Так выглядит игла звукоснимателя в канавке пластинки при многократном увеличении.

Эти цифры показывают, сколь деликатна и противоречива механика взаимодействия грампластинки и считывающего устройства. В таких условиях детали проигрывателя должны соответствовать жестким требованиям точности и прочности. Кроме того, любое высококачественное звуковое воспроизводящее устройство звучит только тогда, когда его создатель относится к нему как к музыкальному инструменту, а не просто электронно-механическому прибору. Очень критичным является подбор материалов, поскольку разные сочетания дают определенную окраску и характер звука, обогащая его, либо делая совершенно непривлекательным. В своих поисках идеального звучания конструкторы проигрывателей соединяют тонкий инженерный расчет и абсолютно эзотерические решения. Как правило, это дает искомый результат, однако не способствует удешевлению системы. Увы, продвижение к высотам качества в любой области человеческой жизни требует значительных эмоциональных, физических и материальных затрат.

Основными элементами подшипника являются стальная ось, бронзовый стакан и упорный шарик. Ось может крепиться к диску и вставляться в стакан, опираясь на шарик, лежащий на дне стакана.

Для изготовления опорного шарика используются самые разные материалы: от обычной закаленной стали до сапфира или специальных сплавов, используемых в NASA, как, например, в проигрывателях Simon Yorke Designs.

Особые требования предъявляются к чистоте обработки поверхности оси и внутреннего зеркала стакана. Для смазки используется синтетическое масло с низкой вязкостью.

Часто применяется "обратная" схема подшипника (inverted bearing) когда стальная ось крепится к субшасси, а стакан надевается сверху.

Схема подшипника проигрывателей Michell

Особое внимание следует обратить на конструкцию подшипника J.A.Michell Engineering.

Помимо беспрецедентной точности изготовления это подшипник обладает одной особенностью - он самосмазывающийся, с постоянной циркуляцией масла.

Г-н Джон Мичел (John Michell) нашел изящное инженерное решение этой задачи: на внутреннем зеркале бронзового стакана подшипника расположена очень тонкая спиральная канавка.

При вращении масло из ванночки захватывается срезом канавки и подается в верхнюю часть подшипника, смазывая при этом всю контактирующую поверхность оси, стакана и опорный шарик.

В качестве двигателей применяются маломощные синхронные электромоторы переменного тока. Питание осуществляется от образцовых источников питания с кварцевой стабилизацией частоты тока. Как правило, в проигрывателях класса Hi-End на диск не наносят стробоскопические метки для контроля частоты вращения. В этом просто нет необходимости, поскольку точность изготовления деталей, масса диска и калиброванное питание двигателя гарантированно обеспечивают заданную частоту вращения.

Если же ставятся специальные задачи, например воспроизведение нестандартных архивных записей, то питание двигателем может осуществляться от специального блока питания, управляемого персональным компьютером, как, например, в модификации стола S7 для архивов фирмы Simon Yorke Designs. Несколько таких столов установлено в библиотеке Конгресса США, и на них можно проигрывать абсолютно любые диски, даже записанные в обратном направлении или с постоянной линейной скоростью, что требует плавного изменения частоты вращения по мере перемещения звукоснимателя по поверхности диска.

В данном случае горизонтальный угол погрешности отсутствует благодаря тому, что головка звукоснимателя при перемещении иглы по пластинке, в любом месте зоны записи, оказывается на касательной линии к проигрываемой канавке. Недостатками сочлененного тонарма является повышенное трение из-за дополнительных шарниров, недостаточная жесткость и наличие дополнительных паразитных резонансов.

Оба вышерассмотренных варианта хотя и решали проблему горизонтального угла погрешности, рождали другие проблемы, к тому же из-за сложности и большой стоимости не нашли широкого применения. Еще одним важным недостатком являлось ограничение спектра используемых головок звукоснимателя из-за невозможности смены и подбора тонарма с другими характеристиками.

Кроме этого существуют удлиненные версии тонармов, в которых расстояние между вертикальной осью поворота и иголкой достигает 308мм (прим. 12 дюймов), в результате чего игла движется по более пологой дуге, соответственно меньше отклоняясь от траектории движения резца при записи.

Частота резонанса тонарма и звукоснимателя зависит от эффективной массы тонарма и гибкости подвижной системы головки. Полностью избежать резонанса невозможно, но правильный подбор этих параметров позволяет расположить его в узком промежутке от 8 до 20 Гц. Приведенная ниже номограмма позволяет примерно оценить степень соответствия параметров.

Следует учитывать, что общая эффективная масса это эффективная масса тонарма с установленной головкой звукоснимателя. Рассчитать общую эффективную массу нетрудно, воспользовавшись следующим примером:
допустим, что тонарм имеет эффективную массу 10 г, расстояние от оси поворота тонарма до центра тяжести головки 230мм, а масса головки 8 г, тогда общая эффективная масса = 10 +(8 х 0,23) = 11,84 г.

