Великое изобретение датчанина Вальдемара Паульсена

Великое изобретение датчанина Вальдемара Паульсена

100 лет магнитофону. Недавно и так давно.

«Пошью костюм с отливом,
куплю шляпу,
возьму магнитофон – и в Ялту».
(Реплика героя Савелия Крамарова
из кинофильма «Джентльмены удачи»).

Грампластинка – хороший хранитель звуковой информации. Если бы в свое время были сделаны записи певцов Энрико Карузо или Федора Шаляпина на современных пластинках, то сейчас мы могли иметь возможность услышать неповторимые голоса певцов во всем их блеске. Механический способ записи и воспроизведения звука хорош только в стационарных условиях. Этот способ получения звука позволяет даже воспроизвести беседы, которые вели великие художники при рисовании картин. Дело в том, что когда художник наносит на холст краску и одновременно произносит какие-либо слова, то на краске остаются следы от звуковых волн. При увеличении на мазках можно увидеть поперечные волнообразные неровности. Это и есть застывшие звуковые волны.

В опытах по воспроизведению реальных звуков прошлого, ученые использовали звуковоспроизводящую аппаратуру с пьезоэлектрическим датчиком, в качестве которого использовался обычный адаптер (звукосниматель). Результаты опытов подтвердили принципиальную возможность воспроизведения таких звуков. Невзирая на высокое качество звуковых фонограмм, механическая запись не смогла составить конкуренцию другим способам, в частности магнитным, в радиовещании, репортерском деле, прослушивании фонограмм в движущемся транспорте и так далее.

                                                              томас эдисон

                                                                                Томас Эдисон

Появление магнитной записи звука тесно связано с возникновением фонографа и зарождением радиоэлектроники. Через 11 лет после появления фонографа, 8 сентября 1888 года в американском техническом журнале «The Electrical World» появилась статья инженера Оберлина Смита, которая была посвящена усовершенствованию конструкции фонографа Томаса Эдисона. Статья могла пройти незамеченной, если бы в ней не были предложены прогрессивные идеи, касающиеся записи звука.

                                                              Оберлин Смит

                                                                             Оберлин Смит

Оберлин Смит изложил новый принцип записи звука – магнитный. В качестве носителя он предложил хлопчатобумажную нить, пронизанную стальными опилками. Стальные опилки по мысли автора должны были намагнититься вблизи проводов микрофонной цепи. При этом отдельные частички должны были «магнитно» запечатлеть определенную фазу электрического волнообразного процесса. Автор сомневался в использовании сплошной стальной ленты, думая, что «едва ли она разделится на отдельные магниты». Смит не указал способа воспроизведения магнитной фонограммы и не создал никакой действующей конструкции аппарата для магнитной записи звука. Он лишь ограничился статьей и не предпринял никаких попыток по практической реализации своих идей. Благодаря только одной этой статье Смит остался в истории науки и техники, и когда разговор заходит о появлении магнитофона, о нем обязательно вспоминают.

Прошло еще десять лет прежде, чем идеей магнитной записи звука заинтересовался, теперь уже в Дании, 29-летний лаборант технического сектора телефонной станции Копенгагена Вальдемар Паульсен (Valdemar Poulsen). В отличие от Смита, он не ограничился высказыванием идей, а предпринял попытку их реализовать и разработал конструкцию аппарата для магнитной записи звука. 1 декабря 1898 года он запатентовал свое изобретение. Аппарат Паульсена получил название «телеграфон». Заметим, что датский изобретатель вошел в историю техники не только с телеграфоном, но и благодаря другим своим изобретениям в области радиотехники, например, он придумал генератор незатухающих колебаний для радиосвязи.

