4.1.Требования к тонармам
Проследим мысленно путь звуковых сигналов от канавки пластинки до громкоговорителя. Эта электроакустическая цепь, состоит из следующих звеньев: звукосниматель — усилитель — излучатели звука. Из этой цепи самым уязвимым звеном является звукосниматель. Объясняется это тем, что проигрывание пластинки не является чисто электротехническим процессом Вначале ставятся механические задачи и только в самом конце электромеханические. С этих позиций тонарм следует считать устройством, принимающим участие в проигрывании пластинки как отдельная механическая конструкция, а не только как держатель головки звукоснимателя и ее проводов. Тонарм должен обеспечить беспрепятственное движение головки звукоснимателя по канавке пластинки, что означает выполнение следующих требований.
Во-первых, продольная ось головки звукоснимателя должна быть всегда направлена по касательной к окружности, которой, в первом приближении, можно считать канавку, т. е. продольная ось головки звукоснимателя и проходящий через иглу радиус пластинки должны образовывать прямой угол. Во-вторых, на иглу и стенку канавки не должны действовать другие силы за исключением необходимых для огибания модулированной канавки. В-третьих, игла должна находиться в постоянном контакте с двумя стенками канавки. Этот скользящий механический контакт не должен прерываться во время проигрывания. В-четвертых, тонарм ни механически, ни электрически не должен оказывать влияния на амплитудно-частотную характеристику головки звукоснимателя.
Сформулировать требования, предъявляемые к тонармам, просто, но очень сложно их точно выполнить. Идеальным был бы тонарм удовлетворяющий всем перечисленным условиям, но сконструировать такой тонарм очень трудно. Дефекты тонармов можно разделить на три группы по скорости их изменения во времени. Так можно говорить о явлениях стационарного характера, не изменяющихся во времени; имеются процессы, изменяющиеся во времени настолько медленно, что их можно считать как бы постоянными (квазистационарными) и можно выделить быстро изменяющиеся, динамические свойства.
Сначала рассмотрим постоянные во времени параметры тонармов — их геометрические размеры.
Геометрические параметры тонармов. При записи па лаковый диск рекордер движется к его центру по прямой линии, расположенной точно по радиусу. Однако типичный для проигрывающих устройств тонарм ведет головку звукоснимателя по канавке, поворачиваясь вокруг вертикальной оси (тонармы других систем используются сравнительно редко и о них речь пойдет ниже). Если головка звукоснимателя будет вмонтирована в тонарм так, что их продольные оси совпадут (рис. 1,а), то она только на единственном радиусе диска будет расположена точно по касательной к канавке. К центру и краю от этого радиуса между касательной к канавке и продольной осью головки звукоснимателя возникнет угол, называемый горизонтальным углом погрешности. При проигрывании горизонтальный угол погрешности вызывает появление больших гармонических искажений и снижение разделения между стереоканалами. Поэтому горизонтальный угол погрешности не должен превышать несколько градусов.
Рис. 1. Возникновение горизонтальной угловой погрешности при прямом тонарме (а)-снижение угловой погрешности путем изменения захода иглы и введения угла коррекции (б); зависимость угловой погрешности от радиуса канавки при тонармах одинаковой длины (в):
Горизонтальный угол погрешности п показанной выше конструкции определяется радиусами зоны записи пластинки (53 — 146 мм), а также расстоянием между иглой и точкой вращения тонарма, называемой эффективной длиной тонарма. Если предположить эту длину равной 210 мм, то угол погрешности будет больше ∓10°. Для тонарма бесконечно большой длины угловая погрешность была бы равна нулю, однако этому препятствуют не только размеры проигрывателя, но и динамические условия.
Существует и другой путь снижения угла погрешности, показанный на рис. 1,6. Продольная ось головки звукоснимателя повернута относительно продольной оси тонарма по направлению к центру пластинки. Принимая во внимание конечный результат, безразлично, каким путем достигается угол горизонтальной коррекции: поворотом трубки тонарма или монтажом головки звукоснимателя в прямой тонарм под углом к его продольной оси.
Обычно эффективную длину тонарма выбирают большей, чем расстояние между центрами вращения пластинки тонарма и (так называемый установочный размер). Разница между двумя этими размерами определяет расстояние, на которое игла заходит за центр пластинки (заход иглы). Интересно отметить, что при эффективной длине тонарма 220 мм и угле коррекции около 25° может быть достигнута такая же горизонтальная угловая погрешность, как при прямом тонарме длиной 1,5 м.
При наличии угла коррекции и захода иглы зависимость горизонтального угла погрешности от радиуса проигрываемой канавки показана на рис. 2,а. Из рисунка видно, что угол погрешности при двух значениях радиуса равен нулю, за этими точками в небольших размерах он положителен, а между ними отрицателен. Горизонтальный угол погрешности следует задавать в зависимости от радиуса зоны записи пластинки, например, 0,02°/мм (рис. 2,в). Если задать его независимо от радиуса пластинки, например установить, что максимальная угловая ошибка не должна превышать 2°, то при этом не учитывается тот факт, что при данной угловой погрешности на внутренних канавках возникают большие нелинейные искажения, чем на внешних. Действительный угол погрешности может быть точно и быстро измерен специальным прибором. Его описание можно найти в действующем венгерском стандарте, относящемся к проигрывателям MSZ11134-71.
