Zgodnie z planem przystępujemy do krótkiego i mocno uproszczonego opisu działania ramion gramofonowych

Co o ramieniu wiedzieć trzeba

Najpierw popatrzmy przez chwilę jak powstaje płyta gramofonowa. W momencie, kiedy ze studia nagraniowego wyjdzie ostateczna forma utworu, trzeba ją mechaniczne zapisać i tu mamy do czynienia z „obrabiarką”, która frezuje wzorcowy rowek. Nie wnikając w dalsze fazy procesu produkcji płyty zastanówmy się nad konsekwencjami jakie wynikają z technologii tegoż „frezowania” Najlepiej byłoby odczytywać płytę mechanizmem o takiej samej geometrii jak głowica nacinająca. Ta zaś poruszana jest przez serwomechanizm w sposób styczny do nacinanego rowka. Mamy więc zapis tangencjalny, a to oznacza, że odczyt też powinien się tak odbywać. Czy jest to rozwiązanie idealne ? Teoretycznie tak.
Realizacja takiego ramienia nastręcza jednak sporych trudności technicznych. Trzeba by rozważyć dwie możliwości. Albo mechanizm będzie miał na tyle małe opory, że wkładka w rowku, bez patologicznego obciążania igły siłą boczną, będzie się przemieszczać stycznie do rowka albo trzeba będzie zastosować jakiś mechanizm, który jej w tym pomoże.
Rozwiązanie pierwsze, to zwykle łożysko pneumatyczne minimalizujące opory ruchu, choć można sobie tu wyobrazić także inne rozwiązania np. poduszkę magnetyczną. Tak czy inaczej brzmi to miło, ale wygląda kosztownie. Drugie rozwiązanie mogłoby wyglądać następująco.
Mamy de facto dwa ramiona. Jedno z nich ma możliwość przesuwania się na prowadnicach i jest napędzane (przez linkę, śrubę, silnik liniowy) pod nim wisi drugie ramie, które ma możliwość obrotu w niewielkim zakresie. Równoległość ramion pozostaje pod nadzorem układu sterującego. Jeśli na skutek postępu odczytu ramię przekosi się w stosunku do tylnego końca, to tylny koniec przesunie się, aby przywrócić równoległość ramion. I tak aż do końca płyty. Tu trzeba niestety postawić pytanie: Ile zakłóceń do procesu odczytu wniesie fakt, że tył ramienia się porusza i czy w związku z tym per saldo poprawia to jakość odtwarzanego dźwięku czy nie.
Można jeszcze wspomnieć, że na ramiona tangecjalne skazane są gramofony odtwarzające płyty w pozycji pionowej. Jest jeszcze Transcriptor Transcriber, w którym pod nieruchoma wkładką przmieszcza się talerz. Można by zaryzykować twierdzenie, że Transcriber to jedyny gramofon, który nie ma ramienia. Tę konstrukcję widzę jako żart techniczny, bardzo wysokiego lotu ale jednak żart.
Jakby na to nie patrzeć ramię tangencjalne to rozwiązanie skomplikowane, a realne korzyści z jego zastosowania mogą okazać się wątpliwe.
Dlatego ramiona o ruchu obrotowym stanowią zdecydowaną większość rozwiązań stosowanych w gramofonach, a ramiona tangencjalne, to mimo wszystko raczej egzotyka i ekstrawagancja techniczna. Ramię obrotowe ma w sobie wadę wynikającą z jego zasady działania. Otóż, jeśli geometria ustawienia w układzie talerz ramię wkładka jest prawidłowa, to ramie takie jest styczne do płyty tylko w dwu punktach. W pozostałym zakresie odczytywanego pola ramię poruszające się po łuku, a nie po promieniu płyty, wykazuje błąd ustawienia kątowego (tracking terror).

