Тонарм с динамическим вязким демпфированием.

А. ЛИХНИЦКИЙ

Исследования, проведенные за рубежом, показали [1], что примерно 20% грампластинок имеют явный дефект, называемый короблением. Причинами коробления являются незначительные отклонения тепловых режимов при изготовлении грампластинок, а также их неправильное хранение.

При воспроизведении записи с покоробленной грампластинки наблюдаются колебания звукоснимателя, которые пагубно влияют на качество звуковоспроизведения.

Рассмотрим работу звукоснимателя в области инфранизких частот. Следуя по канавке покоробленной грампластинки, игла звукоснимателя совершает колебания, частота которых лежит в интервале 0,5...10 Гц, т. е. в области, где полезных колебаний, обусловленных фонограммой, нет. В правильно сконструированном звукоснимателе игла должна следовать за неровностями пластинки вместе с головкой, а при воспроизведении полезных колебаний - относительно неподвижного звукоснимателя. Выполнение этих противоречивых требований обеспечивается лишь в том случае, если звукосниматель, преобразующий колебания иглы относительно головки, работает как механический фильтр верхних частот (ФВЧ).

На рис. 1 показаны упрощенная кинематическая схема обычно применяемого звукоснимателя (а) и схема его электрического эквивалента (б). Здесь: М - приведенная к острию иглы масса звукоснимателя, С - гибкость подвижной системы его головки, и - соответственно колебательные скорости иглы относительно платы проигрывателя и звукоснимателя. Частота среза ФВЧ второго порядка, образованного гибкостью С и массой М, определяется по формуле

Применительно к данному случаю частоту называют также частотой основного резонанса тонарма. Выбирают ее на границе спектров полезных колебаний и колебаний, обусловленных короблением пластинки.

Несовершенство показанного на рис. 1 звукоснимателя - в отсутствии в эквивалентной схеме специального элемента потерь, что приводит к значительному подъему АЧХ в области частоты . Практически этот подъем ограничен небольшими механическими потерями в элементе гибкости подвижной системы головки и трением в подшипниках поворотной ножки тонарма, поэтому его величина обычно не превышает 16...20 дБ.

Колебания звукоснимателя относительно иглы на частоте основного резонанса преобразуются на его выходе в электрические сигналы, которые вызывают перегрузку усилителя НЧ и экстремальные смещения диафрагмы низкочастотной головки громкоговорителя. Значительно ослабить пагубное влияние этих сигналов можно с помощью ФВЧ, включенного на входе усилителя, что на практике часто и делают. Однако, проигрывание коробленой грампластинки сопровождается и другими явлениями, которые, к сожалению, электрическим путем не устранимы. Это - нарушение контакта иглы с канавкой грампластинки и детонация звука.

Для выявления механизма возникновения детонации обратимся к рис. 2, где схематично изображены возможные положения иглодержателя головки в процессе проигрывания коробленой пластинки. Нетрудно видеть, что при вертикальном перемещении относительно головки контактирующий с канавкой конец иглы отклоняется вверх и вниз по дуге (относительно оси поворота иглодержателя) из исходного положения, соответствующего стандартизованному углу воспроизведения = 20°. При этом длина проекции иглодержателя на грампластинку изменяется в соответствии с выражениями:

где l - длина иглодержателя;, ' и " - значения вертикального угла воспроизведения при колебаниях звукоснимателя относительно иглы; y, у' и у" - длины проекций иглодержателя, соответствующие углам , ' и ".

Очевидно, скорость изменения длины проекции иглодержателя на грампластинку можно учесть, добавив ее к линейной скорости канавки относительно иглы. Тогда максимальное значение коэффициента детонации на частоте основного резонанса можно определить как отношение максимальной скорости изменения длины проекции иглодержателя (в данном случае у-у") к линейной скорости канавки :

Подставив в эту формулу выражение (3) и амплитуду колебательной скорости на частоте основного резонанса , получим окончательное выражение для максимального значения коэффициента детонации:

где () -- амплитуда колебательной скорости канавки, обусловленная колебанием на частоте основного резонанса;
- относительный подъем АЧХ на частоте основного резонанса.