Рис. 2. Изменение горизонтальной угловой погрешности (с) в зависимости от радиуса канавки в устройстве с автоматической сменой пластинок при одной сброшенной на диск пластинке (сплошная кривая) и нескольких сброшенных пластинках (пунктирная кривая); абсолютное значение горизонтальной угловой погрешности (б); зависимость горизонтальной угловой погрешности от радиуса (в).
Между геометрическими параметрами тонарма (эффективная длина, заход иглы и угол коррекции), а также горизонтальным углом погрешности существует сложная математическая зависимость, которую в отношении угла погрешности нельзя задать в явном виде. Окончательные размеры тонарма определяются графическим конструктивно-расчетным методом, требующим длительного времени. При этом необходимо принимать в расчет влияние неизбежных неточностей при изготовлении тонарма.
В табл. 1 приведены параметры нескольких тонармов, выпущенных большими сериями. Даже незначительные отклонения (в десятые доли миллиметра) от предписанных оптимальных значений могут вызвать значительную угловую погрешность. Поэтому конструкции тонармов хорошего качества всегда позволяют установить наиболее благоприятный заход иглы, относящийся к определенному углу коррекции и эффективной длине тонарма. С этой целью весь тонарм можно сдвинуть в продольном направлении (например, тонарм SME) или изменить положение головки звукоснимателя в держателе.
Последняя возможность, при которой одинаково изменяются заход иглы и эффективная длина тонарма, показана на рис. 3 (держатель головки звукоснимателя типа ТР50 фирмы «Торенс»), После ослабления винта А можно установить оптимальный заход иглы, а поворотом винта В — правильный вертикальный угол (15°). Заход иглы следует контролировать по установочному шаблону.
| Таблица 1. Параметры тонармов высокого качества | |||
| Тип | Эффективная длина, мм | Заход иглы, мм | Угол коррекции |
| «Дюал 1214, 1218» | 203,4 | 17,9 | 25°36' |
| «РЕ3060» | 208 | 18 | 25°36' |
| «Филипс 308», «Филипс 212» | 207 | 21 | 27°15' |
| «Дюал 701» | 222 | 18,9 | 25°20' |
| «Ленко 85» | 227 | 18 | 24° |
| «Ортофон 212» | 228 | 10,5 | — |
| «Шур МЕ3009» | 229 | 16 | 22°42' |
| «Торенс ТР16», «Торенс ТР11» | 230 | 14,4 | 21°50' |
| «Акустикэл АВ» | 237 | 16 | 21°24' |
| «Микро М711» | 252 | 15 | 21° |
| «Шур МЕ3012» | 306 | — | — |
| «Ортофон RMG» | 320 | 11 | 15°54' |
Рис. 3. Держатель головки звукоснимателя
Для установки требуемого захода иглы применяются множество разнообразных шаблонов. Имеются шаблоны, изготовленные из прозрачного синтетического материала. Одни шаблоны помещают на держатель головки звукоснимателя и иглу совмещают с имеющейся на нем маркировкой. В последнее время вновь появились шаблоны из картона, которые следует закреплять на проигрывателе в предписанном положении, а затем иглу совместить с отпечатанной меткой. На некоторых проигрывателях (например, «Элак», «Пионер») рядом с диском имеется специальный указатель, который во время установки полностью вытягивается из корпуса проигрывателя до плоскости пластинки и заход иглы выставляется по имеющейся иа ней точке или полоске. Этот способ регулировки показан на рис. 4. Если оптимальный заход иглы неизвестен, то его можно определить прибором, измеряющим угловую погрешность.
Рис. 4. Вспомогательное устройство для правильной установки захода иглы
Точно так же следует обеспечить угол продольной оси иглодержателя с плоскостью грампластинки, равный 15° (вертикальный угол воспроизведения), применяемый в международной практике при записи на лаковый диск. Так как в эксплуатации еще находится много головок звукоснимателей, изготовленных до принятия решения по этому вопросу, в некоторых случаях необходима установка этого угла. Для этого следует либо увеличить высоту подвески всего тонарма, либо применить держатель головки звукоснимателя, в котором предусмотрена установка вертикального угла воспроизведения. Такой держатель показан на рис. 3.
Очень популярны (главным образом в США) проигрыватели с автоматической сменой пластинок. В них особую сложность представляет сохранение постоянного вертикального угла, около 15°, ибо при проигрывании восьмой или десятой пластинки головка звукоснимателя находится значительно выше плоскости нервом пластинки- При средней толщине пластинки 2 мм и длине тонарма 200 мм это изменение превышает 5°. На рис. 5 показана простая конструкция, которая не регулирует положение головки звукоснимателя в держателе во время проигрывания, но позволяет установить ее в положение, соответствующее числу прослушиваемых пластинок.
