Універсальний фотоелектричний звукознімач

Технічне рішення належить до систем запису та відтворення звуку, а саме відтворення звуку з грамофонної платівки. Відтворення звуку з грамофонної платівки розпочинається з примусового ведення голки звукознімача по канавці під час обертання платівки. Вимушені коливання голки визначаються модуляцією канавки та перетворюються залежно від принципу роботи звукознімача безпосередньо у звукові коливання (грамофонна мембрана) чи в електричні (електромеханічний звукознімач). Особливістю відтворення такого механічного запису є те, що звукознімач та носій запису (платівка) перебувають у безпосередньому контакті, що неперервно змінюється. Напрям модуляції канавки відносно носія запису визначає три способи запису: поперечний, глибинний та поперечно-глибинний, що мають характерний вигляд фонограми. Під час поперечного запису на диск різець коливається у напрямі радіуса диска, вирізаючи канавку постійної глибини. Звукові коливання, що записуються, фіксуються у вигляді зміщення канавки вліво та вправо відносно розміщення німої канавки. Під час глибинного запису різець коливається перпендикулярно площині носія запису, змінюючи глибину канавки згідно з коливаннями, що записуються. Для поперечно-глибинного запису характерна канавка, яка відхиляється вправо вліво та одночасно вгору та вниз від осьової лінії уявної німої канавки. Внаслідок цього лінія дна є просторовою, а сама канавка, маючи змінні ширину та глибину, є несиметричною. Така модуляція використовується для стереофонічного двоканального запису. Стереофонічний запис залежно від напряму модуляції канавок може бути з орієнтацією 0°/90° та з орієнтацією 45°/45°. В цілому під час стереофонічного запису сигнали обох каналів розрізняються між собою за амплітудою, часто тою та фазою, що і визначає вигляд фонограми. Під час орієнтації 0°/90°. Запис лівого каналу здійснюється поперечною модуляцією канавки, правого каналу глибинною модуляцією канавки. Розгорнувши систему з орієнтацією 0°/90° на 45° одержимо стереофонічний запис з орієнтацією 45°/45°, за якою сигнали двох каналів будуть записуватися на дві стінки канавки, перпендикулярні одна до одної. Таким чином існують грамплатівки, що мають чотири різні характерні вигляди механічної фонограми. Для правильного відтворення звукової інформації без спотворення сигналу необхідні звукознімачі роздільно для кожного типу запису. Відповідно до фізичних процесів, які використовуються для перетворення енергії, головки звукознімача розрізняються за типами: п'єзоелектричні, магнітні, напівпровідникові, фотоелектричні, ємнісні. Відомі головки, які є найпоширенішими, магнітної та п'єзоелектричної систем [1,2]. Перетворювач магнітної стереофонічної головки складається зі спільного магніту та дво х незалежних магнітних кіл, відповідних лівому та правому каналам. Магнітні головки звукознімача в свою чергу розрізняються на головки з рухливим магнітом та з рухливими котушками, як відомий пристрій - Головка звукознімача з рухливою котушкою та з підсиленим полем [3]. Недоліком магнітних головок є їх вразливість до впливу зовнішніх магнітних полів, зокрема наведенням змінного струму, що вимагає додаткових конструктивних заходів щодо екранування вузла перетворювача, а також низька чутливість головки та необхідність корекції частотної характеристики, що вимагають обов'язкового застосування попередніх коригувальних підсилювачів звукознімача. Відомі п'єзоелектричні головки [2], що мають більш вищу чутливість та, на відміну від магнітних, не потребують спеціальних підвищувальних трансформаторів, коригуючих контурів, складних екранів. Недоліком п'єзоелектричних головок є недостатньо широкий діапазон відтворених частот, мала гн учкість рухливої системи звукознімача і досить велика притискна сила, чутливість до зміни температури та вологості навколишнього середовища, значний час перебігу перехідних процесів. Найбільш близький