Tytuł nawiązuje do klasycznej książki Adama Słodowego dotyczącej samochodów. A to dlatego, że do publikacji tego typu chciałbym nawiązać komunikatywnością. Powody zasadniczo są dwa: mianowicie płynność poruszania się obecnych melomanów w świecie nauk ścisłych jest coraz słabsza, a po drugie decydujący powinien pozostać chyba sens praktyczny tych rozważań. Nie chciałbym także, aby nadmierną ścisłością rozważań utrudniać w jakiś sposób zrozumienie zagadnienia.
Zacznijmy zatem od istoty rzeczy, czyli tego, że dźwięk na płycie gramofonowej stanowi mechaniczny zapis drgań, które ma „odczytać” gramofon. W najprostszej formie dźwięk ten odczyta dowolne ostrze, któremu pozostawi się na tyle swobody, aby mogło drgać. Tomas Edison i jego bezpośredni następca Graham Bell używali zwykłych igieł (podobno także roślinnego pochodzenia) w celu zarówno zapisu, jak i odczytu dźwięku.
Dźwięk ten, słaby i zniekształcony, należało jakoś wzmocnić, co na etapie pionierskim gwarantowała przymocowana do igły membrana i odpowiednio wyprofilowana tuba.
Taki gramofon byłby zatem odpowiednikiem instrumentu akustycznego, gdzie dźwięk w czystej formie wzmacniany jest czysto akustycznie. Po jakimś czasie gramofon tego typu wyczerpał swoje możliwości i trzeba było sygnał wzmocnić elektrycznie.
Niezależnie jednak od wyrafinowania świata elektryczności i elektroniki zapis nadal pozostał taki sam, co do swojej istoty, znormalizował się jedynie, co do konkretnych prędkości obrotu płyty i jej fizycznych rozmiarów.
Jeśli zatem odtwarzanie dźwięku z gramofonu rozłożymy na cześć mechaniczną i elektryczną, to naszym instrumentem odczytującym jest ramię gramofonu wyposażone w igłę.
Ponieważ źródłem dźwięku jest płyta (pomińmy wałek, na którym zapisywał Edison), to siłą rzeczy musi się ona obracać (a przynajmniej tak załóżmy). W pradziejach gramofonu napęd mógł być czysto mechaniczny np. nakręcany. A wraz z nim pojawiał się problem stabilizacji prędkości w miarę słabnącej sprężyny, ale w końcu podobnie jest w zegarkach i jakoś ludzkość sobie z tym dala radę… Wprowadzając do naszych rozważań elektryczność zobaczymy, że w gramofonie będzie służyła do stabilnego obracania płyty (talerza).

Ten wstęp pozwala na rozłożenie gramofonu na elementy składowe, a rodzaje tych elementów pozwolą na sprawne poklasyfikowanie gramofonów. Bez problemu zorientujemy się też jakie są wady i zalety poszczególnych rozwiązań, czyli mówiąc praktycznie, jakie będą zarówno zalety jak i mankamenty gramofonu, z którego zdecydujemy się korzystać.
Podzielmy zatem gramofon wstępnie na dwie części: napęd, to znaczy talerz z silnikiem, i układ odczytu, czyli ramię z wkładką (przetwornikiem, adapterem). Zacznijmy od napędu. Jego zadaniem jest zapewnienie płycie stałej dokładnie określonej prędkości obrotowej. Do realizacji tego celu wystarczy, aby talerz gramofonu obracał się z określoną stałą prędkością. Ponieważ wiemy, że zapis na tradycyjnej płycie jest zapisem mechanicznym, który ma wymusić drgania elementu odczytującego, czyli igły, musimy sobie uświadomić, że pozbawiona inteligencji igła będzie czytała WSZYSTKIE drgania, w tym także te niepożądane. Źródłem tych drgań będzie także mechanizm napędowy.
Ponadto podczas odtwarzania muzyki zacznie ona nieuchronnie płynąć z głośników. Głośniki wymuszają drgania powietrza, za pomocą przetworników, które są także układami drgającymi. Drgania te będą oddziaływać na gramofon zarówno przez powietrze jak i przez podłoże. Oznacza to konieczność izolacji ramienia od niepożądanego wpływu drgań. A zatem nasz napęd to nie tylko silnik i talerz, ale także cały system odizolowania się od drgań. Ta izolacja to drugie zadanie jakie ma spełniać „napęd” gramofonu.

