Gramofony - poradnik

Gramofon, czyli urządzenie czytające i odtwarzające zapis dźwiękowy w postaci modulowanego rowka powstał w końcu XIX wieku. Na przestrzeni lat opracowano i wdrożono wiele doskonalszych urządzeń zapisujących dźwięk, lecz gramofon, jako jedyny oparł się próbie czasu. Wraz z pojawianiem się nowych urządzeń jego popularność nieco przygasała by ponownie rozbłysnąć jeszcze większym blaskiem. Najtrudniejszym dla czarnej płyty momentem był przełom lat 1982/83, kiedy to Philips oraz Sony wprowadziły na rynek rewolucyjną nowość: czyli Compact Disc. Użytkownicy systemów grających zachłysnęli się nową jakością, trwałością i łatwością używania tej cyfrowej technologii zapisu dźwięku w oparciu o laserowy odczyt optyczny. Od tego momentu rozpoczął się okres załamania sprzedaży płyt gramofonowych, aby w roku 1990 spaść do 11,7 miliona, przy 286 milionach sprzedanych płyt CD.

Dziś w czasach odtwarzania muzyki o doskonałych parametrach z plików gramofon przeżywa swój renesans, a sprzedaż czarnej płyty wyprzedziła ilość sprzedawanych płyt CD (należy tu wziąć poprawkę na fakt, że duża ilość utworów zapisanych cyfrowo jest kupowana w postaci plików). Płyta CD oferuje parametry 44,1 kHz/16-bit co daje możliwość bezstratnego zapisu dźwięku o parametrach 30Hz-22 kHz, oraz dynamice 96 dB – co znacząco przekracza pasmo przenoszenia i parametr SNR płyt winylowych.

Mimo to audiofile często podkreślają istnienie szczególnych walorów dźwiękowych oferowanych przez płyty gramofonowe.

A teraz kilka zdań na temat historii gramofonu

Historia gramofonu sięga końcówki XIX wieku. Jak to wszystko się zaczęło i na czym polegało? Genialny wynalazca Thomas Alva Edison, autor ponad 1000 patentów stworzył m.in. pierwsze urządzenie do zapisu i odtwarzania dźwięku: „phonograph”, czyli pierwowzór gramofonu. Edison zbudował to urządzenie w 1877 roku.


Phonograph Edisona

Działanie gramofonu Edisona polegało na mechanicznym wycinaniu rowka na powierzchni obracającego się walca wykonanego z wosku. Prędkość obrotowa walca wynosiła 78 obrotów na minutę. Gramofon Edisona bardzo różnił się od współczesnych gramofonów.

W roku 1887 Emil Berliner stworzył nową wersję gramofonu, która uważana jest za przodka gramofonów współczesnych. Gramofon Berlinera był nakręcany korbką. Napęd stanowił mechanizm sprężynowy z prymitywnym, mechanicznym stabilizatorem obrotów talerza, a rowek wycięty był na płycie, która zastąpiła walec z urządzenia Edisona i obracała się też z prędkością 78 obrotów na minutę. Pierwsze płyty, podobnie jak walce zrobione były z wosku. Nagranie z rowka płyty odczytywała w gramofonie igła, która była metalowa lub bambusowa. Igła ta przenosiła drgania na membranę, która zamieniała je na dźwięk. Ten dźwięk o bardzo małym natężeniu wzmacniany był przez tubę lub przez pudło rezonansowe.

W 1898 roku powstały pierwsze płyty szelakowe, które pozwalały na zwielokrotnienie ilości odtworzeń przy dużo mniejszym stopniu zużycia płyty.

Gramofon tubowy Berlinera

Rok 1925 zaznaczył się rozpoczęciem produkcji gramofonów elektrycznych. Te gramofony zostały wyposażone w napęd elektryczny, w których płyty obracały się na talerzu napędzanym silnikiem elektrycznym. Drugą innowacją było przetwarzanie drgań igły na drgania elektryczne. Co do koncepcji ogólnej nic do tej pory w zakresie budowy gramofonów się nie zmieniło. Niezwykłość gramofonu polega m.in. na tym, że mimo ponad stuletniej historii – mechanizm pozostał ten sam i niezmiennie polega na kładzeniu igły na płycie.