Рис. 5 Возможность установки вертикального угла в проигрывателях с автоматической сменой пластинок
На другом проигрывателе (фирма «Дюал») можно изменять высоту подвески тонарма. В положении Проигрывание одной пластинки вертикальная ошибка будет оптимальной в плоскости первой пластинки, в положении Стопочное проигрывание — в плоскости пятой (шестой) пластинки. При меньшем числе пластинок вертикальный угол на 1—2 градуса больше номинального, а при большем их числе на столько же градусов меньше.
Нельзя не упомянуть и о том, что последнее решение хотя и привлекательно, но при подъеме подвески тонарма и уменьшении вертикальной угловой ошибки на первой и последней пластинках увеличивается горизонтальный угол погрешности (см. рис. 2, пунктирная кривая), так как уменьшается эффективная длина тонарма. При длине тонарма 220 мм и подъеме на 10 мм это уменьшение составляет около четверти миллиметра. Для определения вертикального угла или вертикальной угловой ошибки простых приборов нет Как правило, достаточно, следить за тем, чтобы посадочная плоскость головки звукоснимателя была параллельна плоскости пластинки. Необходимо также проигрывать пластинки при прижимной силе, предписанной головке звукоснимателя изготовителем. Отклонение от рекомендуемого значения прижимной силы, особенно при головках с гибкостью 20*10-3 м/Н и больше, может вызвать вредное изменение вертикального угла.
Вертикальная ось звукоснимателя, если смотреть на него спереди, а также продольная ось иглы должны быть расположены перпендикулярно пластинке. Приспособлений для установки перпендикулярного положения головки и иглы, как правило, на проигрывателях не бывает, хотя этот параметр является важным с точки зрения снижения искажении и увеличения разделения между каналами. Отдельные измерительные пластинки, например венгерская SLPX1244, содержат группу канавок, сигналы на которых записаны с системой координат, повернутых по отношению к перпендикуляру на 5° влево или вправо.
Проведя измерения, можно проверить перпендикулярность расположения иглы данной головки звукоснимателя относительно пластинки. В новейших тонармах, например «Торенс ТР60», корпус держателя поворачивается относительно трубки тонарма. Поворачивая головку, можно установить перпендикулярное положение ее иглы. Следует заметить, что требуемая точность не может быть достигнута без измерительной пластинки. При отсутствии последней иглу следует установить на зеркало, помещенное на диск проигрывателя. При этом игла и ее изображение должны слиться в одну линию.
Необходимо иметь в виду, что часть иглы, скользящую по канавке, можно исследовать только под микроскопом, но эта часть не обязательно является симметричным продолжением иглы, видимой невооруженным глазом.
Несколько слов следует сказать о креплении и подключении головки звукоснимателя. На заре звукозаписи головки звукоснимателей большинства фирм-изготовителей можно было устанавливать только на проигрыватели, выпускаемые теми же фирмами. Эта традиция сохранилась и сегодня в отношении большинства пьезоэлектрических головок звукоснимателей. Вероятно, читателю известны головки «Супрафон» или «Филипс», изготовленные по внутризаводским нормалям.
Со временем изготовители и потребители одинаково осознали, что головка звукоснимателя является важным преобразующим элементом и ее целесообразно выпускать в продажу независимо от проигрывателя. Но для такой продажи был необходим международный стандарт, который унифицировал бы способы крепления и подключения головок звукоснимателей Основой для этого международного стандарта послужили рекомендации RETMA, согласно которым для крепления головки звукоснимателя применяются винты с дюймовой резьбой, располагаемые друг от друга на расстоянии 12,7 мм. Кончик иглы должен располагаться на расстоянии 9,52 мм от плоскости, проходящей через оси винтов Это расстояние, обозначенное на рисунке буквой D, рекомендуется проверять для каждой головки звукоснимателя, и если указанный размер не соблюдается, то головку можно монтировать только в держатель с регулируемым заходом иглы.
К головке звукоснимателя обычно придается набор, состоящий из винтов, прокладок и распорных втулок, из которых составляется вариант крепления, дающий, по возможности, наименьшую дополнительную массу. Следует иметь в виду, что в держателе головок звукоснимателей европейских проигрывателей, например «Ленко», «Торенс», можно ввинчивать винты только с метрической резьбой (М2). Выводы головки звукоснимателя с контактами держателя следует соединять гибкими проводами с обычной цветовой маркировкой. Сигнальный провод для левого канала обозначается желтым или белым цветом, для правого — красным; земляной провод для левого канала — синий или черный; для правого — зеленый.
