Электромагнитное устройство для демпфирования тонарма проигрывателя грампластинок (варианты) и магнитный элемент для него (варианты)
ELECTROMAGNETIC DEVICE FOR DAMPING TONEARM OF RECORD PLAYER (VERSIONS) AND MAGNETIC ELEMENT FOR IT (VERSIONS)

Область техники
Предлагаемая группа изобретений относится к устройствам для звуковоспроизведения, а именно к механизмам, обеспечивающим защиту снимаемого звука от искажений за счет поддержания тонарма, оснащенного звукоснимающей головкой, в необходимом положении относительно носителя звуковой информации (грампластинки), а так же за счет подавления собственных резонансных колебаний тонарма, и может быть использована для повышения качества воспроизведения звука на проигрывателях грампластинок.
Уровень техники
Тонарм - это штанга или трубка, которая одним своим концом крепится на столе винилового проигрывателя, а на другом конце несёт головку звукоснимателя. Тонарм удерживает головку звукоснимателя над поверхностью виниловой пластинки,  обеспечивает беспрепятственное перемещение головки звукоснимателя вдоль звуковых дорожек с нужной прижимной силой, проводит сигнал от звукоснимателя к фонокорректору.
Различают два типа тонармов. Тангенциальный тонарм крепится с возможностью линейного перемещения относительно пластинки, при котором движется весь тонарм. Радиальный (поворотный) тонарм имеет неподвижную ось вращения, позволяющую расположенному на конце тонарма звукоснимателю беспрепятственно двигаться по дуге, следуя за звуковой канавкой вращающейся пластинки.
Известно, что, при проигрывании пластинки тонарм должен быть, с одной стороны, бесконечно легким, чтобы без сопротивления огибать рельеф пластинки и поворачиваться вокруг своей оси (для радиальных тонармов), с другой – бесконечно тяжелым, чтобы отклонения канавки при проигрывании вызывали отклонения именно иглы, а не головки звукоснимателя с тонармом. Собственные резонансы тонарма в области звуковых частот, особенно возникающие при низкочастотных колебаниях иглы звукоснимателя в процессе воспроизведения грампластинки, часто приводят к нежелательным колебаниям тонарма. Колебания тонарма вызываются также особенностями рельефа пластинки: короблением – смещением канавки звуковой дорожки по вертикали, и эксцентриситетом. Колебания тонарма передаются на головку звукоснимателя и влекут нежелательные искажения звуковоспроизведения. Для снижения вредных колебаний тонарма необходимо его демпфировать.
Из уровня техники известен тангенциальный тонарм по патенту  RU 2463675 C1, МПК G11B 3/18, 10.10.2012 г., содержащий механизм демпфирования, включающий кювету с жидкостью и плавающим в этой жидкости поплавком, на котором укреплена стойка трубки тонарма, при этом поплавок снабжен взаимодействующими с внутренней поверхностью стенки кюветы роликами, вертикальные оси которых укреплены на поплавке, а также фиксаторами его положения, укрепленными на поверхности поплавка и взаимодействующими с направляющей, прикрепленной к внутренней поверхности стенки кюветы.
Указанный механизм жидкостного демпфирования имеет следующие недостатки:
1. Сложность в изготовлении и эксплуатации.
2. Неблагоприятное влияние жидкостного демпфирования на звучание, отмечаемое рядом аудиофилов (эффект «приглаживания» звука).
По сравнению с жидкостным демпфированием более перспективным видится электромагнитное демпфирование, основанное на эффекте, описываемом уравнением для силы Лоренца: Сила F, действующая на частицу с электрическим зарядом q, движущуюся со скоростью v, во внешнем электрическом E и магнитном B полях, такова:
F=q(E+v*B),
где *- векторное произведение.
Иными словами, постоянный магнит, движущийся относительно неподвижного массивного проводника, всегда встречает сопротивление своему перемещению, и чем быстрее такое перемещение – тем больше сопротивление, причем движение массивного проводника относительно неподвижного магнита имеет такой же эффект.
