3.3.Контакт иглы со звуковой канавкой
Игла с рабочей частью в форме сферы. Единственной деталью звукоснимателя, находящейся в непосредственном контакте с канавкой при проигрывании пластинки, является игла. Ее задача заключается в том, чтобы продвигаясь по канавке пластинки, по возможности наиболее точно повторять движение резца рекордера. Самой подходящей будет игла, имеющая такую же форму, что и резец. Но такая игла обязательно начала бы снимать стружку с изгибов канавки. Отсюда следует, что для проигрывания пластинки необходимо задать второе условие: игла не должна повреждать ее канавку. Однако для удовлетворения этого требования необходимо, чтобы игла не имела острых ребер. Конечно, форма такой иглы будет отличаться от формы резца рекордера. Третьим условием является требование по возможности наименьшего износа иглы, т е. материал иглы должен быть как можно тверже. Это требование определяет стоимость материала для иглы и трудности его шлифовки для получения требуемой формы.
В предыдущей главе было сказано, что звуковая информация записывается отклонениями боковых стенок стереофонической канавки и для монофонической канавки. Однако эти отклонения не полностью равноценны: дно канавки во время изготовления пластинки искажается больше, чем ее боковые стенки. Кроме этого, ведение иглы, опирающейся в одной точке на дно канавки с радиусом 4—5 мкм, было бы неопределенно, и износ кончика иглы, также имеющего радиус 4 мкм, был бы очень большим. Поэтому игла изготовляется так, чтобы она опиралась на обе стороны канавки. Как и при шлифовке оптических элементов, наиболее просто обрабатываются полусферические поверхности. Поэтому вначале острие иглы, соприкасающееся с микроканавкой, шлифовалось до образования полусферической поверхности (так называемая сферическая игла). Радиус закругления полусферической поверхности иглы для монофонических пластинок вначале был установлен от 13 мкм (минимальное значение) до 25 мкм. В связи с распространением стереофонических пластинок, имеющих более узкие канавки, был стандартизован радиус закругления, равный 13—18 мкм. От этих значений допускаются отклонения ±10—20%1.
Полусферическое острие иглы для повышения ее прочности переходит в конус с углом между образующими примерно 40—55°. Конусообразная часть иглы переходит в цилиндрическую, образующую тело иглы, служащее для крепления к иглодержателю. Трубчатый иглодержатель является подвижным элементом, передающим колебания иглы преобразователю головки звукоснимателя. На выходе преобразователя возникает напряжение, соответствующее движению одной воображаемой точки иглы, например центр полусферы.
Исследуем теперь, насколько точно воображаемая центральная точка сферической иглы повторяет отклонения острия резца. Предположим, что воспроизводящая игла продвигается от края к центру точно по радиусу пластинки. О том, что это предположение выполняется редко, будет сказано в гл. 4. Ошибки в пути следования иглы можно разбить на две подгруппы: статические и динамические дефекты взаимосвязи между канавкой и иглой.
Искажения огибания (геометрические искажения). Статическими ошибками называются искажения, которые зависят только от формы иглы и резца и не зависят от движения канавки. В первом приближении их можно исследовать в статическом режиме. Это искажения огибания и искажения, вызванные выталкиванием иглы канавкой (пинч-эффектом).
Как показано в верхней части рис. 1, режущая грань резца в каждый момент времени расположена перпендикулярно продольной оси немодулированной канавки. В противоположность этому, как видно из средней части рис. 1 и на рис. 2, на одном из участков канавки с синусоидальной модуляцией положение центральной точки сферической поверхности иглы (относительно острия резца) определяют запаздывающая точка контакта иглы с внешней стенкой канавки и опережающая точка контакта на ее внутренней стенке. Так как в точках максимальных отклонений синусоиды временные, опережения и отставания отсутствуют, то центр полусферы совпадает с положением острия резца. Во втором полупериоде синусоидального колебания опережавший край становится отстающим, а запаздывающий — опережающим.
В точках максимума и минимума синусоиды точка касания полусферической поверхности совпадает со следом острия резца. Подводя итог, можно сказать, что во время проигрывания поперечной записи искажения огибания на выходе звукоснимателя возбуждают нежелательные сигналы, обусловленные нечетными гармониками (3f, 5f) основной частоты f. На стереофонических пластинках эти искажения возникают в обоих каналах. Искажения огибания поперечной записи снижаются уменьшением до допустимых размеров радиуса закругления острия иглы.
