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Capitolo N°12

Tratto dal libro:

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

INDICE del libro

FONORIVELATORI PER RIPRODUZIONE DA DISCO

Edgardo Magnaghi

Sono discusse le più importanti qualità peculiari che hanno caratterizzato la costruzione di buoni fonorivelatori inizialmente con funzionamento piezoelettrico e successivamente con sistema magnetico o dinamico.

Esigenze comuni nei fonorivelatori mono e stereo

Qualità fondamentali di un buon sistema fonorivelatore :

Forza di appoggio
Per poter avere la massima cura dei dischi e nello stesso tempo permettere alla puntina, normalmente di zaffiro o diamante, l’ottimale pattinamento nel solco, la forza di appoggio deve essere quanto più possibile piccola. Tuttavia è anche indispensabile mantenere una, anche se piccola, costante forza di appoggio. Essa deve sottostare a due fondamentali grandezze fisiche dei fonorivelatori : nelle basse frequenze è determinante la cosiddetta cedevolezza (costante elastica del sistema), nelle alte frequenze invece è determinante la massa efficace del sistema riferita alla sommità dell’elemento di lettura. Ne consegue che non è quindi sufficiente, per poter applicare una piccola forza di appoggio, per esempio aumentare la cedevolezza, occorre nel medesimo tempo che venga ridotta la massa efficace della puntina. Solo così sarà garantito un sicuro contatto tra puntina e disco per la lettura dell’intero campo di frequenze ed è il più importante presupposto per una lettura il più possibile senza distorsioni. Il raggio di arrotondamento della puntina di lettura è definito nelle norme DIN 45500 per tutti i dischi microsolco con 15mm ±3mm per la puntina conica e 6mm/20mm per la puntina biradiale.

Risonanza del disco
Una maggiore massa efficace della puntina rivela nello schema di frequenze, in un campo di lettura con alte frequenze, un marcato picco di frequenze più o meno acuto. Ciò è riconducibile alla risonanza tra la massa della puntina e l’elasticità del materiale del disco. Questa risonanza pregiudica la qualità della riproduzione e frequentemente suonando un disco provoca il danneggiamento irreparabile del solco sonoro dello stesso. In un sistema fonorivelatore veramente buono, questa frequenza di risonanza si trova al di sopra di 20 KHz.

Risonanza del fonorivelatore
Con una bassa cedevolezza del sistema (alta elasticità) e contemporaneamente con una piccola massa del fonorivelatore e del braccio, può verificarsi nella parte inferiore del campo di lettura (con basse frequenze), egualmente un effetto di risonanza che penalizza le caratteristiche elettroacustiche. Per portare questo punto di risonanza, causato per esempio dal contrappeso, al di sotto del campo di lettura, sarebbe possibile aumentare l’intera massa del fonorivelatore ; ma questo può essere causa di vibrazioni verticali e/o orizzontali sul disco che si presentano in limitati valori di circonferenza. E’ quindi da ritenersi migliore, anche se più impegnativa, la soluzione di aumentare la cedevolezza. Tuttavia anche qui esiste un limite importante perché la cedevolezza deve garantire un supporto sicuro affinché la forza di appoggio della puntina venga esercitata nella direzione longitudinale del braccio.

Tensione d’uscita
La tensione d’uscita del fonorivelatore deve essere il più possibile alta per poter risparmiare sul costo dell’amplificatore. Per l’accoppiamento diretto allo stadio finale di un apparecchio radio oppure a un impianto di amplificazione è necessaria normalmente una tensione d’uscita di circa 1 Volt.

Equalizzazione
In alcuni sistemi fonorivelatori viene data la possibilità (equalizzazione) di compensare la correzione effettuata secondo la linea guida d’incisione/costante di tempo standardizzata nelle norme DIN 45546 e 45547 (62), trasformate in seguito nelle norme IEC 60098 (87), cioè il leggero aumento dell’ampiezza delle alte frequenze con 75ms, la riduzione dell’ampiezza delle basse frequenze con 318ms e la limitazione con 3180ms. L’equalizzazione viene eseguita normalmente con i fonorivelatori magnetici e dinamici dove in primo luogo è necessario lo stadio di preamplificazione. Nei sistemi piezoelettrici è sufficiente una risposta di frequenza più lineare che viene ottenuta con un abile utilizzo della sagomatura e della proprietà dei materiali impiegati (accoppiamento dei trasduttori al porta-puntina, sospensione dei trasduttori nell’alloggiamento, riempimento con appropriata sostanza ammortizzante). La tensione che forniscono i trasduttori piezoelettrici è generalmente così alta che è possibile fare a meno del preamplificatore. Questo è il motivo principale per cui tale sistema è stato il più diffuso.

