Bracci e testine le caratteristiche di interfaccia

La frequenza di risonanza di un sistema braccio-testina può essere facilmente calcolata conoscendo le caratteristiche meccaniche dei due dispositivi.

di Franco Gatta

Tutti i dispositivi impiegati in alta fedeltà non devono solo essere in grado di fornire delle prestazioni “in assoluto”, ma anche di mantenere un opportuno comportamento quando vengono accoppiati ad altri dispositivi (in genere, ai dispositivi che li seguono o li precedono nella “catena ” dell’impianto hi-fi).

Infatti, le prestazioni delle apparecchiature audio dipendono più o meno pesantemente dalle “condizioni al contorno” nelle quali si trovano ad operare. Alcuni ne risentono assai poco (ad es. tuner. registratori e cd-player nei confronti degli amplificatori); altri ne risentono maggiormente (ad es. i registratori nei confronti dei nastri, gli amplificatori nei confronti dei diffusori, le testine nei confronti dei bracci).

Ed è proprio dell’interfaccia testina-braccio che vogliamo parlarvi in questa sede, accompagnando la pubblicazione delle caratteristiche meccaniche di un centinaio tra bracci e testine, a
tutt’oggi provati su AUDIOreview.

Ricordiamo come il problema della compatibilita braccio-testina sia stato argomento principale di diversi numeri di AUDIOreview, ad es. dei nn. 6, 12 e 21, nei quali è stato dettagliatamente esposto il metodo di misura e presentati con eloquenti curve di risposta in frequenza i comportamenti in gamma 4-20 Hz delle varie “combinazioni”.

Significato delle caratteristiche di interfaccia

Il sistema testina + braccio può essere schematizzato come un’unica massa vincolata ad una molla e ad uno smorzatore. La massa è pari alla somma della massa della testina + quella del braccio (quest’ultima è la massa idealmente concentrata nel punto in cui viene a trovarsi la testina); la molla e lo smorzatore sono la sospensione dell’equipaggio mobile della testina (tipicamente, un elemento in gomma più o meno complesso, a volte integrato da un filo di tensione). La gomma ha contemporaneamente proprietà elastiche e proprietà smorzanti, quindi è essa stessa, in linea di massima, lo smorzatore del sistema.

Questo sistema, quando sollecitato (ad es. dalle ondulazioni dei solchi), tenderà a muoversi con ampiezza particolarmente elevata se la frequenza della sollecitazione coincide con la propria “frequenza di risonanza”, determinata appunto dai valori di massa totale ed elasticità, mentre dal valore dello smorzamento dipende l’entità di questa anomala ampiezza di spostamento.

La condizione ideale sarebbe quella in cui l’ampiezza degli spostamenti (più precisamente la velocità degli spostamenti) fosse la stessa per ciascun valore della frequenza di sollecitazione; in realtà, a causa della risonanza, l’uscita della testina avrà un indesiderato aumento in una regione di frequenze che è tipicamente compresa tra 5 e 15 Hz ed un drastico calo per frequenze inferiori.

Mentre questo calo è favorevole (i segnali di bassissima frequenza sono disturbi e non musica), l’esaltazione della risposta nella zona dei 5-15 Hz è dannosa poiché se la frequenza cade in alto si avranno “strascichi” di questa indebita esaltazione anche in banda audio (fino a 20-30 Hz ed oltre); se invece questo massimo cade in basso (diciamo al di sotto degli 8 Hz), causerà una indebita e dannosa esaltazione dei tipici disturbi presenti nel disco (in primo luogo le ondulazioni) che per l’appunto hanno “frequenze proprie” dell’ordine dei 2-8 Hz. Il corretto interfacciamento braccio-testina si realizza scegliendo i due partner della combinazione in modo che la risonanza abbia frequenza ed ampiezza tali da ridurre al minino i possibili danni.