В качестве экрана сигнального провода, относящегося к данному каналу, служит его же земляной провод, накрученный на него один или два раза. Остроумное решение использовано в новейших держателях головок звукоснимателей, выпущенных фирмой «Филипс». В них полудюймовые стандартные головки звукоснимателей серии GP400 можно устанавливать одним движением руки, при этом одновременно автоматически обеспечивается электрический контакт. Общий совет: не подпаивайте провода к вилкам головки звукоснимателя.
Регулировка прижимной силы. Второе требование, предъявляемое к тонармам, заключается в том, что на иглу и стенки канавки должна действовать только сила, безусловно необходимая для обеспечения контакта иглы с модулированной звуковой канавкой. Эта сила была рассмотрена раньше при изучении способности следования иглы звукоснимателя по канавке. Сила на нижних частотах определяется механической гибкостью подвижной системы головки (минимальная возвращающая сила, отнесенная к данному смещению), на высоких частотах-—эффективной массой подвижной системы, приведенной к игле, и ускорением, сообщаемым игле канавкой.
Напомним, что головка звукоснимателя с гибкостью 80*10-3 мН для ведения по канавке с отклонением 50 мкм требует прижимную силу 6 мН. В то же время головку с эффективной массой подвижной системы 2 мг, колеблющейся с ускорением 4*103 м/с2, необходимо прижимать к канавке с силой 8 мН. Следовательно, теоретически головка звукоснимателя, обладающая названными параметрами, идеально могла бы работать при прижимной силе 8 мН.
Однако на практике это неосуществимо по двум причинам. Во-первых, тонарм опирается не только на иглу звукоснимателя, но и на подшипники, в которых существует трение, влияющее на движение головки звукоснимателя. Трение в подшипниках тонармов хорошего качества не превышает одной десятой прижимной силы, необходимой для надежного следования иглы по канавке. Некоторые современные головки можно устанавливать только в такие тонармы, силы трения в которых как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях составляет около 0,1 мН. Во-вторых, устанавливаемая прижимная сила больше расчетной еще и потому, что последняя определена для горизонтального расположения пластинки, а это на практике встречается очень редко.
Суммируя вышесказанное, можно сказать, что современные звукосниматели, как правило, надежно работают при прижимной силе порядка 10 мН.
Для выставления прижимной силы тонарм вместе с установленной в держатель головкой сначала следует уравновесить. Балансировка возможна при помощи силы, действующей на конец тонарма, противоположный головке. Источником этой силы в простейших устройствах является пружинная оттяжка, а на более качественных тонармах применяется противовес. Небольшим перемещением противовеса тонарм можно сбалансировать, как весы с коромыслом. Статически определенное положение равновесия только тогда будет стабильным, если центр тяжести системы будет находиться под линией опоры подшипника. На время балансировки регулятор прижимной силы следует установить на ноль и снять иглозащитный колпачок звукоснимателя. Обычно тонарм в положении равновесия должен располагаться горизонтально, параллельно диску проигрывателя. После этого следует установить прижимную силу, указанную в паспорте головки звукоснимателя.
Для регулирования прижимной силы применяются различные способы, в одних используется принцип пружины, в других — гравитация (сила тяжести). В пружинных системах прижимную силу, как правило, можно установить регулируя натяжение гибкой спиральной пружины, прикрепленной к тонарму и подшипнику. Натягивающий пружину барабан в некоторых случаях можно закреплять только для определенных значений прижимной силы (например, 10, 15 и 20 мН) без промежуточных значений. В пружинных системах под сбалансированным положением тонарма часто принимают не горизонтальное, а такое положение, при котором острие иглы лежит на поверхности пластинки. Устанавливаемая с помощью пружины прижимная сила не изменяется, если проигрыватель или диск проигрывателя расположены не совсем горизонтально, но балансировку тонарма всегда следует производить точно, лучше изменением предварительного натяжения пружины.
При регулировании прижимной силы устройствами, использующими силу тяжести, предварительно следует тщательно выставить диск проигрывателя в горизонтальное положение. Для регулирования прижимной силы применяют либо грузик, передвигаемый между подшипником тонарма и головкой звукоснимателя, либо противовес, сдвигая который в направлении подшипника нарушается установленное предварительно равновесие (баланс). Грузик, передвигаемый между подшипником и головкой звукоснимателя, увеличивает инерционность тонарма, поэтому в конструкциях повышенного класса грузик располагается вблизи подшипника.
Если для снижения горизонтального угла погрешности головка звукоснимателя располагается не под углом к продольной оси тонарма, а сам тонарм изогнут относительно продольной оси, то возникает крутящий момент. Этот момент создает на две стороны подшипника неравномерную нагрузку, что особенно нежелательно при подшипниках на лезвиях. Кроме этого, если проигрыватель расположен не строго горизонтально, на иглу действует дополнительная сила. Тонарм будет находиться в динамическом равновесии, если после установления прижимной силы равнодействующий центр тяжести всех деталей, присоединенных к тонарму, расположится на пересечении и горизонтальной и вертикальной осей.
