ВИНИЛ
Всего четверть века назад, пожалуй, единственным эффективным способом сохранить звуковую информацию -была аналоговая запись – магнитная и механическая. Затем мир захлестнула волна цифровых технологий, агрессивно проникающих во все сферы жизни. Несмотря на то, что первые цифровые аудио компакт диски и устройства для их воспроизведения звучали отвратительно, появления стандарта CDDA оказалось очень своевременным, с коммерческой точки зрения. Простота в обращении, небольшие размеры, заявленный динамический диапазон и отсутствие шума в паузах казались невероятными и сразу околдовали массового потребителя, слушавшего музыку всуе. Аналоговые носители стали восприниматься как что-то архаично - неуклюжее и бесполезное... К сожалению, потенциальные преимущества звукового компакт диска сыграли с ним злую шутку. Стремительное коммерческое распространение компакт дисков сначала не потребовало, а потом просто не позволило своевременно избавить стандарт CDDA от детских болезней, в том числе низкой частоты дискретизации, 16-битного квантования, несовершенства алгоритма коррекции ошибок. Однако эйфория цифрового звука оказалась недолговечной... Компакт диски звучат недостаточно эмоционально, порой безжизненно. Производители аппаратуры пытаются улучшить качество воспроизведения компакт дисков, применяя разнообразные схемотехнические ухищрения. Но, пока еще, современный уровень развития цифровых аудио-технологий не позволяет приблизиться к живому звучанию. Собственно, вообще нет уверенности в том, что даже в будущем удастся полноценно воспроизвести звук в "цифре". В природе любые процессы плавно перетекают друг в друга, пусть даже в течение бесконечно малого промежутка времени. Звук, будучи неотъемлемой частью окружающего нас мира, представляет собой настолько сложную материю, что до сих пор нет досконального математического описания всех процессов, связанных с ним. Возможно, дискретная сущность цифровых технологий так и останется в противоречии с природой. И как бы далеко не зашло развитие цифровых носителей звука, они рискуют навсегда остаться пусть виртуозно сделанным, но протезом музыкального звучания.
Не удивительно, что сегодня во всем мире резко возрос интерес к аналоговой записи на виниловых дисках. История развития механической звукозаписи насчитывает более 100 лет. За это время она претерпела много изменений, но не потеряла главного и неоспоримого преимущества: способности без потерь донести до слушателя эмоции и индивидуальность артиста. В отличие от неодушевленного цифрового звука, рано или поздно вызывающего утомление даже при прослушивании на очень дорогой аппаратуре, винил позволяет слушателю раствориться в музыке, почувствовать мистическое единство звука и тишины, перенестись в атмосферу прошлого.
Взгляд ближе
Когда компакт диски начали массировано завоевывать мировые рынки, потребителям стали тонко воздействовать на подсознание, внушая пренебрежение к "вертушкам" и "винилу". Формировался образ интегрированной в музыкальный центр пластмассовой вертушки с легким штампованным диском, который годился, разве что, в качестве тарелки в придорожной шашлычной. Комплектовались такие "проигрыватели" убогими хлипкими тонармами с одноразовыми легкосъемными (P-mount) головками. Они были "компактны и доступны", но неимоверно корежили звук, что окончательно убеждало потребителя в никчемности грампластинок. Однако все это имело мало общего с настоящими проигрывателями винила.
Что же представляет собой современная система воспроизведения механической записи?
Основные составляющие те же, что и в конце 70-х, во времена расцвета винила: стол (turntable), тонарм (tonearm), головка звукоснимателя (cartridge) и собственно сам виниловый диск или LP. Однако при всей кажущейся простоте это точнейшая электромеханическая система.
Для того чтобы прочувствовать все тонкости этой системы, нам было бы неплохо на время уменьшиться в размерах раз эдак в 200 и посмотреть на виниловую пластинку "в непосредственной близости". Но поскольку это невозможно, придется напрячь свое воображение и аналитические способности и, опираясь на цифры и схемы, приступить к детальному изучению вопроса.
На рисунке изображен увеличенный разрез грампластинки и иглы.
Для начала напомню, что толщина человеческого волоса примерно 75 мкм. Ширина модулированной канавки (а) составляет всего лишь от 30 до 120 мкм. Угол раскрытия канавки (b) 90-. Радиус дна канавки (R) меньше восьми (!) микрон, глубина канавок (h) и расстояние между (c) ними колеблется в зависимости от типа и плотности записи. Радиус кончика иглы (r) в среднем 10 - 20 мкм. При этих микроскопических линейных размерах совершенно невероятным кажется максимальное ускорение, испытываемое иглой на пиках модуляции. Расчеты показывают, что на внешних канавках стандартной пластинки на 33 1/3 об/мин при поперечных колебаниях, связанных с огибанием рельефа канавки игла испытывает ускорение, превышающее 400g!
