Довольно давно, больше полутора лет назад, я написал статью о граммофонной игле, с технической точки зрения. Причем статья была написана как ответ на хамский комментарий и в качестве примера того, что самые простые и банальные вещи на самом деле оказываются куда интереснее
Статья оказалась довольно популярной, что немного неожиданно, и до сих пор привлекает внимание читателей. А читатели продолжают задавать вопросы. Поэтому я решил немного продолжить тему записи звука, но, как и всегда, не с точки зрения аудиофила, а с точки зрения техники (и физики с математикой).
Игла и канавка. Параметры
Начнем с самого нижнего уровня - с размеров и некоторых других параметров собственно воспроизводящей иглы и звуковой канавки грампластинки. Причем рассматривать будем уже современные иглы (времен расцвета грамзаписи), а не старинные граммофонные. И современные же пластинки.
В статье о граммофонной игле я говорил, что игла не является "просто острой". Ее кончик имеет сферическую форму, а часть иглы у острия коническая. Причем параметры достаточно жестко определены и описаны, для корундовых и алмазных игл, в ГОСТ 7765
На иллюстрации я показал только некоторые, важные для нас сегодня, параметры иглы. Причем самым важным параметром является радиус скругления острия. Именно по этому параметру и делятся иглы на несколько типов. На иллюстрации указано два радиуса: 0.015 мм для стереофонических игл типа А15 (алмазные) и К15 (корундовые), 0.019 мм для стереофонических/монофонических типа А19 и К19. Есть еще типы А26/К26 (монофонические, узкая канавка) и А70/К70 (монофонические, широкая канавка). Но и канавках чуть позже.
Диаметр игл одинаков, но в ГОСТ оговаривается, что форма хвостовика не обязательно должна быть цилиндрической. Длина игл 1.2 или 1.5 мм, но это нам сегодня уже не важно.
Звуковая канавка, как уже говорилось в статье о граммофонной игле, в поперечном сечении имеет треугольную форму. Ее параметры звуковой определяет ГОСТ 7893
Угол раскрытия канавки всегда равен 90°, но допуски разные для разных типов записи и пластинок. Радиус скругления дна канавки r зависит от радиуса скругления острия иглы и технологических возможностей записи:
- не более 8 мкм, для стереофонической и монофонической записи при скорости вращения 33⅓ и 45 об/мин. Включая монофоническую запись с узкой дорожкой (МУ).
- не более 25 мкм, для монофонической записи, широкая дорожка (МШ), при скорости вращения 78 об/мин. В версии 56 года: не более 40 мкм для "обычной" записи (78 об/мин)
Ширина канавки в зоне записи (модулированной) зависит от типа записи:
- от 50 до 70 мкм (немая), от 30 мкм до 120 мкм (модулированная) для стереофонической записи при скорости вращения 33⅓ и 45 об/мин.
- от 50 до 70 мкм (немая и модулированная), для монофонической записи, включая МУ.
- не менее 140 мкм, для монофонической записи (МШ), при скорости вращения 78 об/мин. От 160 мкм до 250 мкм, в версии 56 года, для "обычной" записи (78 об/мин).
Другие параметры, например, ширина канавки в вводной и выводной зонах, нам сегодня не важны.
Взаимодействие иглы и канавки. Силы, скорости, ускорения
Сначала рассмотрим силы при взаимодействии иглы и неподвижной канавки без модуляции. Не пугайтесь, погружение в физику не будет глубоким
Когда игла установлена на канавку, а пластинка не вращается, единственная сила, которая действует на иглу в направлении ее оси это сила прижима Fпр. Если Вы думаете, что это сила просто равна силе тяжести, то будете неправы. Во первых, плоскость вращения пластинки не обязательно горизонтальна. Во вторых, сила тяжести действует на оба плеча тонарма, относительно горизонтальной оси подвеса (но об этом в другой раз), поэтому сила прижима это равнодействующая, даже при горизонтальном расположении пластинки.