Рис. 1. Движение резца рекордера иглы звукоснимателя при поперечной записи
Рис. 2. Возникновение искажений огибания при поперечной модуляции
Продолжая анализ поперечной записи, исследуем искажения, вызванные колебаниями иглы в вертикальной плоскости (пинч-эффектом). При увеличении, использованном на рис. 1, можно видеть, что в немодулированной канавке (A—А) или в момент максимальной модуляции игла опирается на средние участки стенки канавки. Однако на участке между двумя пиками синусоиды режущая грань резца в зависимости от интенсивности модуляции вырезает при одинаковой глубине более узкую канавку (направление мгновенного движения острия резца образует угол с продольным направлением канавки). Другими словами, образованный стенками канавки угол, измеренный в направлении, перпендикулярном ее средней линии, постоянно изменяется. На более узком участке канавки игла выталкивается стенками канавки вверх, что означает вертикальную модуляцию mv как это видно из В—В рис. 1.
Сужение канавки за один период синусоиды происходит дважды, благодаря чему подъем и спуск иглы будут происходить с удвоенной основной частотой. Эти искажения математически можно описать гармониками основного колебания с четными номерами (2f, 4f Монофонический звукосниматель, воспринимающий только колебания в горизонтальной плоскости, не передает искажений, происходящих от сужения канавки. В стереофоническом звукоснимателе, независимо от того, внешняя или внутренняя стенка канавки вызывает ее сужение, на обоих выходах появляются одинаковые искаженные сигналы. Эти искажения можно несколько уменьшить, снижая размеры иглы в продольном направлении. Заклинивание иглы, помимо искажений, вызывает также и значительный ее износ, ибо перемещение иглы при приближении к граничному случаю самозаклинивания из-за сужающихся стенок канавки становится все более затрудненным.
К искажениям огибания, возникающим при глубинной записи, также чувствительны только стереофонические звукосниматели. Образование этих искажений наглядно поясняется на рис. 3: сферическая игла (более точно, перпендикулярная к канавке продольная ось иглы) только в точке вершины и в точке впадины синусоидального колебания соприкасается с канавкой, между ними игла ведется точками, находящимися вне проекции ее центральной точки. В изображенном положении это означает вертикальное запаздывание а на симметричном участке синусоиды такое же опережение. Как опережение, так и запаздывание внутри одного периода повторяются по одному разу. Поэтому искаженный сигнал содержит гармоники с нечетными номерами, но так как отклонение по времени в обоих случаях идет с подъемом центральной точки на av, то возникают мешающие компоненты и с четными порядковыми номерами. Значит, искажения огибания при глубинной записи содержат гармоники основной частоты со всеми целыми номерами. Анализ искажений этих трех характерных видов показывает, что значения высших гармоник с возрастанием их номеров сильно снижаются. Наиболее мешающее воздействие оказывают вторая и третья гармоники.
Рис. 3. Образование искажений огибания при проигрывании канавки с глубинной модуляцией (на восходящем участке синусоиды возникает опережение по фазе +tv
Помимо геометрических соотношений иглы и канавки в плоскости пластинки звукосниматель является еще одним источником статических искажений. Однако на практике из-за неправильной установки прижимной силы вертикальный угол колебаний воспроизводящей иглы и вместе с ним и плоскость движения иглы не совпадают с углом и плоскостью движения резца. Из-за этой ошибки в выходном сигнале возникают четные гармоники.
Рассмотрев причины, вызывающие искажения, можно сделать заключение, что воспроизведение механической записи звука не может быть выполнено идеально. На самом деле это совсем не так. Эти искажения при соответствующих условиях можно снизить настолько, что в полной цепочке воспроизведения от звукоснимателя до громкоговорителя искажения головки звукоснимателя не будут преобладающими. Технические решения для снижения искажений можно применять в двух местах: централизованно при записи для пластинки или по отдельности в каждом проигрывающем устройстве.
Снижение искажений огибания. Многочисленные предложения были сделаны для компенсации во время записи на лаковый диск искажений огибания и искажений от изменения профиля канавки. По способу, предложенному фирмой «Ар-Си-Эй», перед записью сигнал пропускается через электронное устройство, так называемый динамический коррелятор записи Это устройство задерживает сигнал, в зависимости от его мгновенного значения, на больший или меньший отрезок времени и полученный таким образом, по существу модулированный по фазе компенсирующий сигнал записывается на лаковый диск вместе с основным сигналом. При проигрывании искажения огибания и компенсирующий сигнал взаимно уничтожают друг друга и звук становится неискаженным.
