пятница, 2 ноября 2012 г.

Контакт иглы со звуковой канавкой. Часть 3.



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.

Первый участок распространяется приблизительно до частоты 800 Гц. На нем колебательная скорость записи возрастает примерно пропорционально частоте (и = Дсо), 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.

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: 23 см/с.
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 (т = 2 мг, с=4-10~3 м/Н, /=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.

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 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 10 000 Гц-18 см/с.

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.
Итак, мы рассмотрели принципиальные зависимости, определяющие динамическую взаимосвязь между иглой и канавкой. Ниже будут рассмотрены конструктивные возможности выполнения головок 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. 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.

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. 3.1 приведено давление, оказываемое эллиптической иглой с вышеуказанными размерами на стенки канавки пластинки из материала обычной твердости для нескольких значений прижимной силы.

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 повышение 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. Оправку обычно изготавливали из высокопрочного металла - стали или молибдена, на который затем наносили антикоррозийное покрытие.

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, где 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 /i = 0,7 мм и массу т = 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, «IIIypV15-II») 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 накоротко замкнутые витки из алюминия или меди.

Комментариев нет:

Отправить комментарий