ГОСТ 24863−87 «Магнитофоны бытовые. Общие ТУ.» пунктом 2.1.9 предписывает, что рабочие зазоры магнитных головок записи (универсальных) должны быть установлены перпендикулярно направлению движения ленты. При этом положение рабочих зазоров головок воспроизведения он, казалось бы, вообще не регламентирует. Однако в разделе «4.Методы контроля, измерений и испытаний» он говорит о зазорах универсальных (воспроизводящих) магнитных головок. Однако и в этом разделе не описана не только методика установки перпендикулярности, но и допускаемая погрешность. Правда, в пункте 4.4.14.1 сказано, что разница выходного напряжения на линейном выходе правого (только правого!) канала до и после проведения подстройки азимута не должна превышать 2 дБ. Но при ширине дорожки 1 мм и частоте 10 кГц эта 2-децибельная разница у 3-микронной головки воспроизведения на скорости 19 см/с возникнет при перекосе азимута в 16 угловых минут. Естественно, что при скорости 9 см/с допустимый перекос составит лишь 8 угловых минут, а при скорости 4 см/с — всего 4 минуты. Головка воспроизведения с 5-микронным зазором оставляет нам возможность погрешности на 19 см/с в 12 угловых минут. Напомню, что это секретное измерение ГОСТ 24863−87 делает только в правом канале, оставляя левый на произвол судьбы.

Тем не менее пункт 4.4.14.2 приоткрывает завесу тайны: перпендикулярность рабочих зазоров головок записи он предлагает контролировать по только что настроенной головке воспроизведения. А сама процедура подстройки сводится сводится к кручению винта регулировки азимута до получения максимального выходного напряжения на выходе опять же правого канала. Разница до и после регулировки не должна превышать также 2 дБ, что даёт допуск азимута ГЗ ещё 24 минуты на скорости 19 см/с. В дополнение к 16 минутам ГВ итоговый азимут ГЗ может доходить до 40 угловых минут, это почти градус!

Регулировка азимута на слух или по показаниям вольтметра до максимума высоких частот — самый древний метод, до сих пор наиболее широко используемый любителями при настройке бытовых магнитофонов. Но что нам говорят другие документы? ГОСТ 8304−77 «Ленты магнитные измерительные для студийных и репортёрских магнитофонов» устанавливает неперпендикулярность магнитных штрихов измерительных лент в 2 угловых минуты при измерении уровня, АЧХ и детонации и всего полминуты при измерениях азимута. Половина угловой минуты — это на два порядка лучше того, что может случиться в бытовом 4-дорожечном магнитофоне! Однако и этот ГОСТ для измерения азимута требует перекосить рабочий зазор головки сначала в одну, а затем в другую сторону и при этом произвести измерения, по разнице показаний которых вычислить результат.

При наличии двухлучевого (или хотя бы двухканального) осциллографа можно наблюдать на его экране совпадение фаз синусоид по обоим каналам, причём не только на высоких частотах, но желательно и на средних. Почему не только на высоких? Во-первых, потому, что левый и правый каналы по высоким частотам могут быть настроены неодинаково, если разные каналы головки не идеально одинаковы. А известно, что у большинства электрических цепей фазо-частотная характеристика зависит от амплитудно-частотной. То есть если мы в одном канале прибавили верхов, то мы тем самым в нём изменили и фазу на верхах, а осциллограф нам честно покажет уход одного канала вперёд. А этого ухода у головки нет, он возник в усилителе воспроизведения!

Другая причина состоит в том, что при перекосе азимута всего на 12' при скорости 19 см/с сдвиг фазы на частоте 16 кГц будет 360°, что не отличимо от нуля. Таким образом можно легко попасть в «ложный» азимут. Но если азимут не ложный, то, выровняв оба сигнала по вертикали, можно измерить по горизонтальным делениям период этих сигналов T, а также время между прохождениями этих сигналов через ноль ΔT, и тогда фазовый сдвиг φ, выраженный в градусах, будет равен 360*ΔT/T.