Для этой же цели фирмы «Телефункен» и «Декка» разработали устройство под названием «имитатор искажений». Назначение этого прибора было — создание при записи на лаковый диск предыскажений для компенсации искажений огибания, а также квадратичных и кубических искажений, обусловленных упругой релаксацией материала лакового диска. От предыдущего этот метод отличается тем, что компенсация производится не путем задержки сигнала во времени (эти искажения при глубинной записи обозначены на рис. 3 — tv), а изменением амплитуды сигнала (на том же рисунке — av). Таким образом, заранее изменяя записываемый сигнал, можно значительно снизить во время проигрывания искажения, вызываемые второй и третьей гармониками. С другой стороны, задавая максимальное значение этих искажений, можно примерно на 8 дБ увеличить уровень сигнала. Изготовленные с предыскажениями пластинки фирмы «Телдек» появились в продаже под названием «Ройял стерео саунд». Их качество было признано хорошим, если пластинки проигрывали иглами с радиусом закругления, принимавшимся в расчет при введении предыскажений.
Обратимся теперь ко второму возможному варианту, по которому снижение искажений производится в каждом проигрывающем устройстве. При изучении искажении огибания упоминалось, что их значение снижается при использовании игл с меньшими радиусами закругления острия. Учитывая это соображение, изготовители головок звукоснимателей вместо игл с радиусом закругления 18 — 20 мкм начали ставить в звукосниматели иглы с радиусом 17 мкм, а затем и 15 мкм. В ассортименте нескольких фирм можно встретить иглы с радиусом закругления острия, равным 12 мкм. Со временем распространения игл с такими размерами совпало предложение нескольких фирм о записи с предыскажениями, предполагающей применение игл единого размера. Широкое распространение игл с различными радиусами закругления острия затормозило принятие этого предложения. Предыскажения, как способ централизованного снижения искажений, были окончательно вытеснены появлением эллиптических игл.
В основу этих игл была положена простая идея: уменьшить только геометрические размеры иглы, которые действительно позволяют снизить искажения, а размеры, не влияющие на искажения, оставить такими, которые необходимы с точки зрения прочности. Сечение иглы, сконструированной согласно этому принципу, имеет два радиуса закругления (рис. 4, а,б). Отсюда и название — эллиптическая игла. Большая ось эллиптической иглы перпендикулярна к продольной оси немодулированной канавки. Именно это обстоятельство облегчает поперечное движение иглы при больших отклонениях канавки.
Рис. 4. Проигрывание канавки с большой амплитудой записи эллиптической и сферической иглами
Единых размеров игле эллиптическим сечением не существует. По стандарту DIN45500 малый и большой радиусы R1=6 мкм и R2=20 мкм. Номинальный размер на практике изменяется от 5 до 10 мкм, a R.2 между 17 и 22 мкм Только профессиональные фирмы (например, «Ортофон») указывают в своих паспортах, наряду с номинальными размерами иглы, гарантированный допуск для малого радиуса ±1 мкм, а для большого от ±2 до +4 -2. Может быть излишне напомнить, что игла с сечением в виде эллипса дороже иглы со сферическим острием. Пропорционально качеству воспроизведения ее цена может быть в 2 раза выше. Достоинством эллиптической иглы является то, что при проигрывании старых пластинок по сравнению со сферической иглой можно наблюдать определенное снижение искажений, особенно на сигналах, записанных с большой модуляцией. Справедлива и обратная закономерность: задавая одинаковый уровень искажений, эллиптическая игла в зависимости от меньшего радиуса позволяет увеличить динамический диапазон примерно на 10 дБ. Разумеется, связанные с приобретением эллиптической иглы повышенные расходы только тогда себя оправдают, когда коллекция пластинок заслуживает внимания.
При покупке съемной вставки звукоснимателя с эллиптической иглой следует быть особенно осторожным. Вставки могут иметь дефекты, которые редко встречаются у сферических игл одинакового с ними класса. Одним из дефектов может быть неправильное закрепление иглы (рис. 5), при котором главная ось эллипса не располагается перпендикулярно к иглодержателю. При таком креплении искажения огибания не только не снижаются, но даже увеличиваются. Вторым дефектом может быть неправильная форма сечения иглы, показанная на второй половине рисунка. У такого «эллипса» практически нет меньшего радиуса, поэтому игла, напоминающая по форме сечения косточку сливы, вместо закругления опирается на стенки канавки режущим острием.
