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Capitolo N°11

Tratto dal libro:

"50 anni di attività con la tecnica della
registrazione e riproduzione analogica"

INDICE del libro

BRACCI PER APPARECCHI FONOGRAFICI

Edgardo Magnaghi

Viene descritto quanto era necessario conoscere per progettare i bracci fonografici LESA e TELEFUNKEN con minima distorsione e che durante la riproduzione non danneggiassero il disco. Sono inoltre trattate le norme di costruzione che consentono di usare una minima forza di appoggio, fonte principale di errori concettuali

Il braccio di un sistema fonorivelatore deve in modo preciso e sicuro mantenere costante in qualsiasi posizione la forza di appoggio prefissata, ciò non in modo incerto o traballante e così condurre la puntina sul disco, nonostante la modulazione del solco, il più possibile orizzontalmente in direzione del raggio dello stesso disco. Il braccio deve inoltre sorreggere il sistema fonorivelatore senza permettere vibrazioni allo stesso o all’intero braccio che possano portare la puntina fuori dal solco. D’altronde esso deve spostarsi verso il centro del disco seguendo l’avanzamento del solco solo mediante la forza di appoggio senza esercitare alcuna forza aggiuntiva o trasmettere alcuna anomalia al sistema. Le difficoltà che si presentano in questa occasione sono ancora di natura geometrica e meccano-dinamica:

1. Problemi geometrici

1.1. Errore di tangenza
Come già descritto nel capitolo precedente, per soddisfare l’esigenza di mantenere il sistema fonorivelatore sempre in posizione ortogonale rispetto la tangente del solco durante tutto il suo percorso sul disco, sarebbe necessaria la costruzione di un braccio molto complicato e dispendioso; impresa che in LESA e in TELEFUNKEN non è stata ritenuta conveniente affrontare. In generale i normali bracci sono supportati da due perni, uno orizzontale e uno verticale che consentono al sistema fonorivelatore di descrivere un arco di cerchio sopra il disco, dimensionato in modo che possa mantenere sufficientemente piccolo l’errore di tangenza in tutto il campo d’azione sullo stesso disco. Per ottenere ciò occorre determinare la distanza tra il perno verticale del braccio e la puntina di lettura “L” leggermente più grande della distanza tra il perno verticale del braccio e il perno del piatto “d” (la differenza viene comunemente denominata over-hang “D”) in modo che il campo d’azione della puntina venga a trovarsi oltre il punto centrale del disco. Inoltre occorre collocare il sistema fonorivelatore su un gomito con inclinazione “b” rispetto l’asse di lunghezza del braccio (Fig. 1).
L’angolo “a” tra il corrispondente raggio del solco “R” e l’asse di lunghezza del braccio “L” (Fig. 2) e il rispettivo angolo “g” = 90°-a tra la tangente e l’asse di lunghezza del braccio “L”, si determinano con la formula:

Con una conveniente scelta di “L” e “d” si arriva quindi a determinare il valore di seno g e per ciò anche il valore variabile di g tra il raggio del solco modulato esterno Re e il raggio del solco modulato interno Ri.
L’errore di tangenza

varia da un valore esattamente uguale al valore dell’angolo del gomito b posto all’interno e all’esterno di valori positivi. Nel tratto intermedio tra i due punti zero è ammessa la presenza di valori negativi (Fig. 3). Mediante la lunghezza del braccio (L più grande) è possibile ridurre l’errore di tangenza d. Poiché il fattore di distorsione secondo l’equazione (3) del precedente capitolo [1] non dipende solo da d, ma anche da d/R, il valore dell’errore di tangenza del settore esterno che sarebbe più grande deve invece risultare equivalente al valore dei solchi interni.
La curva disegnata in Fig. 3 indica gli errori di tangenza e i fattori di distorsione subordinati al raggio del solco R per il braccio “Spaziale” Panta (ex LESA) di Fig. 4-5-6-7.
L’errore di tangenza si può rilevare sull’ordinata mentre il fattore di distorsione (per la velocità V ^eff = 1 cm/s-1) si può leggere a destra sulla numerazione posta sopra il fascio di raggi: sul raggio R = 6.7 si rileva nel modo sopra indicato un errore di tangenza d = -0.5° e un fattore di distorsione Krel = 0.05 % / cm s-1.
Sul raggio R = 9.8 si rileva invece un errore di tangenza d = 0.8° e un fattore di distorsione Krel = 0.06 % / cm s-1.

