PORADNIK: Kształt i mechanika ramienia gramofonowego

Zapraszamy na kolejny odcinek naszego poradnika gramofonowego. Dziś spróbujemy wyjaśnić istotną kwestię dotyczącą kształtu i mechaniki ramienia gramofonowego.

Ramię w ramię, czyli „Lepsze jest wrogiem dobrego”

Ta stara mądrość Woltera, którą każdy nie raz sprawdził na własnej skórze jest niezwykle szanowana w świecie płyty winylowej. Rozwój techniczny urządzeń do produkcji i odtwarzania płyt posuwa się tu bardzo dostojnie i ostrożnie do przodu. Być może to właśnie uratowało analog przed podbijającą cały świat cyfryzacją i teraz z radością możemy uczestniczyć w jego triumfalnym powrocie do łask wśród mieszkańców naszego globu. Analog się po prostu - mówiąc kolokwialnie - "nie zeszmacił" w pogoni za pieniądzem (przynajmniej na razie).

Jednym z najbardziej konserwatywnych elementów gramofonu analogowego jest jego ramię. Dość przypomnieć, że pierwsze naukowe opracowania dotyczące geometrii ramienia gramofonowego oraz jej wpływu na zniekształcenia harmoniczne zostały opublikowane przez H.G. Baerwalda w 1941 roku i w zasadzie do dziś w oparciu o nie konstruuje się nowoczesne ramiona. Większość wzorników do kalibracji igły i ramienia w gramofonie pochodzi właśnie od Baerwalda. Nie oznacza to, że w tej dziedzinie nic się nie dzieje. Konstruktorzy korzystając z nowoczesnych technologii co jakiś czas zaskakują nowymi pomysłami. Można jednak śmiało stwierdzić, że w większości przypadków jest to lifting już znanych patentów, no bo - wracając do Woltera - po co kombinować jak jest już dobrze? 

Jakie są zatem rodzaje ramion gramofonowych i czym się charakteryzują? Które są lepsze a które gorsze? Na ostatnie pytanie nie będę szukał odpowiedzi, bo też chcę dostojnie i ostrożnie pisać dalej kolejne artykuły. Baerwald a później inni inżynierowie: Bauer, Stevenson za najważniejsze problemy do rozwiązania jakie powinien przed sobą postawić konstruktor ramienia wskazali między innymi: 

• Redukcja do minimum błędu polegającego na tym, że igła odtwarzająca usytuowana jest w rowku płyty inaczej niż rylec nacinający płytę (ang. tracking terror).
• Dopasowanie wagi oraz bezwładności ramienia do właściwości wkładki i igły odtwarzającej. W erze płyt monofonicznych i wczesnej stereofonii dominowały wkładki ze sztywnym zawieszeniem, które wymagały ramion cięższych i większego nacisku na płytę. W miarę postępu w rozwoju wkładek i szlifów igieł ta zależnośc się odwróciła - "miękkie" wkładki o niewielkim nacisku wymagają ramion lekkich i sztywnych. 
• Eliminacja oporów i tarcia.
• Odporność na przypadki gdy odtwarzana płyta jest pofałdowana lub nieco zużyta. 

Proste czy zgięte 

Najprostszą konstrukcją najstarszą historycznie jest ramię całkowicie proste. Stosowano je w pierwszych gramofonach i dziś można zobaczyć konstrukcje wzorowane na tym rozwiązaniu.

Jest to ramię zamocowane w sposób pokazany na rys. 1. Jak widać tylko w połowie nagrania igła gramofonowa ustawiona jest stycznie do rowka płyty. Im bliżej brzegu lub środka tym kąt w stosunku do stycznej rowka większy. Pojawia się tracking terror. Dla igieł sferycznych i nagrań monofonicznych nie było to jeszcze dużym problemem, ale po upowszechnieniu stereofonii i igieł o szlifach eliptycznych takie ramię powodowało zniekształcenia harmoniczne na poziomie kilkunastu % - absolutnie nie do przyjęcia.

Okazało się, że najprostszym rozwiązaniem stosowanym z powodzeniem do dziś jest zastosowanie zagięcia albo dla samej główki ramienia (rys. 2.) albo wygięcie całego ramienia (rys. 3). Zachowując dokładnie określone wymiary i punkty mocowania w takim ramieniu tracking error można zredukować do wartości, która skutkuje zniekształceniami na poziomie poniżej 1%. Jak łatwo zauważyć rozwiązanie z rys. 2 pozwala skrócić całkowitą długość rurki ramienia, co z kolei umożliwia redukcję jego masy, a to jest korzystne przy dopasowaniu ramienia do nowoczesnej wkładki. Zatem ta konstrukcja jest dziś zdecydowanie zalecana.

Dlaczego zatem renomowane firmy wciąż produkują ramiona finezyjnie wygięte na całej długości? Z dwóch powodów: pierwszy czysto praktyczny - w takim ramieniu da się zamocować wymienną główkę (ang. headshell) (np.: standard SME), co pozwala bardzo wygodnie i bezpiecznie demontować i montować wkładkę z igłą. Jeśli ktoś ma kilka wkładek, to może je dość łatwo wymieniać, jeśli dodatkowo zaopatrzy się w komplet główek. Dla DJ-ów to w zasadzie jedyne rozsądne ramię. Drugi powód ma związek z zamiłowaniem człowieka do estetyki, a przecież m.in. to odróżnia nas od zwierząt - takie ramiona wyglądają po prostu pięknie. Wystarczy spojrzeć na załączone fotografie.