Принцип, лежащий в основе работы электромагнитных демпфирующих устройств для тонармов, и в том числе заявляемой группы изобретений, заключается в том, что демпфер сопротивляется любым отклонениям тонарма, но так как огибание рельефа пластинки имеет очень малую скорость, то и сопротивление такому отклонению ничтожно, все же остальные колебания тонарма имеют большую скорость и эффективно подавляются демпфером, и чем больше амплитуда таких колебаний – тем эффективнее их подавление демпфером.
Наиболее близким аналогом, принимаемым за прототип, является механизм электромагнитного демпфирования тонарма, используемый в открыто применяемом устройстве – поворотном тонарме Dynavector DV507MKII производства компании Dynavector Systems Ltd. (Япония). См.:
http://www.dynavector.com/products/tonearm/e_507mk2.html [1],
http://www.manualsdir.com/manuals/735545/dynavector-dv-507-mkii-tonearm.html?page=4&original=1 [2],
http://hifilounge.co.uk/dynavector-507mk2-tonearm [3],
http://www.enjoythemusic.com/magazine/equipment/1205/dynavector507mkii.htm [4].
Устройство по прототипу представляет собой бесконтактный электромагнитный демпфер двухосевого тонарма, содержащий два магнита, жёстко закрепленных на основании тонарма таким образом, что между ними имеется небольшое расстояние, и пластину в форме дуги из токопроводящего материала (меди), жёстко закрепленную на противовесе основной горизонтально подвижной штанги  тонарма таким образом, что при горизонтальном движении основной оси тонарма токопроводящая пластина движется между магнитами, не касаясь их. Токи Фуко (англ. - eddy current), возникающие в пластине при её движении между магнитами, удерживают её перемещение, подавляя горизонтальные колебания жёстко соединенной с ней основной штанги тонарма.
Устройство по прототипу конструктивно связано с тонармом, представляя собой, по сути, составную часть, узел тонарма. Соответственно, устройство по прототипу не может использоваться вне конструкции конкретного двухосевого тонарма, имеющего основную горизонтально подвижную ось и дополнительную вертикально подвижную ось.
При этом, устройство по прототипу гасит только резонансные колебания тонарма, направленные горизонтально, не оказывая воздействия на вертикальные колебания, возникающие в дополнительной вертикально подвижной оси тонарма, непосредственно несущей головку звукоснимателя.
Кроме того, удаленность демпфирующего механизма по прототипу от звукоснимателя, очевидно, существенно снижает эффективность демпфирования и вызывает сомнения в улучшении качества звука при его применении.
Немаловажным недостатком прототипа является сложность процесса его изготовления и встраивания в тонарм, требующего использования дорогостоящего высокоточного оборудования, а также невозможность его самостоятельной настройки пользователем проигрывателя. Как указано в инструкции по эксплуатации тонарма Dynavector DV507MKII, наличие даже небольшого физического контакта токопроводящей пластины с любым из магнитов, является неустранимым недостатком, при наличии которого весь тонарм в целом подлежит замене во избежание повреждения картриджа звукоснимающей головки [2].
Сущность изобретения
Задачей настоящей группы изобретений является разработка универсального, технологичного и простого в использовании демпфирующего устройства, способного улучшить качество снятия звука с грампластинок при использовании практически любых тонармов за счёт демпфирования их колебаний во всех направлениях.
Достигаемый предлагаемой группой изобретений технический результат заключается в следующем:
1. Демпфирование разнонаправленных нежелательных колебаний тонарма (горизонтальных,  вертикальных, диагональных).
2. Упрощение конструкции устройства, повышение его технологичности, простоты его изготовления.
3. Совместимость устройства с различными видами и конструкциями тонармов.
4. Простота монтажа и настройки демпфера, повышение ремонтопригодности, увеличение срока службы.
Указанный технический результат достигается за счет выполнения основных элементов электромагнитного демпфирующего устройства (магнита и токопроводящего элемента) съемными с возможностью крепления одного из них к штанге тонарма, а другого – к корпусу проигрывателя при помощи специального кронштейна, при этом взаимное расположение и форма элементов обеспечивает их бесконтактное электромагнитное взаимодействие при движении тонарма.
