Пьезоэлектрический звукосниматель из сегнетовой соли

Пьезокатриджи имеют преимущество в сравнении с со звукоснимателями других систем только с одной точки зрения – простоты конструкции самих картриджей и усилительных каскадов, необходимых для построения пьезо-системы. Большое выходное напряжение, снимаемое с пьезокристалла позволяет отказаться как минимум от двух дополнительных каскадов усиления и глубокой коррекции АЧХ, а это, в свою очередь, позволяет получить необычно Ясно звучащую систему. С технической стороны дела пъезоэлектрические звукосниматели критики не выдерживают – в сравнении с MI, MM и MC звукоснимателями, пьезо имеет завал и не достаточно линейную АЧХ на высоких частотах и больший коэффициент нелинейных искажений, пьезо необходим минимум в два раза больший прижим к поверхности пластинки, вызывающий ее ускоренный износ. Пьезокартриджами традиционно оснащались дешевые модели проигрывателей и, как следствие, большинство промышленных пьезо-головок сделаны без каких либо претензий к надежности и звучанию.

Недостатки пьезо головок хорошо известны и их единственное преимущество на общем фоне кажется несущественным, особенно пугает повышенный износ пластинок. Однако, когда вы цените в музыке такую редкую вещь, как Ясность звучания, вы готовы многим пожертвовать ради ее улучшения, тем более, что, на мой взгляд, недостатки пьезо преувеличены. Объяснять несуразность современных требований к линейности АЧХ не буду, свою точку зрения на этот счет я высказывал в других статьях, остановлюсь только на износе пластинок. Стойкость пластинки к износу варьируется от одного до более 1000 проигрываний до момента появления явных шумов и искажений. Ориентировочно, если механика проигрывателя в порядке и используется свежая игла 0.75 mil, уровень шума виниловой пластинки возрастает примерно на 1 Дб после 100 проигрываний с прижимом 5 грамм (по техническим нормам допускается возрастание на 2дБ после 50 проигрываний). 1 ДБ – это едва заметное на слух изменение, чтобы пластинка действительно заметно зашипела, ее надо проиграть в несколько раз дольше. 5 грамм – это нормальный прижим для пьезо головки с выходным напряжением достаточным, чтобы слушать ее на однокаскадном пентодном усилителе или двухкаскадном триодном. То-есть у пластинок есть достаточный запас прочности при их проигрывании пьезо головками и если вы по жизни предпочитаете получать удовольствие преимущественно от качества, а не от количества, то пьезо – это ваш вариант.

Пренебрежение общепринятыми техническими ценностями ради улучшения субъективной Ясности звучания может показаться поспешным и неправильным, но моя точка зрения сформировалась не сразу, а в течение долгих, многолетних экспериментов с трактом. В погоне за выразительным звучанием, моя LP аппаратура эволюционировала примерно в таком порядке:

• транзисторный винил корректор для ММ головки без учета Направленности компонентов и тонких свойств деталей.
• классический трехкаскадный ММ корректор на лампах 1940х годов серии EF
• двухкаскадный ММ корректор на лампах 1930х годов серии AF
• максимальное упрощение схемы (открытые сетки, катоды на земле етс.)
• Отказ от коррекции верхнего полюса RIAA ради улучшения Ясности звучания
• Самодельные ММ головки из старых компонентов. Наилучший вариант получился с пермаллоевым сердечником от магнитофона Днепр-1 и катушкой со старым проводом
• Отказ от магнитных головок и переход на пьезо с простым регулятором ВЧ вместо точной RIAA коррекции
• Полный отказ от коррекции АЧХ пьезо головки
• Использование максимально старых пьезо элементов
• переход на самодельные пъезоэлементы

Экспериментов с покупными картриджами была проведена масса, кое-что осталось на фотографиях, сейчас жалею что снимал только от случая к случаю.

После завершения работ над Тестовым Аудиотрактом, узким местом системы стал пьезо кристалл, все остальные компоненты были либо довоенными, либо самодельными. Самые старые, рабочие кристаллы, которые мне попадали в руки датировались серединой 1950х, они предположительно были еще из сегнетовой соли. Именно эти старые кристаллы играли наиболее мягко и музыкально, но изначально тихо, а через некоторое время они совсем замолкли. Следующее поколение кристаллов конца 1950х (уже не сегнетовых) оказалось более живучим, хотя так-же страдало от влаги, мне попадались вспученные экземпляры. Наконец, с начала 1960х стали делать керамические пьезоэлементы, полностью устойчивые к влаге и повышенной температуре. Все они прекрасно сохранились до наших дней, но их звучание отличалось от звучания кристаллических картриджей в худшую сторону и с каждой более современной версией керамики эта разница увеличивалась. Крикливые пьезо элементы 1970х слушать уже было невозможно, какое-то время я слушал картриджи начала 1960х, но их возрастная ограниченность не давала мне покоя, в итоге было принято решение вырастить кристалл в домашних условиях и сделать полностью самодельный пьезокартридж.

