Budowa i zasada działania gramofonu

Historia gramofonu rozpoczęła się zbudowaniem przez Thomasa Edisona w 1877r. pierwszego urządzenia do nagrywania i odgrywania dźwięku – tzw. fonografu. Szybki rozwój gramofonu nastąpił około 1925r. z chwilą wprowadzenia elektrycznego sposobu zapisywania. Umożliwił on zmniejszenie wymiarów rolka i zagęszczenie zapisu. Doprowadziło to do skonstruowania długogrającej płyty drobnorowkowej najpierw monofonicznej, a od 1958r. stereofonicznej. W ślad za nim uległ zmianom gramofon. Napęd mechaniczny (sprężynowy) talerza zastąpiono napędem za pomocą silnika elektrycznego. Do odczytywania dźwięku zastosowano adaptery przetwarzające drgania igły na sygnał foniczny. Zmniejszono nacisk igły na płytę i wymiary igły. W latach 60-tych zmodernizowano parametry gramofonu hi-fi. Na początku lat 70-tych wprowadzono zapis kwadrofoniczny w systemach: dyskretnym CD-4 i mierzonych SQ i QS. W 1980r. wprowadzono do produkcji płytę z zapisem cyfrowym, tzn. Compact Disk, oraz urządzenie do jej odczytywania. W kilka lat później firma Teldec, jako pierwsza wprowadziła do produkcji płyty gramofonowej technologię DMM (ang. Direct Metal Mastering).

Zależnie od rodzaju adaptera gramofony dzieli się na: monofoniczne, stereo foniczne i kwadrofoniczne. Istnieje wiele typów gramofonów od prostych do pełni zautomatyzowanych, które mogą występować jako urządzenia profesjonalne lub powszechnego użytku.

Adapter gramofonu jest przetwornikiem, który przemienia drgania igły na sygnał foniczny. W zależności od tego w jaki sposób następuje wytwarzanie napięć elektrycznych w adapterze, rozróżnia się adaptery elektromagnetyczne, magnetoelektryczne i piezoelektryczne. W gramofonach hi-fi stosuje się adaptery elektromagnetyczne z ruchomą kotwicą lub z ruchomym magnesem oraz adaptery magnetoelektryczne z ruchomą cewką.

Adapter monofoniczny elektromagnetyczny z ruchomą kotwicą składa się z nieruchomego magnesu trwałego, nieruchomej cewki oraz ruchomej żelaznej kotwicy zakończonej igłą. Kotwica jest umieszczona w polu magnesu trwałego między nabiegunnikami tak, że może wykonywać ruchy dookoła osi prostopadłej do płaszczyzny rysunku. Ruch kotwicy w polu magnesu trwałego spowodowany drganiami igły, wywołuje zmiany strumienia magnetycznego w kotwicy. Ponieważ kotwica stanowi rdzeń nieruchomej cewki zmiany strumienia magnetycznego przenikającego cewkę indukują w niej napięcie. W położeniu środkowym kotwicy strumień magnetyczny nie przepływa przez cewkę. Przy wychyleniach kotwicy z położenia środkowego strumień magnetyczny przepływa przez cewkę w jednym lub drugim kierunku.

W adapterze stereofonicznym drgania igły spowodowane sfalowaniami obu ścianek przesuwającego się rowka powodują wytworzenie sygnałów w kanale lewym i prawym.

Igła jest jedyną częścią adaptera, która ma kontakt z płytą. Warunki pracy igły są niezwykle trudne. Wierzchołek igły styka się z rowkiem płyty gramofonowej na powierzchni mniejszej niż 10-4 mm2, co przy nacisku igły 0, 03 N oznacza ciśnienie powyżej 0, 3 * 109 Pa. Przy tak dużym ciśnieniu każda chropowatość i nieregularność wierzchołka igły może uszkodzić płytę. Dlatego wierzchołek igły ma bardzo gładko wypolerowaną powierzchnię i jest wykonany z twardego materiału. W gramofonach hi-fi stosuje się adaptery z ostrzami diamentowymi. Trwałość igły diamentowej przy starannej eksploatacji wynosi około 1000 godzin pracy. Duże ciśnienie igły na płytę sprawia, że sfalowania ścianek rowka pod naciskiem igły ulega wygładzeniu lub odkształceniu co zmniejsza amplitudę wychyleń wierzchołka igły. Zjawisko występuje szczególnie na dużych częstotliwościach przy małych spiralach zapisu i powoduje spadek tonów wysokich oraz zniekształcenia nieliniowe odczytywania. W adapterach od dawna stosuje się igły o kołowym przekroju poprzecznym wierzchołka, tzw. igły sferyczne. Igła sferyczna ma bardzo małą powierzchnię styku ze ściankami rowka, wywiera zatem duże ciśnienie. Aby poprawić odczytywanie tonów wysokich, opracowano igły o specjalnych kształtach. Zwiększają one powierzchnię styku igły z rowkiem, oraz zbliżają kształt wierzchołka igły do kształtu rylca głowicy zapisującej. Najbardziej popularne są igły eliptyczne i igły Shibata.