Lata 30 XX wieku to okres, w którym gramofony i płyty gramofonowe coraz bardziej zyskiwały na popularności, a ich konstrukcja była wciąż niezmienna.

Przełomem był rok 1947, w którym to pracownik Columbia Records – Peter Goldmark opracował płytę długogrającą, czyli Long-Play, a co za tym idzie nowy gramofon. W odróżnieniu od dotychczas używanych płyt szelakowych, Long-Play zawierał do 20 minut nagrań na każdej stronie. Jednocześnie materiał, z którego te płyty były tłoczone, czyli winyl charakteryzował się mniejszą gradacją, co pozwoliło zyskać lepsze właściwości dźwięku (zmniejszone szumy, wyższe pasmo) przy mniejszej prędkości obrotowej talerza.

Później powstał gramofon odtwarzający różne formaty płyt.

Po raz pierwszy zapis stereofoniczny na płycie gramofonowej został dokonany w roku 1958, a w późniejszych latach próbowano zapisywać dźwięk kwadrofoniczny, co nie przyjęło się w szerszym zastosowaniu.

Budowa gramofonu

Jak już wcześniej wspomniałem od czasu powstania gramofonu elektrycznego w roku 1925 niewiele się zmieniło w zakresie zasady budowy gramofonów. Dążenie do coraz lepszej jakości dźwięku spowodowało stosowanie coraz nowszych technologii przy konstrukcji budowy ramion i wkładek. Zauważono konieczność coraz lepszej stabilizacji obrotów talerza. Zwraca się baczną uwagę na sztywność i wagę ramienia oraz tłumienie wszelkich niepożądanych drgań i wibracji. Chociaż zasada działania gramofonu nie zmieniła się od 100 lat, to budowa gramofonów współczesnych często w znacznym stopniu odbiega od budowy gramofonów z lat ubiegłych.

Ramię gramofonu

Odróżniamy kilka typów ramion gramofonowych. Jednymi z nich są ramiona proste, czyli takie, jakie były stosowane w pierwszych gramofonach.

Ramię gramofonowe proste

Jak widać koniec ramienia, a więc wkładka gramofonowa poruszająca się po płycie gramofonowej kreśli łuk. Powoduje to zróżnicowanie sposobu przylegania igły do rowka płyty w zależności od umiejscowienia igły w danym momencie odtwarzania. We współczesnych, zwłaszcza prostszych gramofonach takie ramiona stosowane są do dziś.

Gramofon New Horizon Audio 201 z ramieniem prostym

Większość producentów do dziś posługuje się ramionami prostymi. Jednak optymalna geometria toru igły wymaga aby wkładki zainstalowane były pod kątem.

Ramię gramofonowe typu S

Ramiona typu S po raz pierwszy zostały zastosowane w gramofonach  w latach 70 ubiegłego wieku, a najbardziej popularne stały się ok 10 lat później, kiedy to wielu producentów gramofonów sięgnęło po takie rozwiązanie.

Ramiona typu S mają charakterystyczny profil. Jest on wygięty w dwóch miejscach i ich kształt przypomina literę S. Dzięki takiemu rozwiązaniu główki są tutaj zwykle proste, bo za wymaganą optymalną geometrię odpowiada sam kształt ramienia. Ramię gramofonowe typu S pozwala na zastosowanie odłączanej główki (ang. headshell) co pozwala na bardzo wygodną wymianę wkładki z igłą. Jest to idealne rozwiązanie dla bardziej zaawansowanych użytkowników gramofonów, którzy używają kilku wkładek.

Gramofon Pro-Ject RPM 3 z ramieniem typu S

Obecnie stosowane, najmniej popularne są ramiona typu J. Są to ramiona wygięte tylko w jednym kierunku – w kierunku talerza gramofonu. W ramionach typu „J" też daje się zastosować odłączany headshell.

Ramię gramofonowe tangencjalne

Gramofon z ramieniem tangencjalnym czyli ramieniem, którego główka poruszając się po płycie gramofonowej kreśli linię prostą.