Позже я узнал, что для изготовления пьезоэлемента не обязательно выращивать идеальный кристалл, а можно просто сделать так называемую “текстуру” из сегнетовой соли между двумя проводящими пластинами. см. скан из книги А.Плонского “Пьезоэлектричество” (скачать книгу целиком можно здесь). Этот упрощенный способ определенно требует исследований на предмет надежности и повторяемости. Непонятно почему его не использовали промышленно в 1940х-50х, скорее всего там есть какие-то трудно разрешимые проблемы. Впрочем, как выяснилось, и у классических пластин этих проблем предостаточно.

Выращивание кристаллов

На первый взгляд вырастить кристалл не сложно, надо опустить в насыщенный раствор затравку из маленького кристалла и поддерживать необходимую концентрацию раствора в течении пары-тройки недель. Даже школьники на уроках выращивают небольшие кристаллы, у меня процесс затянулся на полтора года, я совершенно не имел понятия о тонкостях, которые необходимо соблюдать при выращивании идеального кристалла большого размера, а мне нужен был именно такой кристалл и не один. Дополнительной проблемой было то, что кристалл нужно было вырастить не из покупной, химически чистой соли, а из самодельной, то-есть из раствора в котором заведомо много посторонних примесей. Работа в итоге началась по двум направлениям и состояла, собственно, из попыток вырастить кристалл с использованием покупной соли и параллельного поиска и приготовления компонентов для получения соли кустарным способом.

Самодельная сегнетова соль

Сегнетову соль можно получить из винной кислоты, поташа и соды. Для этого к раствору винной кислоты Н2С4Н4О6 примешивают раствор поташа К2СО3, происходит замещение одной молекулы водорода и получается кислый виннокислый калий КНС4Н4О6. Если к нему добавить раствор соды Na2CO3 • 10H2O, то в осадок выпадет сегнетовая соль”. (источник).

Винная кислота – получается из винного камня, который образуется при брожении вин как осадок или нарастает в виде кристаллических твёрдых корок. Сырой винный камень состоит из смеси кислого виннокислого калия (в основном), виннокислого кальция, красящих веществ и различных загрязнений. Винный камень, судя по всему, можно использовать вместо кислоты. В сети нашелся следующий рецепт:

1 часть тонко размолотого сырого продукта разводят в 3 частях воды, прибавляют известкового молока до щелочной реакции раствора и кипятят; в результате проходит реакция по уравнению: 2КС4Н5О6 + Са(ОН)2 = К2С4Н4О6 + СаС4Н4О6 + 2Н2О. Для облегчения процесса прибавляют ещё какой-нибудь соли калия, лучше поташа, в количестве ,соответствующем содержанию кальция в сыром винном камне; затем прибавляют концентрированный раствор соды в количестве, нужном для полного перевода виннокислого кальция в углекислый кальций (проба щавелевокислым аммонием ); реакция протекает согласно уравнению: K2C4H4O6 + CaC4H4O6 + Na2CO3 = CaCO3 + 2KNaC4H4O6. В растворе остаётся сегнетова соль. (источник)

Винный камень – можно купить у виноделов, я когда-то после долгих поисков купил пакет 5 кг в Крыму. Камень оказался достаточно грязный, от красного вина, после очистки его осталось полтора килограмма, но для проекта этого было достаточно.

Поташ – получается с помощью выщелачивания древесной золы. Золу заливают горячей водой, дают постоять какое-то время, чтобы растворилась вся щелочь, затем фильтруют и выпаривают раствор. После выпари­вания на дне остается серая рыхлая масса, «шадрик» или серый поташ, его прокаливают и получают чистый поташ. По другой версии для очистки серый поташ перекристаллизовывают. В общем, здесь нет ничего сложного, если не считать того, что для получения килограмма относительно чистого, почти белого поташа с помощью перекристаллизации мне понадобилось сжечь, наверно, пару деревьев целиком и пару месяцев времени.

Сода – соду можно найти натуральную, из содовых озер, которые есть как в России, так и в Америке и Африке. Проблема в том, что производители не пишут на упаковках где и как получена сода. Я так и не нашел ни одной упаковки или описания продукта, где было бы однозначно написано, что сода натуральная. Вопрос с гарантировано натуральной содой пока остается открытым.