Spróbujmy zatem zobaczyć jak realizowane są stawiane napędowi zadania. Najpierw proponuje rozważyć zagadnienia związane ze stabilną prędkością obrotową. Płyta gramofonowa ma się obracać ze stałą konkretną prędkością kątową. Stabilność uzyskanej prędkości musi polegać na bilansie energii, gdzie z jednej strony mamy opory ruchu talerza, a z drugiej energię dostarczaną przez silnik (układ napędowy). Trzeba więc dostarczać energii nie tylko w odpowiedniej ilości, ale także w odpowiednim momencie. Przyjrzyjmy się oporom ruchu. Składają się one z dwu składników. Jeden, stały, wynika z oporów w łożysku talerza. Można spokojnie założyć, że wartość tego momentu oporu jest stała, chociaż łożysko się zużywa, smar starzeje etc. Stała wartość jest łatwa do zbilansowania. Drugi czynnik, to opór stawiany przez ramię, które odczytując płytę, można powiedzieć, hamuje ją. Ten opór jest trudny do zdefiniowania, bowiem zależy od tego, co akurat na danej płycie nagrano. Tak czy inaczej sygnały o dużej sile, np. bębny czy gwałtowne skoki głośności, powodują gwałtowną zmianę oporów ruchu. Trochę to przypomina sytuację samochodu, który chciałby zachować stałą prędkość, ale narażony jest na zmienne i nieprzewidywalne podmuchy wiatru. Utrzymanie stałej prędkości będzie w takich warunkach trudne.

Najprostszym sposobem w jaki można sobie poradzić z tym zjawiskiem w gramofonie jest wyposażenie go w talerz o odpowiednio dużej masie, a ściślej mówiąc: dużym momencie bezwładności. Moment bezwładności talerza (walca) zależy od masy i średnicy (średnic) w drugiej potędze. Jeśli dodatkowo uwzględni się fakt, że także masa zależy od średnicy w drugiej potędze, to wyjdzie na to, że moment bezwładności talerza zależy od gęstości materiału, z którego go wykonano i średnicy w czwartej potędze. Czyli, że talerz średnicy 330 mm może, przy tej samej bezwładności, mieć grubość prawie o połowę mniejszą niż tradycyjny 300-milimertowy.
Pokazuje to w jakich granicach mogą się poruszać projektanci chcąc uzyskać konstrukcję lekką z wyglądu. Odpowiednio duży i ciężki talerz spowoduje, że w zasadzie zmienny składnik jego oporów ruchu będzie można pominąć. Wracając do przykładu z samochodem – jeśli będzie odpowiednio ciężki i rozpędzony, to lekkie podmuchy wiatru nie zrobią na nim wrażenia, a kierowca zmian prędkości w ogóle nie zauważy.
Czy można to zrobić inaczej? - Oczywiście tak…
Wyobraźmy sobie, że talerz jest lekki, a my na bieżąco reagujemy na chwilowe zmiany obciążenia. Będzie to oznaczać bezustanne nadganianie lub przyhamowywanie, w rezultacie czego prędkość w małym zakresie będzie się cały czas zmieniać, co niekoniecznie musi być przyjemne dla ucha. Taka obserwacja prędkości i reagowanie na bieżąco musi się odbywać z pewnym opóźnieniem, bo nie możemy dostarczać energii na zapas; ten byłby bowiem zużywany na uzyskanie przyspieszenia, o czym od około 350 lat przekonuje nas Izaak Newton. Wracając do samochodowych analogii byłby to, w pewnym sensie układ, „cruise control”, czyli automat utrzymujący stałą prędkość jazdy.

