Магнітні головки звукознімачів
Головки звукознімачів із рухомим магнітом. Після п'єзоелектричних головок звукознімачів найпоширенішими є головки з рухомим магнітом (магнітодинамічні). Пояснюється це тим, що їхня проста і надійна конструкція придатна для великосерійного виробництва. У разі зношування голки, вставку з голкотримачем можна замінити без застосування будь-яких інструментів.
Вихідний сигнал, що відповідає механічним рухам голки, виникає в голівці відповідно до принципу перетворення, відомого під назвою магнітної індукції. Якщо змінюється кількість магнітних силових ліній, що пронизують котушку, що знаходиться в стані спокою, то в ній індукується змінна електрорушійна сила. У голівці звукознімача голка передає свої коливання дуже малому постійному магніту, що знаходиться перед нерухомою котушкою. Для пояснення роботи головки із рухомим магнітом на рис. 1 наведено її спрощену конструкцію. У положенні спокою магніту (рис. 1, а) потік у магнітному ланцюзі Ф = 0. У разі відхилень магніту в різні сторони (рис. 1, б, в) потік змінюється від +Ф до -Ф. На рис. 1,г, д показані вид спереду розташування полюсних наконечників стереофонічної головки та місце кріплення голкотримача до магніту.
Мал. 1. Принцип дії головки звукознімача з рухомим магнітом:
Якщо голку такої головки встановити на платівку, симетрія магнітного ланцюга, що була раніше, порушується, північний полюс магніту наближається до верхнього, а південний полюс до нижнього полюсного наконечника. Тому певна кількість силових ліній, які раніше замикалися через великий магнітний опір повітря,замкнеться через ланцюг з м'якого заліза, що має менший магнітний опір.
Магнітний ланцюг з м'якого заліза оточують дві котушки. Доки магніт рухається між двох крайніх положень, видимих на середньому і нижньому малюнках, магнітний потік буде перетинати внутрішню частину котушок з частотою, що збігається з частотою коливань голки, і на висновках котушок виникає змінна напруга. Значення цієї напруги залежить немає від абсолютного значення записаної на платівці амплітуди, як від значення коливальної швидкості записи, т. е. від частоти і відхилення.
Отже, головка з рухомим магнітом, як і всі магнітні перетворювачі, відноситься до групи швидкісних головок звукознімачів.
При постійній коливальній швидкості запису зміна магнітного потоку залежатиме від кількох факторів. Частина з них має геометричний характер, як, наприклад, відношення відстані між голкою та центром коливань до відстані між магнітними полюсами і центром коливань, що становить передатне число (для відомості, це відношення може дорівнювати 5:1) або відстань між магнітом і полюсними наконечниками . Останнє слід вибирати якнайменшим збільшення чутливості і якнайбільшим зменшення спотворень, зумовлених намагнічуванням м'якого заліза (мюметалла). Зміна потоку в основному залежить від енергії, укладеної в магніті, тобто від магнітної сили, тому прийнято вибирати такий магнітний матеріал, який з малою масою (5-10 мг) здатний створити сильне магнітне поле (фірма "Шур" - "Алніко" 5W», фірма «Філіпс» - «Тіконал XX», щільність потоку останнього 0,85 Г = 8500 Гс).
При цій швидкості запису та встановленій вище зміні потоку вихідна напруга залежить від параметрів обмотки.Більше число витків означає вищу напругу, але збільшення витків без збільшення корпусу котушки може бути здійснено тільки шляхом подальшого зменшення діаметра і без того тонкого дроту. Кордон встановлюється, з одного боку, технологією намотування, з другого збільшенням власної ємності обмотки, яка несприятливо відбивається під час амплітудно-частотної характеристики у сфері високих частот. Тому, використовуючи провід з діаметром у кілька сотих міліметрів, можна намотати оптимальну котушку в 2500 витків.
На магнітопроводі поміщають дві з'єднані зустрічно котушки таким чином, щоб вихідні сигнали, що індукуються завдяки зміні магнітного потоку, складалися. У той же час обмотки пронизуються силовими лініями зовнішнього магнітного поля, що викликає перешкоди. Однак напруги шумів, що визначаються зовнішнім полем, взаємно компенсуються. Проте така компенсація ще не є ідеальним захистом від магнітних полів розсіювання, створюваних, наприклад, двигуном програвача, що працює від мережі. Тому головку звукознімача слід поміщати в корпус із матеріалу з гарною магнітною провідністю (мю-метал) і заземлювати його.
