Уровень сигнала при деформации кристаллов Сегнетовой соли в основном зависит от двух причин: во первых – сигнал должен сниматься с поверхностей параллельных осям В и С, во вторых – направление удара должно быть перпендикулярным оси А и одновременно под углом 45 градусов к осям В и С (рис. 1 и 2). В заводских пьезоэлементах чаще всего используются разрез под 90 градусов рис.1, максимальный сигнал у таких пластин возникает при их деформации под углом 45 градусов к осям В и С (рис.3-a,b). При этом, пьезоэлемент составляют из двух одинаковых пластин. Пластины склеивают одноименными полюсами, между которыми проложена фольга (первый вывод), наружные плоскости элемента так-же электрически соединяются фольгой (второй вывод), такой симметричный элемент называется Биморфным. Если пластины одинаковые и склейка качественная, то биморфный пьезоэлемент уже не реагирует на удары в направлении, указанном на рис.3-a,b (сигналы с отдельных пластин у него вычитаются), он реагирует на кручение, при котором в одной пластине возникает сжатие, а в другой – растяжение как раз в направлении рис.3-a,b. При прочих равных биморфный элемент играет заметно громче, но его звук при этом становится грубее.
В монофонической головке наиболее чисто звучит простая, прямоугольная пластина с наклеенной на две ее плоскости фольгой или покрытая графитовым лаком – SE пьезокристалл. Относительно формы кристалла, такая пластина вырезается, как показано на рис.2, при этом пластина генерирует электрический сигнал при давлении на ее ребра (рис.3-c,d). При горизонтальном креплении такая пластина реагирует на поперечные вибрации дорожки пластинки и практически полностью игнорирует вертикальные, исключая из электрического сигнала все паразитные шумы.
Так идеально обстоят дела только в теории. На практике, если не знаешь, как был вырезан кристалл, то определить его полюса крайне проблематично. Если просто постукивать по кристаллу подключенному к усилителю, то куда и под каким углом не постучи, где не потри – все звучит достаточно громко, чуть ли не одинаково. При этом разница в громкости при механическом воздействии на разные части пьезопластины зависит от силы и места его удержания, геометрических размеров и пропорций, частоты сигнала и температуры. Последнее обстоятельство особенно сбивает с толку – в свое время я долго не мог добиться хоть какой-то повторяемости результатов, пока не понял, что кристалл нельзя держать в руках даже совсем непродолжительное время – от тепла руки амплитуда сигнала может практически мгновенно снижаться.
Соответственно, поначалу было проведено множество экспериментов, основанных на ложных предположениях и просто для проверки того, как кристалл ведет себя в теоретически не оптимальных условиях. Например, эксперимента ради была сделана головка с вертикальным расположением кристалла, работающим на кручение (рис.4). Такая конструкция работает идеально при использовании биморфного кристалла. При использовании простой пластины, вырезанной по рис.1, сигнал получается слабый. С пластиной, вырезанной по рис.2 уровень сигнала получается средним, ВЧ – идеальными, низы – завалены, а шумы завышены за счет реакции кристалла на вертикальные колебания иглы. Итоговый вывод – если в этой головке убрать скобу, задающую кручение (рис.4 слева) и упереть нижний край демпфера на который опирается игла в корпус головки, то получится технически идеальный картридж для воспроизведения пластинок Пате с вертикальной модуляцией канавки.
Рабочая моно головка с горизонтальным расположением пластины стандартного размера 14мм * 6мм * 0.9мм изображена на рис.5, надежность такой конструкции проверена временем и не вызывает нареканий. Недостаток – сложности с воспроизведением ВЧ выше 10 кГц из-за низкого резонанса подвижной системы иглодержателя. Уменьшив размер кристалла и демпфера, передающего колебания от иглодержателя к кристаллу можно расширить диапазон ВЧ до 12-13 кГц (рис.6), правда за счет заметного снижения амплитуды сигнала. Тем не менее даже с размерами 6мм * 4мм * 0.7мм амплитуда сигнала все еще достаточна для предусилителя на одном единственном стареньком триоде, при этом габариты пластин вполне подходят для изготовления компактной стерео головки с продольным, взаимно перпендикулярном расположением пьезопластин.