Рис. 5. Возможные дефекты эллиптической иглы а — игла косо установлена в иглодержателе; б — неправильное сечение иглы
Необходимо коротко упомянуть о повышении нагрузки на канавку, что является недостатком эллиптической иглы. Если эллиптическую иглу с малым радиусом R1=5 мкм просто поставить на место сферической иглы с радиусом закругления R0=15 мкм, то вследствие уменьшения площади контакта примерно на одну треть на канавку и иглу будет действовать давление, возросшее примерно в 3 раза. Из-за этого эллиптические иглы изготовляют только из алмаза. Сапфир не применяют.
Иглы со специальным профилем. При разработке способа записи для дискретных четырехканальных пластинок верхняя граничная частота рабочего диапазона относительно легко была увеличена до 45 кГц Воспроизведение этих колебаний, напротив, вызвало больше затруднения. У обычных сферических, а также эллиптических игл сечение в плоскости, перпендикулярной немой канавке, представляет собой поверхность, ограниченную окружностью с радиусом 15—18 мкм. Эта окружность касается стенок канавки только в двух участках. Поверхности площадок касания имеют диаметр в несколько микрон, в результате чего возникает большое давление на канавку (верхняя часть рис. 6). При таком давлении нагрузка на материал пластинки может превысить границу упругости и тогда возникнет пластическая деформация канавки. Это означает также, что игла не будет огибать небольшие отклонения, соответствующие колебаниям на очень высоких частотах.
Рис. 6 Распределение давления на канавку у сферических, эллиптических и биэллиптических игл
Для проигрывания четырехканальных грампластинок были разработаны иглы со специальными профилями (биэллиптические), которые обеспечивают существенно больший радиус площади контакта иглы со стенками канавки (приблизительно до 50—75 мкм). Путем оптических наблюдений на увеличенной модели иглы и канавки было подтверждено, что нагрузка от этих игл распределяется по поверхности более равномерно (см. нижнюю часть рис. 6). Таким образом при одинаковой прижимной силе можно избежать пластической деформации канавки и обеспечить огибание иглой высокочастотных отклонений.
Изобретателем первой биэллиптической иглы был японец Норио Сибата (1971 г.), поэтому такие иглы часто называют иглами Сибата. В то же время и в других странах также проектировались иглы подобного назначения со специальным профилем. Первым в Европе многорадиусную алмазную иглу для звукоснимателя ММС6000 разработал инженер датской фирмы «Банг энд Олуфсен» С. К. Праманик, пакистанец по происхождению. Такую же конструкцию имеет игла «Квадраэдрал» американского предприятия «Пикеринг», предназначенная для звукоснимателя UV15/2400Q, японская игла «Ичикава» фирмы «Йелко» и др.
Использование игл со специальным профилем имеет свои преимущества и при проигрывании стереофонических пластинок. Несмотря на то что материал пластинки остается без изменения, снижение пластической деформации как бы повышает его прочность, поэтому при такой же эффективной массе подвижной системы удваивается частота механического резонанса, обусловленная массой подвижной системы и упругостью стенок канавки. Более подробно об этом будет сказано в следующей главе. Таким образом, улучшается отдача на высоких частотах с внутренних канавок пластинки.
При увеличении поверхности контакта между иглой и канавкой по сравнению со сферической иглой, например в 4 раза, давление на канавку снижается на одну четверть, что означает многократное увеличение срока службы и иглы, и пластинки. Наконец, при увеличении поверхности механического контакта улучшается также и отношение сигнал/шум проигрываемой пластинки.
Динамическая связь между иглой и канавкой. Достоинства эллиптической иглы в области снижения статических искажений огибания по сравнению со сферической иглой неоспоримы. Но при неизменных конструкции иглодержателя и прижимной силе возросшее давление приводит к сокращению срока службы иглы и увеличению износа канавки. Для устранения этих недостатков была использована естественная возможность, заключающаяся в пропорциональном снижении прижимной силы. Действительно, такое снижение может быть осуществлено в состоянии покоя иглы. Однако слушая музыку при воспроизведении звукоснимателем с уменьшенной прижимной силой можно ощутить, что в зависимости от уровня записи отдельные инструменты звучат чисто, а другие искаженно и неприятно.
