Come funzionano i solchi

La testina di incisione può essere considerata come un elettromagnete, simile a quelli che si trovano nei sistemi telefonici convenzionali, ma con una potenza maggiore in gioco.

Nelle testine stereo, le due bobine principali e le due bobine di feedback sono posizionate ad angoli di ±45° rispetto al piano di modulazione del disco. Di conseguenza, sono distanziate di 90° l’una dall’altra. Questa configurazione fa sì che i solchi creati dallo stilo di incisione contengano sempre informazioni sia verticali che laterali¹.

Questo sistema, introdotto per la prima volta dalla Westrex negli Stati Uniti oltre 50 anni fa, è diventato rapidamente lo standard del settore. All’epoca, i dischi mono erano ancora i più diffusi, e la rotazione di 45° dell’asse verticale ha consentito per la prima volta di incidere un segnale stereo, mantenendo anche la compatibilità mono.

Come mostrato nella precedente figura, se immaginiamo di ruotare l’asse del piano di modulazione in avanti o all’indietro di 45°, notiamo che uno dei due canali fa muovere lo stilo esclusivamente lungo l’asse verticale, e questo genera solchi dalla geometria molto complessa.

Il sistema Westrex, con la rotazione di 45° dell’asse verticale, evita questo problema, bilanciando le componenti laterali e verticali e producendo una geometria del solco più semplice.

La figura precedente² schematizza la logica di incisione di un solco, ipotizzando che la testina si muova da destra a sinistra, verso il centro del disco.

Innanzitutto appare chiaro che il canale destro viene sempre inciso nella parte del solco rivolta verso il bordo del disco. Inoltre le polarità dei due canali sono opposte:

• sul canale destro, la fase del segnale con con segno "+" fa scendere in profondità lo stilo, lungo l‘asse inclinato di 45°, e viceversa;
• sul canale sinistro, ciò accade con la fase del segnale con segno "-".

Quindi, se si incide un segnale stereo monofrequenza avente la stessa ampiezza sui due canali, vi saranno solo escursioni laterali dello stilo, ed escursione verticale nulla o trascurabile.

Se i due canali hanno segnali con ampiezze diverse, invece, oltre all‘escursione laterale ci sarà anche escursione verticale, che produrrà una variazione della profondità del solco.

Come si può notare nella figura precedente³, chiamate VL e VR le tensioni modulate dei 2 canali, ricordando che esse hanno polarità opposte, si ha che:

• quando la loro somma algebrica (±VL) + (±VR) diminuisce, lo stilo di incisione incide con una profondità maggiore;
• quando la loro somma algebrica (±VL) + (±VR) aumenta, lo stilo incide con una profondità minore.

Va puntualizzato che la larghezza e la profondità del solco non sono la stessa cosa. Infatti la larghezza del solco è sempre misurabile al microscopio, mentre la profondità non è facilmente misurabile. Tuttavia, poiché le due pareti del solco formano un angolo di circa 90°, si può affermare con una buona approssimazione che la profondità del solco è pari a metà della sua larghezza.

Costanti di Tempo

Si può definire la costante di tempo come una funzione di trasferimento dell‘inverso della frequenza nel dominio temporale.

Se suddividiamo lo spettro di frequenze utilizzato per l’incisione in infiniti filtri (circuiti) RC, la costante di tempo di ciascun filtro indica il tempo di risposta tipico del circuito RC da cui esso è composto.

Se si incide un segnale composto da una frequenza di 1kHz, lo stilo vibra 1000 volte al secondo, seguendo l’andamento della forma d’onda. In base alla relazione tra frequenza e periodo, quest’ultimo è di 1ms, pertanto la sequenza ciclica di queste 1000 vibrazioni si ripeterà ogni 1ms.

E’ quindi facile calcolare che, se la forma d’onda fosse — ad esempio — di 6kHz, le vibrazioni al secondo sarebbero 6000, ed il periodo sarebbe più breve (0.17ms).

Si può quindi affermare che la “velocità del solco”, cioè il tempo nel quale la vibrazione dello stilo raggiunge la sua massima escursione e ritorna al suo punto di partenza, è direttamente proporzionale alla frequenza prevalente del segnale.

Inoltre, indipendentemente dal volume del segnale, le basse frequenze producono vibrazioni più ampie rispetto alle frequenze medie e alte, e le frequenze medie producono vibrazioni più ampie rispetto alle frequenze alte.

Infatti, se vengono trascritte allo stesso volume una forma d’onda sinusoidale da 1kHz e una da 200Hz, quest’ultima genera 1/5 delle vibrazioni al secondo (200) rispetto alla prima, ma poiché il volume è lo stesso, queste 200 vibrazioni al secondo hanno escursioni laterali e verticali 5 volte più ampie rispetto alle 1000, perciò richiedono un po’ più di tempo per compiersi dall’inizio alla fine.

Quindi, a parità di volume, minore è la frequenza, maggiore è l‘energia in termini di ampiezza delle vibrazioni dello stilo, sia per quanto riguarda l‘escursione orizzontale che per quanto riguarda quella verticale.

