Это НЕ аудиофильская статья! Мы поговорим только о технической стороне вопроса, причем довольно обзорно. Во первых, я не аудиофил. Во вторых, канал научно-технический.
В комментариях к статье о лампах накаливания один читатель заявил, что следующая статья видимо будет о том, как затачивать граммофонные иглы... Ох, не попадал он под горячую руку аудиофилов любителей винила... Причем это была лишь самая приличная часть того комментария. За откровенное хамство комментарий был удален а комментатор забанен.
Но сама идея поговорить о такой казалось бы совершенно банальнейшей, скучнейшей, и давно ушедшей в историю вещи показалась мне все таки интересной. Потому что на самом деле граммофонная игла отнюдь не банальна, напротив, она очень интересна. Да и ее прямые наследники до сих пор работают в проигрывателях грампластинок.
У истоков механической записи звука
Записывать именно звук, голос, человек хотел с давних времен. Но уровень развития технологий долго не позволял это сделать. Считается, что первым удачным устройством позволяющим записывать и воспроизводить звук был фонограф Эдисона.
Однако, в архивах Парижа была обнаружена более ранняя запись, сделанная в 1860 году французом Эдуаром-Леоном Скоттом де Мартинвиллем. Он назвал свое устройство фоноавтографом. А запись была сделана на листе бумаги покрытом тонким слоем воска и сажи. Увы, фоноавтограф смог записать звук, но он не умел его воспроизводить.
А через 17 лет, в 1877 году, Томас Эдисон представил свой фонограф, который мог и записывать, и воспроизводить звук. И в фоноавтографе, и в фонографе, запись звука осуществлялась иглой, которая оставляла след на вощеной бумаге, тонкой фольге, покрытом воском барабане.
Фактически, при записи игла прорезала дорожку на носителе, являлась резцом. Резец, в виде иглы или в любом другом виде, нас сегодня интересовать не будет. Нас будет интересовать только воспроизведение звука, которое тоже выполняется иглой, но требования предъявляемый к воспроизводящей игле совсем другие.
Но важно отметить, что запись в фонографе Эдисона осуществлялась с помощью изменения глубины прорезаемой дорожки. С этой особенностью мы сегодня еще столкнемся.
Граммофон и патефон
Дальнейшим развитием идеи фонографа стал граммофон, который изобрел Эмиль Берлинер. Вместо цилиндра для записи звука была использована круглая пластмассовая пластина. Именно она и дала название грампластинке - Граммофонной пластинке.
Важным достижение Берлинера стал процесс массового производства пластинок, их тиражирования. Запись осуществлялась резцом на покрытой воском пластине. В первых вариантах пластина была цинковой и после записи протравливалась. Получившаяся матрица использовалась для изготовления пластмассовых копий. Сначала целлулоидных, позже из шеллака (точнее, из пластмассы на основе шеллака).
С цилиндрами такое тиражирование было просто невозможно. Процесс травления матрицы исключал возможность записи с помощью изменения глубины прорезаемой дорожки. Поэтому Берлинер использовал не продольные, а поперечные колебания иглы-резца. Звуковая дорожка стала извилистой.
Обратите внимание, что мембрана, которая соединена с воспроизводящей иглой, расположена перпендикулярно радиусу пластинки. Причина именно в использовании поперечных колебаний дорожки.
Успех граммофона не остался незамеченным. И фирма "Патэ", принадлежащая братьям Патэ, представила свою, улучшенную версию граммофона - патефон. Патефон был не только более компактным, за счет раструба спрятанного внутри корпуса. Патефонные пластинки вернулись к записи звука с помощью изменения глубины звуковой дорожки.
За счет чего это стало возможным? Используемый для массового производства первых пластинок метод травления давал довольно посредственный результат с точки зрения качества звука. Травление не могло быть полностью однородным, да и химический состав матрицы был не однородный. Поэтому пластинки при воспроизведении весьма заметно шипели.
Развитие технологии привело к замене метода изготовления матрицы. Теперь на восковую пластину после записи звука напыляли графит и использовали электрохимическое осаждение металла. Значительно снизился уровень шума при воспроизведении. Но одновременно это позволило и копировать переменную глубину дорожки. Этим и воспользовались братья Патэ.
Впрочем, для нас сегодня различие между патефонными и граммофонными пластинками не существенно. Я написал об этом лишь для полноты картины.
Грампластинка
Первые, действительно массовые, пластинки были изготовлены из смолы на основе шеллака. Такая пластмасса была довольно твердой и абразивной, но очень хрупкой. Скорость вращения таких пластинок была 78 оборотов в минуту. Каждая сторона обеспечивала запись, в среднем, около 3 минут.
Со временем шеллачная смола была вытеснена тем самым винилом, точнее, поливинилхлоридом. Химический состав был разным, но в качестве основного компонента использовался винил. Такие пластинки уже были гибкими и не разлетались на мелкие осколки при падении. Но виниловые смолы более мягкие, такие пластинки легче поцарапать.