Zadaniem ramienia jest takie podtrzymywanie adaptera, aby igła miała stały kontakt z obu ścianami rowka. W tym celu igła wywiera na płytę siłę pionową, zwaną naciskiem igły. Potrzebny do prawidłowego działania adaptera nacisk igły na powierzchnię płyty dla gramofonów hi-fi powinien mieć wartość 0, 01 N do 0, 03 N. Mały nacisk igły na płytę wymaga zmniejszenia niepożądanych sił bocznych, które działają na igłę w rowku. Siły te są spowodowane tarciem igły w rowku, tarciem w łożyskach ramienia oraz bezwładnością i niewyważeniem ramienia. Z takiego względu w gramofonach hi-fi stosuje się ramiona lekkie, o małych oporach łożyskowania, dobrze wyważone w płaszczyźnie poziomej i pionowej. Adapter powinien być tak prowadzony nad powierzchnią płyty, aby kierunek drgań igły pokrywał się z kierunkiem drgań rylca przy zapisywaniu płyty.

Mechanizm obracający płytę. Talerze gramofonów muszą się obracać dokładnie z taką samą prędkością obrotową z jaką są nagrane płyty tj. 78, 45, 33 13 i 16 23 obrotów na minutę. Talerz jest ułożyskowany w metalowej płycie stanowiącej podstawę mechanizmu tak, że może się swobodnie obracać. Wraz z talerzem obraca się nałożona na niego płyta, dzięki tarciu między nią a talerzem. Aby zwiększyć to tarcie powietrza talerza jest pokryta gumą. Talerz działa równocześnie jako koło zamachowe wyrównując krótkotrwałe wahania prędkości obrotowej. Talerz jest obracany za pomocą silnika elektrycznego. Przy odczytywaniu siły napędzające talerz są znacznie mniejsze niż przy zapisywaniu. Chodzi głównie o pokonanie siły tarcia igły w rowku. W tym przypadku wystarczą słabsze silniki o mocy do 5W. Silniki elektryczne powinny charakteryzować się specjalnie małym rozproszeniem magnetycznym, gdyż pola elektromagnetyczne rozproszenia indukują napięcia zakłócające w adapterach elektromagnetycznych i magnetoelektrycznych. Mały poziom zakłóceń jest szczególnie ważny w adapterach wysokiej jakości ze względu na ich mały poziom wyjściowy sygnału. Z tego powodu nawet najlepsze silniki prądu przemiennego – asynchronicznym lub synchronicznym. Przy dużych wymaganiach odnośne stabilności prędkości obrotowej (+- 0, 2%) i przy napędzie talerza silnikiem prądu stałego stosuje się elektroniczną stabilizację i zmianę obrotów talerza. Silnik napędza talerz za pośrednictwem przekładni mechanicznych złożonych z kółek pośredniczących lub paska. Przy napędzie talerza za pomocą kółek pośredniczących, do wewnętrznego obrzeża talerza dociska kółko o ogumieniu obrzeżu. Z drugiej strony kółka dociskowego, przylega do niego wałek silnika. W ten sposób szybkie obroty silnika przenoszą się na talerz. Przez dobranie średnicy wałka silnika można uzyskać odpowiednią prędkość obrotową talerza. W gramofonach dysponujących trzema lub czterema prędkościami obrotowymi, stosuje się kółka pośredniczące o różnej średnicy. Kółka zamocowane są na płytce. Przez obrócenie tej płytki o pewien kąt, wałek silnika łączy się poprzez kółka pośredniczące o różnej średnicy z wałkiem napędowym obracającym talerz. Stosuje się również, zamiast wielu kółek pośredniczących, pojedyncze wielostopniowe kółko osadzone bezpośrednio na wałku silnika. Przejście z jednej prędkości obrotowej na drugą następuje przez przesunięcie silnika, tak aby kółko stykało się z obrzeżem talerza na różnych średnicach kółka wielostopniowego. Największą równość obrotów talerza bez wibracji i drżeń zapewnia napęd za pomocą paska z gumy lub z neoprenu na zewnętrznym obrzeżu talerza. Mechanizm napędu talerza jest wyposażony w samoczynny wyłącznik silnika elektrycznego. Do ramienia adaptera jest przymocowany pod płytą mechanizmu przesłona przekaźnika fotoelektrycznego lub kontaktron wyłącznika sieciowego silnika. Gdy ramię z adapterem zostanie wychylone na zewnątrz płyty, silnik zaczyna się obracać. Gdy adapter znajduje się w końcowym rowku płyty, następuje automatyczne wyłączenie silnika.