Термостат

Несмотря на то, что эксперименты начались с использованием технически чистой соли, у меня долго не получалось вырастить из нее даже маленькие кристаллики для затравки. При быстром охлаждении раствора, необходимом для получения множества небольших кристаллов получалась либо кристаллическая пыль, либо кристаллы на дне банки спекались в единое целое. Пару раз, как и в случае с замерзанием воды, спекшиеся кристаллы раскалывали банку так, что весь раствор оказывался на полу. Когда мне наконец удалось получить несколько десятков затравок, я, набравшись “знаний” из интернета, стал пробовать вырастить кристалл в холодильнике, то-есть с постоянной температурой и постепенным самопроизвольным испарением раствора. Через месяц стало понятно, что вырастить идеальный кристалл диаметром больше одного, максимум двух сантиметров в холодильнике невозможно, колебания температуры слишком высоки и в точках наивысшей температуры кристалл растет слишком быстро и мутнеет. До этого еще были попытки растить кристалл прямо в комнате в полуоткрытой банке, в комнатных условиях я не смог вырастить даже сантиметровый кристалл.

Делать было нечего, пришлось искать и изучать более серьезные источники на эту тему. На этом этапе дело откровенно встало – я совершенно ничего не понимаю в химии, читая учебники и научные статьи по кристаллографии у меня складывалось впечатление, что передо мно пустой набор малопонятных слов и символов. И дело даже не столько в незнании мат части и терминологии, а в современной манере изложения материала, когда авторы пишут слишком сложно, на мой взгляд, стараясь больше произвести впечатление, а не тем, чтобы внятно объяснить суть дела. Личные встречи с сотрудниками кафедры кристаллографии СПбГУ мне тоже не помогли, сегнетом там не занимаются уже лет эдак шестьдесят, специалистов не осталось. Правда в СПбГУ я приобрел небольшой сегнетовый кристалл, который использовал как референсный, за что им большое спасибо.

Разочаровавшись в современной литературе я стал искать более ранние источники, в одной из современных работ была ссылка на книгу о скоростном выращивании кристаллов 1945 года издания. Оригинал был найден в библиотеке Академии Наук и оказался именно тем, что было нужно. Прекрасный текст, последовательное изложение, все по делу и без пафоса – О.М. Аншелес, В.Б. Татарский, А.А. Штернберг — «Скоростное выращивание однородных кристаллов из растворов». Помимо множества важной информации по теме, из книги стало понятно, что вырастить кристалл без специального термостата однозначно не получится. Готового термостата, подходящего по объему и точности поддержания температуры раствора в продаже не было, пришлось заняться его изготовлением. Для этого был куплен терморегулятор ТК-3 с точностью установки температуры 0.1 градус, квадратный аквариум на 15 литров и гибкий ТЭН, все остальное нашлось в загашниках.

Конструкция термостата – на дно аквариума уложен гибкий ТЭН, над ним расположена подставка под трехлитровую банку, сделанная таким образом, чтобы она не мешала циркуляции воды в аквариуме и удерживала банку на одинаковом расстоянии 5см от стен и дна аквариума. Мотор, датчик термостата и механизмы приводов перемешивания воды и вращения кристалла расположены на крышке аквариума. Передаточные числа подобраны таким образом, чтобы кристалл вращался со скоростью примерно 1 оборот в секунду, а пропеллер, перемешивающий воду в аквариуме – 5 оборотов в секунду. Важной особенностью термостата является возможность обогрева верхней крышки, необходимой в случае, если температура в помещении отличается от температуры воды в аквариуме более чем на 10 градусов. Испарение и влияние холодной крышки снижают температуру поверхности раствора и на ней возникают спонтанные очаги кристаллизации, при этом паразитные кристаллы скапливаются на дне банки и замедляют, а иногда и вообще останавливают рост основного кристалла. Для устранения возможного сквозняка у поверхности раствора снизу к крышке термостата приклеена импровизированная юбка, вырезанная из пластикового бутыля. Край юбки во время работы термостата находится ниже уровня воды в аквариуме.

Важный момент – кристаллы не выносят резкой смены температуры и трескаются, особенно, когда они еще влажные. Если процесс роста кристалла закончился при температуре раствора превышающей температуру в комнате на 10 градусов, а для больших кристаллов даже в 5 градусов, то кристалл нельзя сразу вынимать из термостата. Его надо просто приподнять над раствором не открывая верхней крышки, выключить термостат и оставить кристалл внутри термостата до тех пор, пока температура воды не сравняется с температурой в комнате.