По первому варианту исполнения изобретения устройство для демпфирования тонарма проигрывателя грампластинок содержит по крайней мере один магнит и по крайней мере один токопроводящий элемент. Согласно изобретению, токопроводящий элемент снабжен по крайней мере одним кронштейном для фиксации на корпусе проигрывателя, а магнит снабжен креплением для фиксации на штанге тонарма, при этом форма токопроводящего элемента имеет контур, повторяющий траекторию движения магнита, закрепленного на тонарме, образуемую при движении тонарма во время проигрывания звукозаписи.
Для радиального тонарма контур токопроводящего элемента выполняется в виде дуги. Для тангенциального тонарма контур токопроводящего элемента выполняется в виде прямой.
Токопроводящий элемент может быть выполнен в виде медной шины, концы которой фиксируются на проигрывателе при помощи кронштейнов.
В качестве магнитов в устройстве могут применяться неодимовые магниты.
Крепление магнита может быть выполнено в виде кронштейна с возможностью жесткого крепления на штанге тонарма с одной стороны и жестко удерживающего магнит с другой, так, чтобы магнит был расположен примерно посередине между верхним и нижним краем токопроводящего элемента, и чтобы колебания тонарма передавались через кронштейн к магниту, который бы их эффективно подавлял с помощью токов Фуко, возникающих в токопроводящем элементе, находящемся в переменном магнитном поле при движении вдоль него магнита.
По второму варианту исполнения изобретения устройство для демпфирования тонарма проигрывателя грампластинок содержит по крайней мере один магнит и по крайней мере один токопроводящий элемент. Согласно изобретению, магнит снабжен кронштейном для фиксации на корпусе проигрывателя, а токопроводящий элемент снабжен  креплением для фиксации на штанге тонарма, при этом форма токопроводящего элемента имеет контур, повторяющий траекторию движения точки крепления токопроводящего элемента на штанге тонарма относительно магнита, закрепленного на корпусе проигрывателя, образуемую при движении тонарма во время проигрывания звукозаписи.
Для радиального тонарма контур токопроводящего элемента выполняется в виде дуги. Для тангенциального тонарма контур токопроводящего элемента выполняется в виде прямой.
Токопроводящий элемент может быть выполнен из меди.
В качестве магнита в устройстве может применяться магнит, имеющий форму незамкнутого контура, например, рамки или подковы, при этом полюса магнита выполняются направленными друг к другу, с возможностью размещения в зазоре между ними токопроводящего элемента, закрепленного на тонарме.
В качестве магнита в устройстве может применяться  неодимовый магнит.
Крепление токопроводящего элемента может быть выполнено в виде кронштейна с возможностью жесткого крепления к тонарму с одной стороны и жестко прикрепленного к токопроводящему элементу с другой. Через кронштейн колебания тонама передаются в токопроводящий элемент, который в свою очередь их демпфирует посредством токов Фуко, возникающих в нем при движении в магнитном поле.
В качестве магнитного элемента в устройстве по первому варианту может применяться система магнитов.
Так, для достижения наилучшего эффекта демпфирования тонарма при воспроизведении стереофонических записей, имеющих две звуковые дорожки, предлагается в качестве магнитного элемента использовать систему из двух магнитов, закрепленных на кронштейне, при этом кронштейн выполнен в V-образной форме (в форме угла в вершине перевернутого равнобедренного треугольника), каждый из магнитов закреплен на одном из верхних концов кронштейна, а нижним концом кронштейн крепится к тонарму проигрывателя.
Такой разнос магнитов позволяет индивидуально демпфировать каждый из каналов стереозаписи, что приводит к более эффективному гашению нежелательных колебаний тонарма.
Для лучшего демпфирования каждого канала предпочтительно, чтобы угол между сторонами V-образного кронштейна составлял 90º, в этом случае каждый из магнитов будет ортогонален соответствующей звуковой дорожке стереозаписи, учитывая, что внешняя и внутренняя дорожки расположены под углом 90º друг к другу.
В качестве магнитного элемента с достижением вышеуказанного технического результата (улучшение качества демпфирования тонарма при проигрывании стереозаписи) можно также использовать систему из двух магнитов, закрепленных на кронштейне, имеющем форму перевернутого равнобедренного треугольника, каждый из магнитов при этом закреплен на одном из верхних углов кронштейна, а нижним углом кронштейн крепится к тонарму проигрывателя.