Fig. 6 Braccio tipo “SPAZIALE” – PANTA

Fig. 7 Giradischi RPH 280 con il braccio “SPAZIALE”

1.2. Forza centripeta di pattinamento (skating force) e relativa compensazione
La necessaria geometria del braccio precedentemente discussa ha purtroppo un effetto secondario negativo: a causa dell’attrito tra disco e puntina di lettura si genera sulla puntina stessa una forza di trazione in direzione del solco non interamente assorbita dal supporto del braccio ma che presentandosi con un angolo tra l’asse di lunghezza del braccio “L” e la tangente del solco produce sul supporto del braccio una coppia di rotazione tendente a trascinare il braccio verso il centro del disco. La puntina quindi non può più lavorare normalmente con una spinta simmetrica contro i fianchi del solco ma riceve una sensibile spinta anomala verso il fianco interno del solco; di conseguenza il fianco interno (sinistro) del solco risulterà fortemente usurato.
Nella Fig. 8 è rappresentato sommariamente un braccio Telefunken posizionato su un disco e il diagramma delle forze che agiscono sull’estremità della puntina.
“F” è la forza generata dall’attrito che ha una direzione tangente al solco nel punto di contatto di questo con la puntina; detta forza è il prodotto del coefficiente di attrito “K” tra puntina e disco con la forza di appoggio “P” della puntina:

Questa forza “F” si scompone in una forza “V” che agisce in direzione del centro di rotazione del braccio che è quindi anche il supporto del braccio stesso e in una forza “S” di pattinamento che genera una coppia “C” di rotazione centripeta al braccio:

Dove “L” è la lunghezza totale efficace del braccio e “g” è l’angolo tra l’asse del braccio e la tangente del solco. La forza di appoggio “P” della puntina sul solco del disco si scompone in due forze uguali contro i fianchi del solco, PS = PD = 0.7 P(vedi Fig. 9). A causa della forza di pattinamento (skating force), alla forza “P” si sostituisce la forza “P1” e la forza della puntina contro il fianco destro si riduce da “PD” a “PD1”.
I primi a rilevare questo fenomeno furono nel 1960 i tecnici della “Fairchild Recording Equipement”; studiando un incisore stereo capace di registrare segnali con velocità di incisione fino a 550 cm/sec., notarono che a questi alti livelli la riproduzione del canale sinistro era perfetta mentre comparivano distorsioni e difficoltà di linearità sul canale destro. Applicarono allora al braccio riproduttore una forza uguale e contraria alla forza di pattinamento (skating force) e riuscirono così ad ottenere uguale aderenza della puntina sia sul fianco destro che sul fianco sinistro. Gli effetti positivi sulla distorsione sono già rilevabili, applicando il dispositivo anti-skating, con velocità di incisione di 14 cm/sec. di picco a 1KHz e usando rivelatori di alta qualità con forza di appoggio della puntina di 2 g.

La forza laterale “S”, ovvero la forza centripeta di pattinamento (skating force) aumenta in modo lineare con l’aumento della forza d’appoggio “P”. Normalmente nei bracci Hi-Fi la compensazione viene effettuata creando una coppia antagonista (dispositivo anti-skating) alla coppia di pattinamento regolabile separatamente dalla regolazione della forza di appoggio, in alcuni apparecchi invece la compensazione della skating force avviene automaticamente con la regolazione della forza di appoggio. In altri casi è previsto un ulteriore mezzo di correzione che tiene conto anche della forma della puntina causa di variazioni del coefficiente d’attrito “K” e quindi della skating force.
Il coefficiente d’attrito “K” tra puntina e disco può essere influenzato da diversi fattori, ad esempio:

Stabilita la forza di appoggio della puntina a 2 gf con K = 0.3 avremo una forza generata dall’attrito F = 0.6 gf; in questo caso la forza di pattinamento varierà in funzione del raggio del solco a causa della conseguente variazione dell’angolo g secondo la curva tracciata in Fig. 10.
I dispositivi antipattinamento (anti-skating) dei giradischi TELEFUNKEN mod. PS81DD-G90-TRS9000 erano a forza variabile per tutta la zona incisa del disco; veniva così garantita una buona compensazione anche nei solchi interni del disco. Gli stessi erano tarati per un coefficiente di attrito K = 0.3 che rappresentava un buon compromesso tra le variazioni che poteva avere la skating force (vedi Fig. 11). La forza antagonista era applicata al braccio mediante un dispositivo elettromagnetico in modo che durante l’avanzamento fornisse il valore voluto e escludesse qualsiasi attrito meccanico (vedi Fig. 12-13-14).