На самом деле для фазового метода не нужен двухлучевой или двухканальный осциллограф. Вполне достаточно и обычного одноканального, если использовать пластины Х для одного канала, а Y — для другого, отключив, естественно, горизонтальную развёртку. Большинство осциллографов умеют это.

В природе водятся и специальные приборы наподобие осциллографов, но без развёртки и с повёрнутой на 45° трубкой — называются гониометры (в англоязычной среде — Stereo Phase Scope). Они показывают не кто сколько гонит, а, как ни странно, угол между двумя величинами. Да и в персональных компьютерах уже есть как программные осциллографы, так и программные гониометры. Но даже если оба канала головки одинаковы, настройки обоих каналов УВ тоже одинаковы, то и фазовый метод подстройки азимута также предполагает, что настройщик сначала уведёт азимут, чтобы тут же вернуть его обратно. Более того, гониометры, в том числе и программные их версии, не дают численных значений полученного результата, то есть мы не знаем, насколько точно мы выставили азимут. Ещё более того: гониометры не показывают не только численные значения, но даже и знак фазы!!! То есть куда крутить винт азимута, совершенно непонятно...

Обращаюсь к программистам: ребята, когда будете писать очередной софтовый гониометр, нарисуйте жёлтым цветом только тонкую линию для случая одинаковости фаз. Если левый канал идёт раньше правого, то рисуйте эллипс красным цветом, а если правый раньше левого — зелёным!

Но возвращаюсь к численным значениям и знаку. На самом деле осциллограф может если не показать, то подсказать численное значение фазы, но для этого надо произвести некоторые вычисления. Это может показаться сложным для радиолюбителя XXI-го века, избалованного цифровыми приборами. Но каких-то полвека назад многие владели техникой измерения временнЫх и фазовых отношений по экрану осциллографа. В нашем случае всего-то и надо измерить полный размах эллипса по горизонтали и размах по пересечениям его с горизонтальной же осью. Можно взять ось вертикальную, от этого ничего не изменится. В любом случае фазовый сдвиг φ будет равен арксинусу отношения меньшего размера к большему: φ = arcsin(lx/Lx) = arcsin(ly/Ly)

Если же это не осциллограф, а настоящий гониометр (не очень важно, программный или аппаратный), то у него, как я уже говорил, изображение повёрнуто на 45°, так что прежние оси перестают быть горизонтальными и вертикальными, а становятся обе наклонёнными под одним и тем же углом 45°, зато появляются две другие оси: М и S, а эллипс теперь сохраняет высоту, но изменяется по толщине.

Произведя несложные вычисления (расхожая фраза, часто используемая в научно-популярных трудах для связки предыдущей мысли со следующей и маскировки огромного объёма сложных вычислений), легко вывести (другая столь же расхожая фраза, используемая, как правило, для тех же целей) результат и для измерений по экрану гониометра. В этом случае надо измерить малую ось эллипса и большую, а фазовый сдвиг φ будет равен арктангенсу отношения малой оси к большой: φ = 2*arctg(l/L) Но что же делать с этими градусами фазового сдвига? Сколько их можно допустить, а сколько нельзя?

Выше я говорил, что из-за неодинаковости АЧХ разных каналов УВ даже при идеальном азимуте выходные сигналы УВ не будут синфазны. Но допустим, что у нас попалась ГВ с одинаковыми половинками, так что и АЧХ в обоих каналах УВ мы сделали одинаковыми. Мы помним, что φ = 360*ΔT/T, но, в свою очередь ΔT = Z/V * Sin(A/60), а T = 1/f, так что в итоге

  φ = 360*Z*f/V * Sin(A/60)
где f — частота сигнала в герцах;
A — погрешность установки головки по азимуту в угловых минутах, от чего и делим её на 60;
V — скорость движения ленты в мм/с;
Z — расстояние между центрами дорожек в миллиметрах.