аналог до нашого технічного рішення, якого ми взяли за прототип, є фотоелектричний звукознімач типу С-100Р японської фірми Toshiba (вперше був представлений на виставці високоякісної відтворюючої апаратури в Дюссельдорфі у серпні 1968 року) [4], що складається з джерела випромінювання, рухомого та нерухомого екранів, двох фотоприймачів, голки та голкотримача. На голкотримачі, пружно підвішеному в точці х, закріплений екран, який має дві щілини, розташовані під кутом 90° одна до одної. Безпосередньо за щілинами цього екрана розташовані щілини іншого, нерухомого екрана. Перед рухливою парою щілин розташовано джерело випромінювання, промінь світла від якого скрізь пари рухомих і нерухомих щілин, попадає на фотоприймачі. При модуляції канавки в лівому каналі щілина, що відноситься до нього, буде р ухатися уздовж більш короткої сторони, у той час, як щілина правого каналу буде відхилятися уздовж подовжньої осі. При відповідному виборі ширини та довжини щілин можна одержати, що за найбільших відхилень у лівому каналі кількість світла, що проходить через щілину правого каналу, не змінюється. Недоліками цього звукознімача є складність схеми конструкції, а саме, узгодження розташування рухомої та нерухомої щілини відносно одна до одної у трьох проекціях; недовговічність якісного відтворення звуку у зв'язку з виникненням через деякий час зсуву (зміщення) рухомого екрана відносно нерухомого (в стані спокою), тому що розміри щілин відносно дуже малі; неможливість правильного та якісного відтворення звуку з раритетних грамплатівок (стереофонічних з орієнтацією 0°/90° і грамплатівок із глибинним записом). Задача винаходу полягає у створенні універсального звукознімача більш надійної, довговічної та спрощеної конструкції, з правильним та якісним відтворенням звуку з раритетних грамплатівок, який би мав високу чутливість, з високим розділенням стереоканалів, лінійну амплітудно-частотну характеристику з широким діапазоном частот. Поставлена задача досягається тим, що фотоелектричний звукознімач, який складається з еластичної втулки, голки, голкотримача, джерела випромінювання, екрана, фотоприймача обладнано чотирьохплощадковим фотоприймачем з радіально-секторним розташуванням чутливи х площадок таким чином, що голкотримач жорстко з'єднаний з рухомим екраном, розміри якого дорівнюють розмірам однієї чутливої площадки фотоприймача, в екрані відсутні щілини та, який розташований попереду фотоприймача. Винахід пояснюється кресленнями, де на фіг.1 зображено загальну схему звукознімача, фіг.2, 3 та 4 пояснюють роботу звукознімача. Схема фотоелектричного звукознімача пояснюється кресленням (фіг.1), де зображено джерело випромінювання 1, голку 2, еластичну втулку 3, голкотримача 4, рухомий екран 5 та чотирьохплощадковий фотоприймач 6. Голкотримач 4 через еластичну втулку 3 з'єднаний з рухомим екраном 5, що знаходиться попереду фотоприймача 6. Фотоелектричний звукознімач працює таким чином. Світловий потік від джерела випромінювання 1 рівномірно падає на чотири площадки фотоприймача. У стані спокою екрана, розміри якого дорівнюють розмірам однієї площадки фотоприймача, світловий потік падає на площадки рівною мірою (фіг.2) і електричний сигнал на усіх площадках має один й той самий рівень. Коли голка рухається по канавці платівки, її коливання передаються голкотримачем екрану, який при цьому згідно з модуляцією канавки діафрагмує тою чи іншою мірою площадки фотоприймача. Змінюваний таким чином світловий потік модулює незалежно струм кожної окремої площадки. Використовуючи аналогові операції підсумовування та віднімання сигналів окремих площадок одержуємо оптимальний вихідний сигнал відповідного вигляду модульованих канавок. Варіанти положення рухомого екрана в проекції на 4-рьох площадковий фотоприймач залежно від виду модульованих канавок зображено на фіг.3, де на фіг.3а) зображено напрям переміщення екрана в разі поперечно-глибинного запису, на