3.2.Параметры головок звукоснимателей
Параметры звукоснимателей должны удовлетворять требованиям стандартов стран-изготовителей. В Европе это, как правило, немецкий промышленный стандарт DIN45500. Эти требования относятся к линейным и нелинейным искажениям, а также механическим и электрическим эксплуатационным параметрам. Одним из этих параметров является вертикальный угол при записи и воспроизведении (рис. 1).
Рис. 1. Основные геометрические размеры головки звукоснимателей: а — образование вертикального угла при записи; б — при воспроизведении; в — вид на головку звукоснимателя спереди:
Среди параметров головок звукоснимателей на первом месте стоит амплитудно-частотная характеристика. Раньше она имела решающее значение, но головки звукоснимателей, разработанные в последнее время, далеко перешагнули указанную в упомянутом стандарте полосу передаваемых частот 40—63,5 Гц±5 дБ, 63,5 — 8000 Гц±2 дБ, 8000—12 000 Гц±5 дБ и имеют значительно меньшую неравномерность. Созданы, например, головки звукоснимателей для передачи сигналов на сверхнизких частотах. При оценке амплитудно-частотной характеристики головки звукоснимателя, а также других описываемых параметров, следует указывать тип измерительных пластинок (например, характеристики на рис. 2 получены с измерительной пластинкой QR2005). Однако иногда измерительные пластинки одного типа в зависимости от времени прессования могут иметь различные параметры. Для облегчения сравнения характеристик сигнал правого канала записан с разницей по уровню в 10 дБ.
Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика головки звукоснимателя ISD15 производства ЕМТ
Относительно легко может быть измерено разделение между каналами головки звукоснимателя. Разделение между каналами на фиксированных частотах или по всему частотному диапазону показывает, какая часть сигнала, передаваемого по одному каналу, проникает в другой канал. Хорошие головки звукоснимателей имеют разделение на частоте 1000 Гц по крайней мере 20 дБ, а в диапазоне 500—6300 Гц не менее 15 дБ. Однако, используя для одного и того же звукоснимателя различные измерительные пластинки, можно получить разные результаты, так как разделение между каналами зависит от вертикального угла записи. Поэтому в этой области необходимо унифицировать измерительные пластинки.
Труднее оценивается степень мешающего воздействия нелинейных искажений. По своему происхождению эти искажения можно разделить на две группы. К одной из них относятся искажения, возникающие из-за нелинейности преобразования. Эти искажения вызывают амплитудную модуляцию, поэтому относительно колебаний с основной частотой как на несущей возникают частоты боковых полос (комбинационные звуки);. Они представляют собой относительно небольшую помеху, потому что ее значение не зависит от частоты и у современных головок звукоснимателей пренебрежимо мало.
Ко второй группе относятся искажения огибания, возникающие вследствие геометрических различий между резцом рекордера при записи и иглой звукоснимателя при воспроизведении. Кроме гармонических составляющих, они вызывают фазовую модуляцию. Эти искажения увеличиваются пропорционально частоте, поэтому их мешающее действие чрезвычайно велико и они считаются определяющими искажениями головки звукоснимателя. Фазовая модуляция одновременно означает и частотную модуляцию, что делает возможным определение искажений огибания на основе измерений интермодуляционных искажений. Измерительная пластинка для исследования этих искажений содержит сигналы частотой 300 и 3000 Гц. При проигрывании этой пластинки сигнал частотой 3000 Гц модулируется по фазе или частоте сигналом частотой 300 Гц. Для измерения возникающих при этом интермодуляционных искажений может быть использован фазовый дискриминатор звуковых частот, например детонометр типа ЕМТ424.
Мешающее воздействие низкочастотной модуляции, возникающей из-за колебания частоты вращения диска, может быть снижено включением простого фильтра верхних частот. Зависимости интермодуляционных искажений от прижимной силы и уровня записи очень редко приводятся в паспорте с техническими данными головки звукоснимателя.
Допустимое максимальное значение интермодуляционных искажений при уровне измерительных сигналов — 6 дБ составляет 1 % согласно требованиям стандарта D1N45500. Современные головки звукоснимателей имеют интермодуляционные искажения меньше 0,5% (рис. 3).