Может случиться, что игла выскочит из канавки. В звучании оркестра из-за явления, известного в акустике под названием маскирования, эти дефекты проявляются ослабленными, но по сравнению с воспроизведением звукоснимателем лучшего качества они всегда ощутимы. Эти искажения вызываются отсутствием надежного контакта между иглой и канавкой, игла временами скользит вверх по стенке канавки и не точно огибает все ее извилины. Возникающие при этом искажения нельзя ослабить уменьшением искажений огибания, так как они являются следствием низкой динамической способности иглы следовать по канавке. Этот чрезвычайно важный для воспроизведения параметр получил название «способность следования иглы по канавке пластинки». Ниже исследуются факторы, определяющие способность звукоснимателя к огибанию канавки, а также пути ее улучшения.
После распространения стереофонических пластинок в лабораториях одной из крупнейших фирм по производству звукоснимателей «Шур» были тщательно исследованы несколько сот пластинок, в первую очередь таких, которые ранее считались непригодными для проигрывания из-за дефектов прессования. Результаты этих измерений представлены на рис. 7. Из рисунка видно, что из-за инерционности измерительных приборов, использованных во время записи, а также для расширения динамического диапазона, колебательная скорость записи на пластинках превышала граничные значения, установленные стандартами. Анализируя диаграмму измеренных значений колебательной скорости в зависимости от частоты, следует обратить внимание на три участка, отличающихся по характеру один от другого.
Рис. 7. Результаты измерений максимальных амплитуд (1), максимальных колебательных скоростей (2) и максимальных ускорений (3) большого числа пластинок (тонкой линией обозначена номинальная характеристика записи)
Первый участок распространяется приблизительно до частоты 800 Гц. На нем колебательная скорость записи возрастает примерно пропорционально частоте (v=Aω), а значение амплитуды постоянно и не превышает 100 мм. Отклонение канавки на такую величину происходит большей частью при записи контрабаса или низких трубок органа и ударов барабана. Способность огибать амплитуду на низкой частоте в первую очередь определяется подвеской иглодержателя. Эта подвеска, с одной стороны, должна допускать большие отклонения без чрезмерной деформации ее материала, ибо остаточная деформация вызывает рост искажений и проникание сигналов. С другой стороны, необходимо обеспечить достаточно малую возвращающую силу, чтобы для колебаний с такой большой амплитудой не нужно было устанавливать повышенную прижимную силу. Например, для огибания амплитуды А = 50 мкм при гибкости подвижной системы 8-10—3 м/Н следует установить прижимную силу:
Мягкая подвеска должна обеспечивать одинаковую гибкость как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях, однако прижимная сила постоянно нагружает подвеску в вертикальном направлении, из-за чего она становится более жесткой, гибкость понижается и возврат иглы требует большей силы.
На втором участке измеренную колебательную скорость можно считать постоянной, независимой от частоты. На пластинке хорошего качества средняя колебательная скорость составляет только 5 см/с, но кратковременно встречаются колебания, уровень которых более чем на 10 дБ превышает номинальный уровень, равный 8 см/с на частоте 1000 Гц1, и составляет примерно 25 см/с. Как о большой редкости можно упомянуть об измеренной на пластинке «Рок энд ролл» диаметром 17 см колебательной скорости 40 см/с. С увеличением колебательной скорости увеличивается крутизна отклонения канавки. Интересно напомнить, что линейная скорость канавки с радиусом 65 мм долгоиграющей пластинки:
1 В Советском Союзе номинальный уровень, согласно ГОСТ 7893-79, соответствует колебательной скорости 10 см/с на канал.
При колебательной скорости записи, превышающей это значение, игла будет двигаться под углом более чем 45° относительно немодулированной канавки. Поэтому способность огибать канавку при больших скоростях определяется, главным образом, свойствами скольжения иглы. В интервале частот 800—2500 Гц, где колебательная скорость записи достигает 25 см/с, расположены важнейшие спектры многих инструментов и человеческого голоса. В этом диапазоне из-за резонанса, обусловленного массой иглы и гибкостью подвижной системы (m=2 мг, с=4-10-3 м/Н, f=1768 Гц), полное механическое сопротивление звукоснимателя имеет минимум. С точки зрения нагрузки на канавку это очень благоприятно, но из-за склонности к резонансу снижается надежность к огибанию, и пресловутый звук «ш» звучит искаженно. Так как при постоянной скорости записи с увеличением частоты уменьшается отклонение канавки, то на этом участке все меньшее значение имеют факторы, определяющие способность огибать большие амплитуды, и все большее значение приобретают свойства, характеризующие третий участок.