2. Problemi meccanici di dinamica

2.1.Equilibratura del braccio
Il rivelatore non deve, quanto più possibile, reagire alle vibrazioni che possono provenire dall’esterno, per esempio al rumore dei passi. Per ottenere questa condizione occorre per prima cosa equilibrare il braccio sui propri cardini ovvero sull’asse di rotazione orizzontale e sull’asse di rotazione verticale. A ciò si provvede mediante l’applicazione di un peso di compensazione (contrappeso). Nelle realizzazioni più economiche è invece utilizzata una semplice molla di trazione con la quale si crea anche la forza di appoggio e che offre il vantaggio di avere un braccio estremamente leggero. Mediante questi accorgimenti non solo si isola il sistema fonorivelatore dalla ricezione di eventuali vibrazioni esterne tramite il piatto portadischi, ma si crea la condizione che anche se l’apparecchio è posto su un piano non perfettamente orizzontale non si pregiudica il procedimento di lettura.

2.2. Risonanze del braccio
Per attenuare le già menzionate risonanze del braccio si ricorre frequentemente ad interporre elementi elastici nel fissaggio del contrappeso che contribuiscono con la sospensione elastica della puntina a riportare le risonanze disturbanti, causate da vibrazioni torsionali oppure a flessione del braccio, che possono apparire nella risposta di frequenza, in valori inferiori al minimo del campo di trascrizione. La necessità di rigidità alla flessione e di leggerezza può essere risolta, per esempio, con la realizzazione di bracci tubolari.

2.3. Supporto del braccio
I più importanti requisiti del supporto del braccio che possono influire sulla fedeltà della riproduzione sono: consentire sempre un preciso appoggio sul disco senza incertezze causate da difettoso montaggio o inammissibile riscaldamento e senza generare vibrazioni verticali. Qualora in un giradischi, il perno del braccio per il movimento verticale producesse vibrazioni verticali sulla superficie del disco, la cui componente cinetica nella direzione longitudinale del solco acustico causa deviazioni in altezza del suono, si verificherebbe anche una inopportuna usura del disco stesso.
Per non generare vibrazioni verticali, nei giradischi, i due perni di supporto devono essere collocati in una ben determinata posizione elevata rispetto la superficie del disco, nei cambiadischi questa condizione può essere realizzata solo su una determinata altezza della pila di dischi così che nei medesimi possono evidenziarsi leggeri disturbi acustici causati appunto da vibrazioni verticali sul disco.
La già descritta forza centripeta di pattinamento (skating force) è di circa il 10% della corrispondente forza di appoggio. L’attrito supporto-braccio si ripercuote sullo svolgimento della lettura nel medesimo senso con leggere vibrazioni laterali però con mutevoli effetti. Anche se in modo non completo, come nel caso della compensazione antiskating, è possibile attenuare l’attrito del braccio con semplici cuscinetti a sfere oppure con bussole antifrizione. Perché il dispositivo antiskating funzioni perfettamente e senza produrre disturbi, occorre però che l’attrito supporto-braccio risulti sulla puntina di lettura con valore molto inferiore a quello della forza antiskating, quindi circa l’1% della forza di appoggio utilizzata dai sistemi fonorivelatori e cioè da 10 a 50 mg.
Per le sopra citate ragioni, la costruzione del supporto del braccio richiede esperienza nel progetto e meccanica di precisione nella costruzione.

