В первой части мы рассмотрели, в общем виде, некоторые параметры механической записи звука, которые необходимо учитывать на практике. Давайте теперь посмотрим, на что именно, и как именно, эти параметры оказывают влияние. Если вы не читали первую часть, то рекомендую сделать это сейчас.
Давайте возьмем по небольшому фрагменту звуковых канавок расположенных в разных частях диска пластинки. При этом оба фрагмента будут соответствовать одинаковым отрезкам времени, то есть, одному и тому же углу поворота пластинки. Первый фрагмент возьмем с внешней канавки, второй с внутренней. И развернем их в отрезки прямых. Как вы помните из предыдущей статьи, фрагмент внутренней дорожки будет меньшей длины, так как ее радиус меньше, и линейная скорость для него будет выше
На первый взгляд может показаться, что колебательная скорость второго фрагмента (внутренняя канавка) выше. Но это не так. Не нужно забывать, что время звучания фрагментов одинаковое, мы рассматривали это в предыдущей статье. Поэтому поперечное смещение иглы для второго фрагмента будет происходить на точно такое же расстояние, и за точно такое же время, как и для первого фрагмента. И колебательные скорости для этих фрагментов будут одинаковые. Колебательная скорость иглы не зависит от расположения канавки на диске пластинки. Это важно с практической точки зрения.
Но от чего зависит колебательная скорость? На этот вопрос легко ответить, если вспомнить формулы из предыдущей статьи. Колебательная скорость зависит от частоты записываемого сигнала и от амплитуды колебаний иглы. Это можно показать наглядно
Но для чего все это нужно? Давайте рассмотрим ограничивающие воспроизведение (и запись) факторы. Амплитуда колебаний иглы при воспроизведении, как и резца при записи, не может быть слишком большой. Это конструктивное ограничение головки звукоснимателя. Но Кроме того, игла не должна слишком быстро двигаться в поперечном направлении и слишком быстро изменять скорость поперечного движения, то есть, поперечное ускорение не должно быть слишком большим. Иначе игла не не сможет точно отслеживать профиль дорожки. Она даже может выскочить из дорожки.
Давайте рассмотрим область низких частот. Для низких частот колебательная скорость меньше, что видно и из последней иллюстрации. Поэтому основным ограничивающим фактором будет амплитуда записи (амплитуда сигнала). Максимальная допустимая амплитуда, кроме конструкции головки звукоснимателя (и резца), ограничивается и минимальным шагом между дорожками. Напомню, соседние канавки не должны пересекаться. Таким образом мы можем ввести понятие максимальной амплитуды записи - Амакс.
Но нельзя забывать и о крутизне канавки, мы рассматривали это в предыдущей статье. Крутизна зависит от линейной скорости, а значит, от расположения канавки на диске (внешняя/внутренняя), при постоянной угловой скорости вращения пластинки, и от амплитуды записи. Важно понимать, что одинаковая колебательная скорость не означает одинаковой крутизны. Вспомните еще раз формулы из предыдущей статьи.
Крутизна канавки тоже является ограничивающим фактором, причем весьма значимым. Слишком большая крутизна мешает точному следованию иглы канавке. Как вы помните, это больше всего проявляется на внутренних канавках где линейная скорость меньше. В предыдущей статье есть формула для определения крутизны через диаметр канавки, скорость вращения (в оборотах в минуту), колебательную скорость. Из этой формулы можно выразить максимально допустимую колебательную скорость при заданной максимальной крутизне канавки.
Теперь мы можем определить частоту, выше которой придется уменьшать максимальную амплитуду записи, так как иначе будет превышена максимально допустимая крутизна
Эта частота называется первой частотой перегиба. Для частот меньше f1 амплитуда записи может достигать максимально допустимой амплитуды. Это и есть область низких частот.