Большая пластичность винила позволила делать звуковую дорожку более тонкой/узкой. Скорость вращения снизилась сначала до 45 оборотов в минуту, а потом и до привычных большинству 33 и 1/3 оборотов в минуту. Такие пластинки назвали долгоиграющими.
Выпускались и пластинки на довольно тонкой пластиковой пленке, чаще синего цвета. Такие пластинки использовали, например, как вкладыши в музыкальных журналах. Появились и стереофонические грампластинки.
Но нам все это нужно лишь для того, что бы оценить условия работы героини сегодняшней статьи - граммофонной иглы.
Иглы действительно граммофонные и патефонные
Итак, пластинки пока из шеллачной смолы, твердые и абразивные. Граммофонная игла при проигрывании такой пластинки должна удовлетворять несколько противоречивым условиям:
- Не должна повреждать пластинку и слишком быстро изнашивать ее
- Должна быть долговечной. Как минимум, ее должно хватать на воспроизведение одной стороны пластинки
Что бы не изнашивать пластинку игла должны иметь невысокую твердость. Но тогда она будет быстрее изнашиваться. В качестве компромиссного варианта для изготовления граммофонных игл была выбрана мягкая сталь. А сама игла приобрела свою классическую форму
Однако, это лишь ее внешний вид. И этот вид обманчиво прост. Диаметр и форма иглы, размеры форма ее "острого" кончика, имеют большое влияние.
Давайте начнем с самой "острой" части иглы, ее кончика. Может показаться, что он должен быть действительно острым. Однако, это совсем не так! Вспомним, что игла не должна повреждать пластинку. А чем она острее, тем большее давление на пластинку будет оказываться в точке контакта. А это плохо. И пластинка быстро изнашивается, и игла.
Кроме того, вспомним, что в граммофонных и патефонных пластинках использовался разный способ записи. Поэтому "острый" кончик иглы должен иметь определенную форму, и касаться боковых стенок звуковой дорожки (канавки) примерно так
То есть, острие иглы должно касаться не дна, а боковых стенок звуковой канавки (дорожки). А это означает, что геометрические размеры острия должны соответствовать геометрическим параметрам звуковой канавки. При этом ширина канавки (геометрический параметр) может быть разной. И она действительно разная у пластинок 78, 45, 33 и 1/3 оборотов в минуту.
Но нас пока интересуют классические пластинки из шеллачной смолы. И классические граммофонные иглы. Давайте посмотрим на эти иглы внимательнее
Почему нет длины иглы? Для нас, в данном случае, этот параметр не важен. А вот диаметром, углом конуса, длиной конуса, диаметром сферы, иглы могут значительно отличаться.
Начнем с формы собственно острия. У классических граммофонных игл оно имеет полусферическую форму. Просто по той причине, что такая форма проще всего в изготовлении и может быть получена простой шлифовкой. Другие варианты рассмотрим чуть позже.
Радиус полусферы острия у граммофонных игл, для пластинок 78 оборотов в минуту, лежит в диапазоне, примерно, 30-60 мкм (микрон). Это связано с шириной звуковой канавки.
А вот диаметр цилиндрической части, угол конуса и длина конической части позволяют получить интересный эффект. Речь идет о "громкости" иглы. Иглы делились на три основные группы:
- громкий тон
- средний тон
- тихий тон (ночные)
Граммофон, как и патефон, были механическими, а не электронными устройствами. И регулировать громкость звучания было не так просто. Конечно, можно было бы использовать какую либо механическую заслонку. Или просто затыкать раструб тряпкой. Но это искажает звучание или просто неудобно.
Для частичного решения этой проблемы и выпускались иглы различной громкости. Громкость иглы определялась ее гибкостью. Более тонкие и гибкие иглы хуже передают колебания острия на мембрану. А значит, и звучание будет тише. Кроме размера, на громкость иглы влияет и материал, из которого она изготовлена.
Для примера можно привести диаметры игл разной громкости. Громкая - диаметр 1.4 мм. Средняя - диаметр 1.1 мм. Тихая - диаметр 0.8 мм. При этом, чем тише игла, тем более длинная конусная часть. Все это влияет на гибкость иглы. И, как следствие, на ее громкость.
Выпускались и иглы более экзотических форм
Громкость этих игл завит от их расположения в держателе. Точнее, от ориентации по продольной оси иглы. Не требуется покупать разные иглы, достаточно просто повернуть иглу в держателе.
При проигрывании пластинок из шеллачной смолы жизнь игл была короткой. Достаточно типичной ситуацией была замена иглы после прослушивания одной, максимум двух, стороны пластинки. Поэтому они и продавались такими большими большими упаковками, по 100 или 200 штук. А иногда и больше.
Изношенная игла, уже после прослушивания одной стороны, выглядела примерно так
Справедливости ради нужно сказать, что правила смены игл соблюдались не всегда. Но использование сильно изношенной иглы могло значительно ускорить износ пластинки. Кроме того, изношенная игла могла не удержаться в звуковой канавке и прочертить на пластинке большую царапину.
