Werking1

HOE WERKT EEN ELPEE

Om precies te begrijpen hoe een elpee werkt, hoe het mogelijk is dat uit een elpee geluid kan voortkomen, moeten we terug gaan naar een heel simpel basisgegeven. En dit basisgegeven, zoals uit de geschiedenis van elpee duidelijk is geworden, is het feit dat geluid (muziek) trillingen zijn die zich door de lucht bewegen. En de elpee is een medium dat die trillingen in fysieke vorm bevat. En die vorm bestaat uit oneffenheden die in een spiraalvormige groef op de elpee geëtst (gekrast) zijn. Die vorm is gelijkvormig aan het geluid, is er analoog aan.

Home

Maar op welke wijze worden die oneffenheden hoorbaar gemaakt? Welke gedachte of technologie zit daarachter?

Dat wordt hierna uitgelegd.

Magneten en spoelen

Voordat kan worden ingegaan op de link tussen de oneffenheden op een elpee en het geluid wat we kunnen horen, is het belangrijk om eerst een natuurkundig fenomeen, wat dit alles mogelijk maakt, uit te leggen. En dat gaat om de wisselwerking tussen spoelen en magneten.

Een magneet is een materiaal dat magnetische eigenschappen heeft en een magnetisch veld produceert. Deze magnetische eigenschappen, komen voort uit bewegende elektrische ladingen in het materiaal. Een magneet kan andere metalen, mits deze magnetisch gevoelig zijn, aantrekken. Een spoel is een elektrisch element dat bestaat uit wikkelingen die geleidend en magnetisch gevoelig zijn. Meestal is dit koperdraad die rond een vorm is gedraaid. Vaak is die vorm een cilinder zodat de wikkelingen van de spoel rond zijn. Het binnenste van een spoel kan bestaan uit kunststof, maar kan ook gewoon leeg (hol) zijn.

De link tussen de spoel en de magneet is magnetisme. Het ene element produceert magnetisme en het andere element is er gevoelig voor en kan, onder omstandigheden, ook een magnetisch veld opwekken. En het draait hierom: als een magneet ten opzichte van een spoel beweegt (en dat is belangrijk - de beweging) ondervindt de spoel een veranderend magnetisch veld. De spoel “reageert” daarop door dit tegen te gaan. En de spoel doet dat door een elektrische stroom op te wekken die daarmee een tegengesteld magnetisch veld opwekt. En het gaat bij de platenspeler om de stroom in die spoel! Dat wordt verderop nog wel duidelijk.

Een spoel
(nl.pinterest.com)

De magneet beweegt niet, er is dus geen stroom
De magneet beweegt naar links, er loop een stroom.
De magneet beweegt nog steeds naar links, stroom blijft lopen.
De magneet stopt met bewegen, stroom valt stil.
De magneet beweegt nu naar rechts, er gaat nu weer een stroom lopen, alleen nu tegengesteld aan de links bewegende magneet.
De magneet beweegt nog steeds naar rechts, de stroom blijft lopen.

Opmerking: de snelheid van de beweging van de magneet bepaalt ook de kracht van de stroom. Hoe sneller de beweging, hoe krachtiger de stroom. In de linker schets beweegt de magneet gelijkmatig, vandaar dat de stroom kwa sterkte hetzelfde is.

Overigens kan het voorstaande ook worden omgedraaid. Namelijk dat de spoel beweegt ten opzichte van de magneet. Het maakt voor de spoel niet uit, die ervaart nog steeds een veranderend magnetisch veld en zal dus een stroom(pje) genereren. Dit principe wordt ook wel moving coil (MC) genoemd, bewegende spoel. De bewegende magneet wordt, toepasselijk, moving magnet (MM) genoemd.

De relatie tussen magneten en spoelen en de elpee

Voor het gemak gaat het vervolg van deze uitleg uit van een bewegende magneet (MM), maar weet dat het principe hetzelfde is als bij de bewegende spoel (MC). Zoals eerder gesteld, is geluid een trilling in de lucht en zijn deze trillingen in de vorm van oneffenheden op het vinyl “opgeslagen.” Hoe komen we van deze geëtste oneffenheden naar een mooi en vol geluid, naar mooie muziek? Hoe zetten we die oneffenheden om in geluid? Het geluid wat we horen komt uit luidsprekers (of een koptelefoon, wat in principe ook een luidspreker is). Een luidspreker brengt de lucht in trilling doordat de luidsprekermembranen trillen waardoor de trillingen in de lucht komen. En om die membranen te laten trillen is een elektrische stroom nodig die afkomstig is van de platenspeler. En daar komen de magneten en spoelen bij kijken, of beter gezegd: een kleine magneet en een kleine spoel. Sterker nog: een hele kleine magneet en een hele kleine spoel.