При этом, аналогично варианту с V-образным кронштейном, для лучшего демпфирования каждого канала стереозаписи предпочтительно, чтобы нижний угол между сторонами равнобедренного треугольника составлял 90º, в этом случае каждый из магнитов будет ортогонален соответствующей звуковой дорожке стереозаписи, учитывая, что внешняя и внутренняя дорожки расположены под углом 90º друг к другу.
Краткое описание чертежей
На фигурах 1 – 10 представлено устройство в некоторых из возможных вариантов его исполнения:
фиг. 1 – устройство по первому варианту осуществления изобретения (вид сверху), реализация для радиального тонарма;
фиг. 2 – устройство по первому варианту осуществления изобретения (боковая проекция), реализация для радиального тонарма;
фиг. 3 – укрупненный чертеж узла устройства по первому варианту, реализация для радиального тонарма (горизонтальное сечение);
фиг. 4 – устройство по первому варианту осуществления изобретения (вид сверху), реализация для тангенциального тонарма;
фиг. 5 – устройство по первому варианту осуществления изобретения (боковая проекция), реализация для тангенциального тонарма;
фиг. 6 – устройство по второму варианту осуществления изобретения (вид сверху);
фиг. 7 – устройство по второму варианту осуществления изобретения (боковая проекция).
фиг. 8 – система из двух магнитов на V-образном кронштейне для демпфирования тонарма при воспроизведении стереозаписи;
фиг. 9 – пример реализации изобретения – фото готового устройства по первому варианту исполнения изобретения, установленного на проигрывателе (общий вид);
фиг. 10 – пример реализации изобретения – фото готового устройства по первому варианту исполнения изобретения, установленного на проигрывателе (увеличенный вид со стороны магнита).
На фиг. 11 представлены результаты практических испытаний заявляемого демпфирующего устройства, а именно графики, демонстрирующие звуковые искажения, порождаемые колебаниями системы тонарм – звукосниматель, без применения демпфера и с применением заявляемого демпфирующего устройства.
Осуществление изобретения
По первому варианту исполнения изобретения (см. фиг. 1 – 3) устройство для демпфирования тонарма проигрывателя грампластинок содержит по крайней мере один магнит 1 и по крайней мере один токопроводящий элемент 2. Токопроводящий элемент 2 снабжен по крайней мере одним кронштейном 3 для фиксации на корпусе 4 проигрывателя, а магнит 1 снабжен креплением 5 для фиксации на штанге тонарма 6, при этом форма токопроводящего элемента 2 имеет контур, повторяющий траекторию 7 движения магнита 1, закрепленного на тонарме 6, образуемую при движении тонарма 6 во время проигрывания звукозаписи.
На фиг. 1 представлена реализация для радиального тонарма, поэтому контур токопроводящего элемента 2 выполнен в виде дуги. Токопроводящий элемент 2 выполнен в виде медной шины, концы которой фиксируются на корпусе 4 проигрывателя при помощи опорных кронштейнов 3.
На фиг. 8 в укрупненном виде представлена система из двух магнитов 1 на V-образном кронштейне 5. При помощи специального хомута 8 на нижнем углу кронштейна 5 система магнитов жестко крепится на штангу тонарма 6.
По второму варианту исполнения изобретения (см. фиг. 6 – 7) устройство для демпфирования тонарма проигрывателя грампластинок содержит по крайней мере один магнит 1 и по крайней мере один токопроводящий элемент 2. Магнит 1 снабжен кронштейном 3 для фиксации на корпусе 4 проигрывателя, а токопроводящий элемент 2 снабжен креплением 5 для фиксации на штанге тонарма 6, при этом форма токопроводящего элемента 2 имеет контур, повторяющий траекторию 9 движения точки 10 крепления токопроводящего элемента 2 на штанге тонарма 6 относительно магнита 1, закрепленного на корпусе проигрывателя, образуемую при движении тонарма 6 во время проигрывания звукозаписи.
В качестве магнита 1 в устройстве (фиг. 6 – 7) применён магнит 1, имеющий форму незамкнутого контура, а именно, рамки, при этом полюса 11 магнита выполняются направленными друг к другу, с возможностью размещения в зазоре 12 между ними токопроводящего элемента 2, закрепленного на тонарме 6.
