieczność instalowania w magnetofonach obwodu korekcyjnego redukującego sygnał wyjściowy o 6 decybeli co oktawę.

Ze względu na właściwości ferromagnetyków zachodzi również konieczność zastosowania napięcia podkładu (bias current, AC bias). Histereza magnetyczna sprawia, że taśma pozostaje namagnesowana po zastosowaniu zewnętrznego oddziaływania. Oznacza to również, że potrzebna jest pewna energia, aby zredukować bądź zmienić dotychczasowe namagnesowanie; taśma reaguje nieliniowo na słabsze sygnały. Te będące wyłącznie w zakresie ludzkiego słuchu są za słabe, aby spowodować jednolitą, liniową magnetyzację taśmy, co w praktyce oznacza, że nagrania te byłyby bardzo zniekształcone i niezdatne do użytku. Aby przekroczyły próg wymagany by magnetyzacja taśmy była proporcjonalna do sygnału na wejściu, muszą być wzmocnione dodatkowym napięciem. Jest to silny sygnał o częstotliwości od 50 do 150 kHz nagranym na taśmę wraz z pożądanym sygnałem dźwiękowym. Jest on niesłyszalny dla ludzi, jednak bardzo zwiększa ogólną siłę sygnału wchodzącego do głowicy rejestrującej, co intensyfikuje oddziaływanie elektromagnetyczne i w praktyce zapewnia dużo wyższą jakość nagrań. Bez stosowania napięcia podkładowego nagrania na taśmę byłyby praktycznie niesłuchalne.

Ferromagnetyki i jakość jaką oferują w przypadku nagrań różnią się między sobą, na przykład dwutlenek chromu oferuje dużo większy zasięg dynamiczny nagrania niż klasycznie stosowane tlenki żelaza, jednak wymaga on napięcia podkładowego o innych właściwościach, dlatego nowocześniejsze magnetofony szpulowe oferują różne ustawienia dla tego napięcia, zależnie od rodzaju taśmy.

To już koniec wstępu teoretycznego do taśmy i nagrań analogowych. Jeżeli dobrnęliście tutaj to liczę, że temat interesuje was, a mój tekst dostarczył wam użytecznych informacji. W części drugiej poradnika omówię rodzaje taśmy, działanie magnetofonu wielośladowego, od małych modeli jak niepozorne acz legendarne Portastudio do profesjonalnych wielośladów szpulowych na dwucalową taśmę, oraz przyjrzę się samemu procesowi tworzenia nagrań analogowych oraz korzyściom, a także trudnościom wiążącym się z nim.

Ilustracje: Marlena Olszewska

do góry