Стерео картридж v1
Первая экспериментальная стерео головка v1 была изготовлена из куска старого бука (рис. 7, 8 и 9). Испытания картриджа выявили:
- Повышенный уровень шумов, снимаемых с поверхности пластинки. Похожим образом вел себя моно картридж рис.4. – он резал басы и имел повышенный уровень шумов особенно заметных на старых, изношенных пластинках (картридж считывал ребром вертикальную составляющую шумов и складывал ее с полезным сигналом).
- Конструктивно сложный поводок-демпфер (рис.9) передающий колебания от иглодержателя к кристаллу, который невозможно качественно изготовить в домашних условиях. При этом все заводские стерео поводки заметно окрашивали звук на СЧ. Устранить этот резонанс можно разве что жидким демпфером, что подразумевает дальнейшее усложнение конструкции и, как следствие, потери в ясности звучания картриджа и надежности конструкции.
- Резонанс в вертикальной плоскости у иглодержателя, сделанного из гнутой жести (рис.5,6,8). Этот резонанс никак себя не проявлял при считывании горизонтальных колебаний в моно, однако в стерео головке, реагирующей на вертикальные колебания, стал отчетливо слышен на ВЧ.
- Плохо выраженный стереоэффект.
Стерео картридж v2
Во второй версии конструкция картриджа была изменена так, чтобы вибрации воспринимались не боковыми ребрами пьезопластин, а их торцами через простейший самодельный демпфер цилиндрической формы, одетый на иглодержатель (рис.10). Плоский иглодержатель был заменен на трубчатый. Испытания показали, что уровень шумов остался таким же, как и у v1, при этом новый демпфер звучал линейно и заметно яснее сложных заводских вариантов (рис.9), однако требовал тщательного подбора точки его контакта с кристаллами так, чтобы прижим демпфера к обоим кристаллам был одинаковым. Разделение стерео каналов так же не улучшилось.
Стерео картридж v3
В обоих вариантах продольного расположения пластин шум, снимаемый ими с дорожки оказался неприемлемым, соответственно, третий вариант было решено сделать с поперечным расположением пластин. Для этого были применены пластины, вырезанные под углом 90 градусов (рис.1) в которых максимальный уровень сигнала возникает при ударе по ребру под углом 45 градусов (рис.3-a,b). Рабочий вариант картриджа изображен на рис.11. Разделение стерео каналов в V3 оказалось идеальным, посторонние шумы наконец то исчезли, однако картридж имел слишком малый уровень НЧ, чтобы использовать его без глубокой коррекции. От этого варианта так же пришлось отказаться. В итоге ни один вариант из трех возможных вариантов использования простых “SE пластин” для стерео картриджа не подошел, увы и ах.
Переход на биморфные пластины
Процесс изготовления стандартного биморфного пьезоэлемента с параллельным соединением пластин и с поправкой на учет направленности компонентов показан на рис 12-18.
Биморфный пьезоэлемент, пластины которого вырезаны согласно рис.2 работает на изгиб (рис.19 – черные стрелки). Для получения стерео сигнала в фазе пластины были установлены в картридж v2 (рис.10) в противофазе (рис.19). Таким образом, при воспроизведении моно пластинки сигнал в обоих каналах получился синфазным (рис.20). Готовый картридж с вибрациями, приложенными к торцам новых биморфных пьезопластин без проблем воспроизводил весь диапазон частот, однако в нем снова появились проблемы с разделением стерео каналов. Как выяснилось, из-за не одинаковых геометрических размеров пластин и не оптимального места приложения механических вибраций, при их воздействии на торец склейки возникал паразитный сигнал. Этот сигнал имел непредсказуемые фазовую и частотную характеристики, из-за этого звуки с разной частотой “гуляли” по стерео панораме, при этом НЧ и даже СЧ могли выделяться или наоборот маскироваться в центре стерео панорамы из-за кривой ФЧХ. Наименьшие фазовые искажения и наилучшее разделение каналов получалось когда центр демпфера воздействовал точно на место склейки пластин, однако реализовать это на практике оказалось проблематично – даже небольшое боковое воздействие на иголку нарушало точность установки демпфера. Опыты с различными толщинами и углами среза торцов кристаллов так же не дали положительного результата.
