W poprzedniej części omówiliśmy zagadnienia wstępne związane z budową gramofonów, w tym rodzaje stosowanych w nich napędów. Będziemy dalej drążyć ten temat, a następnie poświęcimy nieco uwagi zagadnieniu instalacji napędu w gramofonie.

Ponieważ w poprzednim odcinku pojawiło się zagadnienie właściwej docelowej prędkości regulacji, poświęćmy mu teraz trochę czasu. Jeśli nie mamy możliwości regulacji prędkości, to pozostaje sprawdzić czy ta, z którą mamy do czynienia w naszym gramofonie jest właściwa. Najprościej zrobić to wykorzystując efekt stroboskopowy. W tym celu potrzebujemy tarczy (krążka), na którym znajduje się określona ilość prążków. Ilość prążków zależy od prędkości, która chcemy mierzyć (regulować) oraz częstotliwości migotania źródła światła, którym oświetlamy tarczę. W praktyce pomiarowej (zamierzchłej) stroboskop powinien migać z taką częstością z jaką obraca się przedmiot lub jej wielokrotnością (dla poprawienia dokładności pomiaru). Pomiaru dokonuje się zmieniając częstotliwość migotania, aż do uzyskania efektu zatrzymania wirującego przedmiotu, odczytując częstotliwość błysków. W 99% gramofonów wykorzystuje się częstotliwość sieci energetycznej. Ma to niestety dwie zasadnicze wady.

Prędkość obrotowa: napęd paskowy

Aby to wyjaśnić cofnę się do lat 70. i 80., kiedy to pojawiły się pierwsze zegary elektryczne. Sterowane były częstotliwością sieci i nie zdarzało się, aby taki zegar chodził prawidłowo. Bywało, że w dzień się spóźniał, a w nocy spieszył. Podobnie zresztą było z timerami pierwszych pojawiających się wtedy magnetowidów. Łagodnie mówiąc rzucało to cień na rzetelność deklaracji, co do właściwej częstotliwości napięcia występującego w sieci energetycznej. W dzisiejszych czasach podobno jest lepiej, ale nauczony innymi doświadczeniami dotyczącymi postępu technicznego (np. podróż pociągiem Warszawa-Gdańsk) po prostu w to nie wierzę. A skoro tak, to jeśli częstotliwość zmienia się, użytkownik synchronizujący do niej ruch talerza (podzielonej przez ilość znaczników na tarczy pomiarowej), sam nieświadomie ustawia prędkość obarczoną takim błędem, jaki wykazuje częstotliwość sieci… Uzyskany efekt jest taki, jak przy silniku synchronicznym pozbawionym „elektroniki” i możliwości regulacji.

Druga niespodzianka polega na tym, że ustawiając prędkość 45 o/min przy oświetlaniu częstotliwością 50 Hz efekt stroboskopowy uzyskamy przy 133,333 znacznikach. Wiadomo, że ilość znaczników musi być całkowita, a zatem na wejściu mamy już błąd wielkości 0,25%. Niewiele, ale zawsze…. Podobnie jest z ustawianiem rzadko dziś występującej prędkości 78 o/min. Dla ścisłości ilość znaczników na tarczy stroboskopu to stosunek prędkości synchronicznej sieci 3000 o/ min do prędkości docelowej np. 33 1/3 o/ min. Zwyczajowo ilość prążków jest zwykle dwa razy większa niż wynika z tego obliczenia, co nie ma już żadnego wpływu na uzyskiwany efekt stroboskopowy. Użytkownicy gramofonów zza Oceanu mając w sieci 60 Hz nie mają tego kłopotu. Jak pokazuje doświadczenie nikt się tymi błędami specjalnie nie przejmuje i można nawet wyczytać, że w Europie ustawia się prędkość 45,11 a nie 45…
Jak sobie z tym poradzić? W sprzedaży dostępne są generatory wzorcowych błysków 50 Hz. Takie urządzenie jest niezależne od sieci i jej problemów. Oczywiście, aby nie mieć tych 0,25% błędu lepiej byłoby mieć generator 60 Hz i korzystać z „amerykańskich” znaczników na talerzu lub tarczy pomiarowej. Tarcze ze znacznikami bez problemu można znaleźć w Sieci – wystarczy je wydrukować i dla wygody nakleić na kawałek tektury.