Ampia uscita alla risonanza significa ampi spostamenti dello stilo a frequenza subsonica; per quanto non udibili, questi segnali comportano un aumento della distorsione dei segnali udibili: sia perché lo stilo va a lavorare in zone di minore linearità, sia perché il preamplificatore e l’amplificatore finale rischiano di andare in saturazione, sia perché gli altoparlanti stessi, proprio in quanto soggetti ad ampi spostamenti dei coni, vengono a lavorare in zone di minore linearità e rischiano anch’essi la saturazione, esattamente come l’equipaggio mobile del fonorivelatore.

Mentre amplificatori e diffusori possono essere salvaguardati con l’impiego del filtro subsonico (che è bene tenere sempre inserito), l’intervento sulla testina può essere effettuato solo “all’origine”, scegliendo il braccio in modo che la frequenza di risonanza vada a cadere nella ristretta zona di “minimo danno”.

Tipico andamento della risposta in gamma subsonica dì un sistema braccio-testina: lafrequenza alla quale cade il picco è legata in prima approssimazione alla cedevolezza ed alla massa complessiva; l’ampiezza del picco è legata allo smorzamento.

Calcolare la risonanza

Il calcolo, sia pure approssimativo, della risonanza dei sistemi braccio-testina può essere facilmente eseguito a partire dalle caratteristiche meccaniche degli uni e delle altre.

Le prove di AUDIOreview sono sempre corredate dei dati, misurati, di massa equivalente dei bracci e massa, cedevolezza e smorzamento del le testine.

Bracci. La massa equivalente dei bracci è la massa che determinerebbe lo stesso comportamento meccanico del braccio (quanto ad “inerzia”), qualora fosse concentrata nell’equipaggio mobile della testina; essa varia, sia pure in misura quasi trascurabile, a seconda della testina montata; è chiaro infatti che più la testina è pesante, più il contrappeso dovrà essere allontanato dal fulcro per realizzare il bilanciamento, e maggiore sarà l’inerzia del sistema. Il dato di massa equivalente viene quindi fornito per due pesi di testina; desiderando il valore preciso per la testina impiegata si potrà interpolare tra i
valori forniti. Ad esempio, se il braccio ha massa 10 g per testina da 6 g e 11 g per testina da 10 g, la
sua massa, per testina da 8 g, sarà con ottima approssimazione pari a 10,5 g…

La misura della massa equivalente dei bracci viene effettuata con il “set” che potete vedere nella foto di apertura; il braccio in prova, carica to con un pesetto che simula la massa della testina, grava su di una molla in filo d’acciaio di cui è nota la massa e la costante elastica; misurando (con l’aiuto dell’analizzatore che si vede sullo sfondo) la frequenza di risonanza del sistema, si può risalire facilmente alla massa “equivalente” del braccio in prova.

Testine. Delle testine forniamo il dato di costante elastica, che rappresenta in un certo senso la “forza” della molla di cui sopra ed il suo inverso, la “cedevolezza”, parametro che viene tipicamente indicato dal costruttore. Ma attenzione, raramente questa cedevolezza è quella (“statica”) che serve nel nostro calcolo; più spesso è una cedevolezza “dinamica”, valida per frequenze di alcune centinaia di Hz, e può essere anche notevolmente diversa da quella valida a bassissima frequenza.

I parametri delle testine vengono rilevati tracciando il grafico di risposta in frequenza in gamma 5-20 Hz del sistema costituito dalla testina in prova e da un braccio di massa nota: dall’esame della curva (posizione ed ampiezza del picco di risonanza) si può risalire ai valori di costante elastica e smorzamento del dispositivo.

La cedevolezza viene usualmente espressa in cm/dyne: per passare dalla cedevolezza alla costante elastica (“K”) occorre fare l’inverso della prima e moltiplicare per 1000:
K = 1/cedevolezza x 1000
dove K è espressa in N/m.

La frequenza di risonanza del sistema bracciotestina si può facilmente ricavare dall’espressione:

M è la massa totale (espressa in grammi) del sistema braccio + testina.