фіг.3b) - під час глибинного запису та на фіг.3с) - поперечного запису. Ви хідний сигнал має вигляд: під час монофонічного глибинного запису Uвих=(U 1+U2)-(U3+U4) (1) під час монофонічного поперечного запису Uвих=(U 1+U3)-(U2+U4) (2) в разі стереофонічного запису з орієнтацією 45°/45° лівий канал UвихU1-U4 (3а) правий канал Uвих=U2-U3 (3б) в разі стереофонічного запису з орієнтацією 0°/90° лівий канал Uвих=(U1+U2)-(U3+U4) (4a) правий канал Uвих=(U1+U3)-(U2+U4) (4б) Так як вихідний сигнал з площадок фотоприймача пропорційний кількості світла, то такий звукознімач належить до групи перетворювачів чутливи х до амплітуди (амплітудні перетворювачі). На низьких частотах сигнал великий і тому відношення сигнал/шум краще, ніж у магнітних системах, які чутливі до швидкості. Як джерело випромінювання використовується мініатюрний інфрачервоний світлодіод, що має у порівнянні з іншими джерелами випромінювання такі переваги: високу густину спектральної енергетичної яскравості, маленькі розміри, тривалий час роботи, стійкість щодо механічного впливу. Сигнал з будь-якої площадки фотоприймача визначається сумарною потужністю світлового потоку падаючого на кожну площадку r Ii = òò P( r )dS (5) Si де інтегрування йде по і-тій площадці фотоприймача, а Ρ - інтенсивність потоку світлової енергії. Якщо екран є непрозорим, а потік енергії - однорідний, то такі інтеграли легко вирахува ти аналітично: Ii=P0*(S0-Spi) (6) де S0 - площа однієї площадки фотоприймача, Spi - площа затемненої частини площадки фотоприймача. Spi розраховується за формулами: Sp1=(0,5а-х)(0,5а+у) Sp2=(0,5а-х)(0,5а+у) (7) Sp3=(0,5a-x)(0,5a-y) Sp4=(0,5a-x)(0,5a-y) де x: та у - зсув центра екрана (фіг.4). Вираз для сигналу глибинного запису буде таким: Iv=(І1+І 2-І 3-I 4)=Р0((0,5а-х)(0,5а+у)+ (8) +(0,5а+х)(0,5а+у)-(0,5а-х)(0,5а-у)-(0,5а+х)(0,5а-у))=2Р0а у Як бачимо, сигнал є лінійною функцією вертикального зсуву (за будь-якої амплітуди) і зовсім не залежить від горизонтального зсуву площадки. Аналогічно можна записати сигнал для поперечного запису: Ig =(I1+I3-I2-I4)=2P0a x; (9) І вцьому випадку сигнал є лінійною функцією горизонтального зсуву (за будь-якої амплітуди) і зовсім не залежить від вертикального зсуву площадки. Таким чином в разі глибинно-поперечного запису одержимо 100 відсоткове розділення по каналам та ідеальну лінійність. Під час стереофонічного сигналу з орієнтацією 45°/45° екран зсувається по двом ортогональним напрямкам: r r r r r r (10) t1 = x + y; t2 = y - x Тоді вирази для лівого та правого каналів стереофонічного сигналу з орієнтацією 45°/45° будуть дорівнювати: Іtл=(І1-І 4)=Р0а(у-х); (11) Іет=(І2-І3)=Р 0а(х+у); Вони є лінійними функціями зсуву площадки (за будь-якої амплітуди) і дають 100 відсоткову розв'язку по каналам для такого стереофонічного запису. Під час запису стереофонічного сигналу з орієнтацією 0°/90° сигнал лівого каналу: Iv=2P0a y; правого Ig =2P0ax (12) Таким чином це доводить переваги даного технічного рішення щодо високого розділення стереоканалів, лінійної амплітудно-частотної характеристики. Такий звукознімач дозволяє достовірно відтворювати звукову інформацію без спотворення сигналів та його можна використовувати для відтворення звуку з усі х типів грамплатівок, в тому числі і раритетних. Так як у винайденому фотоелектричному звукознімачі відсутні щілини та нерухомий екран, немає необхідності узгодження розташування рухомої та нерухомої щілин відносно одна до одної у трьох проекціях, що дає можливість спростити конструкцію та підвищити робочий термін експлуатації звукознімача. Література 1. Милзарайс Я.Я., Мижуєв А.Д. Унифицированные электропроигрывающие устройства II класса. - Μ.: Радио и связь, 1981. - 128с. 2. Бектабегов А.К., Усачев В.В. Стереофонические звукосниматели. М.-Л.: Энергия, 1964. -40с. 3. Патент США 4675859, МПК H04R 9/16, пріоритет 5.03.1985. 4. Дегрелл Л. Проигрыватели и грампластинки. - М.: Радио и связь, 1982. - 176с.