Так выглядит игла звукоснимателя в канавке пластинки при многократном увеличении.
Эти цифры показывают, сколь деликатна и противоречива механика взаимодействия грампластинки и считывающего устройства. В таких условиях детали проигрывателя должны соответствовать жестким требованиям точности и прочности. Кроме того, любое высококачественное звуковое воспроизводящее устройство звучит только тогда, когда его создатель относится к нему как к музыкальному инструменту, а не просто электронно-механическому прибору. Очень критичным является подбор материалов, поскольку разные сочетания дают определенную окраску и характер звука, обогащая его, либо делая совершенно непривлекательным. В своих поисках идеального звучания конструкторы проигрывателей соединяют тонкий инженерный расчет и абсолютно эзотерические решения. Как правило, это дает искомый результат, однако не способствует удешевлению системы. Увы, продвижение к высотам качества в любой области человеческой жизни требует значительных эмоциональных, физических и материальных затрат.
СТОЛ
Неискушенные люди думают, что единственная задача стола - вращение грампластинки. На самом деле стол в такой же степени влияет на получаемый звук, как тонарм и головка звукоснимателя, и их правильный взаимный подбор определяет достигаемый результат.
Поскольку все компоненты проигрывателя и сама грампластинка механически связаны между собой, любые посторонние вибрации воздействуют на иглу и в результате ухудшают качество звука. Основных источников таких вибраций четыре: акустическая обратная связь, вибрации стен и пола помещения (передающиеся через стойку или подставку), вибрации механических частей самого проигрывателя (двигатель, узел подшипника) и опосредованное воздействие на тонарм рельефа канавки и неровностей грампластинки. Для того чтобы правильно передать колебания от рельефа канавок необходимо свести к минимуму все паразитные вибрации и собственные резонансы стола.
В настоящее время наиболее распространенной является конструкция с применением мягкого подвеса субшасси (sub-chassis), на котором установлены узел подшипника (bearing assembly), диск (platter), площадка для тонарма (armboard) и тонарм.
Рассмотрим эту схему на примере стола Gyrodeck известной английской фирмы J.A.Michell Engineering Ltd. Основание (base) выполнено из акрила, в нем закреплены три опорных стержня. Снизу на них навинчиваются ножки-конусы, а сверху - узлы пружинной подвески субшасси, которое изготовлено методом прецизионного литья. Во внутренних полостях субшасси через вязкие демпфирующие прокладки закреплены литые грузы для увеличения массы.
Gyrodeck Spider Editiion
Площадки для установки тонарма могут изготавливаться под различные установочные размеры тонармов, что позволяет подобрать и установить практически любой тонарм по желанию. В Gyrodeck площадка выполнена из алюминиевого сплава и устанавливается на субшасси через пластиковые проставки.
Площадка для тонарма (armboard)
Подвеска состоит из трех конусных пружин с переменным шагом. Резьбовая втулка позволяет регулировать высоту. Опорные шайбы состоят из металлической и фторопластовой частей.
В проигрывателях фирмы SME в качестве подвеса применяются резиновые кольца.
Проигрыватель SME 20
Таким образом, упругая подвеска субшасси обеспечивает практически полную изоляцию чувствительных элементов проигрывателя от внешних вибраций. Кроме этого может применяться дополнительная развязка, как, например, в столе Orbe фирмы J.A.Michell Engineering Ltd. В данном случае основание состоит из двух акриловых плит. Верхняя опирается на нижнюю через микроконусы, а опорные стержни не цельные и не проходят сквозь основание стола.
JA Michell Orbe
Подвес может включать дополнительные демпфирующие элементы, гасящие колебания в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Это решение применяется в столах С.Е.С., но единого мнения о целесообразности такой схемы нет, так как дополнительные демпферы повышают жесткость подвеса.
Некоторые производители считают, что мягкий подвес все же не решает проблему полностью, т.к. любые упругие элементы вносят едва заметную дополнительную окраску звучания. В связи с этим существует другой класс столов - без подвески. Основная идея состоит в том, что основание стола имеет большую массу, в несколько десятков килограммов, что и позволяет противостоять вибрациям. Например, в проигрывателе S7 английской фирмы Simon Yorke Designs масса основания порядка 25 кг и вдобавок весь проигрыватель покоится на массивной плите из итальянского сланца.