Pierwsze próby zastosowania w gramofonie rozwiązania, w którym to rowek płyty gramofonowej „napędzał” przesuw ramienia nie przyjęły się, ponieważ bardzo trudno było uzyskać w miarę swobodny przesuw. Dopiero w latach siedemdziesiątych po zastosowaniu specjalnego, wspomaganego mechanizmu przesuwu ramienia konstrukcje gramofonów zaczęły spełniać oczekiwania. Został tu osiągnięty zerowy błąd trackingu, a małe rozmiary i niewielka waga ramienia pozwoliła na wyśrubowanie parametrów odtwarzanego przez gramofon dźwięku. Niestety z racji skomplikowanej technologii gramofony wyposażone w ramię tangencjalne mają wysoką cenę. Dlatego występujące dziś gramofony z ramieniem tangencjalnym posiadają wyrafinowaną konstrukcję, a ich parametry, a co za tym idzie ceny osiągają najwyższe wartości.

Gramofon z ramieniem tangencjalnym

Ramię gramofonowe typu pivoted head (obrotowa głowa)

Następną, mocno zaawansowaną konstrukcją ramienia jest ramię typu pivoted head (obrotowa głowa), popularnie nazywane „pantograf”. Takie rozwiązanie daje możliwość zredukowania błędu trackingu praktycznie do zera. Podobnie do rozwiązania poprzedniego poprawienie parametrów odczytu okupione jest bardziej skomplikowaną technologią, a więc znacznie wyższą ceną gramofonu z takim ramieniem.

Na rysunku powyższym widać zasadę działania i sposób ustawiania się główki ramienia w zależności od miejsca odczytu płyty.

Długości ramion gramofonowych

Stosując ramię dłuższe uzyskujemy łuk, po którym igła przesuwa się po płycie bardziej zbliżony do linii prostej. Zaletą takiego rozwiązania jest mniejszy błąd trackingu. Wadą natomiast większa masa ramienia, mniejsza sztywność, a więc możliwość wystąpienia rezonansów.

Najpopularniejsza długość ramienia to 9”. Natomiast spotyka się ramiona o długościach 12”, 14” lub skrajnie 16”.

Pomimo zmniejszania się błędu trackingu wraz z wzrastającą długością ramienia, to do wspomnianych wcześniej wad należy dodać jeszcze jedną: im dłuższe ramię, tym trudniej jest ustawić takie ramię prawidłowo, a minimalny błąd może spowodować ujemne skutki niwelujące zalety ramienia dłuższego.

Och, przepraszam, to jednak jeszcze nie koniec, ponieważ zapomniałem o zastosowaniu lasera do odczytu płyt analogowych. Z jednej strony wydawałoby się, że brak fizycznego kontaktu igły z płytą analogową - to same zalety. W praktyce okazuje się, że nie do końca. Po pierwsze laser widzi każde, nawet najmniejsze zabrudzenia płyty i w sposób zasadniczy ujemnie wpływają one na działanie układu. Poza tym laser akceptuje tylko czarne płyty, a więc wydania specjalne na kolorowym winylu nie są przez niego lubiane.

Ostatnim i chyba najważniejszym elementem odstręczającym prawdziwych „analogowców” od takiego rozwiązania jest fakt ich chronicznego obrzydzenia do wszelkiej cyfrówki. Tak więc cyfrowe czytanie analogowego zapisu po to, aby zamienić go z powrotem na analog jest dla nich nie do zaakceptowania.

Wkładka gramofonowa

Sercem i najważniejszym elementem każdego gramofonu jest wkładka gramofonowa. Jej działanie polega na przekształcaniu ruchu igły w modulowanym rowku płyty gramofonowej na zmienne napięcie o częstotliwości akustycznej. Wykorzystuje się w tym celu zjawisko indukcji magnetycznej. Nie będę się zagłębiał w szczegóły, dość powiedzieć, że jeśli magnes stały jest wprawiony w ruch w obrębie cewki, to na cewce wytworzy się napięcie.

Tak zbudowana jest wkładka gramofonowa MM (Moving Magnet, czyli ruchomy magnes).