Speciali esigenze dei fonorivelatori stereo

Conformità nella risposta di frequenza
La tensione riprodotta in tutta la gamma di frequenze deve essere uguale in entrambi i canali. Le eventuali differenze di uniformità in tutta la gamma di frequenze possono essere corrette, se le stesse non superano il campo di regolazione, mediante il regolatore di bilanciamento. Deve essere altrettanto uniforme la risposta di frequenza in entrambi i canali per poter evidenziare le correzioni di registro, per esempio di uno strumento musicale, o di un apparente passaggio di sorgente sonora.

Diafonia (perturbazione indotta)
Per ottenere un evidente effetto stereo si deve ottenere la separazione dei canali secondo le stabilite esigenze di diafonia ; nelle frequenze molto basse o molto alte può anche essere ammesso un valore superiore di diafonia in quanto per il fenomeno della fisiologicità d’ascolto dell’effetto stereo vengono evidenziate le medie frequenze.
Queste due prime caratteristiche sono comunemente riscontrabili nei fonorivelatori magnetici perché più facili da realizzare rispetto quelli piezoelettrici.

Angolo di traccia verticale
L’angolo di traccia verticale è molto importante per la lettura di dischi stereo senza distorsioni. Secondo le specifiche raccomandazioni (DIN 45500) deve essere di 15° ±5°.

Fonorivelatori piezoelettrici

Fonorivelatore a cristallo
Il trasduttore piezoelettrico usato per la fabbricazione di questo fonorivelatore è il cristallo di sale di Seignette o di Rochelle (tartrato neutro sodico-potassico). Mediante una particolare tecnica di taglio con filo è possibile ricavare da un blocco di cristallo un certo numero di lastrine con spessore da 0,25 a 0,3 mm che saranno poi accoppiate dopo averle spruzzate su entrambi i lati con una vernice conduttiva. Quindi le due lastrine vengono incollate una sull’altra, con colla conduttiva, inserendo una striscietta di stagnola d’argento che forma un primo conduttore. Con una seconda striscietta di stagnola si collegano le due superfici esterne creando così il secondo conduttore (Fig. 1-2). Infine per ultimare l’elemento trasduttore quando è asciutto dovrà essere protetto con una speciale vernice contro gli agenti atmosferici quali per esempio l’umidità.
Così fabbricato il trasduttore costituisce un ottimo oscillatore torsionale cioè se sollecitato a torsione si sviluppa tra i due collegamenti una tensione elettrica. Due trasduttori vengono quindi forzati in apposite sedi create in un cuscinetto posteriore stampato con uno speciale PVC (cloruro di polivinile) elastico. Per trasmettere sollecitazioni dal movimento del porta-puntina provvede una brida d’accoppiamento stampata in Poliuretano. Essa è modellata in modo da separare i canali per la riproduzione stereofonica e di trasmettere torsionalmente il movimento lineare del porta-puntina all’appropriato trasduttore (Fig. 3).
Come già ricordato le caratteristiche della brida d’accoppiamento e del cuscinetto posteriore determinano fondamentalmente la qualità del fonorivelatore. La loro durezza Shore e la loro ripercussionabilità (ritorno elastico) sono accuratamente selezionate ; anche la precisione delle dimensioni dei componenti è eccezionalmente critica. Allo stesso modo è molto importante la posizione del punto di accoppiamento tra la brida e il porta-puntina. L’applicazione di un adatto criterio di smorzamento permette di migliorare la risposta di frequenza e la diafonia.

Fig. 1
Sezione del trasduttore piezoelettrico a cristallo

Fig. 2
Blocco di cristallo ed elementi
del trasduttore nelle diverse fasi della
lavorazione

Il fonorivelatore rappresentato in Fig. 4 è costruito nel modo sopra descritto e produce una tensione che va da 1 a 3 Volt (velocità di picco V^=14cm/s) a 1000 Hz. La risposta di frequenza, la diafonia e la forza di appoggio necessaria (sono prescritti 2 g) possono ottimamente sottostare a tutti i parametri delle condizioni Hi-Fi secondo le norme DIN 45500. Un grave difetto di questo fonorivelatore però è la insufficiente resistenza climatica. Malgrado le molteplici verniciature protettive e il riempimento con una speciale pasta o con gomma-silicone, in condizione di alti valori di umidità e temperatura dell’aria, la continuità di servizio non è sufficiente. Considerando che con temperatura superiore a 30°C si riduce molto anche il valore della tensione d’uscita, è possibile affermare che il fonorivelatore con sale di Seignette non è assolutamente adatto a zone tropicali.