Так вот перекос ГВ по азимуту всего на 1.3' при скорости движения ленты 19 см/с уже на частоте сигнала 4 кГц приведёт к разности фаз в 10°. Перекос по азимуту на одну угловую минуту на частоте сигнала 10 кГц приведёт к разности фаз в 30°. А сервис-мануал на студийный магнитофон STM−310 предписывает получить погрешность фаз не более 10° на частоте 10 кГц. Для достижения такой погрешности азимут ГВ должен быть выставлен с погрешностью не более половины угловой минуты! Справедливости ради замечу, что при этом погрешность самой измерительной ленты, по которой сервис-мануал рекомендует устанавливать азимут, может достигать ±2'. Но это студийный магнитофон, а с бытовыми чуть проще. Допустимую погрешность установки головок по азимуту (в угловых минутах) при заданном фазовом сдвиге на заданной частоте можно видеть в таблице:

Смекалистые ребята из Киевского НПО «Маяк» предложили модернизировать ЛИМ1.Н с целью устранения «ненужной» процедуры перекашивания зазоров в ту или другую сторону и проведения вообще каких бы то ни было вычислений, для чего противофазную запись с чередующимися дополнительными сдвигами по фазе сигналов в разных дорожках сформировали таким образом, что на осциллографе она стала напоминать букву «Н».

Первые 7 тональных посылок предназначены для измерения АЧХ, 8-я и 12-я находятся в другом канале, а 9-я, 10-я и 11-я формируют ту самую «Н», причём перекос частей 9 и 11 в ту или иную сторону показывает, куда надо наклонять головку воспроизведения. Хорошо, куда наклонять — стало ясно. А насколько? А для этого служит 10-я посылка. Если 9-я и 11-я примерно равны по высоте, то 10-я будет сильно провалена и в идеале должна превратиться в горизонтальную линию. Если же 9-я или 11-я занижены, то 10-я будет завышена, и предельному отклонению азимута (примерно 8 угловых минут) будет соответствовать равная высота центральной (10-й) и одной из боковых (9-й или 11-й) посылок. Это уже шаг вперёд, поскольку теперь мы хоть и не знаем точно, какова погрешность установки азимута, но зато уже знаем, укладывается ли она в допуск.

Но что с головкой записи? А ничего. Нет, конечно, можно перепаять её вместо воспроизводящей, то есть подав сигнал с неё на усилитель воспроизведения и снова воспроизведя ЧВН. Первые 7 посылок покажут явную неисправность, а 9-11 позволят установить азимут ГЗ по средней линии её рабочего зазора. Сложность, однако, в том, что ГЗ пишет сигнал на ленту фактически сбегающей кромкой зазора, а не средней линией, поэтому и устанавливать по азимуту надо именно эту кромку. Лента ЧВН этого не позволяет, а неровные (в частности, трапецеидальные) зазоры в головках — не редкость. Ах, да: не забыть ещё перепаять головки обратно на свои места!

Вот когда становится ясной необходимость применения такого редкого прибора, как фазометр. Не тот фазометр, который показывает в трёхфазной сети последовательность трёх её проводов, а прибор, показывающий разность фаз (со знаком) между двумя сигналами. Забегая вперёд, замечу, что настройка с помощью фазометра есть единственно верный способ регулировки азимута. Мало того, что такая настройка не требует перепайки головок, даёт гарантированный результат даже при значительных перекосах ленты, так она ещё и позволяет учесть, а точнее — скомпенсировать дефекты реальных головок! На рисунках показаны два примера наиболее распространённых таких дефектов: слева — несоосность, а справа — непараллельность зазоров.

При попытке установки азимута по максимуму отдачи на верхах в случае несоосности зазоров получится найти этот максимум, но звуковая картина в целом окажется сдвинутой, в данном примере вправо, потому что азимут в действительности будет установлен неправильно. В случае непараллельности зазоров максимум отдачи на верхах в левом канале не совпадёт с максимумом отдачи в правом, так что точный азимут установить не получится.