Wkładki gramofonowe typu MM są prostsze w budowie, w związku z tym są tańsze. Napięcie wytwarzane przez taką wkładkę gramofonową zawiera się z reguły w granicach 2-8mV (miliwoltów, czyli tysięcznych części Volta). Współczesne wzmacniacze z reguły nie są wyposażone w wejście o czułości pozwalającej na bezpośrednie włączenie gramofonu, co powoduje konieczność stosowania przedwzmacniacza gramofonowego. We wkładkach MM jest możliwe stosunkowo łatwo wymienić igłę. Wkładki typu MM są obecnie najbardziej popularne.

Gdy w polu magnetycznym magnesu stałego ruchowi jest poddana cewka (poruszana przez igłę) mamy do czynienia z wkładką gramofonową typu MC (Moving Coil, czyli ruchoma cewka).

Takie wkładki dają precyzyjniejszy przebieg napięcia zmiennego, a więc można przyjąć, że lepiej odtwarzają zapis muzyczny na płycie gramofonowej. Są natomiast droższe, generują sygnał w zakresie 0.1 – 2 mV, a więc średnio pięciokrotnie niższy, niż wkładka gramofonowa typu MM.

Wkładki tego typu bezwzględnie wymagają użycia przedwzmacniacza z korekcją RIAA, Wkładki gramofonowe typu MC w zasadzie mają igły niewymienialne.

(korekcja RIAA została opisana w dalszej części niniejszego poradnika)

Dla porządku wspomnę też o wkładkach piezoelektrycznych – mających znaczenie tylko historyczne. Mają one dużo węższe pasmo przenoszenia od wkładek gramofonowych dynamicznych. Wymagały one też znacznie większego nacisku na płytę, co powodowało jej szybsze zużycie. Obecnie wkładki gramofonowe piezoelektryczne montowane są w tanich gramofonach, często stylizowanych na urządzenia „retro”.

Wspomnę tu też o laserowym odczycie modulacji rowka płyty winylowej, o czym pisałem wcześniej.

Dla poprawnego działania wkładki gramofonowej oraz w celu wydobycia z nagrania maksimum jakości, a także dla uchronienia płyty gramofonowej przed nadmiernym zużyciem ważne jest prawidłowe ustawienie wkładki gramofonowej w ramieniu gramofonu.

Poniżej sposób prawidłowego zamontowania wkładki gramofonowej.

Igły wkładek gramofonowych

Igła, pracująca w rowku płyty, wprawiana jest w ruch przez modulację rowka obracającej się płyty. Drgania te przenoszone są na wkładkę gramofonową i tam zamieniane na akustyczny sygnał elektryczny, który w dalszym etapie jest dostarczany do wejścia wzmacniacza.

Pierwsze igły były wykonane ze stali lub bambusa. Miały one zastosowanie przy odtwarzaniu muzyki z płyt szelakowych (potocznie zwanych szklanymi). Dopiero w późniejszym okresie zaczęto stosować igły szafirowe. Dla starszych płyt współczesnych, czyli tzw. „normalnorowkowych” odtwarzanych z prędkością 78 obr./min ostrze igły szlifowane było tak, by promień jego krzywizny wynosił trzy tysięczne cala (0,003", tj. 76 µm). Natomiast płyty winylowe tzw. „drobnorowkowe” odtwarzane są przez wkładki gramofonowe z igłami o szlifie 0,001" (25 µm). Aż do lat 70 XX w. spotykane były gramofony, w których instalowano wkładki z igłami obu rodzajów, co umożliwiało odtwarzanie wszystkich spotykanych w tym czasie na rynku oraz zachowanych w archiwach płyt. Igły do odtwarzania płyt „drobnorowkowych” oznaczane były zazwyczaj kolorem zielonym, a „normalnorowkowych” – czerwonym. Dopuszczalny był nacisk igły na płytę „drobnorowkową” znacznie mniejszy, niż na „normalnorowkową”. Zalecano nie więcej, niż 5 gramów, co i tak powodowało dość szybkie zużycie płyt. Współczesne gramofony są wyposażone we wkładki gramofonowe pracujące z naciskiem na płytę wynoszącym 10-20 mN, tj. ok. 1 do 2 gramów.

