Vinylspelare 15. Den magnetiska kretsen

[calle_jr]

 

Vi har ganska ingående beskrivit att en transducer är beroende av egenskaperna i både den mekaniska och den elektriska kretsen. Men det finns en tredje spelare - den magnetiska kretsen. Magnetiska kretsar använder attraktionskraften mellan magnetiska poler och den spänning som produceras när reluktansen ändras. Transducern i en pickup (mc eller mm) består av en permanentmagnet som orsakar ett konstant magnetfält. Det magnetiska flödet är flödestätheten för en yta så att:

 

 

Som vi redogjorde för i avsnitt 3 och 12 så är spänningen som produceras när en ledare (spole) rör sig i ett magnetfält beroende på magnetfältets flödestäthet B, ledarens längd och hastighet:

 

 

Det magnetiska flödet beror av reluktansen och den magnetomotoriska kraften. Reluktansen är ett mått på hur stort magnetflödet i ett material kan bli (som ett motstånd i en elkrets eller en fjäder i en mekanisk krets). Inversen av reluktans kallas för permeans och är det man vanligen använder för att klassificera magneters "styrka". Permeansen kan skrivas:

 

 

där A är den yta man betraktar, l är sträckan i magnetfältet och µ är magnetens permeabilitet. Enkelt uttryckt; ett magnetiskt material med hög permeabilitet kan ge ett starkare magnetfält. Som vi redovisat i avsnitt 11 (modulering) så används bara ett spänningvärde för varje tidsenhet för att beskriva både amplitud- och frekvensinnehåll i en ljudström. De enda egenskaper som primärt påverkar den magnetiska kretsen är alltså magnetfältets styrka, spolarnas längd och spolarnas hastighet i förhållande till magneterna.

 

 

Som vanligt är det samtidigt viktigt att kunna hålla nere både vikt och storlek på de ingående komponenterna. Det är således en helt avgörande faktor att välja bra magneter till en pickup. Vad är då bra magneter?

 

 

Exotiska magneter

En bra magnet har hög permeabilitet. Permeabilitet är definierad med enheten H/m (henry per meter), och den anges ofta i förhållande till tomrummets permeabilitet µ₀ som är 1.3×10−6 H/m. Koppar, silver, bly, aluminium, titan, palladium, platina och mangan har ungefär samma relativa permeabilitet som vacuum, luft eller syre, dvs µ_r~1.00. Dvs de är vad man kan kalla låg- eller medelpermeabla alternativt omagnetiska. Högpermeabla material utgörs av järn, nickel, kobolt och en rad rare earth materials. Man kan tillverka mycket starka magneter såsom legeringar av neodym-järn-bor och samarium-kobolt som har en relativ permeabilitet uppåt 1.15. 

 

     

Sintrade samarium-kobolt- respektive neodym-järn-bormagneter. Foton: magnetshop.com resp shtaixiongmagnet.com

 

Det vi i dagligt tal kallar neodymmagneter är en mix av neodym, järn och bor som formar legeringen Nd₂Fe₁₄B till en tetragonal kristallin struktur. Neodymmagneten upptäcktes av General Motors och Sumitomo Special Metals 1982 medan de undersökte alternativ till de dyra samarium-koboltmagneterna. Idag finns de i allt från mobiltelefoner, bilar, turbiner, datorer och dörrstängare. Kina dominerar helt tillverkningen eftersom den mesta neodym man känner till finns där. För en 6-7 år sedan chockade Kinas regering världsmarknaden genom att decimera exportkvoten på magneter och dramatiskt höja priserna. USA drev rättsfall där man hävdade att Kina bröt mot internationella handelslagar, och USA vann målet 2015.

 

Kina utvinner över 95% av världens ovanliga jordmineraler. Foto: The Telegraph

 

En massiv bit samarium. Foto: Sciencemadness

 

Kraften som en magnet kan hålla emot kallas för magnetisk fältstyrka (BH_max) och mäts i enheten oersted efter den danske fysikern Hans Christian Ørsted. Kraften är som störst parallellt med magnetiseringens riktning. 1 MGOe (megagauss-oersted) är ca 8000 J/m³. Neodym- och samarium-koboltmagneter har en fältstyrka uppåt 35 MGOe, medan ferriter ligger mellan 1 - 5 MGOe. Dessa ovanliga magneter är alltså flera tiotal gånger starkare än vanliga magneter.

 

Stora alnicomagneter i Fostex driver FE138ES-R. Bild: Audiounion.

 

Alnicomagneter, som är vanliga i högtalarelement, är en järnlegering med tillsats av aluminium, nickel och kobolt (Al-Ni-Co). Den kan både gjutas och sintras, men är inte alls så stark som neodym eller samarium-kobolt. De är dock mycket billigare och det finns gjutna alnicomagneter som har en fältstyrka uppåt 12 MGOe. De starkaste alnicomagneterna väger ungefär lika mycket som kobolt-samarium och neodym, dvs 7-8 ton/m³. Det finns även keramiska magneter, men de används vad vi vet inte för pickuper.