Неравномерность нагрузки подшипников может быть устранена изгибом тонарма в противоположном направлении (тонарм, изогнутый в виде буквы S) или правильно выбранным регулируемым противовесом. Балансировка S-образных тонармов достигается только для головок звукоснимателей данной массы При использовании других типов головок недостающую массу следует возместить, поместив в держатель свинцовые пластинки. Hо при этом увеличивается инерционность тонарма. Установленное значение прижимной силы можно контролировать измерителем.
Скатывающая сила. При описании долгоиграющих пластинок уже упоминалось, что в то время лучшие головки звукоснимателей работали с прижимной силой около 100 мН (1947 г.). Естественно, при этом не было необходимости принимать во внимание действие небольшой силы тяги, возникающей при проигрывании пластинок. Примерно десятью годами позже со специальным тонармом и магнитной головкой звукоснимателя успешно была достигнута прижим ная сила в 10 мН. В настоящее время без преувеличения можно утверждать, что прижимная сила 10 мН встречается довольно часто. Но при такой прижимной силе уже нельзя пренебрегать силами, возникающими во время проигрывания и имеющими порядок нескольких миллиньютонов.
Наиболее важным фактором является скатывающая сила — поперечно направленная сила, которая возникает при изогнутых тонармах, вращающихся вокруг вертикальной оси. Направлена она к центру пластинки.
Прижимная сила распределяется поровну на внешнюю и внутреннюю стенки канавки, если пластинка находится в неподвижном состоянии. Во время вращения диска из-за трения между иглой и пластинкой возникает сила тяги Fn—μFr направленная по касательной к канавке в направлении вращения пластинки. Если продольная ось головки звукоснимателя не пересекает вертикальной оси поворота тонарма, то подшипник воспринимает не силу тяги, возникающую от трения, а только ее проекцию (силу реакции) Fh на линию, соединяющую иглу с осью поворота тонарма. Из рис. 6 видно, что на иглу действует скатывающая сила F8, направленная к центру пластинки.
Рис. 6. Силы, действующие на иглу
Перечислим факторы, определяющие скатывающую силу. Сделать это не так просто, поскольку главный фактор — трение между иглой и материалом пластинки — зависит от многих причин, как, например, гладкости поверхностей пластинки и иглы, чистоты этих поверхностей, геометрической формы иглы и канавки и так далее. Кроме этого, имеется связь между прижимной и скатывающей силами и можно показать, что на скатывающую силу влияет геометрическая форма тонарма. Действие перечисленных факторов можно однозначно определить серией лабораторных измерений.
Измерения проводились на специально разработанном в лабораториях фирмы «Шур» детекторе скатывающей силы. Он представляет собой нулевой индикатор, который устанавливается над головкой звукоснимателя. Устройство, использованное для измерения скатывающей силы, представлено на рис. 7. Под действием на иглу силы в поперечном направлении головка поворачивается вокруг двух миниатюрных шарикоподшипников. Размер поворота фиксируется смещением стрелки, прикрепленной к насадке. Компенсацию скатывающей силы следует проводить до тех пор, пока стрелка вновь не установится в нулевое положение. Приложенная к игле скатывающая сила просто рассчитывается по сумме вращающих моментов, действующих относительно центра вращения тонарма. Точность этого измерительного метода в тонарме SME3009 по отношению к игле выше ±0,07 мН.
Рис. 7. Конструкция индикатора для измерения скатывающей силы:
Наибольшие трудности при изучении скатывающей силы вызывает ее зависимость от многих факторов. Результаты измерений представлены на рис. 8-12. Для сравнения использовалась не-модулированная канавка с радиусом 95,25 мм на полихлорвиниловой пластинке с частотой вращения 331/3 мин-1. На этой пластинке были исследованы влияние модулированных канавок и различных форм иглы, изменение скатывающей силы по диаметру пластинки и так далее.
На рис. 8 показана зависимость скатывающей силы от прижимной силы. Для снижения ошибок, возникающих из-за статического разброса, измерения проводились на очень большом количестве пластинок с немодулированными канавками. Надежность измерений была повышена установкой пластинок точно в горизонтальной плоскости в специальном вакуумном устройстве. До значения прижимной силы порядка 15 мН большого разброса не наблюдалось, но при ее дальнейшем увеличении были получены значительные отклонения.
Увеличение разброса результатов измерений при значениях прижимной силы, превышающих 15 мН, помимо ошибок от процесса измерений и различий, вызванных прессованием пластинок, следует объяснить изменение коэффициента трения. Характер изменения однозначен: при больших значениях прижимной силы может быть достигнута граница упругой деформации материала пластинки, выше которой он деформируется уже пластично. Достижение этой границы означает нестабильные условия измерений и поэтому измерение силы трения становится менее точным.