Wraz z wprowadzeniem zapisu stereofonicznego na płytach gramofonowych wymagania stawiane igłom i wkładkom gramofonowym wzrosły. Pojawiły się inne niż okrągłe kształty ostrza igieł, w użyciu znalazły się też igły diamentowe wypierając szafirowe. Obecnie najlepsze szlify igieł gramofonowych to szlify kwadrofoniczne (van den Hula) oraz eliptyczne.

Pozostałe części gramofonu

Sygnał z wkładki gramofonowej jest przekazywany do wzmacniacza. Ważnym jest, aby droga sygnału była jak najkrótsza, a przewody prowadzące ten sygnał spełniały kilka ważnych warunków. Z wkładki gramofonowej sygnał akustyczny jest odbierany bardzo cienkimi i elastycznymi przewodami, wykonanymi z licy miedzianej i zakończonymi mikrokonektorami od strony wkładki. Dalej przewody te są prowadzone wewnątrz ramienia gramofonowego i są wyprowadzone przez pionową oś ramienia do dolnej części gramofonu. Tam łączą się z ekranowanymi kablami zakończonymi wtykami interconnect (czinch) wyprowadzonymi z gramofonu bezpośrednio do wzmacniacza, lub są połączone z wtykami czinch na obudowie gramofonu, co umożliwia eksperymentowanie z kablami sygnałowymi „interconnect”.

Ze względu na wysoką impedancję oraz niskie poziomy sygnału wkładki oraz dla prawidłowego odprowadzenia zakłóceń zalecane jest aby zarówno kabel stały, jak i odłączany był wyposażony w dodatkowy przewód uziemiający. Dla prawidłowego działania gramofonu w zależności od zastosowanej w nim wkładki gramofonowej (w przypadku konstrukcji z odłączanym kablem) należy dobrać przewody sygnałowe o odpowiedniej pojemności.

Mając na uwadze mechaniczny charakter zapisu płyt dla prawidłowego ich odczytu niezbędna jest duża stabilność gramofonu. Z tego powodu przy projektowaniu gramofonu planuje się stosowanie materiałów o dużej masie takich jak szkło, metal lub lite drewno, a całość jest izolowana od podłoża specjalnymi „nóżkami” zapobiegającymi przenoszeniu drgań z otoczenia.

Aby zmniejszyć efekt mikrofonowy tj. odbioru zewnętrznego dźwięku przez płytę i igłę wkładki często stosuje się specjalne dociski stabilizujące płytę, zakładane na oś talerza.

Plinta

Gramofony o bardziej zaawansowanej konstrukcji posiadają plinty (płyty na których spoczywają poszczególne elementy) o specjalnej konstrukcji.

Plinta trójwarstwowa, z przekładkami antywibracyjnymi, w której każdy z trzech elementów gramofonu, czyli silnik, talerz oraz ramię jest umieszczony na innej warstwie plinty. Daje to doskonały efekt izolacji akustycznej pomiędzy tymi elementami i w zasadniczy sposób eliminuje wibracje.

Gramofon New Horizon Audio 203 z potrójna plintą

Są też gramofony nieco prostsze z wyglądu, lecz o bardzo zaawansowanej technologii użytej do budowy plinty gramofonowej. Użycie specjalnych antywibracyjnych materiałów często chronionych patentami też daje pozytywne efekty, wpływające na jakość odtwarzania.

Gramofon New Horizon Audio 301 z wysokiej klasy pojedynczą plintą

Obie powyższe cechy zostały użyte w gramofonie New Horizon Audio GDS, gdzie dwie warstwy plinty gramofonowej ze specjalnego materiału drewnopochodnego oraz unikatową przekładką antywibracyjną oraz możliwością regulacji wzajemnego docisku płyt dały spektakularny efekt, wpływający na doskonałe parametry gramofonu.

Gramofon New Horizon Audio GDS z podwójną plintą regulowaną za pomocą sprężyn

Napęd

Wyróżnia się dwa rodzaje gramofonów: z napędem pośrednim za pomocą paska bądź przekładni rolkowej, lub bezpośrednim, w którym talerz jest napędzany silnikiem centralnym albo wirujące pole magnetyczne wprawia talerz w ruch.