Необходимо отметить, что несмотря на такие дефекты, установить азимут так, чтобы обеспечить совместимость фонограмм, то есть правильное воспроизведение чужих записей и правильную запись своих, не только возможно, но и вполне реально, и в примере справа головка уже выставлена по азимуту правильно. А вот в примере слева её надо наклонить влево так, чтобы середины непараллельных зазоров находились на одной вертикали.

В интернете попадаются простые схемы фазометров, возможности которых вполне достаточны для наших целей. Но они, увы, показывают в градусах разность фаз, а не азимут. А азимут и разность фаз связаны между собой не однозначно, а через частоту сигнала, скорость движения ленты и расстояние между серединами дорожек. Поэтому измеритель азимута должен иметь информацию и о частоте, и о скорости, и о формате дорожек. Несколько упростить вычисления можно, если изначально измерять не фазовую разность, а временнУю, тогда частота сигнала не будет иметь значения, и в расчётах останутся скорость и формат дорожек. Например, в несложном фазометре для этого надо будет убрать ФНЧ на операционном усилителе DA3 и формирователи сигналов для него на транзисторах VT5 и VT6, а сигналы с выходов обоих триггеров подать на два измерителя длительности импульсов.

Мучительно преодолевая свою лень, автор всё-таки взял себя в руки и реализовал все вычисления в программе, которая не просто измеряет азимут, а в лучших традициях метрологии делает выборку из нескольких десятков тысяч измерений на протяжении 30-40 секунд (обычно этого достаточно для выявления почти всех неравномерностей движения ленты, влияющих на реальные её перекосы, кроме разве что влияния диаметра рулона), производит статистическую обработку результатов измерений, на основании чего делает рекомендацию, на сколько и в какую сторону надо наклонить каждую головку (как воспроизводящую, так и записывающую) по азимуту для установки их в идеальное положение.

Помимо рекомендаций, на сколько и куда крутить какую головку, программа рисует график динамической погрешности азимута, то есть плавания ленты при прохождении некоторого её отрезка (в примере выше этого отрезка чуть-чуть не хватило до 33 секунд) мимо каждой головки. По графику заметна некоторая периодичность (примерно 1.6 Гц) этого плавания, которая говорит о влиянии вращающихся деталей на перекос ленты при прохождении её мимо головок. Анализ спектра этой выборки позволит определить частОты вращений (а значит и диаметры, поскольку мы указали программе скорость движения ленты) наиболее влияющих на азимут узлов лентопротяжного механизма. В данном аппарате диаметр оказался равным 38 мм — это один из обводных роликов (а может и оба). Обратите внимание, что несмотря на обусловленную этим роликом погрешность при определении азимута ГЗ в почти половину угловой минуты, среднее арифметическое на протяжении 33-секунд составило всего одну десятую угловой минуты, что в 5 (прописью: пять) раз лучше норматива на запись измерительной ленты ЛИМ1.Н. Головка воспроизведения установлена менее точно, но всё равно также укладывается в этот норматив, а норматив на измерительную ленту ЛИМ1.УиЧ перекрыт аж на порядок. Записав на этом аппарате измерительную ленту, можно быть уверенным в том, что общая погрешность записи не будет превышать ±1' (редкие выбросы, не доходящие до 2', не в счёт). К слову сказать, это был Штудер А810.

А вот не к слову, такая «ювелирная» точность установки головок хороша лишь при стационарной установке магнитофона. Достаточно взять магнитофон в одиночку за противоположные по диагонали углы (например, для транспортировки), как от этой точности могут остаться только воспоминания. Хоть металлоконструкции студийных магнитофонов выглядят монументально, однако и они не обладают идеальной жёсткостью, а для того, чтобы увести рабочий зазор головки на совсем небольшую, но критичную величину в несколько угловых минут, достаточно микронных деформаций. Поэтому при неудачно приложенных к магнитофону усилиях шасси лентопротяжного механизма и основание блока головок вполне могут подвергнуться этим невидимым деформациям.