Jakie są konsekwencje takiego faktu ? No mniej więcej takie jak w przypadku oglądania (czy lepiej fotografowania) płaskiego obrazu z pozycji na wprost i pod kątem. Można w literaturze znaleźć ścisłe zależności mówiące o ilości zniekształceń harmonicznych w funkcji błędu kątowego ustawienia ramienia, czy błędu śledzenia jak kto woli. Oczywiste jest, że im dłuższe ramię tym ten błąd będzie mniejszy. Czy zatem ramię powinno mieć 1 m długości ? Chyba nie….
Ramię jako belka zamocowana wahliwie w swoim nieruchomym końcu a niosąca wkładkę na drugim musi mieć określoną sztywność, dzięki czemu jej skłonność do odkształceń będzie mniejsza. Mniej też będzie drgań o dużych amplitudach, które mogą koloryzować dźwięk.
Nie trzeba nikogo przekonywać, że przy znacznej długości stosownej sztywności będzie towarzyszył także większy ciężar. Zatem wymiary ramienia są kompromisem pomiędzy masą, sztywnością i długością czynną. Jaki jest wynik tego kompromisu ? Taki, że najdłuższe ramiona jakie można spotkać w przyrodzie to 16 cali i będą to konstrukcje mocno już historyczne, 12 cali to standard przyjęty jako ramiona profesjonalne czy jak kto woli studyjne.

W konstrukcjach powszechnego użytku zwykle ramię ma długość rzadko mniejszą niż 9 cali i raczej nigdy nie przekracza 10 cali. Jest tak dlatego, że standardowe gramofony, dostępne w wersji bez ramienia nie pozwolą na zainstalowanie dłuższego ramienia niż 10 cali.
Jeśli zatem założy się określoną długość czynną, to, aby spełnić kryterium minimalizacji błędu śledzenia pozostałe wymiary czyli odległość oś ramienia (pionowa) – środek talerza i kąt odchylenia wkładki wynikają z obliczeń. Oczywiście można znaleźć różne sposoby obliczeń i różne kryteria optymalizacji, ale ostateczne wyniki i tak różnią się niewiele. Te założenia obliczeniowe są zawsze zaklęte w tekturowym szablonie służącym do ustawiania ramienia dostarczanym przez producenta ramienia.
Nieruchomy koniec ramienia musi być zamocowany w przegubie, który zapewnia „dwa stopnie swobody” czyli możliwość obrotu w celu przemieszczania się od brzegu ku środkowi płyty i możliwość unoszenia się i opuszczania chociażby w celu umożliwienia odczytu płyty pofalowanej (każda płyta jest mniej lub bardziej pofalowana).
Ponieważ wymagamy ruchu w dwu płaszczyznach to zwykle mamy dwa oddzielne łożyskowania ramienia oddzielne dla osi pionowej i poziomej.
Łożyskowanie w osi pionowej to zwykle łożyskowanie toczne lub mieszane jedno łożysko toczne i jedno typu ostrzowego, choć łatwo sobie wyobrazić także dwa łożyska ostrzowe.
Łożyskowanie w osi poziomej to zwykle dwa łożyska ostrzowe, choć występuje, co najmniej kilka rozwiązań, gdzie są to dwa łożyska toczne.
To są rozwiązania typowe obejmujące znakomita większość ramion. Ich poprawne działanie to praca bez luzu ale i bez oporu.
Jeśli zatem wykorzystano łożyska toczne to kluczowe jest ich osadzenie i mimo wszystko jakaś możliwość kompensacji luzu. Czasem wykonanie takiego łożyskowania jest na tyle trudne, że producent pomaga sobie jakimś elementem z tworzywa, którego odkształcenie pozwala na kompensacje niedoskonałości wykonania elementów. Łożyskowanie z wykorzystaniem ostrzy, to osadzenie stożkowego „kolca” w panewce.