Prędkość obrotowa: napęd bezpośredni

Na zakończenie kwestii dostarczania talerzowi energii potrzebnej do obracania się, przyjrzymy się napędowi centralnemu (bezpośredniemu, „direct-drive”), gdzie talerz „mieszka” bezpośrednio na osi silnika. To rozwiązanie ma szereg zalet i grono wiernych przeciwników. Po pierwsze, prozaiczna kwestia: nie ma problemu jakiejkolwiek obsługi technicznej. Nie grozi wyciągnięcie, ześlimaczenie (Philips) lub pęknięcie paska. Nie grozi wytarcie, stwardnienie, popękanie rolek napędowych. W sporej części rozwiązań nie ma możliwości (potrzeby) smarowania osi talerza. Po drugie nie występuje kwestia elastyczności połączenia silnik-talerz i kwestii związanych z elastycznością paska. Po trzecie można ustalić prędkość obrotową z dokładnością generatora kwarcowego.
Dlaczego zatem nie jest to jedyne i powszechnie występujące rozwiązanie? Po pierwsze, silnik obracający się z prędkością talerza wymaga skomplikowanego zasilania, coś bowiem musi w jego biegunach wywołać wirujące pole magnetyczne, które pociągnie za sobą talerz. Ruch talerza będzie oscylował wokół konkretnej zadanej wartości z dokładnością i zwłoką dopuszczoną przez układ regulacji. To, przy odpowiedniej masie talerza, nie musi być słyszalne, ale teoretycznie zjawisko jest niekorzystne. W większości rozwiązań łożyskowanie talerza jest integralną częścią silnika, więc w przypadku użycia tegoż silnika do cięższego talerza może okazać się zbyt anemiczne. Mnie osobiście podobają się rozwiązania stosowane w krajowych gramofonach tej klasy (Adam).
Piszę: „rozwiązania”, bowiem identycznie wyglądające gramofony mają pod talerzem kompletnie różne rozwiązania techniczne. I jeszcze jedno, wirujące pole magnetyczne pod talerzem powinno mieć jakiś wpływ na wkładkę, która zawiera uzwojenia. Można zatem twierdzić, że ma wpływ i starać się zmieścić silnik na obszarze, nad którym wkładka się nie przemieszcza (trywialnie mówiąc pod naklejką płyty). Można też założyć, że wpływ jest bez znaczenia i skonstruować silnik o dużej średnicy. Można wreszcie wykonać źródło zmiennego pola nie obejmujące całego obwodu talerza i znajdujące się poza obszarem ruchu ramienia (Adam). Wszystkie te rozwiązania można spotkać w praktyce.

Łożyskowanie talerza

Ponieważ przy okazji silnika do bezpośredniego napędu pojawił się temat łożyskowania talerza poświęćmy mu teraz kilka zdań. Talerz jest łożyskowany w łożysku ślizgowym. Łożyska toczne powodowałyby nieakceptowany hałas. O jakości pracy takiego łożyska decyduje precyzja wykonania, czyli luz między osią a panewkami łożyska. Ponieważ oś jest podparta punktowo zwykle w jego dolnej części (i tak to założymy na potrzeby tego opisu), to talerz oprócz obrotu na osi może się także „kiwać” na boki wokół dolnego punktu podparcia. To kątowe kiwanie ma prawo powodować dodatkowe drgania i zakłócać sygnał odczytywany przez ramię. Konstruktorzy starają się temu zjawisku zapobiec. Kiwanie możliwe jest w ramach luzu w górnym łożysku talerza. Zatem im mniejszy luz, tym lepiej. Tyle tylko, że im mniejszy luz, tym większe opory ruchu.
Po drugie ruch na boki będzie tym większy, im krótsza jest oś. Dlatego piękno gramofonu płaskiego mającego, powiedzmy, 40 mm wysokości, niekoniecznie jest z punktu widzenia generowania drgań rozwiązaniem dobrym. Rzecz jasna łożyskowanie powinno być odpowiednio sztywne, zatem oś o średnicy 4 mm będzie nieporozumieniem.

Oddzielnie można rozpatrywać dolne podparcie osi. Występują tu trzy możliwe rozwiązania. Popularne jest podparcie talerza na kulce łożyskowej „siedzącej” w nakiełku na końcu osi. Drugim, konkurencyjnym, jest zakończenie osi półkuliście.
Oba te rozwiązania do mnie przemawiają, natomiast kluczowe jest to, jak dokładnie zostały zrealizowane. Kulka ma ponadto drobną przewagę w postaci naprawdę dobrego materiału z jakiego została wykonana i precyzji wykonania kształtu. Wielkość kulki i wielkość promienia kulistego zakończenia osi podlegają następującej regule: im mniejsze opory, tym mniejsza trwałość. Tu objawia się kolejna zaleta kulki, czyli możliwość wymiany w razie zużycia.
Jest jeszcze rozwiązanie trzecie – brak mechanicznego podparcia. Rolę łożyskowania wzdłużnego pełnią wtedy albo pole magnetyczne (odpychające się magnesy – Pickering), albo poduszka powietrzna (Micro Seiki). Te rozwiązania są jednak egzotyczne i zmuszają do postawienia pytań, albo o cichobieżność sprężarki, albo o wpływ pola magnetycznego na wkładkę, na co już raz zwracaliśmy uwagę. Ponadto i jedno, i drugie rozwiązanie jest przedmiotem zastrzeżeń patentowych.