Можно напомнить, что обычная эллиптическая игла по уравнению Герца при прижимной силе в 10 мН оказывает на стенку канавки давление 5120 кг/см2, а при силе в 20 мН давление будет около 6500 кг/см2. На рис. 8 представлена зависимость скатывающая сила — прижимная сила для сферической иглы с радиусом 17,8 мкм и для эллиптической иглы с радиусами 17,8 и 5 мкм. Из рисунка видно, что при прижимной силе 10 мН на сферическую иглу действует скатывающая сила 1,5—1,8 мН, в то время как на эллиптическую иглу действует немного большая сила, равная около 2 мН. На поверхности пластинки без канавок игла имеет контакт только в одной точке, поэтому скатывающую силу нельзя измерить и скомпенсировать.
Рис. 8. Зависимость между прижимной и скатывающей силами в смодулированной канавке
Связь между скатывающей силой и прижимной силой для модулированной канавки показана на рис. 9. Можно видеть, что прн проигрывании канавки с записью сигнала частотой 400 Гц и амплитудой колебательной скорости 27,1 см/с (или 14,3 см/с, 4000 Гц) по сравнению с немодулированной канавкой скатывающая сила значительно возрастает. Однако практически при колебательной скорости 5—8 см/с увеличение скатывающей силы не превышает 10—20%.
Рис. 9. Зависимость между прижимной и скатывающей силами в модулированной канавке
Подтвердилось также предположение, что скатывающая сила в немодулированной канавке не зависит от частоты вращения диска проигрывателя. Измерения проводились на проигрывателе, в котором частота вращения диска изменялась от 25 до 100 мин-1. Это отношение, равное 4 : 1, гораздо больше, чем отношение линейных скоростей, измеренных в начальных и конечных канавках пластинки (равное примерно 2,3 : 1). Изменения скатывающей силы, с учетом неточностей измерительного оборудования, внутри указанных выше граничных значений частоты вращения диска при прижимной силе от 10 до 40 мН отмечены не были. Такое постоянство скатывающей силы обусловлено физическими закономерностями, по которым сила трения зависит от коэффициента трения и давления, но не зависит от скорости движения.
Интересные результаты были получены при измерении скатывающей силы в зависимости от радиуса канавки пластинки (рис. 4.10). Из рисунка следует, что скатывающая сила в небольших пределах зависит от радиуса канавки пластинки. Однако эти результаты нельзя объяснить изменением линейной скорости канавки. Для выяснения причин этого явления были изготовлены специальные пластинки. На одних пластинках вместо спиральных канавок записаны замкнутые концентрические канавки, а на других — спиральные, продвигающиеся от середины к краю. Тщательный анализ показал, что сила трения действительно не зависит от радиуса канавки пластинки, а зависит от нескольких факторов, изменяющихся с радиусом и не подчиняющихся строгим закономерностям. К ним относятся, например, изменение твердости материала пластинки, качество поверхности, форма канавки и коробление.
Рис. 10. Изменение скатывающей силы в зависимости от радиуса звуковой канавки
Можно отметить, что часть экспериментов была проведена при влажной очистке пластинки во время проигрывания. Их результаты подтвердили значительное снижение коэффициента трения. Одновременно существенно уменьшился разброс результатов измерений. Серия экспериментов показала также, что незначительное загрязнение поверхности пластинки изменяет коэффициент трения, а вместе с ним и значение скатывающей силы.
Как уже упоминалось при рассмотрении явления скатывания, значение составляющей силы, направленной к центру, зависит и от геометрической формы тонарма. Для данного проигрывателя расстояние между осью вращения тонарма и центром пластинки постоянно, ио эффективную длину тонарма (расстояние от иглы до центра вращения) в большинстве случаев можно регулировать. Неправильно установленный заход иглы не только увеличивает горизонтальный угол погрешности, но и влияет на скатывающую силу, как это показано на рис. 11.
Рис. 11. Зависимость между заходом иглы и скатывающей силой
Естественно, вследствие действующей на иглу скатывающей силы на наружную стенку канавки действует меньшая нагрузка, чем на внутреннюю, и это сильно снижает способность к огибанию иглой сигнала правого канала. На рис. 12 показаны частотные зависимости способности следования звукоснимателя среднего качества с компенсацией скатывающей силы и без нее; разница составляет около 20—25%. Конечно, способность следования можно улучшить и повышением прижимной силы, однако согласно экспериментам ее следует увеличить с 10 до 15 мН (т. е. на 50%). что, разумеется, приведет к снижению срока службы иглы и пластинки.
Рис. 12. Способность следования одного и того же звукоснимателя с компенсацией (верхняя кривая) и без компенсации (нижняя кривая) скатывающей силы
В отношении срока службы также были проведены исследования на нескольких звукоснимателях с компенсацией и без компенсации скатывающей силы. После проигрывания в течение нескольких сот часов было обнаружено, что две трети игл имели больший износ на внутренней стороне, у одной трети игл износ был равномерный. Последний факт можно объяснить различием материала игл и его кристаллической структурой.