Сила прижима нормируется ГОСТ 18631. Так для скоростно-чувствительных головок звукоснимателей она не должна превышать:
- 12 мН, для нулевого класса сложности
- 20 мН, для первого класса сложности
- 30 мН, для второго и третьего класса сложности
Амплитудно-чувствительные головки звукоснимателей применяются только в третьем (и ниже) классе сложности. Для них прижимная сила не должна превышать 70 мН.
Острие иглы касается стенок канавки, но не дна канавки. Об этом тоже говорилось в статье о граммофонной игле. Таким образом, сила прижима Fпр разделяется на две, равные по величине в состоянии покоя, силы давления иглы на стенки канавки Fд
Fд = Fпр / 2
Сила давления направлена по нормали к соответствующей стенке канавки в точке контакта. Сила давления вызывает равную по величине, но направленную в обратном направлении, силу "реакции опоры", стенки канавки. Эти силы не показаны на иллюстрации. Равнодействующая двух сил реакции опоры направлена в противоположном, по отношению к силе прижима, направлении и уравновешивает ее. Это и есть состояние покоя.
Сила прижима не должна вызывать деформацию стенок канавки, даже упругую, не говоря уже о пластической. Но слишком малой сила прижима тоже не должна быть, так как игла может выскочить из канавки при воспроизведении.
На иллюстрации я показал и распределение каналов по стенкам канавки при стереофонической записи. Наружная стенка канавки (ближе к краю пластинки) соответствует записи правого канала, а внутренняя (ближе к центру пластинки) левому.
Давайте теперь запустим вращение пластинки, но канавки будут "немыми", немодулированными. При этом у нас появится еще одна сила, не смотря на отсутствие записи звука, которой не было в состоянии покоя. Дело в том, что канавка спиральная, поэтому при вращении пластинки игла постепенно и непрерывно перемещается от края к центру. Но перемещается она не сама по себе, а "ведомая" канавкой, точнее, ее внешней стенкой. Поэтому сила давления на внешнюю стенку (и сила реакции опоры, естественно) будет чуть больше, чем на внутреннюю
Эта разница незначительна, но она есть. Об эффекте скатывания мы поговорим чуть подробнее позже.
Важно отметить еще один момент - разность сил давления в точках контакта будет зависеть от скорости горизонтального перемещения иглы, а это зависит и от шага канавки (расстояние между двумя соседними положениями канавки через один оборот диска). Шаг будет разным для зоны записи, вводной и выводной канавок, разделительных промежутков. Казалось бы, нас сегодня интересует только зона записи, но и там шаг канавки не является постоянным (мы скоро узнаем, почему). Точнее, существуют пластинки с постоянным шагом канавки в зоне записи (старые) и с переменным (более современные).
Раз теперь у нас пластинка вращается, мы можем заметить, что линейная скорость перемещения иглы относительно пластинки (точнее, пластинки относительно иглы, но это одно и тоже) не является постоянной. И это является проблемой, на самом деле. Куда более серьезной, чем разность сил давления на разных стенках канавки.
Угловая скорость вращения пластинки постоянна. В самом распространенном случае это 33⅓ об/мин. Но путь, проходимый иглой по канавке будет разным для канавок в центре пластинке и на ее крае. Для пластинки диаметром 300 мм диаметр самой первой канавки зоны записи (внешний край диска) будет равен примерно 290 мм, а диаметр самой последней канавки зоны записи (у центра диска) будет равен примерно 120 мм. Мы можем рассчитать величину линейной скорости для этих двух крайних положений канавок. Я не привожу формулы для длины окружности, скорости, перевода количества оборотов в минуту во время одного оборота в секундах, так как они просты и всем известны. Сразу готовый результат (для 33⅓ об/мин и пластинки диаметром 300 мм)
То есть, линейная скорость для внутренних канавок в 2.5 раза меньше, чем для внешних. Мы можем ввести понятие длины волны механической записи, как длину отрезка канавки (спирали) соответствующую одному периоду записываемого сигнала. И получаем такую зависимость
Можно условно сказать, что при движении от края пластинки к ее центру запись "сжимается". Но если частота записываемого сигнала и его амплитуда неизменны, то на что влияет такое "сжатие", уменьшение длины волны механической записи?