Swoją drogą wraz z pojawieniem się magnesów neodymowych warto, by może, choćby eksperymentalnie wrócić do tego rozwiązania dlatego, że średnica magnesu mogącego utrzymać talerz przeciętnej wagi mogłaby być naprawdę mała, daleko od obszaru przemieszczania się wkładki. Przyglądając się konstrukcjom tradycyjnym, ale wyższego lotu można bez trudu zaobserwować, że po umieszczeniu osi talerza w łożysku opada on kilka – kilkanaście sekund. To najlepiej świadczy o jakości gramofonu z jakim mamy do czynienia.

Instalacja silnika

Do tej pory udało nam się przyjrzeć nieco dokładniej poszczególnym elementom napędu. Te elementy trzeba jakość umieścić w „obudowie”, co może przybrać bardziej lub mniej oryginalną formę. Spotykamy kilka typów rozwiązań technicznych i na nich teraz się skupimy.
Najprostszym możliwym rozwiązaniem, choć wcale nie pierwszym chronologicznie, jest umieszczenie wszystkich elementów gramofonu tzn. silnika talerza i ramienia na jednej wspólnej podstawie i zastosowanie napędu paskiem. W najprostszej formie podstawa taka może stać na trzech lub czterech „nogach”, które stanowią jednocześnie elastyczne zawieszenie gramofonu w stosunku do podłoża i mają zapewnić izolację od drgań występujących w otoczeniu, w tym także generowanych przez kolumny głośnikowe. Taka „noga” może zwierać sprężynę lub być wykonana z gumy; rzadziej może zawierać jakiś element regulacyjny, pozwalający na poziomowanie gramofonu. Aby odizolować ramię od drgań generowanych przez silnik jest on zazwyczaj elastycznie zamocowany w stosunku do podstawy. Ma też możliwość regulacji położenia po to, aby jego oś można było ustawić równolegle do osi talerza. W znacznej większości rozwiązań to ustawienie jest wykonane fabrycznie i obwarowane zakazem wykonywania regulacji przez użytkownika. Taką ascetyczną formę budowy mają najprostsze konstrukcje, uchodzące za audiofilskie. Pierwszym (a na pewno jednym z pierwszych) przedstawicielem tej grupy był Michell Focus One, konstrukcja licząca sobie około 30 lat. Na swoje potrzeby nazywam te gramofony „deskofonami”, a kultura techniczna niektórych rozwiązań budzi mój głęboki sprzeciw jako inżyniera. Jedno jest pewne – to na pewno najtańsze w produkcji rozwiązania. Ich zaletą jest to, że skłaniają użytkowników do podjęcia budowy własnych konstrukcji.
Odmianą tego rozwiązania są starsze klasyczne gramofony, gdzie podstawowe elementu składowe (silnik ramię talerz) zamocowane są na zwykle stalowym chassis będącym górną płytą, zwykle stojącą na sprężynach umieszczonych w klasycznej skrzynce. Tego typu rozwiązania mogą mieć napęd rolkowy, paskowy lub bezpośredni. Skrzynka stoi na podłożu bez izolacji od drgań, tę bowiem stanowią sprężyny, na których zamocowane jest chassis. Z takiego rozwiązana korzysta większość starszych gramofonów.

Stąd mamy już tylko krok do przypadku, w którym silnik byłby związany ze skrzynką tylko „umownie”, a talerz wraz z ramieniem byłby zamocowany w stosunku do skrzynki elastycznie. Ponieważ talerz wraz z ramieniem może się wówczas przemieszczać na skutek uginania zawieszenia w stosunku do silnika, konieczne jest zastosowanie napędu paskowego, bo tylko elastyczny sposób przeniesienia prędkości obrotowej pozwoli na wykonywanie takich ruchów. Jak więc może wyglądać taki gramofon?
Podstawę stanowi skrzynka zamknięta od góry metalowym (zwykle) chassis, do którego mocowany jest silnik, który tym razem nie musi być mocowany elastycznie. Ma za to zwykle możliwość regulacji kątowego położenia (tak jak opisano wcześniej). Od spodu do chassis podwieszone jest na sprężynach subchassis czyli konstrukcja, do której zamocowany jest talerz i ramię gramofonu. Wszystkie tego typu rozwiązania nazywane są skrótowo „subchassis”. To pierwszy przypadek w tym tekście (poza „chassis”) kiedy świadomie sprzeniewierzamy się polskiemu językowi. Nazwa ‘subchassis’ ma swój polski odpowiednik: „gramofon z podstawą pośrednią”, z której świadomie rezygnujemy.
To rozwiązanie izoluje ramię jednocześnie od podłoża i silnika, może też częściowo zapobiegać sprzężeniu akustycznemu. Tego typu rozwiązań było i jest na rynku bardzo dużo, mają zwolenników, a niektóre z nich stały się klasykami, np. Linn Sondek LP12. W sumie jeśli do użytkownika przemawia idea subchassis, nie przeszkadza mu klasyczny wygląd i nie eksperymentuje z brzmieniem, to jest to z pewnością rozwiązanie właściwe. Tego typu gramofony występują także w sporym wachlarzu cenowym, także w wersji bez ramienia.
Można oczywiście subchassis umieścić w stosunku do podstawy tak, aby stało, a nie wisiało na sprężynach. Pozwala to na uzyskanie konstrukcji o bardziej oryginalnym wyglądzie, ale raczej utrudnia poziomowanie talerza.