                                                          Телеграфон    

                                                                             Телеграфон       

Телеграфон представлял не что иное, как электромагнитный фонограф. Конструкция телеграфона действительно в некоторой мере напоминала популярный в то время звуковоспроизводящий аппарат. Такой же вращающийся цилиндр, но без слоя воска, вместо него была навита тонкая стальная струна диаметром 0,5 мм, в первых моделях использовалась обычная струна от фортепьяно. На эту струну и производилась запись звука. Цилиндр вращался с помощью часового механизма, записывающая головка (электромагнит) двигалась вдоль витков со скоростью 2,1 м/с. Для 40 минут записи звука необходимо было 6 000 метров проволоки. Телеграфон воспроизводил записи в диапазоне частот 150 – 2 500 Гц. Запись стиралась обычным сильным постоянным магнитом. Для этого необходимо было только провести им по проволоке. В настоящее время в Венском музее искусства и ремесел имеется действующий телеграфон и посетители могут послушать записанную на стальной проволоке информацию.

На Всемирной выставке в Париже в 1900 году Вальдемар Паульсен именно за конструкцию телеграфона получил Гран-При. В течении нескольких лет изобретатель оформил патенты на свое изобретение еще в 12 странах, кроме Дании, в том числе в России и США. В 1901 году Паульсен создал новый аппарат, который по конструкции значительно отличался от предшественника и уже имел основные черты современных магнитофонов. Для записи использовалась стальная лента шириной 3 мм и толщиной 0,05 мм. Лента сматывалась с одной бобины и наматывалась на другую, проходя мимо записывающей и воспроизводящей головок. Запись прослушивалась на телефонных трубках.

Окрыленный успехом, Паульсен решил приступить к производству магнитофонов. В 1903 году при финансовой поддержке американских бизнесменов возникла Американская телеграфонная компания (American Telegraphone Company), которая начала производство диктофонов. В начале продажа продукции шла неплохо и пользовалась успехом. Развернувшаяся конкурентная борьба между первыми магнитофонами и граммофонами не принесла первым победы, она к ним пришла только во второй половине 20 века. А в тот период, невзирая на все усилия Паульсена, созданные им несколько фирм обанкротились и прекратили свое существование. Производство магнитофонов было приостановлено на много лет.

Покупатели отдавали предпочтение граммофонам, так как они давали более громкий звук. Усилить слабый электрический сигнал, воспроизводимый телефонным наушником, было нечем, еще не была изобретена усилительная лампа – триод Ли де Фореста. Наступивший магнитофонный кризис, продлился до начала 1920-х годов. Оживление рынка магнитофонов началось с появлением первых ламповых усилителей. Дальнейший прогресс в этой области растянулся на многие десятилетия и пошел в направлении создания: новых магнитных лент; воспроизводящих, записывающих и стирающих головок; лентопротяжных механизмов и так далее.

                                                       Граммофон

                                                                             Граммофон

Несмотря на несовершенство тогдашних магнитофонов, от них не отказывались. На проходившем в Копенгагене в 1916 году Международном конгрессе доклады записывались на магнитофон, в котором в качестве носителя информации использовался стальной провод. Для записи докладов, составивших в сумме 14 часов, понадобилось 2 500 км провода общим весом 100 кг. Некоторое время в радиовещании применялась записывающая аппаратура с использованием ленты из нержавеющей стали. Хотя стальная лента и проволока имели некоторое преимущество по сравнению с другими носителями звука, со временем они вышли из употребления и сегодня практически не используются. Поиски оптимального носителя звуков продолжались много лет. Были опробованы биметаллические звуконосители. В них на немагнитную основу (латунь, бронза) гальваническим способом наносился ферромагнитный слой. Эти ленты также со временем вышли из употребления, так как не обладали хорошими магнитными свойствами.

Магнитные фонограммы еще не могли конкурировать с грампластинками. Магнитофоны были тяжелыми, при воспроизведении давали очень слабый звук, который можно было услышать только на телефонные наушники. Так, магнитофон фирмы Маркони весил несколько сотен килограммов, а стальная лента в нем наматывалась на бобины диаметром 0,5 мм и при обрыве соединялась электросваркой. В немецком учебнике по электротехнике того времени отмечалось: «Этот интересный аппарат не может считаться введенным в практический обиход, но его точное и удивительно чистое воспроизведение звуков позволяет рассчитывать, что телеграфон не останется простым курьезом…»

Новый интерес к магнитофону начал возрастать только с появлением мощных усилителей на электронных лампах. Уже в 1920-х годах американский флот применял магнитофон для ускорения передачи и приема радиотелеграфных сообщений. Несколько позже магнитофоны начали изготавливать в Германии и Англии. Для записи по прежнему использовалась стальная лента, которой пользовался еще Вальдемар Паульсен. Никто пока не осмеливался отказаться от этого типа звуконосителя.