Рассматривать будем на примере поперечной монофонической записи. Давайте введем понятие отклонения положения модулированной дорожки от ее "немого" положения. Примем немую дорожку на нулевое положение иглы
Да, это обычное уравнение синусоиды, так как мы будем записывать/воспроизводить синусоидальный сигнал. ω - круговая частота сигнала, которая связана с частотой сигнала всем известным соотношением
ω = 2 * π * f
Проведем касательную к графику в точке y=0. Угол α между касательной и горизонтальной осью является максимальный углом "наклона канавки" и характеризует ее крутизну.
Теперь введем понятие колебательной скорости иглы
Vк это колебательная скорость иглы, которая определяется скоростью отклонения положения иглы от ее нулевого положения (немая канавка) в единицу времени. V0 - амплитуда колебательной скорости. В этих соотношениях тоже нет ничего непривычного для любого читателя знакомого с математикой в объеме школьной программы.
За время t игла перемещается по дорожке на расстояние
x = v * t
Пришло время свести воедино линейную скорость, длину волны, колебательную скорость. И мы можем записать соотношение для крутизны канавки. Я опущу промежуточные вычисления
Хорошо видно, что крутизна канавки возрастает с уменьшением ее диаметра. То есть, с уменьшением линейной скорости. Это та самая проблема, которая проявляется на внутренних канавках - следование иглы канавке на внутренних канавках затруднено.
Кроме того, крутизна канавки прямо пропорциональна амплитуде колебательной скорости. А амплитуда колебательной скорости прямо пропорциональна частоте и амплитуде записываемого сигнала (амплитуде отклонения положения иглы от нулевого состояния).
Максимальная крутизна канавки является лимитирующим фактором, так как чем крутизна выше, тем больше действующее на иглу ускорение. А слишком большое ускорение может даже выбросить иглу из канавки. Крутизна влияет и на точность следования иглы канавке, что прямо отражается на качестве воспроизведения записи. И максимальной остроты проблема достигает на самых внутренних канавках.
Мы рассматривали понятия крутизны и колебательной скорости для метода поперечной записи, но все сказанное верно и для метода глубинной записи (продольные, а не поперечные колебания иглы).
Постоянный и переменный шаг дорожек
В простейшем случае, шаг канавок - расстояние между центрами (дно) соседних канавок - в зоне записи постоянен. Это позволяет четко и однозначно определить максимальное отклонение модулированной дорожки от ее нулевого положения, которое соответствует немой дорожке. Дело в том, что соседние канавки не должны "слипаться", между ними должен оставаться небольшой промежуток. Но постоянный шаг не самый экономичный, так как при малых отклонениях, малой амплитуде записи, расстояния между канавками излишне велики. Зато при максимальной амплитуде канавки располагаются плотно, но без слипания.
Мы можем немного повысить плотность канавок если будем изменять шаг в зависимости от амплитуды сигнала на соседних канавках. Этот способ более сложен, но нашел наибольшее применение, когда уровень технологий позволил его реализовать. При переменном шаге отслеживается расстояние между канавками исходя из минимального зазора между ними. Если амплитуда одной, или обеих, канавок невелика, шаг можно уменьшить без снижения качества записи. Это позволит разместить на том же пространстве запись большей длительности.
Заключение
Мы только начали рассматривать некоторые технические аспекты грамзаписи, даже взаимодействия иглы и канавки (дорожки) пока рассмотрели далеко не полностью. Впереди еще много интересного.