Устройство работает следующим образом.
Согласно первому варианту изобретения, на корпус проигрывателя при помощи специальных кронштейнов крепится токопроводящий элемент, а на тонарм жёстко крепится магнит (система магнитов). Токопроводящий элемент и магнит крепятся относительно друг друга таким образом, чтобы при движении тонарма траектория движения магнита была максимально приближена к токопроводящему элементу, но не соприкасалась с ним.
Согласно второму варианту изобретения, на корпус проигрывателя при помощи специальных кронштейнов крепится магнит, а на тонарм жёстко крепится токопроводящий элемент. Токопроводящий элемент и магнит крепятся относительно друг друга таким образом, чтобы при движении тонарма траектория движения токопроводящего элемента была максимально приближена к магниту, но не соприкасалась с ним.
При проигрывании пластинки тонарм 6 движется по определенной траектории, при этом головка звукоснимателя, закрепленная на тонарме 6, огибает рельеф пластинки, считывая звуковую информацию.
Вместе с тонармом 6, согласно первому варианту изобретения (см. фиг. 1 - 3), по соответствующей траектории 7 движется жестко закрепленный на штанге тонарма 6 магнит 1 (или система магнитов 1). Выполняя движение по заданной траектории 7, магнит 1 находится в постоянном электромагнитном взаимодействии с токопроводящим элементом 2, форма которого повторяет траекторию 7 движения магнита 1. При этом магнит 1 и токопроводящий элемент 2 не соприкасаются, но располагаются на минимальном расстоянии друг от друга, обеспечивающем достаточную силу электромагнитного взаимодействия (фиг. 3). Излучаемое магнитом 1 магнитное поле при движении относительно токопроводящего элемента 2, порождает в нем вихревые токи (токи Фуко), которые препятствуют резким колебаниям магнита 1, но не затрудняют его поступательного плавного движения по заданной траектории 7. Таким образом, действуя на магнит 1, жестко закрепленный на тонарме 6, вихревые токи в проводнике 2 практически мгновенно и бесконтактно гасят нежелательные вибрации и резкие колебания тонарма 6.
Аналогичным образом работает устройство для демпфирования тонарма по второму варианту исполнения изобретения (см. фиг. 6 – 7), с той лишь разницей, что согласно второму варианту, в отличие от первого, при движении тонарма 6 получается, что токопроводящий элемент 2 размещенный в точке 10 крепления на штанге тонарма 6 движется по заданной траектории 9 относительно неподвижного магнита 1, закрепленного на корпусе 4 проигрывателя. Вихревые токи, возникающие в токопроводящем элементе 2 при его движении относительно магнита 1, тормозят резкие колебания токопроводящего элемента 2 и жестко соединенного с ним тонарма 6.
Практические испытания заявляемого демпфирующего устройства подтвердили достижение им заявленного технического результата.
Тест 1.
На пустую дорожку пластинки нанесли поперечную царапину, дающую единичный импульс и оцифровали запись звучания. Поскольку известно, что кроме этой царапины на самой дорожке иных звуков нет, то всё, что будет на записи после импульса - это нежелательные призвуки системы тонарм - головка звукоснимателя. Сравнивая графики (фиг. 11) послезвучий такого импульса без демпфера и с установленным демпфером по изобретению, легко убедиться в эффективности заявляемого устройства.
Тест 2.
Измерения с помощью пластинки Vinyl Essentials (Германия), содержащей несколько треков для оценки трекабилити – запись чистого тона при глубине канавки от 40 до 100 микрон, показали следующее. Как только амплитуда колебания иглы становится слишком большой, она начинает терять контакт с пластинкой и появляются характерные искажения. При отключенном штатном демпфере проигрывателя легкие «хрипы» были заметны на 80 мк, с вязким демпфером – на 100 мк, а с демпфером по изобретению 100-микронная дорожка воспроизводилась совершенно чисто.
Таким образом, заявляемое устройство эффективно гасит нежелательные колебания тонарма, вызванные резонансами разного рода и вибрациями системы головка звукоснимателя – тонарм, позитивно влияя на качество звуковоспроизведения проигрывателем.