                                                           Магнитная лента

                                                                          Магнитная лента

Значительный толчок могла получить магнитная запись после появления в 1925 году советского патента инженера И.И. Крейчмана на гибкую ленту, сделанную из пластмассы и покрытую магнитным порошком. Но, к сожалению, это изобретение прошло незамеченным. Важный шаг вперед сделал немецкий исследователь доктор Пфлеумер благодаря изучению патента Паульсена. В этом патенте он нашел указание на то, что запись можно вести не только на провод и ленты, но и на диски, покрытые намагниченным порошком. Пфлеумер провел исследования по поиску приемлемых магнитных носителей звука. Сначала он сделал попытку заменить стальную ленту бумажной, которая была покрыта магнитным материалом, и получил обнадеживающий результат. Затем он перешел на более удобные, пластмассовые ленты. Начиная с 1932 года, этот тип лент быстро совершенствовался. И уже в 1935 году в Германии на радиовыставке была продемонстрирована совместная разработка фирм АЕК и «ИГ Фарбениндустри» промышленных образцов пластмассовых магнитных лент. Лента произвела сенсацию, так как стоила в 5 раз меньше металлической и обладала хорошими свойствами, такими, как отличные магнитные свойства, простота склеивания, удобный монтаж записи, незначительный вес и дешевизна. Началось постепенное вытеснение металлических звуконосителей пластмассовыми. Наметившиеся успехи в магнитной записи звука особый интерес вызвали у военной разведки. И не удивительно. Что может быть лучше магнитофона для фиксации радиоперехвата и подслушивания телефонных разговоров?

                                                           Магнитофон

                                                                             Магнитофон    

Преимущества пластмассовых лент позволили им дожить до сего дня. В настоящее время опять вспомнили о бумажной магнитной ленте, находившейся в долгом забвении. Во Франции разработали диктофон, в котором используется бумажная лента с магнитным покрытием. На ленту шириной 12 см и длиной 30 м, намотанную на бобину, можно записать несколько сотен страниц текста. Преимущества такого звукоснимателя заключаются в том, что на ленте можно делать письменные пометки, разрезать ее на страницы и производить хранение в обычных папках.

Магнитофоном был назван аппарат для магнитной записи звука, который выпустила фирма AЕG в 1935 году. В конструкции использовался ряд новшеств: ферромагнитная лента, кольцеобразные головки и применялось высокочастотное подмагничивание и стирание. Это название оказалось настолько удачным, что употребляется в нашей лексике до сих пор. До этого в разных странах аппарат для магнитной записи звука называли своему. На его родине, в Дании, а также США – телеграфоном, Германии – диалиграф, текстофон и сталь-тон-машина.

                                                             Магнитофон

                                                                               Магнитофон   

В Германии успешно занимались не только созданием новых магнитофонных лент, но и головок. Немецкий инженер Е. Шюллер в 1938 году разработал и внедрил в производство новый тип функциональных кольцеобразных головок. В появившихся магнитофонах с новыми кольцеобразными головками для выполнения каждого этапа создания магнитной фонограммы использовалась специально разработанная головка (записывающая, воспроизводящая и стирающая).