Een afspeelelement (een naald) wordt middels een mechanisme (ik laat verderop zien hoe dat werkt) verbonden aan een kleine magneet die zich in of in de buurt van een spoel bevindt. Deze naald wordt in de groef en daarmee op de oneffenheden geplaatst. Op het moment dat de groef onder de naald gaat draaien (door de elpee in beweging te brengen) bewegen de oneffenheden onder en langs de naald door waardoor deze gaat bewegen. En omdat de naald beweegt, beweegt ook de magneet. Daarmee verandert het magnetische veld wat door de spoel wordt ervaren. De spoel wekt daardoor een klein elektrisch stroompje op om dat veld te compenseren. Dat elektrische stroompje komt dan, al dan niet versterkt, bij de luidsprekers terecht waardoor de membranen gaan trillen en voilà, daar is het geluid.

Deze uitleg is heel basaal, maar in feite is dat wat er gebeurt.

Horizontaal en verticaal uitlezen van de groef

In het begin van de elpee was het geluid mono, één kanaal. Dat betekende dat de groeven maar één dimensie kenden omdat dat voldoende was voor mono. De keuze was tussen een horizontale of verticale beweging (modulatie). En de keuze viel op horizontale modulatie. Dat had als reden dat het makkelijker was om een groef te maken waarin de oneffenheden alleen maar van links naar rechts liepen. En andere reden, en die was misschien belangrijker: de kwaliteit van het geluid was bij horizontale modulatie ook beter.

Bij verticale modulatie is namelijk sprake van meer vervorming en zijn grotere amplitudes (geluidssterktes) niet mogelijk. Daar zijn meerdere redenen voor, waar niet verder op in zal worden gegaan. Omdat de kwaliteit bij horizontale modulatie makkelijker gegarandeerd kon worden, werd horizontaal de standaard.

Op de afbeeldingen rechts heb ik geprobeerd duidelijk te maken hoe dat er schematisch uitziet.

Bij de horizontale modulatie (bovenste afbeelding) beweegt de oneffenheid naar links of rechts. De naald beweegt mee en dus ook de magneet met als resultaat een kleine elektrische stroom. En daarmee is ons monosignaal een feit.

Voor de compleetheid staat ook de verticale modulatie uitgetekend. Deze is namelijk van belang voor de ontwikkeling van het stereogeluid.

Stereo: toch verticaal en horizontaal?

Omdat mono één kanaal betreft, was één modulatievorm voldoende. En dat maakte het vrij praktisch. Maar “men” vond mono niet voldoende. Dat had o.a. te maken met het gegeven dat een mens nu eenmaal twee oren heeft en het geluid dus van twee kanten kan horen (stereo). Dat werd als natuurlijker ervaren. En daaraan gekoppeld zat de drang om te innoveren en (natuurlijk) het zakelijke aspect om de elpee aantrekkelijker te maken.

En dus was het bijna onvermijdelijk dat veel moeite werd gestoken in het ontwikkelen van de stereofonische elpee.

Stereo: een logische oplossing - achteraf gezien

Stereogeluid komt van twee kanten, van twee kanalen. Op welke momenten in de geschiedenis bepaalde technieken werden uitgeprobeerd, is niet helemaal duidelijk. Zeker is dat de uiteindelijke oplossing enige tijd op zich heeft laten wachten omdat het een combinatie zou worden van de horizontale en verticale modulatie. Maar, de verticale modulatie kende toch bepaalde nadelen? Dat klopt en het was de oplossing voor dat probleem die de doorbraak in de stereofonische weergave betekende. Uiteraard werden, in de periode daarvoor, meerdere (andere) technieken geprobeerd.

Zo werd geprobeerd om op iedere elpeekant twee groeven te persen, waarbij de ene groef het linker kanaal bevatte en de andere groef het rechterkanaal. Dat bleek lastig te maken, betekende een duidelijke vermindering van de speelduur van een elpee (omdat je nu twee keer zoveel ruimte nodig had voor dezelfde hoeveelheid muziek) en het was lastig om de naalden (voor elke groef eentje) in de juiste groef te krijgen. Een andere oplossing was om de kanalen te verdelen over de beide kanten van de elpee. Kant A werd (bijvoorbeeld) links en kant B werd rechts. Ook dat bracht veel problemen met zich mee waarbij de synchronisatie wel de belangrijkste was. Een minimale verschuiving in de tijd tussen kant A en B leidde al tot een enorme afname van de kwaliteit (uit fase) en ook hier werd de speelduur gehalveerd.