Обобщая сказанное, можно сделать вывод, что скатывающая сила имеет постоянное значение, соответствующее выбранной прижимной силе, и может быть полностью скомпенсирована силой, имеющей противоположное направление. Несколько характерных способов компенсации будут описаны при рассмотрении отдельных типов тонармов.
Динамическая связь между тонармом и головкой звукоснимателя. Международная унификация креплений и соединений головок звукоснимателей и наличие регулировок в большинстве держателей этих головок делают возможной установку в каждый тонарм любой головки звукоснимателя Бесспорным достоинством такой унификации является возможность замены старой головки новой с более высокими параметрами. Однако есть и отрицательная сторона, ибо масса тонарма, держателя и головки звукоснимателя вместе с гибкостью ее подвижной системы образуют колебательный контур. Частота резонанса может быть подсчитана по формуле:
где m1 — эффективная масса тонарма И головки; с — гибкость подвижной системы головки звукоснимателя.
Тонармы и держатели головки звукоснимателя хорошего качества следует изготовлять такой малой массы, чтобы колеблющаяся масса определялась собственной массой головки звукоснимателя. Правда, это вступает в противоречие с требованием прочности, предъявляемых к тонарму. Считая, для примера, массу равной 10 г и гибкость, равную 20*10-3 м/Н, получим частоту f=11,25 Гц.
Это относительно просто можно проверить путем измерений, если пластинку, рассчитанную на частоту 331/3 мин-1 с записью сигнала частотой 20 Гц, проиграть с частотой 162/3 мин-1, используя линейный предварительный усилитель (рис. 13) Измерения покажут, что на частоте резонанса отдача звукоснимателя будет больше, а ниже этой частоты головка звукоснимателя и тонарм будут колебаться с частотой сигнала пластинки и отдача звукоснимателя будет отсутствовать. На частотах выше резонанса сказывается инерция тонарма, поэтому головка звукоснимателя остается неподвижной и колебания иглы вызывают в преобразующей системе полезный выходной сигнал.
Рис. 13. Резонанс головки звукоснимателя «Шур V15-III» и тонарма «Торенс ТР16»
Часто встречается, что частота резонанса располагается выше. Это очень нежелательно, так как смещение резонанса ухудшает способность следования иглы по канавке и увеличивает шум движущего механизма. Практика показывает, что с одним и тем же движущим механизмом и тонармом, но с разными головками звукоснимателя можно получить различные отношения сигнал/шум, поскольку резонанс смещается в сторону высоких частот. Кроме того, увеличение рокота от движущего механизма способствует образованию гармонических составляющих, которые, смешиваясь с полезным сигналом, являются причиной воспринимаемых на слух интермодуляционных искажений Путем целесообразной компоновки и упругим соединением имеющегося на тонарме противовеса описанный подъем на резонансной частоте может быть снижен.
Возбуждаемый при проигрывании сигнал частотой 10—20 Гц может исходить не только с пластинки Его могут возбуждать колебания, вызванные движением транспорта и распространяющиеся через элементы здания; колебания пола при ходьбе или танцах; колебания от сильного движения воздуха. Особый случай — акустическая обратная связь вблизи громкоговорителя, а также обратная связь через твердые тела, если проигрыватель располагается непосредственно на акустическом агрегате. Такая обратная связь проявляется в виде сильного низкочастотного гудения, при котором звукосниматель может выпрыгнуть из канавки. Пылезащитная крышка проигрывателя, как правило, такую обратную связь не ослабляет. Обратной связи легко избежать в том случае, если система тонарма имеет упругую подвеску, не связанную с корпусом. При слишком мягком креплении тонарм будет очень чувствителен к сотрясениям, а при жестком креплении опасность акустического возбуждения остается прежней.
Так как при домашнем пользовании редко представляется возможность измерить частоту резонанса системы тонарм — головка звукоснимателя, предлагаем заменять имеющиеся головки только тогда, когда в специальной литературе можно найти данные о динамическом согласовании новой головки звукоснимателя со старым тонармом. Не случайно, что в технической литературе приводятся данные головок звукоснимателей и сообщается тип использованного тонарма.
При анализе динамических свойств тонарма обязательно следует сказать и о том, что плоскость пластинки даже при тщательно сбалансированном и горизонтально расположенном диске проигрывателя не идеально ровная, на ней всегда имеются большие или малые неровности, которые вызывают вертикальные колебания тонарма. Из за этого тонарм следует делать с малой инерцией и с малым трением в подшипнике. При подшипниках с малым трением трудности вызывает инерционность, обусловленная массой тонарма и головки звукоснимателя. Из-за инерционности звукосниматель не следует точно за короблением пластинки, что приводит к увеличению или снижению силы, прижимающей иглу к канавке. Это действие не зависит от способа первичной установки прижимной силы: с помощью пружины или силы гравитации.