Третий участок начинается примерно с частоты 2500 Гц. В этой области колебательная скорость записи по экспериментальным данным снижается пропорционально увеличению частоты. Другими словами, выше частоты 2500 Гц встречается практически постоянная величина ускорения. Наибольшие значения ускорения возникают при пересечениях иглой средней линии немодулированной канавки. Колебания такой частоты вызываются основными тонами некоторых инструментов с высоким звуком и высшими гармониками большинства инструментов. Особенно большие ускорения встречаются в высокоэнергетических импульсах при записи клавесина, арфы, оркестровых колокольчиков, тарелок и кастаньет. Определенные экспериментально ускорения большей частью не превышают значений, допускаемых характеристикой записи. Значения 15x103 м/с2 встречались только в исключительных случаях, среднее значение ускорения составляет 4*103 м/с2. Однако и это значение уже в 400 раз превышает ускорение свободного падения, измеренного на поверхности земли! При таком ускорении на иглу с эффективной массой m = 2 мг действует сила F=ma=2-10-6 кг*4х103 м/с2=8*10-3 Н, т. е. игла силой 8 мН выталкивается из канавки. Поэтому по крайней мере такую же прижимную силу следует приложить к игле, чтобы ее контакт с канавкой не прерывался. Из приведенных рассуждений следует, что снижение эффективной колеблющейся массы головки звукоснимателя является полезной мерой, позволяющей снизить динамические нагрузки на канавку и улучшить способность следования по канавке при больших ускорениях.
Хороший звукосниматель должен обеспечивать надежное следование иглы по канавке без потери подвижного контакта с ее стенками на всех трех перечисленных участках. Это тройное требование в случае заданной прижимной силы определяется диаграммой (рис. 8) или колебательной скоростью, достижимой на трех характерных частотах. Например, при прижимной силе 10 мН на частоте 400 Гц колебательная скорость не должна превышать 20 см/с, на частоте 1000 Гц — 28 см/с и на частоте 10000 Гц—18 см/с.
Рис. 8. Способность следования в зависимости от частоты при проигрывании измерительной пластинки «Шур TTR103» с головками звукоснимателя «Шур V15I1I» и «ШурУ15Н».
Однако для создания идеального звукоснимателя следует иметь в виду еще несколько динамических параметров, связанных с явлением резонанса, обусловленного взаимодействием иглы с канавкой. Если на частотной характеристике или характеристике разделения между каналами звукоснимателя наблюдаются скачкообразные изменения, то это определенный признак возникновения на этой частоте механического или электрического резонанса. Последний будет рассмотрен при разборе условий электрического согласования звукоснимателя. На резонансной частоте звукосниматель имеет неприятно резкое звучание, а происходящий одновременно с этим скачок фазовой характеристики может вызвать изменение пространственной картины звука при стереофоническом воспроизведении.
Механический резонанс всегда возникает при соединении массы жесткого и упругого веществ, а подобные сочетания в звукоснимателе имеются в избытке. Наибольшее значение имеет резонанс, определяемый массой подвижной системы и гибкостью материала пластинки. Он возникает на частоте
где m — эффективная масса подвижной системы, приведенная к кончику иглы; г, — гибкость материала пластинки. Современные звукосниматели с эффективной массой подвижной системы около 2 мг при гибкости материала винилитовых пластинок около 50x10-6 м/Н имеют резонанс в области 15 кГц, который при дальнейшем уменьшении эффективной массы подвижной системы можно отодвинуть за пределы диапазона звуковых частот. Причиной резонанса может быть также взаимодействие массы иглы и гибкости трубочки иглодержателя. Следует позаботиться об эффективном демпфировании высокочастотного резонанса блоками, расположенными внутри головки звукоснимателя.
Конструкция вставки с иглодержателем. В каждом звукоснимателе ряд миниатюрных деталей обеспечивает передачу к подвижному элементу преобразующей системы отклонений канавки, воспринимаемых иглой. Эти детали собираются в корпусе вставки с иглодержателем. Для обеспечения постоянного контроля иглы и для ее замены вставка с иглодержателем, как правило, может быть вынута из головки звукоснимателя одним движением руки или, в редких случаях, с помощью отвертки и пинцета. Схематический чертеж съемной вставки с иглодержателем представлен на рис. 9. На рисунке удалена ручка из синтетического материала, расположенная в передней части вставки. В нашем примере подвижным элементом преобразующей системы является миниатюрный магнит. Это не единственное решение. Детали вставки иглодержателя с преобразователями других систем должны выполнять подобные же задания.