У стереофонічній головці звукознімача два магнітні ланцюги розташовують перпендикулярно один до одного так, щоб з площиною пластинки вони утворювали кут 45°. Вигляд спереду розміщення полюсних наконечників представлений праворуч зображення. Там же окремо можна бачити часто використовується варіант кріплення магніту та трубочки голкотримача. Магніт повинен мати просту форму, оскільки магнітний твердий матеріал піддається лише електроіскровій обробці. Якщо промодульовано лише внутрішню стінку канавки (лівий канал), то рух магніту щодо полюсних наконечників правого каналубуде симетричним і у них не викликається зміна потоку. Таким чином стає можливим поділ каналів.
З головок звукознімачів з рухомим магнітом в Угорщині надходили продаж голівки М44-7 і M91ED фірми «Шур», GP400 фірми «Філіпс» і VN2101 чехословацького виробництва.
Головки звукознімачів з рухомим елементом із магнітом'якого заліза. Головки з рухомим елементом з магнітом'якого заліза по суті є різновидом головок звукознімачів з рухомим магнітом (рис. 2). Принцип перетворення вони залишився такою ж, але матеріалом для рухомого елемента служить магнитомягкое залізо. Це залізо після збирання головки звукознімача знаходиться в сильному магнітному полі і, таким чином, є вторинним магнітом щодо полюсних наконечників і обмоток. Великою перевагою цього рішення є виключення магніту з рухомої системи, тому його маса не є фактором, що заважає.
Мал. 2 Головка звукознімача з рухомим елементом із магнітом'якого заліза:
Важко оброблюваний магнітний матеріал можна застосовувати в деталях з простою конструкцією, а деталі, що легко формуються з магнітом'якого матеріалу (наприклад, пермаллоя) слід з'єднати з трубочкою голкотримача. Нерухомий магніт можна зробити досить великим, що дозволяє без зниження чутливості звукознімача зменшити масу його рухомої системи. Захищеність обмотки котушок від зовнішніх магнітних полів розсіювання при застосуванні сильного магніту однакова із системою з рухомим магнітом, але важливо відзначити ще й те, що зовнішній металевий кожухголовки звукознімача виготовляють не тільки для магнітного екранування, а також для створення замкненого магнітного кола.
Найбільш відомий виробник головок звукознімачів з рухомим елементом з магіїтом'якого заліза - фірма "Аудіо Дайнемікс Корпорейшен" ("Ей-Ді-Сн"). Амплітудно-частотна характеристика дуже легких (VLM) і надлегких (ELM) головок, що випускаються нею, в діапазоні 10 Гц — 25 кГц гарантується з нерівномірністю ±2 дБ. Ці параметри досягаються завдяки надзвичайно малій ефективної масі рухомої системи та великої гнучкості (35*10 -3 - 50*10 -3 м/Н), а також завдяки електродинамічного демпфування, про що було сказано при розгляді конструкції голкотримача.
Головки звукознімачів зі змінним магнітним опором. Головка зі змінним магнітним опором працює на принципі змінного магнітного шунта (її називають також з поляризованою арматурою). Дія голівки наочно представлена на рис. 3. Конструктивно ця головка звукознімача відрізняється від описаних раніше перетворювачів з рухомим магнітом і рухомим елементом магнітом'якого матеріалу. Перша відмінність полягає в тому, що джерело магніторушійної сили і котушки знаходяться в одному й тому ж магнітному ланцюзі.
Мал. 3. Головка звукознімача зі змінним магнітним опором (VMS):
У стані спокою магнітний шунт з магнітом'якого матеріалу поділяє порівну магнітний потік у ланцюгу двох котушок. При зміщенні голки звукознімача магнітний шунт, як це показано на нижній частині малюнка, порушує рівновагу, що була до цього: у верхній гілки щільністьпотоку збільшуватиметься, а в нижній — знижуватиметься. При відповідному з'єднанні двох обмоток напруги складатимуться. І це є другою відмінністю, бо в такий спосіб зрівнюється асиметрія намагнічування магнітом'якого заліза. Спотворення, що виникають внаслідок збільшення густини потоку в одній з обмоток, компенсуються спотвореннями, викликаними зниженням густини потоку в іншій обмотці. В результаті сумарна напруга обох котушок буде точно пропорційна зсуву. Цей «пушпульний» ефект не виникав у двох попередніх типів магнітних перетворювачів, і тому можна довести, що спотворення парних гармонік у них буде дещо більшим. Крім цього, при такому розташуванні котушок менше позначається вплив зовнішніх полів.