Panewka musi być wykonana z czegoś twardego i nie zużywającego się – to trochę zagadnienie osi w zegarkach łożyskowanych na „kamieniach”. Konkurencyjnym rozwiązaniem jest posadowienie ostrza w wianku złożonym z kilku kulek. Wtedy ostrze nie musi już być tak „ostre” choć nadal powinno być przyzwoicie twarde. Inne rozwiązania np. łożyskowania na pojedynczych kulkach (Thorens TP 13) można obecnie potraktować jako mocno nietypowe.
Łożyskowanie względem osi poziomej może być także zrealizowane na pryzmach (SME).
W tym rozwiązaniu o brak luzu dba grawitacja, ramię ma jednak więcej stopni swobody, bo połączenie na pryzmach jest „luźne” jeśli chodzi o ruch ramienia „w górę”, co może się nie podobać ortodoksyjnym zwolennikom sztywności.
Jeszcze krok dalej idą ramiona typu unipivot, czyli punktowo zawieszone w jednym punkcie.
To niewątpliwie najtańsze i najprostsze rozwiązanie, choć przy starannym wykonaniu może trafić do elitarnego klubu najlepszych ramion. Techniczna realizacja tego pomysłu to zwykle igła (kolec) stojący ostrzem ku górze, na którym leży odpowiednio wykonana panewka połączona z rurką ramienia. Takie ramię także trzyma się razem dzięki grawitacji i nie dość, że może się swobodnie poruszać ku górze to jeszcze, może się kołysać w płaszczyznach innych niż ta pożądana czyli pionowa leżąca w osi ramienia. Te niepożądane ruchy trzeba jakoś ograniczyć. Robi się to zwykle przez obniżenie środka ciężkości przegubu ramienia zdecydowanie poniżej końca ostrza stanowiącego łożysko, zwiększenia momentu bezwładności ramienia w płaszczyźnie poprzecznej do ruchu (dodatkowe przeciwwagi, które jednocześnie umożliwiają poziomowanie „boczne” ramienia i wreszcie zawsze jakiś tłumik hydrauliczny czyli element związany z ramieniem zamoczony w „wanience” z gęstym silikonem zamocowanej do podstawy ramienia. Ramiona tego typu zawsze cierpią na jakieś problemy związane z wyprowadzeniem przewodów, aby bowiem zostały one przeprowadzone klasycznie ku dołowi to muszą przejść przez wanienkę z silikonem, co zwykle kończy się jakimiś wyciekami tegoż.
W pewnym sensie ramieniem unipivot jest też jedyna w swoim rodzaju konstrukcja ramion Well Tempered Arm tyle, że ramię zamiast wisieć na ostrzu wisi na dwu „nitkach” natomiast solidna wanienka z silikonem jest podstawowym elementem dającym stabilność konstrukcji. Jednak powtarzam, w sensie ilości stopni swobody mimo braku pivota jest to unipivot.

Proszę zwrócić uwagę, że cały czas mowa o łożyskowaniu w osi pionowej i poziomej a tak wcale być nie musi… Wystarczy, aby były dwie osie umożliwiające obrót i położone ukośnie np. pod kątem 45 stopni względem pionu. Takie ramiona występują w praktyce np. Connoisseur Sugden SAU2
Wreszcie ramie może mieć inną długość czynną w osi pionowej i poziomej i mogą się one różnić znacznie (Dynavector) lub nieznacznie (Syrinx). W pierwszy przypadku różnica jest z założenia w drugim przypadku wynika ze względów konstrukcyjnych.
Do tej pory udało się nam dokonać przeglądu technicznych rozwiązań przegubu ramienia i powiedzieć trochę na temat geometrii ramienia w płaszczyźnie płyty.
Co do prawidłowości ustawienia w innych płaszczyznach to jeśli tylko rurka ramienia przebiega poziomi to oznacza, że wysokość mocowania ramienia względem talerza jest prawidłowa. Pozostaje jeszcze kwestia prostopadłości igły do płyty w płaszczyźnie prostopadłej do osi ramienia. Wystarczająco skutecznie można to wyregulować stawiając igłę na lusterku i starając się aby leżała prosto w stosunku do swojego lustrzanego odbicia.
Teraz zauważymy (teatralnie), że na drugi końcu ramienia jest wkładka.
Bez wnikania w szczegóły budowy wkładki wrócimy do zasady działania płyty gramofonowej. Wkładka ma odczytywać drgania i zmieniać je na sygnał elektryczny.
Oznacza to, że ramię jest układem drgającym i jako taki musi podlegać wszystkim prawom opisujący tego typu zjawiska. Dla dalszych rozważań potrzebne będą nam dwa pojęcia podstawowe.

Najprostszy układ drgający, to masa wisząca na sprężynie. Wychylona z położenia równowagi zaczyna drgać z określoną częstotliwością. Ta częstotliwość jest cechą charakterystyczną układu drgającego i jest określana jako częstotliwość drgań własnych.
Mówiąc trywialnie jest to częstotliwość jaką dany układ lubi najbardziej. Częstotliwość ta zależy od dwu parametrów układu: sztywności sprężyny i wielkości wiszącej na niej masy. Większa masa - to mniejsza częstotliwość, a większa sztywność - to większa częstotliwość.
Drugie pojęcie to pojęcie rezonansu. Jeżeli nasze drgania są okresowo wymuszane to amplituda drgań zależy od zgodności częstotliwości tego wymuszenia z częstotliwością drgań własnych. Jeśli są idealnie zgodne to mamy do czynienia z rezonansem. Jest to zjawisko w elektroakustyce szkodliwe i zwykle staramy się go unikać, a przynajmniej staramy się je kontrolować. Gdy wystąpi rezonans, drgania osiągają bardzo duże, a w teorii nieskończenie duże amplitudy. Stanowszy teraz na tym fundamencie teoretycznym możemy przyjrzeć się jeszcze raz układowi wkładka – ramię.