Wiedząc, jakie założenie trzeba zrealizować można przystąpić do przeglądu występujących rozwiązań technicznych. Skąd brać energię do napędu talerza? – Tak, tak - z silnika elektrycznego. Choć, na upartego, można by myśleć np. o napędzie hydraulicznym… Jeśli zatem silnik elektryczny, to jaki? Tak naprawdę, to wygodniej będzie rozpatrywać cały układ napędowy, nie tylko silnik. Aby wyrobić sobie ogląd sytuacji popatrzmy na temat historycznie. Aby nie sięgać zbyt głęboko to zacznijmy od wyrobów klasy hi-fi. W starych, acz szlachetnych rozwiązaniach taki napęd składał się z asynchronicznego silnika prądu zmiennego, z którego osi za pośrednictwem rolki był napędzany talerz. Czasem taki napęd bywa, o zgrozo!, nazywany „idlerowym”, co świadczy o stale spadającym zasobie słów jaki posługują się „audiofile”. Problem prawidłowego nazewnictwa technicznego jest zresztą zagadnieniem samym w sobie… W latach świetności tych rozwiązań, projektanci byli na nie skazani, ze względu na raczkującą dopiero elektronikę. Silniki synchroniczne lub asynchroniczne dla stałej liczby biegunów miały tylko jedną prędkość, zależną od częstotliwości sieci (czyli 50 lub 60 Hz). Silniki asynchroniczne charakteryzuje zawsze jakiś poślizg w stosunku do wzorcowej częstotliwości, dlatego ich prędkość obrotowa jest zwykle mniejsza niż wynika to z podzielenia 3000 o/min przez ilość par biegunów i jest to, np. przy czterech biegunach, 1380 zamiast 1500.

Silnik synchroniczny typu stosowanego w gramofonach ma wirnik z magnesami trwałymi, a jego prędkość nie jest zmniejszona o poślizg. Regulacja elektroniczna przy wysokim napięciu zasilania nie jest taka prosta.
Aby zatem talerz miał określoną prędkość i możliwość jej regulacji w pewnym zakresie, trzeba było zastosować regulację MECHANICZNĄ. Najłatwiej uzyskać to można wtedy, gdy rolka napędowa na silniku będzie miała kształt stożka, po którym porusza się rolka napędowa talerza.
W takich rozwiązaniach trudno się odizolować od drgań silnika, który na domiar złego jest zwykle szybkoobrotowy. Rolka musi być dociskana do talerza, a to powoduje dodatkowy „hałas”. Najświetniejszy gramofon tego typu, jaki przeszedł mi przez ręce to Thorens TD124, a widząc jakim dziś cieszy się uznaniem, szczerze żałuję, że się go pozbyłem… Najpopularniejszy do dziś, występujący na wtórnym rynku, to chyba Lenco GL 75, a krajowy reprezentant to pierwszy polski gramofon klasy hi-fi czyli, G600 choć później pierwsze wersje Fonomastera też, o ile dobrze pamiętam, miały napęd tego rodzaju. Czasem występował w napędzie dodatkowy pasek napędowy, ale z napędem paskowym („belt drive”) nie ma to nic wspólnego. To trudne mechanicznie rozwiązanie, więc raczej już się nie odrodzi, elementem który się starzeje jest rolka napędowa i ewentualni rolki pośrednie… Do odpowiedzi na pytanie skąd wiadomo, że talerz ma właściwą zadaną prędkość jeszcze powrócimy.