Нельзя не упомянуть о еще более экзотических иглах
Да, можете не сомневаться в своих глазах. Это действительно деревянные иглы. Бамбуковые. 1939 год выпуска. Можно сколько угодно смеяться на этими иглами, но они действительно изнашивали пластинку меньше, чем стальные. При этом прочности бамбука достаточно для прослушивания одной стороны пластинки.
Иглы для долгоиграющих пластинок
Долгоиграющие пластинки отличались от обычных граммофонных не только меньшей скоростью вращения. Они отличались материалом. Винил более мягкий, поэтому вопрос износа и повреждения пластинок встал с большей остротой.
Кроме того, встал вопрос и о повышении долговечности иглы. Ведь продолжительность воспроизведения одной стороны долгоиграющей грампластинки может достигать 30 минут.
Меньшая ширина и глубина звуковой канавки делает невозможной использование игл с большим радиусом сферической части. Такая игла просто не будет удерживаться в канавке.
Таким образом, использование стальных игл становится крайне проблематичным, практически, невозможным. В конечном итоге, самым распространенным материалом для изготовления игл для долгоиграющих грампластинок стал корунд.
Однако, твердость корунда гораздо выше твердости винила. Игла изнашиваться не будет, а вот пластинка будет очень сильно. Поэтому потребовалось значительно снизить давление иглы на пластинку. Вес адаптера с мембраной у граммофона и патефона снизить сложно.
Поэтому долгоиграющие пластинки предназначены для прослушивания на электронных проигрывателях. Сначала ламповых, позже транзисторных. Теперь игла устанавливается в звукоснимателе, или адаптере. Это то, что позже стали называть тонармом.
Это позволило значительно снизить прижимное усилие на иглу. Позже, в электрофонах более высокого класса, тонармы стали гораздо сложнее. Это позволило снизить прижимную силу до минимума.
Это не только радикально снизило износ пластинок и свело к минимум риск их повреждения при воспроизведении, но и позволило значительно повысить качество звучания.
Сама корундовая игла теперь устанавливается в специальный держатель - кантилевер
Кроме параметров иглы появилось и множество параметров ее установки
И хоть эти параметры считаются важными и влияющими на качество звучание, нас они интересовать не будут. Нас интересует собственно игла.
Радиус полусферического острия стал меньше, вы должны помнить, что он зависит от параметров канавки, которая стала значительно уже. Диаметр полусферы у игл для долгоиграющих пластинок был примерно 20 мкм. Но постепенно уменьшился до 15 мкм.
При этом само острие иглы стало далеко не всегда сферическим. Появились различные вариации формы. Например вот одна из возможных форм острия иглы
Наиболее дорогие и качественные иглы изготавливают из искусственного алмаза.
Да, можно считать грампластинки ушедшими в историю. Но сообщество любителей винила с этим будет категорически не согласно. И кое-где даже возобновили производство пластинок.
Вы все еще считаете, что граммофонная игла, которая превратилась постепенно в высокотехнологичное изделие весьма сложной формы, банальна и скучна?
При этом в статье даже не затронуты многие вопросы касающиеся тонких нюансов поведения механической системы подвеса иглы и пары игла-пластика. А там есть очень много интересного.
Так колебательная скорость записи оказывается зависима от частоты. Да, это касается собственно аппаратов записи, но конечное влияние оказывается именно на процесс воспроизведения. Колебательная скорость записи возрастает примерно до частоты 800 Гц, далее изменяется мало до частоты примерно до 2500 Гц, и далее постепенно снижается.
А это определяет минимальную прижимную силу, которая должна быть приложена к игле, что бы она не выскочила из звуковой канавки. И напрямую влияет на качество воспроизведения, так как влияет на различимость отдельных источников звука, инструментов, например, в игре оркестра.
Но и это еще не все. Игла образует с подвесом колебательную систему. Причем эта динамическая система имеет несколько резонансных частот. Однако, игла образует и динамическую систему с пластинкой. А значит, влияние оказывает и гибкость материала пластинки. Резонанс звукоснимателей, считающихся современными, имеют резонанс на частоте близкой к 15 кГц при массе подвижной системы порядка 2 мг.
Заключение
Да, стать я именно не аудиофильская! Это просто небольшая обзорная статья с уклоном на технические подробности. И я не аудиофил, да и звуковоспроизведением никогда не увлекался. Просто так получилось, что технической частью вопроса приходилось когда то давно, совсем немного, коснуться.
Банальная вещь из недавнего прошлого, маленький кусочек того, что когда то воспринималось как чудо, граммофонная игла. Невзрачная, и такая скучно-утилитарная... Но за ее невзрачной внешностью и обманчивой простотой скрывается труд многих ученых и инженеров. В ней много не только строго математического и физического, но и субъективного. Ведь результат ее работы слушает и воспринимает человек.
