Стереофонический пьезокартридж из сегнетовой соли

---

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:

1. 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).
2. 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.
3. 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.
4. 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».