Następną generacją napędu jest napęd paskiem. Do tego napędu są używane silniki asynchroniczne prądu zmiennego (patrz wyżej) silniki synchroniczne lub silniki prądu stałego. Przypominam, że mówmy tutaj o szczególnym zastosowaniu silników, jakim jest napęd gramofonu (zwykle moc to kilka – kilkanaście watów), a nie o typowych silnikach średniej mocy, dla których teoria jest nieco inna. W przypadku tego pierwszego mamy silnik szybkoobrotowy obracający się tak, jak „każe” mu sieć energetyczna, bez możliwości regulacji prędkości. Ufamy (ufność to piękne słowo), że wszystkie średnice rolek wykonane są na tyle dokładnie, a pasek odpowiednio napięty, aby prędkość ta z pewną tolerancją była równa zadanej. Dokładne osiągnięcie zadanej prędkości w praktyce niestety nie występuje. Różnica w stosunku do zadanej prędkości jest jednak na tyle subtelna, że większości słuchaczy to nie przeszkadza… Wady wynikającej z dużej prędkości obrotowej nie mają silniki synchroniczne, które kręcą się zwykle 250, czasem 375 o/min. Ich wadą jest kiepski moment rozruchowy - talerz startuje wolno i czasem zamiast patrzeć jak się morduje lepiej pomóc mu ręką :) Niektóre z tych rozwiązań mają na osi silnika coś w rodzaju sprzęgła, które pomaga w rozruchu talerza. Oczywiście nie ma też wygodnego sposobu regulacji prędkości i nadal jesteśmy skazani na sieć i jej częstotliwość. Chyba, że mamy własne zasilanie zmiennoprądowe dające wzorcowe 50 Hz - wystarczy wtedy podłączyć silnik nie bezpośrednio do sieci, tylko do stosownego zasilacza. Takim zasilaczem był Valhalla, montowany do gramofonu Linn Sondek. Łatwo można sobie tez wyobrazić taki układ gdzie gramofon może być włączony prosto do sieci lub do specjalnego zasilacza. Swoją droga ciekaw jestem, jak przewaga tego rozwiązania daje się wyłapać w „ślepym” teście, ale umówmy się: to pytanie retoryczne….

Trzeci rodzaj to silnik prądu stałego. Tu w zasadzie z regulacją prędkości nie ma żadnego problemu, bo jest to tylko kwestia napięcia podanego na silnik. Regulacja ta może się też odbywać w bardzo szerokim zakresie. Prędkość stabilizowana jest w zależności od obciążenia na podstawie poboru prądu lub na podstawie sprzężenia z transoptora (oświetlacz + fotoelement) na osi silnika i wreszcie (choć bardzo rzadko) na podstawie pomiaru prędkości talerza. Sam układ pomiaru prędkości też może być różny, a czujnik fotoelektryczny niekoniecznie musi występować. To trzecie rozwiązanie, choć teoretycznie najlepsze, w praktyce niekoniecznie musi się dobrze sprawdzać. Niemniej tego typu rozwiązania są stosowane powszechnie i uchodzą za lepsze, bowiem stosowane są zwykle w „wyższych” modelach lub wręcz oferowane jako ulepszenie modelu bazowego. Gramofon z takim silnikiem z cała pewnością nie będzie miał kłopotów z rozruchem, bo zapewnia to odpowiednia charakterystyka silnika stałoprądowego. Tego typu rozwiązanie ma większość polskich gramofonów, zaczynając od Fononastera i jego pochodnych.

Przyjrzyjmy się napędowi paskowemu. W przekładni pasowej połączenie elementu napędzającego z napędzanym jest do pewnego stopnia elastyczne. Pasek po stronie czynnej jest rozciągany, a po stronie biernej nie. Może to tworzyć układ drgający, z wszystkimi związanymi z tym konsekwencjami. Efekt ten będzie miał wpływ na stabilność prędkości i będzie tym większy im bardziej elastyczny jest pasek. Z kolej im bardziej elastyczny jest pasek tym mniejsza szansa, aby „hałas” generowany przez silnik przenosił się na talerz i dalej na płytę i wkładkę.
Gdybyśmy zatem chcieli oprzeć regulację prędkości silnika o prędkość talerza, to moglibyśmy zaobserwować takie oto zjawisko: na skutek wzrostu oporów talerz chwilowo zwolnił | silnik dostaje o tym sygnał i chce przyspieszyć | siła napędowa rośnie i najpierw mocniej rozciąga pasek napędowy. Jeśli talerz to odczuje, to zapewnie z jakimś opóźnieniem. Trochę przypomina to holowanie samochodu na rozciągliwej linie – szarpnięcie najpierw ją rozciąga, a dopiero potem mamy do czynienia z ruszeniem holowanego ciężaru. Jak widać zagadnienie nie jest proste i oczywiście można je wyeliminować stosując „sztywny hol” czyli np. strunę stalową zamiast paska, co można spotkać w egzotycznych modelach gramofonów.

Do zagadnienia pomiaru docelowej prędkości talerza powrócimy na samym początku kolejnej części naszych rozważań.