Fig. 3
Premontaggio del sistema a cristalli

Fig. 4
Fonorivelatore a cristalli con due puntine, rispettivamente per dischi 78 giri e stereo

Fonorivelatori ceramici

In alternativa al trasduttore con sale di Seignette esiste il trasduttore ceramico composto da un materiale policristallino, generalmente il titanato di bario. Questo trasduttore viene prodotto mediante un processo di sinterizzazione. Esso deve la propria piezoelettricità al trattamento cui viene sottoposto ad una determinata temperatura con alta tensione continua eliminando in questo modo anche la necessità dell’elettrodo centrale e del collegamento sui due rivestimenti esterni. Conformemente alla polarità della tensione di polarizzazione è possibile produrre trasduttori positivi o negativi. A causa della sua conformazione questo trasduttore agisce come oscillatore a flessione.
Come per il trasduttore a cristallo, due trasduttori vengono forzati negli appositi alloggiamenti ricavati nel cuscinetto posteriore. I movimenti del porta-puntina vengono trasmessi ai trasduttori mediante una brida d’accoppiamento elastica che li collega. Questa brida è diversamente sagomata rispetto quella del fonorivelatore a cristallo in quanto come già detto, il trasduttore ceramico quale oscillatore a flessione, necessita di accoppiamento rettilineo (Fig. 5-6).

Fig. 5
Premontaggio di sistema ceramico
con l’elemento ammortizzatore

Fig. 6
Sezione del fonorivelatore ceramico
con il porta-puntina

La forza di appoggio necessaria è di circa 4 g e la tensione prodotta è compresa tra 0,5 e 1 Volt. La risposta di frequenza con alte frequenze, se confrontata con quella di analoghi fonorivelatori a cristallo non risulta altrettanto buona.
Per attenuare la risonanza propria del trasduttore (barretta ceramica) è necessaria una particolare misura di smorzamento. A questo scopo si forza sulle barrette un elemento antivibrante stampato in uno speciale PVC elastico e lo si posiziona davanti a circa un terzo della lunghezza delle stesse barrette ceramiche. Un ulteriore miglioramento del campo di frequenze è possibile mediante il riempimento del guscio con pasta smorzante o con gomma-silicone fluida.
Sebbene le proprietà elettroacustiche del fonorivelatore ceramico non siano altrettanto buone rispetto quelle del fonorivelatore a cristallo, esso ha avuto un vasto sviluppo a scopo esportazione per la sua certificata idoneità tropicale. La Fig. 7 mostra una cartuccia ceramica finita.

Fig. 7
Fonorivelatore ceramico

Fonorivelatori magnetici

I fonorivelatori magnetici si possono dividere in due categorie :
Fonorivelatori a magnete mobile e
Fonorivelatori a resistenza magnetica variabile (magnete indotto).
Entrambi i tipi sono basati su principi fondamentalmente semplici per cui anche la costruzione risulta molto semplice come per i fonorivelatori piezoelettrici precedentemente descritti.

Fonorivelatore a magnete mobile
Il fonorivelatore a magnete mobile è costituito da un piccolo magnete a forma di barretta solidale all’insieme porta-puntina. Il tutto viene supportato attraverso un appropriato materiale elastico che gli consente un leggero movimento. Il magnete mobile viene circondato, nel fonorivelatore stereo, dalle quattro espansioni polari delle quattro bobinette, nel caso mono da solo due, opportunamente predisposte. Le bobinette contrapposte sono collegate in serie (esecuzione quadripolare) e forniscono la tensione modulata rispettivamente per il canale destro e il canale sinistro.

Fonorivelatore a resistenza magnetica variabile
Il fonorivelatore a resistenza magnetica variabile funziona con un principio abbastanza differente dal precedente. In quest’ultimo è presente un’ancorina mobile costruita con un materiale ferromagnetico. Necessariamente il flusso magnetico di un magnete permanente fisso viene indotto dall’ancorina mobile. La collocazione delle bobinette è simile al sistema magnetico con magnete mobile (Fig. 8).