Рис. 9. Конструкция вставки для звукоснимателя с подвижным магнитом:
Первой деталью, воспринимающей отклонения канавки, является игла. О форме части иглы, непосредственно соприкасающейся с канавкой, уже говорилось раньше. Это острие иглы, переходящее далее на конус. Острие иглы должно быть тщательно отполировано. Кончик иглы следует изготовлять только из самых твердых материалов, потому что на небольшой площадке касания с канавкой под действием даже малой прижимной силы возникает большое давление. Расчет этого давления возможен на основе уравнений напряжений Герца, действительных для упругих деформаций между выпуклыми поверхностями. Эллиптическая игла с радиусами 5 и 18 мкм при прижимной силе в 15 мН, согласно подсчетам, вызывает на стенке канавки давление 5100 кг/см2 или более наглядно, 5 т/см2. Если прижимную силу повысить до 20 мН, давление увеличится более чем на 1300 кг/см2, т. е. на 28 %. В табл. 1 приведено давление, оказываемое эллиптической иглой с вышеуказанными размерами на стенки канавки пластинки из материала обычной твердости для нескольких значений прижимной силы.
| Таблица 1. Зависимость между прижимной силой, давлением на стенку канавки и ожидаемым сроком службы игл | |||
| Прижимная сила, мН | Алмазная игла сечением 5x18 мкм | ||
| Давление на стенку канавки | Срок службы, % | ||
| кг/см2 | Н/мм2 | ||
| 5 | 4300 | 430 | 300 |
| 7,5 | 4650 | 465 | 220 |
| 10 | 5120 | 512 | 170 |
| 15 | 5820 | 582 | 120 |
| 20 | 6430 | 643 | 110 |
| 25 | 6820 | 682 | 103 |
| 30 | 7000 | 700 | 100 |
Материал иглы должен быть износостойким, так как на двух сторонах пластинки диаметром 300 мм, каждая из которых рассчитана на звучание в течение 25 мин, канавка имеет длину более одного километра, а одной иглой необходимо прослушать по крайней мере несколько сот таких пластинок. Требуемую твердость и износостойкость имеют только сапфир и алмаз.
Цена иглы из сапфира составляет около одной десятой стоимости алмазной, но срок ее службы примерно в таких же размерах меньше. Значит, за длительный период при тщательном уходе затраты будут примерно одинаковыми. Несмотря на то что оба материала износостойкие, это не означает, что они одновременно являются и ударопрочными. Достаточно один раз случайно уронить тонарм с иглой на пластинку или рядом с ней, чтобы от нее откололся мельчайший осколочек. Проигрывать пластинку такой иглой категорически воспрещается не только потому, что даже на новой пластинке звук может быть сильно искаженным, а главным образом потому, что острие сломанной иглы может привести в негодность канавку Иглу сразу же следует проверить, и если она повреждена, то как можно скорее заменить. Замена иглы довольно дорогостоящая операция, особенно при применении алмазных игл, поэтому при обращении со звукоснимателем требуется большое внимание. Конечно, лучше иметь проигрыватель, не допускающий падения тонарма.
Средний срок службы сапфировой иглы при сухом проигрывании составляет примерно 100 рабочих часов, а предположительный срок службы алмазной иглы около 1000 часов. При влажном проигрывании острие иглы скользит по тонкой пленке жидкости, снижающей трение между иглой и канавкой, благодаря чему уменьшается нагрев иглы и примерно в 2 раза увеличивается срок ее службы. Наиболее распространенный способ снижения трения между двумя поверхностями — уменьшение прижимной силы. Если пластинку проигрывать эллиптической иглой с радиусами 5 и 18 мкм при прижимной силе 20 мН вместо 30 мН, то срок ее службы увеличится примерно на 10%. Большое значение имеет также уменьшение износа пластинки. При снижении прижимной силы вдвое, т. е. с 30 до 15 мН, срок службы иглы увеличивается на 20%. При прижимной силе меньше этого значения срок службы возрастает экспоненциально и значительно уменьшается износ пластинки.
Однако при снижении прижимной силы на первый план выступают вопросы способности следования, из которых основным является способность следования по канавке при больших ускорениях. Так как эта способность зависит от массы подвижной системы, приведенной к кончику иглы, то повышенно надежности следования иглы может быть достигнуто снижением массы, сосредоточенной в месте крепления иглы.
Раньше применялись иглы, в которых высеченный кусочек алмаза прикреплялся к металлической оправке (рис. 10). Оправку обычно изготавливали из высокопрочного металла — стали или молибдена, на который затем наносили антикоррозийное покрытие.