В то время как в Европе интерес к разработкам в области магнитной записи звука все возрастал, в Новом Свете конструированием магнитофонов почти не занимались вплоть до 1937 года. Крупные фирмы, производившие радиоэлектронную продукцию, словно сговорились не обращать внимание на перспективную область электроники. Только в исследовательской лаборатории отца современного телефона Александра Белла уделяли этой проблеме некоторое внимание. Ситуация стала резко меняться после того как в 1940 году в чикагской бесприбыльной исследовательской организации Armor Rese arch Fundation молодой инженер Кармас разработал новые покрытия для магнитофонных пленок. Это дало возможность понизить скорость движения пленок в магнитофоне с 76 см/с до 19 и 9,6 см/с.

В России первые ленточные магнитофоны появились в 1942 году. Это был магнитофон типа «СМ-45», работавший на ферромагнитной ленте. После войны начали производиться модели серии «МЭЗ» для радиовещания и студийные «РМС-16». В 1949 году в Киеве был выпущен первый отечественный массовый бытовой магнитофон «Днепр».

                                                           Магнитофон типа МЭЗ

                                                                     Магнитофон типа "МЭЗ"

В 1944 году, когда казалось, что пластмассовые носители звука окончательно потеснили металлические, в США вспоминают о первоначальной идее записи звука Вальдемара Паульсена. Американский журнал Electronics помещает описание магнитофона с использованием металлической ленты. Конструкция аппарата была разработана в Национальном бюро стандартов. Для работы аппарата использовалась лента из специального стального сплава, которая двигалась между двумя записывающими и двумя стирающими головками. Лента имела толщину около 0,075 мм, ширину 3 мм и скорость движения около 1,5 м/с. Это была, пожалуй, одна из последних конструкций магнитофонов, рассчитанных на использование металлических лент.

В это же время, не обращая внимание на то, что только окончилась вторая мировая война, в разрушенной Германии продолжают вести исследования по совершенствованию принципа магнитной записи звука. И не безуспешно. На немецком радиовещании устанавливается магнитофон, работающий на пластмассовой ленте, на которую нанесен слой оксида железа. Скорость движения ленты составляла 80 см/с, что позволяло записывать частоты звука до 10 000 Гц. Лента имела толщину около 0,05 мм и ширину 5 мм. Совершенствование конструкций магнитофонов продолжалось не только в направлении создания новых носителей звука, но и в разработке перспективных механизмов протяжки ленты. В 1947 году появился магнитофон, в котором механизм протяжки ленты имел три электродвигателя. Один – для подачи ленты, другой для вращения с постоянной скоростью ведущего вала и протягивания ленты, а третий – для подмотки ленты. Лента перемещалась со скоростью около 76 см/с и обеспечивала воспроизведение частот в диапазоне 32 – 9 600 Гц с неравномерностью не более 4 Дб. В августе 1948 года в американском журнале «Electronics» появилась информация о магнитофоне, имеющем возможность записывать звук одновременно по трем каналам. Очевидцы, прослушивавшие такие записи на расположенные определенным образом громкоговорители, отметили чарующий эффект присутствия. Это было что-то среднее между стереофонией и квадрофонией. Запись в магнитофоне производилась на магнитную ленту шириной 6,3 мм, которая двигалась со скоростью 30 см/с. Одной катушки с лентой хватало на 20 минут записи звука. Усилители звуковой частоты каждого из каналов имели неравномерность не более 5 Дб в диапазоне 50 – 10 000 Гц.

                                                              Магнитофон с 3-мя электродвигателями               

                                                          Магнитофон с 3-мя электродвигателями         

В 1951-52 годах появились малогабаритные бытовые магнитофоны с магнитной лентой на пластмассовой основе. Металлическая лента и провод были окончательно вытеснены как носители информации. В это время усилия разработчиков были направлены на дальнейшее повышение качества воспроизведения звука. Появились двухканальные усилители с разделением частот. Схема разделения тембра по низким и высоким частотам стала составной частью любого высококачественного усилителя.

В 1950-е годы магнитофоны стоили очень дорого и доступны были не каждому. Поэтому были выпущены различного типа магнитофонные приставки с простым лентопротяжным механизмом и упрощенным электронным узлом записи. Так, магнитофонная приставка Toni производства ГДР подключалась к радиоприемнику, имеющему проигрыватель. Лентопротяжный механизм приставки приводился двигателем проигрывателя, а для громкого воспроизведения записи использовался усилитель приемника. Скорость движения ленты составляла 19,05 см/с.