3. Braccio “dell’astronomo” con errore di tangenza “zero”

Come precedentemente ricordato, per eliminare la possibilità di distorsione dovuta a errori angolari (errore di tangenza) è necessario che il braccio, ovvero il rivelatore, avanzi verso il centro del disco mantenendo costantemente l’ortogonalità rispetto la tangente del solco. Nel 1974, uno scienziato dell’Osservatorio Astronomico di Roma, il Prof. G. Caprioli, basandosi sulle leggi della geometria piana, ideò e brevettò un braccio che pur essendo di struttura relativamente semplice, possedeva questi requisiti.
Il braccio era costituito essenzialmente da un meccanismo con due pulegge aventi diametri in rapporto 2 : 1, in grado di impartire alla cartuccia di lettura, opportunamente fissata solidamente alla maggiore di esse, una rotazione compensatrice di quella del braccio nel suo complesso attorno alla minore, tale da mantenere costante l’angolo fra la mezzeria longitudinale della cartuccia e la tangente alla direttrice del solco nel punto di lettura; in particolare nullo per opportuna regolazione delle parti, al fine di conseguire un tracciamento tangenziale che, rispettando le condizioni realizzate all’atto dell’incisione della matrice del disco, ne rendeva possibile la riproduzione esente da distorsione.
Abbiamo potuto osservare che durante il funzionamento di un giradischi munito di un convenzionale braccio imperniato rigido, l’angolo formato dalla mezzeria longitudinale della cartuccia di lettura con la tangente alla direttrice del solco nel punto di contatto con la puntina dello stilo varia continuamente, mentre, per rispettare le condizioni realizzate all’atto dell’incisione della matrice del disco e pertanto evitare distorsioni nella riproduzione del segnale, esso dovrebbe risultare costantemente nullo. Con un braccio di adeguata lunghezza ed opportuna configurazione si ottiene generalmente l’annullamento di tale angolo in corrispondenza di due punti della zona utile del disco (vedi Fig. 3), mantenendone altrove entro qualche grado il valore massimo.
Per una più radicale riduzione dell’errore di tangenza sono stati realizzati bracci non imperniati nei quali la puntina veniva condotta radialmente da una guida rettilinea mediante un asservimento atto a vincere le forze d’inerzia e d’attrito, evitando altrimenti una inaccettabile usura della puntina e del disco (Rabco, Bang & Olufsen); oppure bracci imperniati aventi una struttura a pantografo per l’opportuna variazione dell’assetto della cartuccia nel corso della lettura (Garrard, Van Rps). Ma l’approssimazione intrinseca nella progettazione del pantografo comportavano solo una limitata correzione dell’errore di tangenza, nonostante la notevole complessità dei dispositivi, la presenza di ulteriori punti di attrito e il costo elevato.
Il braccio “dell’astronomo” proponeva un dispositivo che, utilizzando un differente organo cinematico di più semplice realizzazione, consentiva l’esatto e costante annullamento dell’errore di tangenza e richiedeva la presenza di un solo perno addizionale rispetto al braccio convenzionale del quale avrebbe potuto conservare la maneggevolezza e la versatilità.
Inoltre, dato che la correzione esatta dell’errore di tangenza risultava, in tale dispositivo, indipendente dalla lunghezza del braccio, questa avrebbe potuto essere sensibilmente inferiore a quella di un braccio convenzionale di alta qualità; risultando conseguentemente minore il momento d’inerzia complessivo e pertanto più rapido l’adattamento alle sollecitazioni dovute alle ondulazioni ed alla eccentricità del disco, tendenti altrimenti a produrre il distacco della puntina dal solco.
Infine, la simmetria del posizionamento della cartuccia nel dispositivo, rendeva superflui quegli accorgimenti che dovevano essere adottati in un braccio convenzionale di qualità per assicurare il bilanciamento laterale necessario affinché non risultasse critico il livellamento del giradischi.