Разглядывание растущего кристалла завораживает – см. mpeg видео файл. Невольно начинаешь верить тому, что кристаллы – это форма жизни, как говорил Тесла: «В кристалле мы имеем ясное доказательство существования общего принципа жизни, и хотя мы не можем понять жизнь кристалла, тем не менее он – живая субстанция».

График роста кристалла

На рисунке слева изображен график роста одного из выращенных кристаллов. Кристалл рос 14 дней, в течение которых температура постепенно понижалась с 29.8 градусов до 25.9 см. таблицу с данными. Объем раствора соли – 2.5 литра. В начале процесса, из-за неточно определенной концентрации раствора (раствор оказался слишком насыщенным) температуру пришлось кратковременно поднять до 30 градусов, после этого процесс понижения температуры шел без каких-либо отклонений. Высота и ширина кристалла измерялись на глаз линейкой, прислоненной к аквариуму и заносились в таблицу без поправки на оптические искажения, реальный размер выращенного кристалла 64*67*50, вес 227 грамм. Пользуясь этими данными можно прикинуть необходимый объем раствора и необходимую разницу температур для выращивания кристаллов большего размера.

Резка кристаллов

Идея станка для резки кристаллов позаимствована отсюда, однако сразу реализовать ее не получилось. Основная проблема была в режущей нитке, а точнее – в узле на нитке. Кристаллы сегнетовой соли очень хрупкие и даже минимальный бугорок на режущей поверхности рано или поздно откалывал тонкую пластину, поверхность реза ниткой с узлом так-же получалась не достаточно ровной. Попытки связывать нитку косичкой так, чтобы диаметр косички примерно был равен диаметру узла, так-же окончились ничем – рез получался слишком толстым и грубым. Крепкие и тонкие синтетические нитки не впитывали влагу – резали криво и крайне медленно, они практически переставали пилить после того, как насыщались раствором соли, а их обильное смачивание приводило к тому, что вода начинала стекать по кристаллу и портить его задолго до того предположительного момента, когда пластина могла быть отпилена до конца. Тонкие ХБ нитки, хорошо впитывающие и отдающие влагу, постоянно рвались. В итоге конструкцию пришлось доработать таким образом, чтобы нитка пилила не по бесконечному кругу, а периодически меняла направление реза.

Детали работоспособного макета станка первой версии (см фото): справа вверху – коллекторный мотор привода с ведущим роликом, слева от него самодельный переключатель для смены полярности питания двигателя, срабатывающий при каждом прохождении приводного колеса (справа внизу) одного полного оборота. Приводное колесо сделано из компьютерного жесткого диска 3.25 дюймов, натяжение нити на колесе обеспечивается пружиной. Кристалл крепится с помощью винтового зажима на подвижной тележке, тележка двигается на колесах-подшипниках по столу с направляющими-рельсами под тяжестью груза, вес которого подбирается в зависимости от необходимых скорости-качества реза и толщины нити. Высота стола регулируется с помощью четырех опорных шпилек, после чего стол фиксируется двумя дополнительными винтами. В конструкции используются две стойки с подшипниками-направляющими нити и две ванночки для смачивания нити, расположенный с обоих сторон стола. Станок в работе можно посмотреть здесь – mpeg видео файл

На рис.1 изображен кристалл сегнетовой соли с пропорционально сформированными гранями и указанием углов между этими гранями. Кристалл такой идеальной формы получить крайне сложно и, собственно, в нашем случае не нужно – на пьезоэлектрические свойства форма кристалла не влияет. Однако, в кристалле у которого отсутствует часть граней, а относительные размеры сформированных граней отличаются от теоретических в разы сложно определить плоскость реза пластин. Для получения максимального уровня сигнала, снимаемого с пьезо-пластины при ее деформации на кручение, она должна вырезаться строго перпендикулярно грани 010 или параллельно грани 100, которая вообще крайне редко формируется даже в условиях близких к идеальным. По факту у кристалла относительно небольших размеров формируется не 19, а только 10-14 граней, некоторые из которых находятся в зачаточном состоянии и не развиваются. Пример можно увидеть на фото внизу слева, где изображен идеально чистый кристалл с двенадцатью непропорционально развитыми гранями, три из которых (две спереди и одна сзади) оказались шириной всего пол миллиметра, то-есть точно измерить угол между ними невозможно. Таким образом, для того, чтобы правильно вырезать пластину, приходится определять соответствующие грани вычисляя и сравнивая суммы и разности отсутствующих на реальном кристалле углов. Проблема здесь в том, что реальные углы могут несколько отличаться от теоретических, при суммировании погрешности возрастают и в некоторых случаях можно ошибиться. Например, перед тем, как распиливать на пластины этот кристалл, я долго не мог поверить, что пилить надо не параллельно широкой части кристалла, как в идеальном случае, а под углом.