Мал. 4. Порівняльні розміри хреста та голкоутримувача:
Звукоснімачі зі змінним магнітним шунтом випускаються датською фірмою «Банг енд Олуфсен», відомою своїми приладами, виконаними із застосуванням останніх досягнень технічної естетики. Так як магнітний шунт виконаний у формі мініатюрного рухомого хреста, показаного на правій стороні малюнка, головки звукознімачів отримали назву ММС. На рис. 4 показані порівняльні розміри хреста та голкотримача, що дозволили на порядок знизити ефективну масу рухомої системи головок з рухомим мікрохрестом.
Цікаве рішення було використано також датською фірмою «Ортофон» при розробці звукознімачів серій F15 та М15 із змінним магнітним зазором. Їх принцип дії ідентичний звикладеним вище, але конструктивне виконання (у середині кільцевого магніту «Ферроксдюр 360» з радіальною намагніченістю рухається трубочка з магіїтом'якого заліза) дає можливість для подальшого зниження рухомої маси. Цікаво, що виміряні спотворення за другою гармонікою 0,27% і третьою гармонікою 0,8% менше відповідних спотворень 0,48 і 0,48% у головок звукознімачів з рухомими котушками фірми «Ортофон», які вважаються одними з кращих серед професійних головок ( рис 5).
Мал. 5. Вид головки звукознімача зі змінним магнітним опором (фірма «Ортофон», Данія)
У торговельній мережі Угорщини зустрічалися головки звукознімачів із змінним магнітним опором типу MS15SD виробництва RFT, НДР із одинарним асиметричним магнітним ланцюгом.
Головки звукознімачів із рухомими котушками. Як уже згадувалося при розгляді головок з рухомим магнітом, з висновків котушки можна зняти напругу, пропорційну зміні потоку, що пронизує її. Виникає думка створити головку звукознімача, в якій котушка рухається у полі постійного магніту. Такі головки відрізняються високою якістю, тому вони знайшли застосування у професійній апаратурі. Їх називають також електродинамічними головками звукознімача. Розроблено та впроваджено численні конструктивні варіанти головок з рухомою котушкою, схема однієї з них представлена на рис. 6. На правій стороні малюнка у збільшеному вигляді показаний спосіб з'єднання витків котушки. Її обмотка рухається у сильному однорідному магнітному полі.
Мал. 6 Динамічна головка звукознімача з рухомими котушками (на правій стороні малюнка у збільшеному вигляді показаний спосіб з'єднання витків котушок):
Застосовуються безкаркасні котушки або котушки з обмоткою на невеликому каркасі із синтетичного матеріалу. Намотування роблять вручну під мікроскопом, іноді на спеціальному верстаті. Кінці обмотувального дроту одночасно є висновками з діаметром 0,025 мм. Внаслідок малого діаметра вони не впливають на коливання голки. При намотуванні котушки мідним проводом хорошої якості побоюватися обриву висновків, що рухаються, не слід, як правило, швидше зношується голка. Більшість виробників самі проводять заміну голки в голкотримачі без торкання тіла котушки. Однак для цього головку звукознімача слід надіслати на завод-виробник. У практиці роботи студій це не є серйозним недоліком, тому що завжди є в наявності відповідна кількість резервних головок.
Для зниження маси рухомої системи можна виготовити обмотку, що складається лише з кількох витків. Наприклад, котушки головок серії OF фірми «Електромістехнік» мають лише 45 витків. Для подальшого зниження маси рухомої системи голкотримачі цих головок виготовлені не зі звичайної фосфористої бронзи, а з титану, що має меншу питому вагу. У згаданих голівках заслуговує на увагу рішення, що дозволяє ззовні, за допомогою гвинта встановлювати значення механічного демпфування, що впливає на амплітудно-частотну характеристику.