Ogni frequenza ha quindi associata una propria costante di tempo, che viene indicata con la lettera greca "tau":

la costante di tempo è inversamente proporzionale alla frequenza, il che significa che le alte frequenze hanno costanti di tempo più piccole (veloci) e le basse frequenze viceversa.

Convertendo i secondi in microsecondi, si ricava la seguente equazione condizionale:

Questa equazione, se applicata alla frequenza di 1kHz, dà un risultato di 59.23µs, e alla frequenza di 200Hz dà un risultato di 796.18µs.

Ripetendo lo stesso calcolo per gli estremi della gamma di frequenze riproducibili da una testina (normalmente, 20Hz e 20kHz), si ottiene un risultato di 7957.75µs a 20Hz, e di 7.95µs a 20kHz.

La costante di tempo dei 20Hz risulta quindi 1000 volte più alta di quella dei 20kHz, rendendo fisicamente impossibile — in assenza di un‘equalizzazione correttiva — l‘incisione su disco di un segnale di linea contenente l’intero spettro di frequenze. Le basse frequenze causerebbero escursioni orizzontali e verticali troppo grandi dello stilo, e l‘opposto accadrebbe con le alte frequenze, rendendo il rapporto segnale/rumore inaccettabile.

A causa di questo problema, nel corso degli anni ’50 furono proposte diverse curve di equalizzazione, che, attenuando le basse frequenze ed enfatizzando le alte frequenze in registrazione, sopperivano a questa sproporzione.

Quale che fosse la curva, la stessa equalizzazione — ma invertita — doveva essere poi applicata al segnale del circuito “phono” di riproduzione, per ripristinare la corretta risposta in frequenza.

La Curva RIAA

Negli anni ’60, la Recording Industry Association of America (RIAA) ha standardizzato alcune delle curve precedentemente proposte nella “curva RIAA" (vedi figura seguente), che rimane ad oggi la curva standard nel circuito di amplificazione “Phono”.

La funzione dB(f) ha come componenti, oltre alla frequenza f, 3 costanti di tempo:

 

dove

• t1 è la costante di tempo delle alte frequenze (≈75µs);
• t2 è la costante di tempo delle medie frequenze (≈318µs);
• t3 è la costante di tempo delle basse frequenze (≈3180µs).

Circuiti passivi di equalizzazione RIAA possono essere implementati tramite reti di resistenze e condensatori, opportunamente dimensionati.

Fase

In virtù di quanto descritto finora, anche la fase del segnale stereofonico è un aspetto di cui va tenuto conto.

Se si sommano due segnali di uguale ampiezza e frequenza, ma di fase opposta, il segnale risultante è nullo. Questo è anche il caso in cui l‘escursione verticale dello stilo raggiunge il suo picco massimo.

La grandezza e l‘impatto di questa escursione dipendono anche dalla costante di tempo della frequenza prevalente. Più grande è la costante di tempo (cioé minore è la frequenza prevalente), maggiore è l‘escursione dello stilo in tutte le sue componenti, potenzialmente anche quella verticale. Se la somma algebrica (±VL) + (±VR) produce una differenza di potenziale sufficiente, e anche la costante di tempo della frequenza prevalente è sufficientemente alta, il solco può diventare molto profondo, e subito dopo molto sottile.

Le conseguenze sono:

• solco troppo largo: superata una certa profondità, lo stilo viene a contatto con la lastra di alluminio, che è sotto lo strato di lacca, e viene irrimediabilmente danneggiato;
• solco troppo sottile: il solco non è più tracciabile (il raggio di uno stilo di riproduzione è di 15µ, pertanto la larghezza del solco non deve scendere sotto i 30µ all‘incirca).

Solitamente c‘è un controllo automatico di profondità — quasi sempre presente in un sistema professionale di incisione — che corregge l‘azione dei moving coils della testina in tempo reale, facendo sì che la profondità del solco non scenda al di sotto di una determinata soglia di sicurezza. Senza alcun intervento, la situazione potrebbe essere quella della figura sottostante⁴.

Anche se alcuni Pitch & Depth Control dei sistemi di incisione hanno un controllo della profondità integrato, oggi si è soliti preparare e/o correggere il contenuto del segnale prima che questi arrivi all’amplificazione. Tra gli interventi più usati vi sono:

• filtro ellittico: caratterizzato da un‘equalizzazione con curva molto ripida, lascia inalterata l’immagine stereo al di sopra della frequenza di cross-over e converte in mono quella al di sotto;
• equalizzazione MS: consente di equalizzare separatamente la componente mono (cioé quella al centro dell’immagine stereo) e la componente stereo (alle estremità) del segnale. E’ particolarmente utile quando si individua la frequenza attorno alla quale si genera la variazione di profondità del solco. Si equalizza solo la componente stereo intorno alla frequenza di interesse, quel tanto che basta per attenuare la variazione stessa. Questa soluzione può produrre un risultato efficace e molto difficile da individuare all’ascolto, se confrontato con la registrazione originale.

1, 3 Larry Boden, Basic Disc Mastering, USA 1981
2, 4 Struck, Polygram Pitch Control IV user manual, internal files, UK-Europe 1977-82