Коробление пластинок — проблема, существующая во всем мире. Согласно статистическим данным, полученным в США, при проигрывании 20% коробленых пластинок возникают искажения, перегрузка предварительного усилителя и даже выпрыгивание из канавки. Однако большое коробление вызывает менее заметные на слух искажения, чем почти невидимая неровность поверхности пластинки. Были проведены эксперименты с целью определения зависимости между частотой и амплитудой сигналов, вызванных короблением пластинки. Во-первых, были собраны статистические данные о неравномерностях поверхности пластинок. Для этого использовались неподвижный по вертикали тонарм и амплитудная головка звукоснимателя. Выходной сигнал, пропорциональный короблению при вращении пластинки, записывался на автоматическом кординатографе.
Путем выборочной проверки 67 пластинок с частотой вращения 331/3 мин-1 было получено более 200 экспериментальных данных (рис. 14). На частоте 0.5 Гц (наименьшей, на которой производились измерения) наибольшее зафиксированное отклонение составило 0,64 мм. Это более чем в десять раз превышает допустимое отклонение модулированной канавки. Амплитуда отклонения на частоте 10 Гц в среднем уже ниже 40 мкм. Напомним, что в этом частотном диапазоне находится частота собственных колебаний хорошо подобранной системы тонарм — головка звукоснимателя. Здесь вновь необходимо идти на компромисс. С точки зрения воспроизведения звуковых сигналов желательно, чтобы частота резонанса была расположена ниже 10 Гц, например на 2—5 Гц, но из-за коробления пластинки более благоприятны частоты резонанса выше 10 Гц Другими словами, на нижней границе диапазона частот идеальный тонарм будет чрезвычайно чувствителен к короблению пластинки.
Рис. 14. Статистическое распределение коробления, полученное на основании измерений большого числа пластинок:
Если статистические данные по амплитуде пересчитать в колебательную скорость и полученную кривую изобразить на частотной зависимости наибольшей допустимой колебательной скорости при записи, уже описанной при рассмотрении звукоснимателей, то получим полную картину, характеризующую способность следования головки звукоснимателя и тонарма (рис. 15). Минимум способности следования, расположенный в районе 10 Гц, означает, что на этой частоте система склонна к резонансу. Обращает на себя внимание и тот факт, что минимум способности следования совпадает с участком между минимальными значениями колебательных скоростей коробления и звуковых сигналов.
Рис. 15. Способность следования головки звукоснимателя «Шур V15-II», вмонтированной в тонарм SME3009, на частотах между 1 и 1000 Гц:
Динамическую гибкость нельзя выбирать выше предписанных границ, потому что кривая полной способности следования сместится на участок коробления и таким образом высокое значение способности не может быть использовано из-за коробления. С обычной гибкостью порядка 10*10-3—30*10-3 м/Н и массой 10—30 г можно получить частоту резонанса между 5 и 16 Гц.
Подводя итог, можно сказать: мешающее действие коробления можно свести к минимуму, только тщательно согласовав гибкость головки звукоснимателя (с) и массу тонарма (m1). При решении этой задачи большую помощь могли бы оказать приборостроители, задав семейство кривых, подобных кривым на рис. 16.
Рис. 16. Резонанс головок звукоснимателей с различном упругостью и массой в проигрывателе «Дюал 1219»
До сих пор под массой тонарма всегда понимались его эффективная масса. Это такое же понятие, как и эффективная масса подвижной системы, отнесенная к игле. Подвижная масса тонарма может быть снижена, например, построением облегченной конструкции тонарма или перфорированием держателя головки звукоснимателя и так далее. Части тонарма с наибольшей массой, как, например, противовес, следует располагать как можно ближе к точке пересечения осей вращения, так как моменты инерции возрастают пропорционально квадрату расстояния до этой точки. Если в держатель головки звукоснимателя массой 6 г при длине тонарма 220 мм поместить головку звукоснимателя с массой 4 г, то они уравновешиваются противовесом с массой в 100 г на расстоянии 22 мм от оси вращения. Момент инерции, обусловленный массами головки звукоснимателя и держателя головки, будет около 500*103 г*мм2, а противовеса 50*103 г*мм2, т. е. в 10 раз меньше.
Проведя простой опыт, каждый может проверить качество тонарма своего проигрывателя. Для этого требуется только пластинка на частоту вращения 45 мин-1, изготовленная с большим центральным отверстием Без центрирующей шайбы ее следует поместить эксцентрично и а диск проигрывателя так, чтобы край центрального отверстия касался шпинделя. Затем, не включая проигрывателя, иглу помещают на пластинку и включают двигатель. Если при вращении игла не выпрыгнет из канавки, то инерция тонарма мала. Следует быть осторожным, чтобы во время эксперимента не повредить иглу.
В заключение напомним, что японская фирма изготовила образец тонарма с обратной связью по движению. У него в противовесе расположена система катушек с измерительной обмоткой, которая через соответствующую регулирующую цепочку обеспечивает постоянную прижимную силу, не зависимую от коробления пластинки.