Стерео картриджи v4 и v5
На следующем этапе были проведены эксперименты со склейкой пластин с заметно отличающейся толщиной плюс к минусу . В идеале такая склейка вообще не должна выдавать никакого сигнала. Как ни странно, сигнал присутствовал, более того, амплитуда сигнала снизилась не критично; сильно изменилась АЧХ, а направление удара с максимальным сигналом сместилось и расположилось между плоскостью и торцом (рис.22 – черные стрелки). Для проверки свойств таких кристаллов были сделаны две версии картриджа с параллельными пластинами (рис.23) и пластинами, расположенными под 45 градусов (рис.24). Ни один вариант в итоге не устроил, в первую очередь потому, что вручную оказалось невозможно точно изготовить пластины с необходимой минимальной погрешностью их размеров.
Стерео картридж v6
Неустойчивость опоры демпфера иглодержателя о пьезо пластины было решено лечить кардинальным способом (рис.25). К торцу картриджа была прикручена медная планка с приклеенной к ней резиновой полоской толщиной 1мм. Иглодержатель вставлен в отверстие, просверленное в планке до того, как к ней была приклеена резина так, чтобы вставленный в отверстие иглодержатель не касался металла а держался только за счет трения на проткнутой им резине (рис.26). Предыдущее крепление было удалено, таким образом конструкция не усложнилась – железный штифт, винт и резиновое основание иглодержателя были заменены на медную планку, резиновую полоску и другой крепежный винт с соответствующим направлением. Никаких дополнительных тонких потерь в звучании при этом не произошло.
Наконец, в шестой версии получилась конструкция, лишенная технических недостатков – полный частотный диапазон, хорошее разделение между каналами во всем диапазоне, прижим в 5 грамм позволял проигрывать даже самые громкие пластинки без заметных искажений, устойчивый, автоматически устанавливаемый прижим демпфера к пьезопластинам (демпфер заклинивается между пластинами под весом картриджа). После этого претензии остались только к классической конструкции “параллельной” биморфной пьезопластины в которой было невозможно идеально соблюсти направленность всех частей, фольги в частности. После долгих мучений были склеены последовательные биморфные пластины (рис.28). В отличие от параллельного варианта, в последовательном пластины склеивались плюс к минусу и без дополнительной прокладки из фольги, что позволило практически идеально соблюсти векторную направленность пластин и проводников и упростить конструкцию. Единственным недостатком нового пьезоэлемента была меньшая емкость при прочих равных размерах, что потребовало дополнительного экранирования картриджа (рис.29). После доработок, связанных с направленностью частей картриджа, звук был оценен на пять баллов, примеры выложены в разделе “Stereo LO-FI”.
Антон, нет слов, одни эмоции – браво- брависсимо!!! Поздравляем!!! Мы – в восхищении!!!))…
))
И вдогонку – хочу такой картридж, ну очень хочу!))…
К этому картриджу надо всю систему соответствующую. я сейчас как раз усилком занимаюсь – профилактика и проверка всего и вся. Разгребаю пока один моно канал, главный который, для ремастеринга. Из-за того, что в Энергофон стерео было впихнуто, куча сложностей возникла с моно звуком. надо их решать. а там и стерео подтянется, надеюсь.