Proste ale nie proste 

W zasadzie od tego typu ramienia powinna zacząć się historia. Ramię tangencjalne czyli takie, które porusza się dokładnie tak, jak ramię nacinające matrycę płyty winylowej. Wystarczy proste i krótkie ramię przesuwać w całości od brzegu do środka płyty (rys. 4). Przy takim podejściu tracking error i zniekształcenia nie występują, masa jest niewielka, więc wydawałoby się, że to konstrukcja idalna. Problemem nie lada okazuje się jednak zapewnienie swobodnego przesuwu. Stąd też tego typu ramiona pojawiły się dopiero w latach siedemdziesiątych gdy zastosowano przesuw wspomagany specjalnym serwo (ramiona aktywne). We współczesnych konstrukcjach stosowane są poduszki powietrzne lub całkowicie pasywne prowadnice wykonane z takich materiałów aby opory przesuwu były minimalne.

Przy niewątpliwych zaletach tego rozwiązania ma ono też wady. Są nimi wynikająca ze skomplikowanej budowy - wysoka cena, skłonność do zacinania się wskutek zużycia i zabrudzeń oraz raczej wątpliwa uroda. Ten ostatni aspekt jest oczywiście kwestią gustu. Należy też zauważyć, że w ramieniu tangencjalnym występuje siła boczna oddziaływująca na wkładkę i igłę, której nie da się skompensować gdyż tylko dzięki niej ramię się porusza.

Ta siła powoduje pewną nierównomierność odczytu kanałów stereofonicznych oraz zużycie zewnętrznej ściany rowka płyty (lub wewnętrznej jeśli jest to np. płyta Lazaretto Jacka White’a you tube :-).

Pantograf 

I ostatnia znacząca konstrukcja ramion wynaleziona w latach siedemdziesiatych zwana popularnie pantografem lub z obrotową główką (ang. pivoted head), w której problem tracking error rozwiązano modyfikując ramię z rys. 2. w taki sposób, aby zakrzywienie główki (ang. offset angle) zmieniało się wraz z poruszaniem się ramienia od zewnątrz do środka płyty. Realizuje się to poprzez układ cięgien przytwierdzonych z jednej strony do jarzma ramienia, a z drugiej do ruchomej główki (rys. 5.).

Przy odpowiednio zaprojektowanej geometrii można w takich ramionach tracking error zredukować do pomijalnych wartości. Tak jak w ramionach tangencjalnych zalety pantografu okupione są większą masą, skomplikowaniem, a więc i ceną i skłonnością do zacinania się.

Laser 

Nie wypada na koniec nie wspomnieć o dość oryginalnym pomyśle japońskiej firmy ELP, w którym igłę zastąpiono laserem, a całę ramię ma konstrukcję zbliżoną do czytnika płyt CD. Nie ma tu zatem klasycznego ramienia, a płyta gramofonowa nie ma fizycznego kontaktu jej powierzchni z elementem odczytującym. To wydawałoby się genialne rozwiązanie ma jak zwykle wady: nie radzi sobie z innymi płytami niż czarne zatem np.: "Kind of Blue" Davisa na błękitnym winylu odpada, bardzo źle znosi zabrudzenia, no i dla analogowego purysty jest nie do przyjęcia gdyż oryginalny analogowy sygnał zamieniany jest tu na cyfrowy i ponownie na analogowy. Brrr...

Krótkie czy długie 

Opisując konstrukcję ramion nie sposób pominąć wątku rozgrzewającego dyskusje części braci audiofilskiej. Czy warto stosować ramiona długie np.: 12"? Przy klasycznych konstrukcjach (rys. 1,2,3) geometryczna analiza pokazuje jasno, że im dłuższe ramię tym tracking error mniejszy. W porównaniu z najpowszechniej stosowanym ramieniem 9" dwunastka ma o 25% mniejsze zniekształcenia (0.54% vs 0.74%). Zatem dlaczego nie jeszcze dłuższe: 14", albo 16"?

Otóż im dłuższe ramię tym redukcja zniekształceń staje się mniej znacząca, a dłuższe ramię oznacza większą masę i problemy ze sztywnością. Ponadto okazuje się, że bardzo niewielki błąd w montażu ramienia 12" (ułamki mm) powoduje wzrost tracking error do poziomu bliskiego temu, jaki można uzyskac w ramieniu 9". Dodając do tego praktyczny aspekt związany z wymaganym dodatkowym miejscem na montaż długiego ramienia inżynierowie zgodnie przyjęli 9" jako dobry kompromis dla nowoczesnych ramion. Większośc firm ma też w ofercie prznajmniej jedno ramię 12", ale dłuższe to już w zasadzie unikaty. Przypomnijmy, że dla wkładek sztywnych (zdecydowana mniejszość na rynku) takie ramiona mogą być całkiem odpowiednie. Często stosuje się je również w odtwarzaczach studyjnych w radio. 

W artykule zaledwie musnęliśmy tematy związane z ramionami gramofonowymi. W kolejnym odcinku postaram się opisać reguły stosowane przy dopasowaniu ramienia do wkłądki gramofonowej oraz regulacji samego ramienia. W międzyczasie można zrelaksowac się audiofilskim dramatem w TV.

Tone Tools Sprocket - ramię tangencjalne z napędem. 

Well Tempered Royale 400 - ramię proste 16" (ok. 40 cm)

KRONOS - w tym gramofonie największą "tajemnicą" są dwa, obracające się w przeciwnych kierunakch talerze, ale ramię wygląda na proste.  

JR Audio - skomplikowane ramię pantografowe. Mechanizm ramienia opiera się na jubilerskich łożyskach kupowanych w Szawjcarii. 

Pro-Ject - ramię zagięte z gatunku "piękne".