рис 12
Рис. 10. Способы зажима иглы: а — алмазная игла; б — комбинированная игла; в — игла с металлической оправой;
Однако при объеме оправки в десятые доли кубического миллиметра и плотности стали 7,9 мг/мм3 или молибдена 10,2 мг/мм3 общая подвижная масса оправки и иглы превысит 2 мг, что является уже большой массой. Правда, масса подвижной системы может быть снижена дальнейшим уменьшением геометрических размеров оправки, но это не позволяет сделать предел, определяемый условиями прочности. Более благоприятное решение — применение материала с меньшей плотностью. Поэтому широкое распространение получили иглы, конструкция которых показана на рис. 10, б.
Цилиндрическая часть иглы изготовлена из карбида какого-либо металла, оксидной керамики или сапфира, плотность последнего 4,0 мг/мм3. Можно применить и различные сплавы алюминия с плотностью 2,6—3,5 мг/мм3, но из-за относительно малой прочности таких сплавов необходимо увеличить размеры иглы. Алмаз или сапфир припаивается благородным материалом, при этом сопротивление растяжению в месте пайки будет выше, чем у обеих составных частей. При игле с телом из сапфира можно получить массу подвижной системы меньше 1 мг. Масса подвижной системы в несколько десятых долей миллиграмма может быть достигнута с иглой, изготовленной из чистого алмаза (плотность алмаза составляет только 3,5 мг/мм3) и имеющей диаметр D = 0,3 мм, длину h=0,7 мм и массу m = 0,17 мг.
Обычно алмазные иглы вырезают по любому направлению (с произвольной ориентацией по отношению к исходному кристаллу) и шлифуют до приобретения цилиндрической формы. Более предпочтительными являются ориентированные иглы, изготовленные из алмазного кристалла призматической формы. По сути дела колка драгоценных камней является очень трудоемкой операцией, при которой трудно получить пригодные для серийного производства образцы одинаковой длины и поперечного сечения.
Кусочки алмаза сортируют по размеру отверстия иглодержателя, поэтому игла, изготовленная целиком из алмаза, материала дорогого, устанавливается только в головках звукоснимателей, к которым предъявляются повышенные требования. В подвижную систему головки звукоснимателя входит масса трубочки иглодержателя, которая по мере приближения к центру колебаний прибавляется к массе иглы в виде квадратично уменьшающейся величины. У отдельных типов головок звукоснимателей (например, «Шур V15-П») внутри трубочки на одну треть ее длины вставляется небольшой вкладыш, который путем внутреннего демпфирования колебаний иглодержателя повышает надежность следования иглы звукоснимателя по канавке. Для трубочки иглодержателя также очень важна малая масса, поэтому толщина ее стенок не превышает 0,05—0,1 мм.
Кроме небольшой массы, трубочка должна обладать высокой прочностью, поэтому ее обычно изготавливают из специального сплава алюминия, прошедшего термическую обработку, или фосфористой бронзы. Иглу запрессовывают в отверстие, выполненное на спрессованной части трубочки со снятой фаской, и закрепляют клеем или эпоксидной смолой.
Второй конец трубочки иглодержателя сопряжен с центрирующим блоком, к которому прикрепляют подвижной элемент преобразователя, в данном случае — магнит. Центрирующий блок движется в эластичном подшипнике. Точность обработки этого небольшого блока из резины — 0,05 мм. При правильно выбранном материале блока колебания влажности и температуры не могут изменить центрального положения трубочки иглодержателя. К центрирующему блоку прикрепляют также тонкую, безрезонансную металлическую проволочку (сплав Cr-Ni-Fe), которая воспринимает силу тяги, действующую на иглу. Эта проволочка обеспечивает также и возвращающую силу, т. е. низкочастотную гибкость подвижной системы.
При проектировании съемной вставки с иглодержателем необходимо провести большое число экспериментов. Большую помощь в расчетах оказывают аналоговые вычислительные машины, на которых достаточно просто можно смоделировать цепи с электрическими аналогами механических элементов. Аналогом прижимной силы является электрическое напряжение. Части преобразователя, расположенные перед центром вращения и за ним, совместно с жесткостью подшипника образуют П-образное звено, состоящее из двух катушек индуктивностей и конденсатора, а необходимые демпфирующие блоки замещаются резисторами. Оптимальные данные относительно легко могут быть найдены изменением электрических величин. В магнитных звукоснимателях можно применить способ электромеханического демпфирования, по которому на движущихся в магнитном поле элементах вставки с иглодержателем устанавливаются на короткозамкнутые витки из алюминия или меди.