La Fig. 15, illustra il principio geometrico del dispositivo sul piano del disco dove O è l’asse di rotazione del disco e P è l’asse di rotazione azimutale del braccio. Questo ha lunghezza tale che risulta uguale a PO la distanza b e la puntina, allorché questa sia appoggiata sul disco nella generica posizione Q definita dall’angolo a . La tangente t in Q alla direttrice del solco d , esattamente coincidente con la circonferenza di centro O per Q , forma l’angolo b con la direzione PQ . Poiché il triangolo OPQ è un triangolo isoscele, risulta : b = a / 2
La Fig. 16 illustra, su un piano superiore parallelo al piano del disco, il principio cinematico del dispositivo nelle condizioni di lavoro. La puleggia p è fissata con centro p’ sull’asse di rotazione azimutale del braccio. La puleggia q di diametro doppio, è imperniata e libera di ruotare, all’estremità del braccio, a distanza P’O’ = PO da P’ , attorno ad un asse Q’ che risulta perpendicolare al piano del disco. Una cinghia c collega direttamente le due pulegge con vincolo di puro rotolamento. In tali condizioni una rotazione azimutale del braccio provoca la contemporanea rotazione, per un angolo esattamente metà, della puleggia q attorno al suo asse. Pertanto se la cartuccia è fissata solidamente a tale puleggia in modo che la puntina si trovi sull’asse di rotazione di essa, la sua mezzeria longitudinale indicata con a si manterrà costantemente parallela alla tangente della sottostante direttrice del solco nel punto di contatto, se tale era, ad esempio come in Fig. 16 , per a = 0 .
Le Fig. 17a 17b rappresentano in vista dall’alto e laterale una schematica realizzazione del dispositivo nelle sue parti essenziali. Una asta rigida A costituisce il braccio e sostiene le due pulegge p e q ad essa imperniate con gli assi f e g , nonché un contrappeso B . L’asse g è contemporaneamente l’asse della rotazione azimutale del braccio e ad esso è materialmente solidale la puleggia p . La cartuccia di lettura E è fissata ad una piastrina D solidale alla puleggia q , in modo che la puntina dello stilo di lettura S si trovi sull’asse f . La cinghia è rappresentata da un filo c mantenuto in tensione costante da una molla elicoidale m inserita lungo uno dei tratti liberi, che ha anche la funzione di ridurre il gioco dei perni alle estremità del braccio.
Onde evitarne lo scorrimento, il filo poteva essere ancorato a ciascuna puleggia in un punto della superficie laterale non interessato al funzionamento, per esempio mediante stringimento sotto la testa di una vite radiale, da effettuarsi all’atto della regolazione iniziale per l’annullamento dell’errore di tangenza.
Le pulegge potevano essere realizzate in materia plastica infatti una tolleranza di 0,03 mm sul diametro comporta un valore massimo dell’errore di tangenza non superiore ad 1’. La costruzione del dispositivo era compatibile con diverse realizzazioni dell’asse di rotazione fisso del braccio. Nel caso di una realizzazione ad asse azimutale fisso, l’asse zenitale doveva però giacere nel piano medio dell’avvolgimento della cinghia attorno alla puleggia fissa perché risultino minime le rotazioni indesiderate della cartuccia per le oscillazioni del braccio dovute ad eventuali ondulazioni del disco.
Il perno della puleggia alla quale è solidale la cartuccia costituisce l’unico ulteriore punto di attrito rispetto ad un braccio convenzionale e si sarebbe pertanto dovuto realizzare con elementi meccanici di adeguata qualità e precisione. E’ da rilevare comunque la favorevole riduzione operata dal meccanismo a pulegge nel riportare la relativa coppia d’attrito all’asse azimutale ove la stessa viene contrastata da quella delle forze attive fornite, durante la rotazione del disco, dalla spiralizzazione della direttrice del solco e dalla componente radiale dell’attrito sulla puntina (skating force) ed applicate, attraverso questa, all’estremità del braccio.
Tutto quanto sopra descritto era allettante, teoricamente era tutto esatto; ma le prove eseguite sul prototipo nei laboratori della LESA rilevarono, Fig. 18, che l’attrito generato sui perni durante l’avanzamento del braccio verso il centro del disco causava una eccessiva forza antagonista con conseguente spinta anomala della puntina verso il fianco esterno del solco. Questo difetto, impossibile da eliminare, evidenziava anche un diverso livello di segnale tra il canale destro e il canale sinistro.
Anche se riconosciuta come idea geniale, il braccio “dell’astronomo” non è mai stato presentato sul mercato.

Fig. 18 Braccio “dell’astronomo”
Registrazione grafica della curva di risposta con peso puntina = 2 gr

LETTERATURA

[1] W. Wegner : Sperciale problematica per la lettura del disco. (TFK 1969)