Начиная с частоты f1 мы должны уменьшать амплитуду записи тем больше, чем выше частота записи. Эта область называется областью средних частот. Сверху она ограничена второй частотой перегиба, но об этом чуть позже. В области средних частот выполняется условие
То есть, колебательная скорость для любой частоты записи равна максимально допустимой. Поскольку увеличение частоты приводит к увеличению колебательной скорости, мы просто снижаем максимальную амплитуду тем сильнее, чем выше частота.
Но даже снижение амплитуды записи упирается в еще одно ограничение - диаметр иглы. Когда радиус кривизны канавки ρк становится меньше радиуса иглы r игла не может огибать канавку. Частота записи, на которой игла перестает точно огибать канавку и называется второй частотой перегиба
Нам знакомы все параметры, которые входят в эту формулу, но мы не сталкивались с радиусом кривизны канавки
То есть, это можно рассматривать как минимальный радиус изгиба боковой стенки звуковой канавки. Частоты выше f2 являются областью высоких частот.
Почему f1 и f2 называют частотами перегиба? Давайте посмотрим на график частотной зависимости наибольшей допустимой амплитуды колебательной скорости для поперечной записи (что мы и рассматривали)
В области низких частот Амакс постоянна. В области средних частот постоянна Vк.макс. В области высоких частот постоянным будет максимальное колебательное ускорение.
Давайте посмотрим, какими могут быть частоты перегиба. Возьмем пластинку с частотой вращения 33 1/3 об/мин для которой диаметр внутренней дорожки с записью не должен быть менее 120 мм. Угол раскрытия канавки, мы помним это из предыдущей статьи, 90 градусов. Примем максимальную амплитуду записи 40 мкм, а максимальную крутизну канавки 35. Примем максимальную амплитуду колебательной скорости 14. Это взято не с потолка, а из ГОСТ 7893-79. Возьмем иглу с радиусом 15 мкм. Тогда первая частота перегиба будет примерно равна 450 Гц, а вторая частота перегиба примерно 4700 Гц.
Но такую частотную характеристику канал записи будет иметь только для частотно независимой плотности энергии записываемых звуков. Однако, плотность энергии естественных звуков убывает в сторону низких и высоких частот. Поэтому частотную характеристику канала записи нужно откорректировать для учета распределения плотности энергия естественных звуков. Откорректированная характеристика будет состоять из двух (если рассматривать достаточно грубо) участков. Первый участок будет восходящим и будет простираться до второй частоты перегиба, но он более пологий. Зато максимальная колебательная скорость выше, чем мы ранее рассматривали. Выше частоты f2 график будет спадающим.
Казалось бы, мы полностью отступаем от всего, что рассматривали ранее, но это не так. Для записи реальной звуковой информации мы будем соблюдать максимальные допустимые уровни в соответствии с ранее рассмотренным графиком, который не учитывал плотности энергии.
Но это еще не все. Есть частотные характеристики каналов записи и воспроизведения, которые рекомендованы МЭК и приняты в качестве международных стандартов. Это характеристики учитывают распределение плотности энергии звука и являются плавными, а не ломанными. Вы наверняка не раз видели эти графики
В ГОСТ 7893 (разных лет) приводится и таблица номинальной относительной колебательной скорости записи (относительно частоты 1 кГц), которая полностью соответствует рекомендация МЭК. Вот фрагмент ГОСТ 7893-79
Как мы теперь знаем, эта вполне практическая частотная характеристика появилась не сама по себе. Она основывается на тех параметрах и ограничениях механической записи звука, которые мы ранее рассматривали. Но с учетом плотности распределения энергии звуковых колебаний для реальных источников, что мы рассматривать не стали, так как это уже совсем другая область.
Заключение
Сегодня мы рассмотрели, как вся эта физика и математика отражается на собственно практике механической записи звука. Да, меломанам (импортозамещение аудиофилов) все это не нужно и не интересно. Как правило, используются уже готовые пластинки и проигрыватели. Или ЭПУ, если вы хотите самостоятельно собрать удовлетворяющий вас проигрыватель. Но мне кажется, понимать, откуда все это взялось и как работает, довольно интересно.
На этом мы не заканчиваем, продолжение следует...