Рис. 3. Интермодуляционные искажения двух магнитных головок звукоснимателей в зависимости от уровня сигнала и прижимной силы
Соответственно требованиям к аппаратам высшего класса прижимная сила звукоснимателя не должна превышать 30 мН. В настоящее время многие звукосниматели проигрывают пластинки без искажений при прижимной силе в 10 мН. Заданные в паспорте звукоснимателя минимальное и максимальное значения прижимной силы нельзя уменьшать или превышать. По возможности целесообразно установить рекомендуемое значение, так как прижимная сила влияет на вертикальный угол воспроизведения. Только при заданной изготовителем прижимной силе он будет равен 15°. Для звукоснимателей, имеющих укороченный иглодержатель, более благоприятным является больший вертикальный угол. Поэтому МЭК предложил применять для записи и воспроизведения вертикальный угол 20°±5°, Если раньше при выборе головки звукоснимателя решающее значение играла амплитудно-частотная характеристика, то сейчас все большее внимание уделяется гибкости подвижной системы. Статическая гибкость головки звукоснимателя измеряется достаточно просто. С помощью динамометра под микроскопом игла отклоняется на 60 мкм и это значение делится на значение силы, вызвавшей это отклонение. Наиболее распространенные значения гибкости изменяются от 4*10—3 до 50*10—3 м/Н. Для уменьшения износа пластинок целесообразно принять нижнее значение гибкости в 20х10—3 м/Н. Со времен монофонических пластинок у большинства изготовителей сохранилась традиция задавать гибкость только в плоскости пластинки (горизонтальная гибкость). Измеренные значения вертикальной гибкости получаются, как правило, меньше чем горизонтальной.
При проигрывании пластинки канавка отклоняет иглу, иглодержатель и подвижные детали преобразователя, имеющие очень малую массу. Эти движущиеся точечные массы в соответствующем соотношении можно перенести на место иглы, тогда получим эффективную массу подвижной системы. Наибольшая допустимая эффективная масса равна 2 мг. Измерить ее с необходимой точностью очень трудно.
Прижимная сила, гибкость и эффективная масса подвижной системы определяют еще одно новое понятие: способность следования иглы по канавке. Этот параметр для покупателя имеет большое значение. Он показывает максимальное отклонение канавки на данной частоте, которое звукосниматель способен проиграть без искажений при заданной прижимной силе. Измерение способности следования связано с повышенными трудностями. Длительное время способность следования определяли только по результатам субъективных сравнительных испытаний: оценивали иа слух чистоту звучания музыкальных колокольчиков, воспроизводимых с измерительной пластинки TTR101 фирмы «Шур». Однако с появлением новых измерительных пластинок TTR102 и TTR103 способность следования начали измерять объективно.
Измерительная пластинка TTR102 содержит сигналы, позволяющие провести различные испытания головок звукоснимателей и тонармов. Проверка способности следования проводится при воспроизведении сигнала частотой 400 Гц, записанного с возрастающей колебательной скоростью от 6,9 до 27 см/с. Измерительная пластинка TTRI03 изготовлена специально для измерения искажений следования и оценки способности звукоснимателей к огибанию канавки. На ней записан измерительный сигнал частотой 10,8 кГц с колебательными скоростями 15, 19, 24 и 30 см/с, состоящий из пакетов импульсов. Измерительные сигналы обоих видов, помимо субъективного прослушивания, могут быть оценены путем наблюдения на экране осциллографа и анализа их спектра.
Однако способность следования нельзя характеризовать одним количественным параметром. В качестве примера показаны кривые способности следования двух первоклассных звукоснимателей в зависимости от частоты при различных значениях прижимной силы.
В интересах дальнейшей обработки электрического сигнала возникает необходимость в измерении параметров звукоснимателя, рассматривая его как генератор электрических колебаний. В качестве первого параметра можно назвать напряжение на зажимах, которое в не очень удобном для практических целей виде задается эффективным напряжением, измеренным при воспроизведении сигнала, записанного с амплитудой колебательной скорости 10 см/с (более целесообразным было бы задаваться обоими или эффективными или амплитудными значениями)1. Вторым параметром является выходное сопротивление по постоянному току или измеренное на частоте 1000 Гц полное сопротивление, особенно важное для согласования четырехканальных дискретных звукоснимателей.
1 В Советском Союзе по ГОСТ 20006-74 измеряется чувствительность звукоснимателя как частное от деления выходного напряжения (эффективное значение) на колебательную скорость сигнала частотой 1000 Гц (эффективное значение).
Необходимо, наконец, задать еще один качественный параметр, разбаланс стереоканалов, который определяет в децибелах расхождение между выходными напряжениями правого и левого каналов головки звукоснимателя при воспроизведении сигналов частотой 1000 Гц, записанных с одинаковой амплитудной колебательной скоростью.
Для квалификации магнитных звукоснимателей (чувствительных к колебательной скорости) можно использовать прямоугольные импульсы частотой 1000 Гц. На рис. 4 показаны импульсные сигналы, воспроизведенные двумя различными магнитными головками звукоснимателей. Этот параметр, характеризующий качество головки звукоснимателя, отражает особенности современной музыки, отличающейся импульсными сигналами и большим динамическим диапазоном. Хорошая головка звукоснимателя огибает прямоугольные импульсы с крутыми фронтами без выбросов и наклона горизонтальной части.
Рис. 4. Форма П-образного сигнала частотой 1 кГц с измерительной пластинки STR111, воспроизведенного головкой звукоснимателя с подвижным магнитом «Элак 665» при прижимной силе 10 мН (а) и головкой звукоснимателя с электродинамическим демпфированием подвижного элемента из магнитомягкого железа ADC XLM при прижимной силе 7 мН (б); форма импульсов с измерительной грампластинки HFS-69 этих же головок звукоснимателей (в и г)