Talerz

Następnym ważnym elementem gramofonu jest talerz. Jego ciężar, materiał z jakiego jest wykonany oraz sposób ułożyskowania sprawiają, że dźwięk, jaki może odtworzyć gramofon może być lepszy, lub gorszy. Ciężkie talerze charakteryzują się dużą bezwładnością co dodatkowo stabilizuje obroty. Talerze wykonane z akrylu wpływają na zminimalizowanie zjawiska elektryzowania.

Talerz akrylowy w gramofonie New Horizon Audio 202

Współczesne gramofony mają budowę jak najbardziej uproszczoną. Obecnie rzadziej się spotyka gramofony z płynną regulacją obrotów i stroboskopową ich kontrolą, gramofony z automatycznym stawianiem ramienia na płycie, gramofony z automatycznym stopem itp.

Antiskating

Antiskating to inaczej siła przeciwpoślizgowa, która ma za zadanie korygować siłę dośrodkową. Działanie antyskatingu polega na lekkim odpychaniu ramienia gramofonu w kierunku zewnętrznym. Wyrównujemy w ten sposób prowadzenie igły wkładki gramofonowej i wprowadzamy ją w środek rowka.

Wyróżniamy antyskating automatyczny, regulowany pokrętłem przy osi ramienia i antyskating z ciężarkiem na żyłce, który jest regulowany poprzez zmianę toru żyłki.

Korekcja RIAA

Obecnie prawie wszystkie płyty winylowe posiadają zapis zgodny z korekcją RIAA.

Postaram się w uproszczeniu wyjaśnić na czym ta korekcja polega.

Jak pisałem wcześniej dźwięk na płycie winylowej jest zapisywany w sposób mechaniczny, czyli rowek jest modulowany w zależności od składowych dźwięku. Jak wiadomo składowa dźwięku posiada o tyle niższy potencjał o ile częstotliwość jest wyższa. I tak dla najniższych tonów bez stosowania zapisu zgodnego z krzywą RIAA rowki byłyby dominujące i nie starczyłoby miejsca dla zapisania wyższych częstotliwości.

Dlatego zapis najniższych częstotliwości jest realizowany z niższym poziomem, a im częstotliwość materiału dźwiękowego jest wyższa, tym poziom zapisu rośnie.

Gdybyśmy tak zapisaną płytę odtwarzali na wzmacniaczu, którego charakterystyka byłaby liniowa odtwarzane nagranie byłoby pozbawione basu. Dlatego wszystkie współczesne przedwzmacniacze gramofonowe mają charakterystykę zgodną z krzywą RIAA.

Wykres charakterystyki toru odczytu płyty winylowej

Istnieje jeszcze jedna korzyść z takiego rodzaju zapisu. Na płycie zawsze znajdują się drobne pyłki, które powodują trzaski w czasie odtwarzania płyty. Te trzaski zawierają się w przedziale tonów wysokich. W związku z tym, że poziom trzasków jest zawsze taki sam, a tony wysokie w zapisie mają wartość o ok 20dB wyższą, to w czasie korygowania zapisanego dźwięku do normalnego poziomu tony wysokie osiągną wartość normalną, a dźwięki trzasków zostaną obniżone do poziomu minus 20 dB.

Reasumując: Tylko za pomocą odpowiedniej korekcji możliwe jest uzyskanie realistycznego i wysokiej jakości dźwięku z czarnej płyty

Na tym zakończę. Mam nadzieję, że wiadomości zawarte w tym poradniku dotyczącym gramofonów pomogą początkującym Użytkownikom gramofonów w wyborze odpowiedniego dla nich urządzenia. Dadzą też odrobinę wiedzy na temat budowy oraz zasad eksploatacji gramofonów.

W celu uzyskania bardziej sprecyzowanej porady zapraszamy do jednego z naszych salonów:

Salon audio Ministerstwo Dźwięku w Warszawie
al. Krakowska 223, 02-180 Warszawa
e-mail: warszawa@ministerstwodzwieku.pl
telefon: 22 827 38 27,  telefon komórkowy: 606 553 190

Salon audio Ministerstwo Dźwięku w Radomiu
adres salonu: ul. Marii Skłodowskiej - Curie 12, 26-610 Radom
e-mail: radom@ministerstwodzwieku.pl
telefon: 48 629 88 26,  telefon komórkowy: 692 076 977