Simon Yorke Designs S7
Диск
Помимо иголки звукоснимателя только диск стола является деталью проигрывателя, находящейся в непосредственном контакте с носителем - виниловой пластинкой. Поэтому виброакустические свойства диска оказывают сильное влияние на общий характер звучания системы. Здесь решающую роль играет подбор материала, из которого изготовлен диск, и его механическое взаимодействие с материалом грампластинки. Одним из наиболее удачных считается сложный компаунд, включающий в себя углепластик, винил и акрил. Именно из такого материала изготавливаются диски проигрывателей Michell.
Для поддержания идеальной равномерности вращения пластинки диск должен обладать большой инерционностью, иными словами выполнять функции маховика. Это достигается увеличением массы диска и распределением ее у внешнего края. Кроме этого важна точность изготовления и балансировки диска.
Нередко на диск кладется специальный мат из резины или полимера. В зависимости от материала диска это может оказать положительное влияние на характер звука, но при ошибочном подборе может привести к "ватности" звука, потере артикуляции низких частот и размазыванию фронтов звуковой картины.
Обязательной деталью Hi-End стола является осевой прижим пластинки (clamp). Во-первых прижатая к центру диска пластинка "разглаживается", уменьшаются волнообразные неровности коробленных виниловых дисков. Во-вторых, пластинка становится как бы единым целым с диском проигрывателя, что исключает ее собственные колебания.
Прижимы бывают трех основных видов:
а) "пассивный" тяжелый прижим, который просто кладется сверху на диск, центровка обеспечивается вхождением направляющего шпинделя диска в отверстие в прижиме;
б) универсальный прижим с цанговым зажимом, который можно использовать на любом проигрывателе при условии достаточной высоты шпинделя диска;
в) прижим, накручиваемый на резьбовую часть направляющего шпинделя.
Подшипник диска
Подшипник диска является прецизионным механическим узлом, который должен отвечать ряду требований, а именно обеспечивать минимальное сопротивление вращению диска, не создавать вибраций и шумов, не иметь люфтов. Учитывая большую массу и диаметр диска, подшипник должен обладать высокой износоустойчивостью и нагрузочной способностью.
Основными элементами подшипника являются стальная ось, бронзовый стакан и упорный шарик. Ось может крепиться к диску и вставляться в стакан, опираясь на шарик, лежащий на дне стакана. Для изготовления опорного шарика используются самые разные материалы: от обычной закаленной стали до сапфира или специальных сплавов, используемых в NASA, как, например, в проигрывателях Simon Yorke Designs. Особые требования предъявляются к чистоте обработки поверхности оси и внутреннего зеркала стакана. Для смазки используется синтетическое масло с низкой вязкостью.
Часто применяется "обратная" схема подшипника (inverted bearing) когда стальная ось крепится к субшасси, а стакан надевается сверху.
Особое внимание следует обратить на конструкцию подшипника J.A.Michell Engineering. Помимо беспрецедентной точности изготовления это подшипник обладает одной особенностью - он самосмазывающийся, с постоянной циркуляцией масла.
схема подшипника проигрывателей Michell
Г-н Джон Мичел (John Michell) нашел изящное инженерное решение этой задачи: на внутреннем зеркале бронзового стакана подшипника расположена очень тонкая спиральная канавка. При вращении масло из ванночки захватывается срезом канавки и подается в верхнюю часть подшипника, смазывая при этом всю контактирующую поверхность оси, стакана и опорный шарик. В оси просверлен отводной канал, по которому масло стекает обратно вниз. Таким образом обеспечивается непрерывная "прокачка" масла в подшипнике.
Привод диска
Привод диска призван сообщить грампластинке, лежащей на диске, вращение с определенной частотой, не создавая при этом механических и акустических помех. В рамках этой статьи мы не будем рассматривать роликовый и прямой привод, которые используются в массовых бытовых проигрывателях. Обе эти схемы обладают высоким уровнем вибраций, а прямой привод вдобавок ко всему уверенно обеспечивает значительные электромагнитные наводки на головку звукоснимателя. Все это несовместимо с высококачественным воспроизведением.
Во всех проигрывателях класса Hi-End используется пассиковый привод диска (belt drive), т.к. он прекрасно изолирует диск от вибраций мотора. Чаще всего применяются резиновые пассики круглого сечения. Но встречаются и более экзотические решения в виде шелковых нитей или тонких стальных тросиков. При достаточной массе диска эластичность такой передачи не оказывает влияния на равномерность вращения (детонацию). Чтобы погасить вибрации от двигателя, он устанавливается на мягком подвесе внутри массивного металлического корпуса, который часто располагается отдельно от проигрывателя.