Первая версия станка оказалась вполне работоспособной, но все-таки требовала доработки – качество реза меня продолжало не устраивать и, как оказалось, при горизонтальном расположении нити и медленном пилении, необходимом для более чистого реза, вода, скапливающаяся в разрезе успевала растворять часть уже распиленной поверхности, а так же, стекая по кристаллу портила и поверхность самого кристалла. Возвратно поступательное пиление из-за неустранимых микролюфтов так-же добавляло распилу неровностей. После долгих прикидок, раздумий и проб было решено вернуться к круговому пилению и попробовать все-таки решить проблему с узлом на нитке. В итоге была использована тонкая капроновая нить, свернутая в три оборота и скрученная с шагом 1см, концы которой были не связаны, а склеены “суперклеем”. Импровизированный пассик получился достаточно крепким, небольшой и равномерной толщины. Для решения проблемы плохого смачивания и очистки соляного раствора с капроновой нити был сделан отдельный механизм, состоящий из двух, вращающихся войлочных дисков между которыми с заданным трением проходила нить, очищаясь при этом от раствора соли и смачиваясь водой в необходимой мере. Сами диски смачивались водой с противоположной, нижней стороны, таким образом, напрямую вода на нить попадала. Станок был установлен вертикально, тележка с кристаллом удерживалась на железных рельсах с помощью сильного магнита, не мешающего ее продольному перемещению, реверсный механизм был исключен, в конструкцию был введен более совершенный натяжитель нити.

Пояснения к фото станка второй версии:

1. мотор с роликовым приводом
2. ведущий диск
3. переключатель реверса от старой версии станка, используемый как выключатель
4. ролик натяжителя нити
5. реостат регулировки скорости вращения ведущего диска
6. вращающийся войлочный диск для очистки и смачивания нити
7. емкость для воды
8. регулируемый по высоте стол с полозьями
9. подвижная магнитная тележка и зажимом для кристалла
10. упор, выравнивающий нить в линию в конце процесса и не позволяющий отпиленной пластине отламаться до момента ее полного отпиливания
11. поддон для отпиленных пластин, без него отпиленная пластина падая на стол нередко раскалывалась
12. пружинный натяжитель нити
13. груз, тянущий тележку через блок

Вторая версия станка в работе

Резка пластин и сборка пьезоэлементов

Пластины режутся на прямоугольники необходимого размера с помощью горячей нихромовой проволоки, температура которой подбирается таким образом, чтобы она легко плавила кристалл без признаков кипения соли в зоне резки. Процесс не представляет никакой сложности. Если необходимо получить пьезоэлемент, работающий на кручение, то стороны вырезаемых прямоугольников должны быть параллельны или перпендикулярны граням кристалла. Если нужно сделать элемент, работающий на изгиб, то прямоугольники пьезоэлементов должны размечаться под углом 45 градусов к граням кристалла. Одноименные стороны прямоугольных заготовок метятся любым удобным способом, затем на одноименные стороны пары пластин наносится токопроводящий лак, между этими сторонами вкладывается полоска-вывод из фольги и элемент склеивается. После высыхания пьезоэлемента, проводящим лаком покрываются две его внешние плоскости и на них наклеивается второй, общий вывод из фольги. Затекший на торцы лак счищается с влажной, туго натянутой на доску тряпкой, затем кристаллу придаются окончательные размеры по длине и ширине (влажная тряпка работает с кристаллом, как напильник). После этого пьезоэлемент сушится около месяца, (самодельный графито-шеллачный лак, который я использовал, сохнет между пластин очень медленно), затем вся конструкция в сборе окунается в чистый, густой шеллачный лак для защиты от влаги и окончательно сушится.

Работа над пьезо была остановлена после преждевременной кончины Тестового Аудиотракта, тк только на нем можно было адекватно оценить свойства самодельных пьезо головок. В планах осталось выращивание кристаллов из самодельного раствора и исследование звучания кристалла с точки зрения Векторной Направленности. По уже проделанной работе можно сказать, что самодельные пьезоэлементы, несмотря на то, что все они были изготовлены из покупной соли, звучали Яснее и одновременно мягче, чем фабричные кристаллы 1960х, что, собственно, и требовалось на тот момент.