Контакт иглы со звуковой канавкой. Часть 1.

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 дна 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%.

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. 3.6, режущая грань резца в каждый момент времени расположена перпендикулярно продольной оси немодулированной канавки. В противоположность этому, 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 (3/, 5/) основной частоты /. На стереофонических пластинках эти искажения возникают в обоих каналах. Искажения огибания поперечной записи снижаются уменьшением до допустимых размеров радиуса закругления острия иглы.

Продолжая анализ поперечной записи, исследуем искажения, вызванные колебаниями иглы в вертикальной плоскости (пинч-эффектом). При увеличении, можно видеть, что в немодулированной канавке (А-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. 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 (2/, 4/,...). 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. 3.8: 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 tv, 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, 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.

Помимо геометрических соотношений иглы и канавки в плоскости пластинки звукосниматель является еще одним источником статических искажений. Предполагалось, что вертикальные углы колебаний воспроизводящей иглы и резца одинаковые. 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.