Bez wnikania w parametry elektryczne popatrzmy na parametry MECHANICZNE wkładki.
Okazuje się, że są dwa masa wkładki i jej podatność. Wygląda znajomo…, a podatność to po prostu odwrotność sztywności. Mamy więc masę, która drga na sprężynie, którą jest sztywność igły. Obliczymy częstotliwość drgań własnych ? Jeszcze nie, bowiem wkładka owszem drga, ale nie sama. Co zatem jeszcze bierze w tym udział ? Oczywiście ramię.
Tu sytuacja nie jest już taka prosta, ale zastosowawszy szereg uproszczeń damy sobie radę i z tym. Ramię jest z punktu widzenia mechaniki elementem, który porusza się ruchem obrotowym. Jego bezwładność charakteryzuje zatem nie masa, lecz moment bezwładności.
Możemy jednak zastąpić ramię o określonym momencie bezwładności nic nie ważącym prętem na końcu, którego (czyli w odległości od osi obrotu równej czynnej długości ramienia) znajduje się masa. Jeśli moment bezwładności fizycznie istniejącego ramienia i naszego układu zastępczego będzie taki sam to ich własności z punktu widzenia mechaniki będą takie same. Ta zaś masa sztucznie zdefiniowana to nic innego jak masa efektywna ramienia.
To jest parametr, który odróżnia ramię „ciężkie” od „lekkiego” i nie ma nic wspólnego z naciskiem na igłę zwykle regulowanym przy pomocy przeciwwagi.
Dopiero teraz możemy określić częstotliwość drgań własnych układu ramię – wkładka.
Masa, która bierze udział w zjawisku drgań, to suma mas wkładki i masy efektywnej ramienia.
Po co to wszystko ? Częstotliwość ta musi się mieścić w określonych granicach czyli 10-12 Hz w przeciwnym wypadku praca wkładki nie będzie przebiegała prawidłowo.
To bardzo ważny element i należy go brać pod uwagę przy doborze wkładki do ramienia i vice versa. W technice gramofonowej różne były na ten temat poglądy i różne trendy, były więc ramiona ultra low mass gdzie minimalizowano masę efektywną, towarzyszyły im także bardzo lekkie wkładki np. krótko występująca w przyrodzie seria Ortofon LM.
Ramiona bardzo lekkie okazały się mało sztywne, więc na ogół towarzyszyły im jakieś układy tłumienia drgań, zwykle hydrauliczne co było (i jest) dość kłopotliwe w użytkowaniu.
Mnie osobiście ten okres bardzo się podoba, a konstrukcje z tych lat charakteryzuje swoiste piękno np. Infinity Black Widow. Potem nastąpił trend ramion niezwykle sztywnych z rurkami większyć średnic lub wręcz stożkowymi. Możemy tu na chwilę wrócić do zagadnienia ramion o większych długościach widać bowiem wyraźnie, że ich masy efektywne są większe co wyklucza stosowanie „miękkich” wkładek. No, ale one były projektowane z myślą o zastosowaniach profesjonalnych, gdzie pracuje się na sztywnych wkładkach i większych naciskach. Można by rzec, że w ten sposób przyspiesza się zużycie płyt, to prawda, ale czy z punktu widzenia rozgłośni radiowej ma to jakiekolwiek znaczenie ?
Podobnie można spojrzeć na rozważania, czy ramie powinno być proste czy wygięte.