Er moest dus een oplossing komen die voorstaande problemen ontweek en die toch de gewenste twee kanalen opleverde. En daarvoor werd teruggegrepen op de verticale modulatie. Zou het mogelijk zijn om in een groef zowel horizontale oneffenheden te maken als ook verticale? De groef zou dan een combinatie moeten worden van oneffenheden die naar links en rechts gingen, alsmede ook omhoog en omlaag. Bleef alleen wel het voordeel over van horizontaal ten opzichte van verticaal. De oplossing werd gevonden door het voordeel van horizontaal wat te verminderen om daarmee het nadeel van verticaal wat te kunnen compenseren. Kortom: deze oplossing hield in dat de horizontale modulatie iets minder goed werd en de verticale iets minder slecht (en dus iets beter). En dat werd bereikt door de twee modulatievormen 45 graden te draaien, waardoor ze beiden diagonaal kwamen te staan, maar nog steeds in een hoek van 90 graden ten opzichte van elkaar, wat essentieel is voor de gewenste twee gescheiden kanalen. Zie de afbeelding hieronder.

Deze oplossing betekende wel dat beide modulatievormen elk hun eigen beperkingen introduceerden. Diepte van het geluid, hoge en lage tonen en het geluidsniveau werden door deze oplossing negatief beïnvloed en ook het materiaal (vinyl) had er invloed op. Om dit te compenseren werd in de jaren vijftig de RIAA (Recording Industry Association of America) correctie bedacht en toegepast. Hierbij werden de lage tonen verzwakt en de hoge versterkt. Zonder deze correctie zouden zouden de lage tonen heel diepe groeven nodig hebben en zouden de hoge tonen verloren gaan in de ruis van het vinyl. Dit filter wordt vaak toegepast bij de phone ingang van een versterker of bij een losse voorversterker (als sprake is van het ontbreken van een specifieke phone ingang bij een gebruikte versterker).

Hoe ziet een element van een platenspeler er dan uit?

Secrets of the phono cartridge:

Part one
www.psaudio.com

Part two
www.psaudio.com

Iedereen die een platenspeler heeft (heeft gehad) of wel eens eentje van dichtbij heeft gezien, weet hoe klein de naald is en het mechanisme wat eraan vastzit. En toch is het een compleet systeem wat in essentie op een hele eenvoudige manier werkt en toch ook weer heel complex is. In principe bestaat het hele element uit een naald aan de ene kant en twee magneetjes aan de andere kant, bevestigd aan een ophanging die alles vasthoudt maar wel flexibel is zodat het element kan bewegen (trillen). In de bovenstaande afbeeldingen zijn ook meteen enkele termen te zien die inherent zijn aan de platenspeler.

En hoe werkt het nu allemaal?

De naald beweegt diagonaal (een combinatie van links-rechts en boven-beneden) zoals eerder uitgelegd. De naald zit aan de voorkant van de cantilever, aan de achterkant zitten de magneetjes die tegengesteld bewegen (omdat de beweging via een ophangpunt gaat). Gaat de naald naar beneden, bewegen de magneetjes naar boven. Beweegt de naald naar rechtsboven, maken de magneetjes een beweging naar linksonder.

De tekening links is een simpele weergave van de werkelijkheid, maar geeft het vrij realistisch weer.

Op de tekening hieronder is geprobeerd om weer te geven hoe het hele proces verloopt, vanaf de groef tot en met de magneetjes. Ook dat is heel rudimentair gedaan, maar is een redelijk goede weergave van de werkelijkheid.

Om meteen met de deur in huis te vallen: de groef beweegt en niet de naald! Vaak wordt gezegd dat de naald over de groef beweegt, maar dat is dus niet het geval. De groef wordt onder de naald doorgetrokken en dat gebeurt met de klok mee. Daardoor lijkt het alsof de naald langs de groef beweegt, tegen de klok in. Zoals gezegd, dat is dus niet zo.

Ik heb geprobeerd om een schets te maken van de groef en hoop daarmee duidelijk te maken dat de groef bestaat uit oneffenheden die schuin gevormd zijn en de naald daarvoor diagonaal laten bewegen. Deze oneffenheden zijn een fysieke “kopie” van het geluid, ze zijn er analoog aan. In het midden zien we van 1 naar 7 de groef in een dwarsdoorsnede in een combinatie breder en smaller worden, lager en hoger. De blauwe pijl laat de beweging van de naald zien en de gele pijl de tegengestelde, maar wel corresponderende, beweging van de magneetjes.

In het rechterdeel van de schets is te zien hoe zich dat vertaalt bij de magneetjes. En zoals eerder gesteld, de bewegingen van de magneetjes zorgen voor een reactie van de twee spoelen in de vorm van een elektrisch stroompje. En dat stroompje zal uiteindelijk de luidsprekers de geluiden laten overzetten in de lucht. En voilà: muziek!

En zo werkt een platenspeler!