При конструировании тонарма разработчикам приходится находить непростой компромисс. Чтобы тонарм не оказывал влияния на колебания иглы при воспроизведении записи, т.е. вел себя абсолютно пассивно, его эффективная масса должна быть как можно большей по сравнению с массой подвижной системы звукоснимателя, а гибкость подвижной системы должна быть максимальной, в идеальном случае бесконечной. Если гибкость подвижной системы недостаточна, резонансная частота системы может оказаться выше нижней граничной частоты записи, т.е. 20 Гц. Это приведет к резкому снижению отдачи на частотах, ниже резонансной (иными словами к потере баса), т.к. модулированная канавка раскачивает тонарм вместе с иглой как единое целое. Кроме этого возрастают нелинейные искажения, деформации канавки пластинки и помехи от посторонних механических вибраций с частотой, близкой к резонансной. Однако одновременно необходимо обеспечить нечувствительность подвижной системы к внешним паразитным силам, а это возможно только при ограниченной массе тонарма.

Существуют разные пути решения этих задач: так, например, трубка тонарма AN-1s фирмы Audio Note выполнена из специального сорта бронзы. В силу большой массы такая конструкция хорошо противостоит возникновению резонансов и предпочтительна с точки зрения отношения эффективной массы тонарма к массе подвижной системы звукоснимателя. Но увеличение эффективной массы тонарма требует установки специальной головки с высокой жесткостью подвижной системы.

Тонарм компании Simon Yorke Designs серии 7 Precision

Трубка тонарма, площадка для крепления головки и направляющая для противовеса выполнены как единое целое из магниевого сплава методом литья под давлением.

Так в тонармах SME серий 300, IV и V для поворота в вертикальной плоскости применяются подшипники диаметром 10мм, а для поворота в горизонтальной плоскости диаметром 17мм. В классических тонармах SME 3009/30012 для снижения трения в вертикальной плоскости вместо шариковых подшипников применены остроконечные призмы, на которые опирается основание трубки тонарма. Оба этих варианта представляют собой т.н. карданную систему подшипников тонарма (gimbal bearing). Горизонтальная ось вращения тонарма должна быть перпендикулярна продольной оси симметрии головки звукоснимателя. Это обеспечивает симметричность контакта игла-канавка при движении вверх и вниз и равномерную нагрузку подшипников.

Тонарм SME 309. Отчетливо видна параллельность горизонтальной оси вращения и линии, на которой расположены отверстия крепления головки.

Примером другого пути решения этих задач является тонарм фирмы Simon Yorke Designs. Здесь применен единственный шарнирный элемент, обеспечивающий свободу движения тонарма в обеих плоскостях и соответствие горизонтальной оси вращения расположению головки (unipivot bearing). Внизу опорной части трубки тонарма сделано коническое углубление, которое опирается на остроконечную ось, как если бы Вы надели наперсток на острие карандаша. С тем отличием, что опорная ось диаметром 9,5мм выполнена из легированной стали, закаленной особым способом, а острие имеет радиус всего один микрон. Боковые качания отсутствуют благодаря специальной пластине прикрепленной к тонарму, через прорезь в которой проходит опорная ось. Чтобы не создавалось дополнительное трение, ось покрыта фторопластом в месте контакта с ограничительной пластиной.

В прямом тонарме поперечная статическая балансировка достигается равным распределением массы всех частей тонарма относительно его продольной оси и расположением на ней центра тяжести головки. В изогнутом тонарме для компенсации смещения центра тяжести от продольной оси применяется дополнительный груз (В). Регулировка поперечной балансировки осуществляется поворотом крепления груза (В) относительно продольной оси тонарма. Продольная балансировка регулируется перемещением противовеса (С) вдоль оси тонарма.

Регулировка прижимной силы звукоснимателя (VTF -vertical tracking force) может осуществляться тремя основными способами: а) смещение противовеса С к оси поворота при помощи микрометрического винта; б) смещение дополнительного груза В по направлению к передней части тонарма; в) регулировка специального пружинного механизма.

Регулятор прижимной силы тонарма SME Series V.

Ее нежелательное действие проявляется в том, что, толкая тонарм к центру пластинки, она вызывает повышенное давление иглы на внутреннюю стенку канавки и ослабляет контакт с внешней стенкой. Результатом является повышенный износ левой стенки канавки и искажения в правом канале из-за ненадежного контакта иглы и правой стенки.

Для уменьшения этого нежелательного воздействия в высококачественных тонармах применяются компенсаторы скатывающей силы или антискейтинг (anti-skating). Это устройство создает обратный вращающий момент, поворачивающий тонарм от центра пластинки (на рисунке - позиция А).

Поскольку трение между канавкой и иглой и как следствие величина скатывающей силы прямо зависят от установленной прижимной силы, регуляторы антискейтинга обычно проградуированы в граммах.

Что позволяет легко установить необходимую компенсацию в соответствии с приведенным к игле весом.

Существуют разные конструкции компенсаторов. Например, в тонармах SME серии 3000 противоскатывающую силу создает закрепленный на нити перекидной груз.

Для установки требуемого компенсирующего момента нить передвигают по градуированному горизонтальному стержню в положение, соответствующее прижимной силе звукоснимателя, изменяя, таким образом, плечо, а, следовательно, и величину обратного вращающего момента.

В некоторых других конструкциях грузик воздействует на тонарм через рычажную систему.

Более распространенными являются компенсаторы с пружинным механизмом. В них вращающий момент создается натяжением тарированной пружины (или эластичного полимерного элемента) прикрепленной к вертикальной оси поворота тонарма. Изменение натяжения осуществляется вращением градуированного регулировочного колесика.

Кроме этого применяются магнитные компенсаторы скатывающей силы.

Их принцип прост, два магнита обращенные друг к другу одноименными полюсами отталкиваются.

Такой компенсатор можно встретить в популярном тонарме Rega RB-300.