Oddzielną grupę stanowią konstrukcje ekstremalne, ważące najczęściej po kilkadziesiąt kilogramów. No cóż -wszystko, co dotychczas zostało powiedziane dotyczy także tych konstrukcji, fizyka bowiem jest jedna, wspólna dla całego otaczającego nas świata :)
Wszystkie zalety tych gramofonów mają swoje źródło w ich dużej masie. Masywny talerz ważący kilkanaście kilogramów, a przy okazji średnicy większej niż klasyczne 300 mm będzie znakomicie niwelował chwilowe wahania prędkości. Nie zastąpi tego nawet ani napęd wielosilnikowy, co owszem, występuje w praktyce, ani żadna cudowna ideologia dobudowana do elektronicznego sterowania. Dla takiego talerza żadne chwilowe wzrosty obciążenia po prostu nie istnieją, tak jak dla rozpędzonego czołgu nie istnieją drzewa i inne przeszkody.
Nie trzeba też chyba nikogo przekonywać, że równomierność biegu takiego talerza będzie znakomita. Niekoniecznie musi się ona przekładać na brak kołysania dźwięku, ten bowiem zależy, niestety, od centryczności płyty gramofonowej. Tak naprawdę płyta może być idealna, ale luz między jej otworem centralnym a trzpieniem talerza może pozwalać na jej mimośrodowe ustawienie. Aby zatem cieszyć się, deklarowaną w prospektach, równomiernością dźwięku mamy dwie możliwości: albo korzystać ze specjalnych płyt, albo wyposażyć się w jedyne istniejące rozwiązanie gramofonu, który sam sobie ustawia centrycznie płytę, czyli Nakamichi Dragon… Jeśli ktoś buduje gramofon samodzielnie, może wykonać trzpień w górnej granicy tolerancji, co spowoduje relatywne zmniejszenie luzu płyta-trzpień. Problemem będzie jednak nakładanie i zdejmowanie płyt z talerza.

Talerzowi słusznej masy towarzyszy zwykle takaż podstawa. Mając łącznie masę kilkudziesięciu kilogramów gramofon „ignoruje” drgania dochodzące z zewnątrz np. w postaci fali akustycznej, które nie robią one na nim najmniejszego wrażenia. Silnik w takich rozwiązaniach jest zwykle w oddzielnej obudowie i stanowi wolnostojący podzespół połączony z gramofonem jedynie paskiem napędowym. Często sam silnik z obudową waży więcej niż dwa współczesne gramofony z wyjściem USB :) Ponieważ nie mamy w tym przypadku do czynienia z obudową sensu stricto, to konstrukcja taka pozwala na zamontowanie od dwóch do czterech ramion, pozwalając na liczne eksperymenty z dźwiękiem, przede wszystkim np. na racjonalne porównywanie brzmienia wkładek (ten sam fragment muzyki z opóźnieniem ¼ obrotu płyty).
Bardzo rzadko można też znaleźć rozwiązania, które są wykonanymi w klasie ekstremalnej subchassis, to jest szczyt szczytów w dziedzinie gramofonów i trochę przypomina modele koncepcyjne samochodów (Thorens Reference).
Z wielu typów gramofonów, jakie użytkowałem przez ostatnie 50 lat rozwiązania wagi ciężkiej dały mi zdecydowanie najwięcej satysfakcji. Jak widać z dotychczasowych rozważań napęd gramofonu, czyli banalna kwestia obracania płyty może wpływać na uzyskiwany efekt dźwiękowy. Do tej pory prześlizgiwaliśmy się nad tematem ramienia gramofonowego. Należy jednak powiedzieć, że jego rola w odczycie dźwięku jest dominująca.

Analizę budowy i funkcjonowania ramion gramofonowych przedstawimy w trzeciej części artykułu.