Измерения показывают, что подъем АЧХ звукоснимателя в области инфранизких частот приводит к детонации, достигающей 0,5%, даже при воспроизведении измерительной грампластинки на проигрывателе, собственный коэффициент детонации которого ничтожно мал.

Как показали исследования [1], спектр колебаний иглы, обусловленных короблением пластинки, неравномерен и обычно имеет минимум в интервале частот 5,5...20 Гц. Следовательно, для уменьшения детонации необходимо не только снижать подъем АЧХ на резонансной частоте, но и смещать его в область минимума мощности спектра колебаний, обусловленных короблением. Наиболее целесообразно выбирать частоту основного резонанса в пределах 7...8 Гц [2].

Основным методом уменьшения подъема АЧХ в области инфранизких частот является механическое демпфирование. В настоящее время известно несколько разновидностей демпфирующих устройств, в той пли иной степени решающих проблему. Одно из них - устройство так называемого вязкого демпфирования - схематически изображено на рис. 3. Оно состоит из двух концентрических полусферических тел, одно из которых (2) жестко соединено с тонармом 1, а другое (3) - с платой проигрывателя 4 (позицией 5 обозначена грампластинка). Пространство между поверхностями тел заполнено вязкой жидкостью. Это устройство обеспечивает хорошее демпфирование колебаний на частоте основного резонанса, однако в то же время создает большое механическое сопротивление перемещению головки звукоснимателя в направлении к центру грампластинки [3].

Широкое распространение за рубежом получили тонармы с динамическим резонансным демпфированием (примером может служить электропроигрыватель "Дуаль 721" западногерманской фирмы "Дуаль"). В таком устройстве (рис. 4) тонарм 1 с головкой звукоснимателя отделены от противовеса 3 элементом связи 2, выполненным из вязкого упругого вещества. На частоте основного резонанса масса противовеса и гибкость элемента связи образуют резонансный демпфер, который "откачивает" часть энергии колебаний и превращает ее в джоулево тепло. Основной недостаток такого демпфера состоит в необходимости его точной настройки, при которой выполняется равенство МС = М'С' (М и М' - приведенные к игле массы звукоснимателя и противовеса, С и С' - приведенные к игле гибкости подвижной системы головки и элемента связи противовеса с тонармом). Недостаток этот существен, так как даже замена головки вызывает необходимость настройки тонарма в лабораторных условиях. Кроме того, при оптимальной настройке такой системы на АЧХ звукоснимателя возникают два новых резонансных пика, один из которых расположен ниже, а другой - выше частоты основного резонанса. Это приводит к значительным фазовым искажениям в области низших частот звукового диапазона.

Указанные недостатки устраняются при выборе чисто резистивной связи между тонармом и демпфером колебаний. Такой способ демпфирования получил название динамического вязкого демпфирования [4].

В устройстве, предложенном автором статьи и А. С. Гребинским (см. рис. 5), вязкая связь демпфера с тонармом достигается за счет того, что демпфер колебаний выполнен в виде шара 4 и находится во взвешенном состоянии в сферической полости корпуса 5, заполненной вязкой жидкостью 3. Корпус 5 жестко связан с рычагом тонарма 2 (а через него и с головкой 1) и противовесом 6.

Сферическая симметрия обеспечивает одинаковый эффект демпфирования при колебаниях тонарма во всех направлениях. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено [2], что на АЧХ звукоснимателя с таким демпфированием имеется лишь один максимум, координаты которого определяются из соотношений:

Приведенные соотношения соответствуют оптимуму вязкой связи тела демпфера с тонармом, т. е. случаю, когда приведенное к игле механическое вязкое сопротивление

С целью предотвращения большого трения при соприкосновении с корпусом поверхность демпфера 4 должна быть покрыта тонким слоем материала с низким коэффициентом трения (например, полиэтиленом) или снабжена эластичными шипами. Для обеспечения взвешенного состояния и достаточного момента инерции тело демпфера необходимо выполнить в виде полого шара из материала с высокой плотностью, например, меди, латуни. Применение легкого сплошного демпфера при заданных размерах может привести к снижению массы, приведенной к игле, примерно пропорционально уменьшению плотности используемого материала, т. е. практически к исчезновению эффекта демпфирования.