В Советском Союзе выпускались простые магнитофонные приставки без собственного привода («Волна», «МП-1» и «МП-2»). Этот тип приставок из-за неудобств эксплуатации быстро вышел из употребления. Более удобными оказались магнитофонные приставки, имеющие собственный лентопротяжный механизм. Из отечественных магнитофонных приставок этого типа наиболее известной является приставка «Нота», выпускавшаяся в 1960-е годы. У приставки имелся автономный лентопротяжный механизм, ламповый усилитель записи, но отсутствовал усилитель звуковой частоты. Для громкого прослушивания записи приставку необходимо было подключить к усилителю звуковой частоты радиоприемника. Но, несмотря на это, приставка пользовалась популярностью у меломанов, так как имела неплохой дизайн, особенно ее поздние образцы, малые габариты и вес. Скорость ленты составляла 9,5 см/м. Радиолюбители встраивали в корпус приставки самодельные усилители на лампах или транзисторах и получали полноценный магнитофон.

                                                           Приставка Нота

                                                                         Приставка "Нота"

Магнитная запись с использованием носителей звука в виде ленты стала основной в бытовой аппаратуре. Попытки внедрить магнитофонные проигрыватели с использованием для записи плоских круглых магнитных пленок, аналогичных граммофонным пластинкам, в бытовой аппаратуре не увенчались успехом. Магнитофонные проигрыватели наподобие электро проигрывателей, в которых вместо звукоснимателя использовалась магнитная головка, производились в основном за рубежом. В этих аппаратах магнитная головка звукоснимателя смещалась принудительно, с помощью винтовой пары, в противоположность обычному граммофонному звукоснимателю, перемещающемуся бороздкой вращающейся пластинки. Магнитная пленка в виде круга нашла свое применение в основном в вычислительной технике. Это еще недавно широко использовавшиеся дискеты для компьютеров.

В 1968 году были произведены первые кассетные магнитофоны. В них лента двигалась со скоростью 4,75 см/с, а качество записи и воспроизведения звука оставляло желать лучшего. Невзирая на недостатки, кассетные магнитофоны привлекли внимание покупателей. Новые аппараты выгодно отличались от существовавших тогда магнитофонов своим удобством обращения и малыми габаритами. Выпущенные кассетные магнитофоны поставили проблему улучшения отношения «сигнал/шум». Это было связано, в первую очередь, с медленным движением ленты и узостью дорожек. Решение этой проблемы было предложено в 1969 году американцем Рэем Долби. Им была разработанная система получившая название «Долби», которая представляла собой динамический эспандер и компрессор для точно определенного частотного диапазона. При записи повышался уровень высоких частот (от 1-2 кГц и выше), а при воспроизведении уровень этих сигналов снова восстанавливался. Такое действие использовалось только к сигналам с низким уровнем, соизмеримым с шумами. Применение системы позволяло не только снизить собственные шумы лент и усилителей, но и устранить некоторые паразитные эффекты, например, копирэффект. Улучшению качества работы кассетных магнитофонов способствовало также создание новых высококачественных лент на хромоксидной и кобальтовой основах, ленты Hi-Fi Low Noise и Super Dinamic. Дальнейшее повышее качества магнитных покрытий исследователи связывают с магнитными бактериями, обнаруженными в морском и речном иле. Дело в том, что при изготовлении магнитных лент важное значение имеет размер кристаллов наносимого на ленту магнитного порошка. Чем меньший размер имеют кристаллы, тем более плотную и качественную запись можно произвести. Получение микроскопических кристаллов довольно трудоемкий процесс. В этом деле как раз и должны помочь бактерии. Бактерии, выращенные английскими учеными в лаборатории, магнитом вытягивают из питательной среды и растворяют в слабой кислоте. Через некоторое время получают осевшие на дно кристаллы магнетита настолько малых размеров, что их можно разглядеть только в электронный микроскоп.