Abstrahując od wyrównoważenia w płaszczyźnie poprzecznej do osi ramienia, widać, że ramię gięte ma po prostu większą masę efektywną. Zwolennicy powiedzą, że za to można szybko i wygodnie wymieniać wkładki. To prawda, ale dodatkowe złącze, jeszcze bardziej zwiększa masę czynna i zmniejsza sztywność ramienia. Próbowano z tym walczyć stosując wymienne rurki wraz ze stolikiem (przesuwając złącze bliżej osi obrotu zmniejsza się moment bezwładności ramienia), ale rozwiązanie to było zawsze kosztowne i ograniczone w ramach jednego typu ramienia lub co najwyżej w ramach jednego producenta.
Tak czy inaczej trend lekkich ramion zakończył się, a wkładki Ortofon Low Mass zastąpiono takimi samymi, ale Ortofon Optoinal Mass czyli LM z obciążnikiem, co utrzymało się do dziś. Czy częstotliwość drgań własnych istniejącego układu wkładka – ramie można jakoś korygować. Zgodnie z prawami podanymi we wstępie teoretycznym rezonans obniży zwiększenie masy czynnej ramienia. Odwrotnie aby go podwyższyć częstotliwość rezonansu trzeba byłoby obniżyć masę czyli np. zastosować lżejszy stolik (headshell) tam, gdzie to możliwe. Można by także zwiększyć sztywność - zwiększenie sztywności to np. wkładki o miękkiej igle, ale wyposażone w pędzelek. Odpowiada to masie na dwu sprężynkach równoległych, z których jedna to igła, a druga to pędzelek. Jak więc widać to zagadnienie wymaga chwili zastanowienia i wyraźnie pokazuje, że nie każda wkładka może współpracować z każdym ramieniem i vice versa. Ostatecznie prawidłowość dokonanego wyboru może potwierdzić (lub wykluczyć) dokonanie pomiaru z wykorzystaniem płyty testowej.

Dla prawidłowej pracy wkładki w ramieniu powinna ona naciskać na płytę z określona siłą. Nacisk ten ustawiany jest zwykle przy pomocy przeciwwagi odpowiednio wyskalowanej. Można też spotkać konstrukcje, w których nacisk reguluje się przy pomocy napięcia sprężyny. To drugie rozwiązanie jest zdecydowanie gorsze, bowiem nacisk przede wszystkim nie jest stały, co w przypadku pofalowanej płyty może powodować jej lokalne przyspieszone zużycie.
Ponadto zastosowawszy ramię obrotowe, a nie tangencjalne musimy wkładkę ustawić pod pewnym kątem powoduje to powstawanie szkodliwej „składowej dośrodkowej siły poślizgu” Dlatego ramie gramofonowe powinno być wyposażone w układ, który to szkodliwe działanie kompensuje. Innymi słowy potrzebujemy „układu kompensacji składowej dośrodkowej siły poślizgu” I tu po raz drugi sprzeniewierzymy się polskiemu językowi i będziemy się posługiwać nazwa angielską „antiskating”.
Generalnie jest kilka metod realizacji antiskatingu: sprężyna, ciężarek na lince lub odpowiedni układ magnesów.
Można zadać sobie trud i spróbować analitycznie określić, co tak naprawdę realizują te układy (mam tu na myśli moment działający na ramię w funkcji położenia względem środka płyty). Generalnie wniosek jest taki, że realizują jakąś funkcję, ale w każdym ramieniu może mieć ona inny przebieg, może rosnąć wraz ze zbliżaniem się do środka płyty, ale może także maleć. Najlepszą metodą regulacji siły nacisku ramienia i wielkości antiskatingu jest wykorzystanie płyty testowej. Wszystkie płyty zawierają dość podobny zestaw testów, więc użytkownik może sobie wybrać wedle woli. Instrukcje wykonania testów zamieszczone są na płytach…

Jak zatem widać kwestia odczytu dźwięku zapisanego na płycie analogowej daje się rozłożyć na szereg prostych zagadnień mechanicznych, taka jest bowiem natura tego procesu.
Podobne zagadnienia dotyczą zresztą kolumn głośnikowych. I tak długo jak długo ludzie odbierają dźwięki jako mechaniczne drgania powietrza nie da się uciec od prostych praw mechaniki.
Technologia elektroniczna nic do tego nie ma i będzie tak jeszcze tak długo dopóki dźwięk odbiera się uchem, a nie elektrodą wszczepioną w odpowiednią część mózgu. Kto wie może to byłoby rozwiązanie wreszcie eliminujące brutalne ingerencje sąsiadów w świat dźwięków melomanów, którzy zbyt głośno słuchają muzyki.