Несколько слов о других особенностях конструкции описываемого тонарма. Как видно из рис. 5, горизонтальная ось поворота тонарма снабжена призмами 7, опирающимися на дужку, соединенную с поворотной ножкой 8. Последняя установлена в неподвижном основании 9 на шариковых подшипниках 12 (посадка скользящая). Кроме них в узле поворотной ножки имеются два постоянных кольцевых магнита (10 и 11), обращенных друг к другу одноименными полюсами. Один из магнитов (10) напрессован на ножку 8, другой (11) - запрессован в корпус 9. Благодаря этому вес звукоснимателя уравновешивается силой отталкивания магнитов 10 и 11, и нежелательная нагрузка на подшипники отсутствует.

Расчет оптимальных размеров демпфера сравнительно несложен. При этом следует исходить из того, что эффективное снижение детонации и требуемое улучшение устойчивости звукоснимателя достигаются при частоте = 8Гц и относительной высоте подъема АЧХ

Проведем расчет для типичного случая, когда приведенная к острию иглы суммарная масса М головки, ее держателя, рычага тонарма и полого корпуса демпфера составляет 0,012 кг, гибкость подвижной системы головки С = 0,020 м/Н, длина тонарма l = 0,23 м. Необходимо определить радиусы тела демпфера (), полости в нем () и зазор r между демпфером и корпусом. Для беспрепятственной установки грампластинки, очевидно, должно выполняться условие

Расчет начинают с определения частоты основного резонанса по формуле (1) и массы тела демпфера М' из соотношения (6), для чего его преобразуют к виду

Следует учесть, что для получения эффекта демпфирования при незначительном понижении частоты относительно должно выполняться условие .

Далее, воспользовавшись выражением (8), рассчитывают требуемое для оптимального демпфирования механическое сопротивление связи демпфера с тонармом, приведенное к острию иглы: 1,033 с*Н/м.

Выбираем материал для изготовления тела демпфера и вязкую жидкость. Пусть это будет латунь (объемная плотность = 8700 кг/куб.м) и глицерин ( = 1260 кг/куб.м). Приведенная к острию иглы масса М' тела демпфера, выполненного в форме шара радиусом со сферической полостью радиусом определяется выражением

Соотношение между радиусами и найдем из условия равенства массы тела демпфера массе вытесненной им жидкости, при выполнении которого полый шар находится во взвешенном состоянии:

Подстановка численных значений параметров дает: 0,05887 м; 0,05588 м.

Для нахождения требуемого зазора r между демпфером и корпусом воспользуемся выражением, определяющим приведенное к острию иглы механическое сопротивление Rm, создаваемое вязкой жидкостью, помещенной между концентрическими сферическими поверхностями:

АЧХ обычного недемпфированного звукоснимателя и макета звукоснимателя с динамическим вязким демпфированием, изготовленного в соответствии с приведенным расчетом, показаны соответственно на рис. 6, а и б. Из сравнения характеристик видно, что динамическое вяз кое демпфирование уменьшает резонансный пик АЧХ примерно на 10 дБ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Нарр L., Karlov F. Record Warps and System Playback Performance. - Journal of the Audit-Engineering Society, 1976, v. 24, № 8. p. 630
2. Лихницкий А. М. Демпфирование основного резонанса звукоснимателя. - "Техника радиовещательного приема н акустики", 1978. Вып.3 с. 34-37.
3. Hant F. V. The Rational Design of Phonograph Pickups, Journal of the Audio Engineering Society. 1962, v. 10, p. 274.
4. Nakai G. Т. Dynamic Damping of Stylus Compliance/Tone-Arm Resonance, 1973, v. 21, № 7. p. 559-562.
5. Лихницкий А. М., Гребинскнй А. С. Тонарм Авторское свидетельство №858078. Бюллетень "Изобретения, открытия...". 1981. № 31.