                                                               Рэй Долби

                                                                                  Рэй Долби                        

В 1980-е годы отечественная промышленность начала производить большой ассортимент магнитофонных приставок высшей и первой группы сложности, в связи с возросшим спросом на высококачественную аппаратуру. Приставки отличались повышенной надежностью лентопротяжных механизмов и не имели своего усилителя звуковой частоты. Они предназначались для высококачественной стерео- или монофонической записи и воспроизведения через внешнюю стереофоническую усилительную аппаратуру, а также стереотелефоны. Магнитофонные приставки имели большое количество сервисных элементов, а некоторые даже дистанционное управление на инфракрасных лучах («Олимп-004-стерео»). Рабочий диапазон частот составлял 20 – 25 000 Гц.

Магнитофоны стали одним из элементов повседневного бытия. В связи с тем, что ряд пользователей предпочитают слишком громкую музыку, в некоторых странах приняты соответствующие законы. Национальное собрание Франции приняло закон, запрещающий продажу в стране домашней аудиоаппаратуры с динамиками более 100 Дб.

Интенсивное совершенствование кассетных магнитофонов позволило создать качественно новые конструкции, позволившие удовлетворить вкусы самых изысканных меломанов и постепенно сильно потеснить катушечные магнитофоны. Катушечные магнитофоны из-за их высокого качества записи и воспроизведения сумели закрепиться только на студиях звукозаписи и в квартирах изысканных меломанов. В настоящее время кассетные магнитофоны выпускаются не только в портативном оформлении, но и в настольном.

                                                       Катушечный магнитофон

                                                                 Катушечный магнитофон

Большой популярностью стали пользоваться индивидуальные кассетные магнитофонные проигрыватели – плееры. Для прослушивания записей в плеерах используются высококачественные головные телефоны, и качество звука в них не уступает стационарной аппаратуре. В настоящее время миниатюризация магнитофонов достигла такого уровня, что сделала их неотъемлемым инструментом, входящим в арсенал охотника за чужими информационными секретами. Не так давно, 1988 году, правление мексиканской фирмы Fuento icos было в глубоком кризисе, фирму ждал финансовый крах, так как ее производственные и коммерческие секреты становились известны конкурентам. Принимаемые контрразведкой меры не приносили плодов. Решено было провести скрытую видеосъемку очередного совещания правления фирмы. При изучении видеоматериала обратила на себя одна малозначительная деталь. Участвующая в заседании дама, член правления фирмы, периодически подносила руки к большим клипсам, красовавшимся в ее ушах. В дальнейшем оказалось, что в столь изящных украшениях находился миниатюрный магнитофон, и синьора незаметно его включала, когда принимались важные решения.

Развитие магнитофонов шло по пути расширения их сервисных возможностей, связанных с удобством эксплуатации и повышения основных характеристик записи и воспроизведения звука. Повышение характеристик связано, в первую очередь, с переходом от аналоговой к цифровой магнитной записи. Цифровая запись позволяет практически полностью избавиться от детонации звука и копирэффекта, получить очень малые искажения и динамический диапазон порядка 90-100 Дб. Выпускающиеся цифровые магнитофоны стоят достаточно дорого, что связано с большой стоимостью элементов цифрового канала, в основном, аналого-цифрового преобразователя.

После изобретения магнитофона уже минуло 100 лет и человечество не думает от него отказываться. Изобретение Вальдемара Паульсена является одним из трех великих изобретений XIX века, оказавших большое влияние на дальнейшее развитие нашей цивилизации, наряду с телефоном Белла и системой радиосвязи Попова. Хотя Паульсен сделал впоследствии немало в области радиотехники, но именно это изобретение оказалось самым значительным и поставило его в ряд великих ученых.

Статья переработана на основании материала В.М.Пестрикова «Великое изобретение Вальдемара Паульсена» в журнале «Радиохобби» №6 за 1998 год.


Комментировать

Возврат к списку