Двигатель проигрывателя GyroDeck SE. Синхронный электромотор немецкой фирмы PAPST установлен внутри массивного металлического корпуса при помощи демпфирующей развязки.
В качестве двигателей применяются маломощные синхронные электромоторы переменного тока. Питание осуществляется от образцовых источников питания с кварцевой стабилизацией частоты тока. Как правило, в проигрывателях класса Hi-End на диск не наносят стробоскопические метки для контроля частоты вращения. В этом просто нет необходимости, поскольку точность изготовления деталей, масса диска и калиброванное питание двигателя гарантированно обеспечивают заданную частоту вращения. Если же ставятся специальные задачи, например воспроизведение нестандартных архивных записей, то питание двигателем может осуществляться от специального блока питания, управляемого персональным компьютером, как, например, в модификации стола S7 для архивов фирмы Simon Yorke Designs. Несколько таких столов установлено в библиотеке Конгресса США, и на них можно проигрывать абсолютно любые диски, даже записанные в обратном направлении или с постоянной линейной скоростью, что требует плавного изменения частоты вращения по мере перемещения звукоснимателя по поверхности диска.
ТОНАРМ
Основная задача тонарма - перемещать иглу звукоснимателя по проигрываемой пластинке вдоль ее радиуса или с минимальным отклонением от него. Кроме этого он должен отвечать совершенно противоположным требованиям, а именно не влиять на полезные колебания иглы (быть совершенно инертным) и одновременно мгновенно реагировать на кривизну поверхности пластинки (обладая в идеале нулевой инерцией), обеспечивая нечувствительность подвижной системы звукоснимателя к паразитным внешним воздействиям. При этом тонарм должен обеспечивать поддержание надежного и симметричного контакта иглы с обеими стенками канавки. Основными элементами тонарма являются: трубка тонарма (armtube), поворотный узел (bearing), противовес (counterweight), компенсатор скатывающей силы (anti-skating) и площадка для крепления головки звукоснимателя (head shell).
Угловые искажения
Как известно резец рекордера при записи перемещается по прямой линии вдоль радиуса записываемого диска; классический же тонарм представляет собой поворотную конструкцию (pivoted tonearm), где игла перемещается по дуге с радиусом, равным расстоянию между поворотной осью тонарма и кончиком иглы. Поэтому между направлением колебаний иглы и радиусом, вдоль которого колеблется резец при поперечной записи, образуется некоторый угол, называемый горизонтальным углом погрешности (tracking error).
С точки зрения отсутствия угловых ошибок при проигрывании, наилучшим решением является прямой тангенциальный тонарм. Однако устройство сервосистемы его движения очень сложно и такой тонарм не инертен по отношению к звукоснимателю, т.к. механизм его движения отслеживает изменение усилия бокового воздействия канавки на иглу, в результате чего подвижная система головки испытывает циклически повторяющееся переменное боковое воздействие. Вдобавок, сервосистема является источником (причем непосредственно связанным с тонармом) дополнительных вибраций. Была разработана конструкция с применением так называемого воздушного подшипника. В зазор между направляющей штангой тонарма и его опорной втулкой подается воздух под давлением, что обеспечивает отсутствие трения. Это позволило обойтись без сервостстемы поскольку усилия давления канавки на иглу достаточно для перемещения тонарма. Правда сама пневмосистема очень сложная, дорогая и требует размещения компрессора вдали от проигрывателя.
Проигрыватель RABCO ST-7 фирмы Harman/Kardon
Другое оригинальное решение было предложено английской фирмой Garrard. В ее проигрывателях применялся специальный сочлененный тонарм. Принцип его действия хорошо виден на рисунке.
Проигрыватель Garrard Z2000 с сочлененным тонармом.
В данном случае горизонтальный угол погрешности отсутствует благодаря тому, что головка звукоснимателя при перемещении иглы по пластинке, в любом месте зоны записи, оказывается на касательной линии к проигрываемой канавке. Недостатками сочлененного тонарма является повышенное трение из-за дополнительных шарниров, недостаточная жесткость и наличие дополнительных паразитных резонансов.
Оба вышерассмотренных варианта хотя и решали проблему горизонтального угла погрешности, рождали другие проблемы, к тому же из-за сложности и большой стоимости не нашли широкого применения. Еще одним важным недостатком являлось ограничение спектра используемых головок звукоснимателя из-за невозможности смены и подбора тонарма с другими характеристиками. В связи с этим основным типом тонарма, используемым сегодня, все же остается поворотный тонарм, тем более что, будучи грамотно сконструированным и установленным, он обеспечивает минимальные угловые искажения, практически не ухудшающие качество воспроизведения. Достигается это, во-первых, расположением головки под некоторым углом к продольной оси тонарма (offset angle), а во-вторых, увеличением расстояния от оси поворота тонарма до острия иголки по отношению к расстоянию от центра поворота тонарма до центра диска. Таким образом, обеспечивается заход иглы за шпиндель диска (overhang).