Dati tecnici
La tensione prodotta da entrambi i tipi oscilla da 10 sino a 25 mV con una velocità di picco di V^ = 14 cm/s a 1000 Hz. La forza di appoggio necessaria varia nell’ordine di grandezza da 0.75 a 3 g. Il semplice concetto di costruzione permette di raggiungere eccellenti valori in risposta di frequenza e diafonia. La risposta di frequenza è proporzionale alla velocità per cui, come già menzionato, è possibile correggere mediante l’equalizzazione la linea guida d’incisione. La qualità dell’impulso sonoro di questo sistema di lettura, per la piccola massa efficace del portapuntina, è particolarmente buono. In conclusione il sistema magnetico viene giudicato il migliore sistema fonorivelatore apparso sul mercato.

Fig. 8
Schema funzionamento del fonorivelatore magnetico a resistenza variabile

Fonorivelatore magneto-dinamico
Mentre con il sistema magnetico vengono mossi rispettivamente un magnete oppure un’ancorina, il sistema dinamico necessita di una oppure due (se stereo) piccole bobine mobili in un, il più intenso possibile, campo magnetico. Mediante una brida d’accoppiamento rigida, le bobinette vengono animate dal porta-puntina. Per creare il campo magnetico viene utilizzato un relativamente pesante magnete permanente che ingrandisce notevolmente la massa del fonorivelatore. Il vantaggio del sistema dinamico è la piccola distorsione propria del trasduttore elettro-meccanico poiché il collocamento della bobinetta nella omogeneità del campo magnetico può positivamente influenzare il profilo della curva di un segnale. Al contrario nel sistema magnetico può presentarsi una distorsione nelle grandi ampliezze causata dalla poca distanza tra le espansioni polari e l’ancorina mobile in quanto il flusso magnetico varia proporzionalmente con il quadrato del traferro. Svantaggio del sistema magneto-dinamico è invece la minore tensione d’uscita perché per ottenere una massa efficace ridotta viene ridotto il numero di spire nelle bobinette mobili. Nello stesso si deve generalmente applicare anche uno speciale elevatore di tensione direttamente nel sistema fonorivelatore. In un sistema fonorivelatore magneto-dinamico giapponese veniva impiegato, come bobina, uno speciale avvolgimento a disco di nastro d’alluminio. Questo sistema generava una tensione d’uscita di 7.5 mV (V^=14 cm/s a 1000 Hz), in questo modo si poteva rinunciare all’elevatore di tensione. Purtroppo però, nel medesimo sistema, la risonanza del disco, nonostante la bobina fosse d’alluminio, era a circa 9 kHz, cioè ancora nel campo delle frequenze sonore trasmissibili, così che lo stesso non poteva essere classificato di grandi pretese.

Fonorivelatore a semiconduttore
Il fonorivelatore a semiconduttore è molto simile a quello piezoelettrico. Invece del trasduttore piezoelettrico viene opportunamente utilizzato uno speciale materiale semiconduttore la cui resistenza elettrica varia sensibilmente con le sollecitazioni meccaniche. Questa variazione di resistenza è in grado di trasformare, nel semiconduttore, una corrente continua in tensione alternata. Poiché la massa da muovere è piccola, ne risulta una buona proprietà di trasmissione. Per il principio tipico del trasduttore, la risposta di frequenza è possibile sino a circa 0 Hz ; ma considerando che tali basse frequenze non sono presenti sul disco, questa caratteristica non giustifica l’alto prezzo.

Fonorivelatore capacitivo
Nel fonorivelatore capacitivo viene utilizzata la variazione di capacità di un porta-puntina adeguatamente sagomato, verso un elettrodo esterno fisso. Poiché la variazione di capacità risulta molto piccola, si adopera per produrre la tensione di riproduzione il medesimo procedimento in alta frequenza che viene applicato nei microfoni a condensatore.

Fonorivelatore foto-elettrico
Nel fonorivelatore foto-elettrico è previsto sul porta-puntina un diaframma con due fessure entro le quali filtra la luce emessa da una piccola lampada a incandescenza che viene captata da due fotodiodi per un tempo determinato dalla modulazione del solco sonoro.
La qualità della riproduzione di entrambi gli ultimi sistemi descritti è ottima a causa della piccola massa efficace della puntina che si può ottenere. Purtroppo la loro diffusione è stata limitata dall’elevato costo (circa 800.000 Lire nel 1970).

[1] H. Sachse : Ferroelektrica. Editore Springer. Berlino (1956)

[2] H.J.Martin : Ferroelektrica. Società Editrice Accademica. Lipsia (1964)

[3] F. Bertold : Moderna tecnica del disco. Editore Franzis. Monaco (1959)

[4] O. Marquardt : Fonorivelatori per riproduzione da disco (TFK-1969)