La massa della testina è, in tutto questo, il parametro più facilmente conoscibile, anche se la testina non è stata provata: viene sempre dichiarata (con buona precisione) dal costruttore e, per male che vada, può essere misurata con l’aiuto di una bilancina.

È possibile naturalmente procedere anche in senso inverso: data una testina e la frequenza di risonanza che si vuole ottenere, calcolare quale deve essere la massa ridotta (è un altro modo di chiamare la massa equivalente) del braccio:

Se vogliamo che la frequenza di risonanza cada a 10 Hz (valore che può essere considerato ottimale), la formula diventa con ottima approssimazione:
M = K/4
con K espressa in N/m ed M in grammi; basta quindi dividere per quattro il valore della costante elastica. È chiaro che la massa risultante è quella del sistema braccio + testina, quindi la massa del braccio si otterrà sottraendo dal totale la massa della testina.

La formula di cui sopra fornisce solo il dato di frequenza di risonanza, ma non dice quanto ampio è il relativo picco. Per conoscere appieno il comportamento di un sistema braccio-testina in gamma subsonica occorre introdurre nei calcoli il valore dello smorzamento, come viene fatto nelle nostre prove di interfacciamento testina-braccio; tuttavia, almeno “qualitativamente”, possiamo dire che più è alto lo smorzamento, più il picco di risonanza sarà contenuto in ampiezza, oltre che leggermente spostato in frequenza verso l’alto.

Le tabelle

La tabella 1 raccoglie i dati di massa equivalente di 33 bracci, quasi tutti già provati al completo su AUDIOreview, ad eccezione di alcuni, recensiti solo a livello qualitativo nella rubrica “AUDlOclub”
e quindi non sottoposti a prove tecniche. Per semplicità viene indicato solo il dato di massa equivalente per testina da 6 g (un valore valido in prima approssimazione per il 90% dei fonorivelatori in commercio); ma, come abbiamo già osservato, il valore di massa equivalente varia assai poco con il variare della massa della testina applicata; altrettanto poco varia la massa di quei bracci che consentono di cambiare il contrappeso, come dimostrano i casi presenti in tabella. Molto maggiori sono invece le differenze dovute all’applicazione (od allo spostamento) di quei particolari contrappesi scorrevoli lungo la canna, contrappesi che vengono previsti proprio per variare la massa equivalente del braccio aumentandone la versatilità.

Tabella 1 – Massa equivalente di 33 bracci equilibrati per testina da 6 g e peso di lettura 1,5 g.

La tabella 2 raccoglie le caratteristiche meccaniche di 55 fonorivelatori, tutti provati su AUDIOreview: le ultime due colonne riportano il valore di massa equivalente che dovrebbe avere il braccio perché la frequenza di risonanza del sistema cada a 10 Hz e (prova di appello) ad 8 Hz. Si vede che molti fonorivelatori richiedono.

Tabella 2 – Caratteristiche meccaniche di 55 testine e massa del braccio necessaria per avere la risonanza a 10 Hz o ad 8 Hz.
Note. 1 ) Testine integrate con attacco standard EIA: la massa del braccio si intende senza shell. 2) La massa della testina si intende senza pennellino. 3) Testine con attacco T4P: la massa si intende comprensiva di adattatore da 1/2″ per shell tradizionali.

Per risonanza a 10 Hz, bracci di massa estremamente ridotta, addirittura… negativa! Il segno meno davanti a qualche valore significa semplicemente che il solo peso della testina è già superiore alla massa “ottimale” del sistema bracciotestina completo e che quindi la testina in oggetto è ben difficile da “accontentare”.

Si vede anche che la prova d’appello rimette in corsa molte testine, ma non mancano casi disperati nei quali l’unica cosa da fare è rassegnarsi ad una frequenza di risonanza ancora inferiore agli 8 Hz…

Articolo di Franco Gatta uscito su AudioReview 41 luglio/agosto 1985

Author: Redazione

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