A - заход иглы (overhang), B - угол коррекции (offset).
Для примера, в тонарме SME 309 погрешность составляет всего лишь 0,012 град/мм, т.е. при смещении иголки в сторону от центральной части зоны записи, где погрешность равна нулю, на один миллиметр, угол погрешности возрастает на двенадцать тысячных градуса.
Кроме этого существуют удлиненные версии тонармов, в которых расстояние между вертикальной осью поворота и иголкой достигает 308мм (прим. 12 дюймов), в результате чего игла движется по более пологой дуге, соответственно меньше отклоняясь от траектории движения резца при записи.
Стол Thorens TD 520 с тонармом SME 3012R длиной 12 дюймов.
Эффективная масса тонарма
Из школьного курса физики известно, что любое тело обладает инерцией, т.е. свойством сохранять состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. Если же приложить к такому физическому телу внешнее усилие, то оно будет сопротивляться изменению своего состояния, причем тем сильнее, чем больше его масса. Если же речь идет о вращающемся объекте это называется моментом инерции и в таком случае влияние оказывает не только масса объекта, но и характер расположения этой массы относительно точки вращения. Применительно к тонарму это означает, что любые его части расположенные дальше от оси поворота значительно сильнее увеличивают момент инерции тонарма, чем детали, расположенные близко к оси поворота (например, противовес). Иными словами для снижения момента инерции тяжелые части тонарма должны располагаться как можно ближе к его оси поворота.
Эффективная масса (effective mass) тонарма характеризует момент инерции тонарма и отражает сумму масс всех подвижных частей тонарма с учетом их расположения относительно оси вращения. Поэтому важно не путать эффективную массу тонарма с его общей массой
Тонарм с головкой звукоснимателя и ее подвижная система образуют вместе механическую колебательную систему с определенным резонансом. С одной стороны, на нее воздействуют сверхнизкочастотные источники колебаний, такие как эксцентриситет и коробление пластинки, вибрации подшипника диска, колебания пола и стен и т.п. Частота этих воздействий лежит в области ниже 7-8 Гц. С другой стороны канавка пластинки через иглу "пытается раскачать" тонарм со звуковой частотой от 20 Гц и выше.
Частота резонанса тонарма и звукоснимателя зависит от эффективной массы тонарма и гибкости подвижной системы головки. Полностью избежать резонанса невозможно, но правильный подбор этих параметров позволяет расположить его в узком промежутке от 8 до 20 Гц. Приведенная ниже номограмма позволяет примерно оценить степень соответствия параметров.
Следует учитывать, что общая эффективная масса это эффективная масса тонарма с установленной головкой звукоснимателя. Рассчитать общую эффективную массу нетрудно, воспользовавшись следующим примером:
допустим, что тонарм имеет эффективную массу 10 г, расстояние от оси поворота тонарма до центра тяжести головки 230мм, а масса головки 8 г, тогда общая эффективная масса = 10 +(8 х 0,23) = 11,84 г.
При конструировании тонарма разработчикам приходится находить непростой компромисс. Чтобы тонарм не оказывал влияния на колебания иглы при воспроизведении записи, т.е. вел себя абсолютно пассивно, его эффективная масса должна быть как можно большей по сравнению с массой подвижной системы звукоснимателя, а гибкость подвижной системы должна быть максимальной, в идеальном случае бесконечной. Если гибкость подвижной системы недостаточна, резонансная частота системы может оказаться выше нижней граничной частоты записи, т.е. 20 Гц. Это приведет к резкому снижению отдачи на частотах, ниже резонансной (иными словами к потере баса), т.к. модулированная канавка раскачивает тонарм вместе с иглой как единое целое. Кроме этого возрастают нелинейные искажения, деформации канавки пластинки и помехи от посторонних механических вибраций с частотой, близкой к резонансной. Однако одновременно необходимо обеспечить нечувствительность подвижной системы к внешним паразитным силам, а это возможно только при ограниченной массе тонарма. В ином случае при толчках и под воздействием сил, вызванных короблением и биениями пластинки, тонарм не будет успевать следовать в такт за инфранизкими колебаниями подвижной системы, в результате контакт иглы со стенками канавки будет ненадежным, а в тракт усиления попадут сгенерированные инфранизкочастотные помехи.