 

 

Riktat magnetfält

 

Förutom att magnetfältet måste vara starkt för att ge tillräcklig output, så måste det vara jämnt i förhållande till spolarnas rörelse. Magneter är anisotropa, dvs de har olika egenskaper i olika riktningar, och de magnetiseras vanligtvis axiellt eller diametralt för cylindriska magneter, eller rätvinkligt i förhållande till någon yta beroende på magnetens form. De flesta magneter har en föredragen riktning för magnetisering som beror på materialets kristallstruktur.

 

Till vänster axiell magnetisering, till höger diametral magnetisering.

 

Traditionellt har man i en pickup ett ok med polstycken på ömse sidor av en stor magnet, som formas så att magnetfältet blir linjärt över spolarna. Polstycken används för att förlänga magnetens poler och för att rikta magnetfältet. Idag är det vanligt med så kallade oklösa magneter (yokeless), där man i stället sätter en magnet framför och en bakom spolarna.

Till vänster en Benz Ruby med förgyllda polstycken. I mitten en Dynavector XV-1s med polstycken och en kombination
av stora och små alnicomagneter. Till höger en yokeless Lyra Kleos med dubbla magneter.

 

Om vi rekapitulerar från avsnittet om pickuper så är det hastigheten i fältlinjernas riktning som skapar utspänning. Vinkelrätt mot fältlinjerna sker ingen induktion.

 

 

Om en ren stereoton avläses av nålen så kommer ett par av spolarna ha en konstant hastighet längs en radie från spolarnas rotationscentrum.
Denna hastighet inducerar bara spänning för den komposant som är parallell med fältlinjerna. Alltså borde avläsningen bli exaktare ju större radie man har på spolarnas järnkärna. Inverkan av att rotationscentrum ligger en bit ifrån järnkärnans axel ger också mindre felavläsning om radien ökas. 

 

 

Dessutom blir utväxlingen mellan nålarmens längd och järnkärnans längd större, vilket ger högre output. MEN, det ökar generatorns tröghet, vilket till viss del kan kompenseras med färre varv på spolen eller tunnare/lättare järnkärna. Rörelseenergin E = I ω² / 2, där  

• I är tröghetsmomentet I = r² m.
• r är radien mellan rotationscentrum och masscentrum.
• m är massan av spole och järnkärna. 
• ω är vinkelhastigheten ω = v / r där v är hastigheten i tangentens riktning vid radien r.

 

Vi måste anta att vi har samma vinkelhastighet ω, den bestäms ju av nålarmens längd mellan nålspets och rotationscentrum. Det innebär att om man dubblar radien så kan man dela massan med 4 för att bibehålla samma rörelseenergi. Om man bibehåller samma rörelseenergi (dubbla radien och dela massan med 4) så får man således dubbel hastighet som dessutom ligger mer parallellt med fältlinjerna.

 

Dynavector har gjort en sådan konstruktion i Karat 17D2, men vi är inte säkra på att den direkta anledningen är utväxlingen. De menar att utvecklingen kommer av dispersionsberäkningar där de jämför en konventionell nålarm med en mycket mindre (1.7mm lång) nålarm i diamant. I dispersionsteori studerar man de modulerade vibrationernas uppdelning i de våglängder som förekommer i nålarmen, ungefär som att titta på ljus genom ett prisma. Endast en mycket liten fluktuation i magnetflöde kommer påverka kraften (och således spänningen) i gapet där spolarna sitter, och detta ger IM-distorsion. Detta blir speciellt tydligt när man använder högenergimagneter som neodym och samarium-kobolt eftersom dessa har mycket hög permeabilitet. Däremot har Dynavector (likt många andra) ägnat mycket kraft åt att tämja och fokusera magnetfältet, tex med en så kallad flux damper och en teknik de kallar softened magnetism (ung. magnetismdämpning). Båda är patenterade.

 

Den här typen av kompromisser, finurligheter och vidareutveckling har pågått sedan fonografen uppfanns. Nedan är en patentansökan (US 3963880 A) från Isamu Ikeda från 1976. Det framgår att man eftersträvar skillnad i magnetism mellan polerna för respektive par spolar. Den ena polen hamnar helt enkelt i ett område med lägre flödestäthet än den andra polen. Det ena paret spolar läser ju lateral modulering, och det andra läser vertikal modulering. Och det är (såklart) samma önskvärda fenomen för båda.

 

    
Bilder från patentansökan från Isamu Ikeda 1976.

 

En annan variant är en patentansökan US4488284 A av Akira Matuki. Där har man dels gjort kärnan som spolarna lindas på magnetisk så att fältet ändras under drift. Dels har man snidat, rundat och vinklat de magnetiska delarna så att man styr magnetfältets styrka och riktning.

 

Patentansökan av Akira Matuki från 1982. Fig 4 traditionell generator med omagnetisk kärna, Fig 5A - 5C ny design med magnetisk kärna.

Jaha, men vad är då bra magneter?

 

Att konstruera den magnetiska kretsen handlar alltså väldigt mycket om att välja starka magneter, utforma delkomponenterna i den magnetiska kretsen så att fältlinjerna ligger optimalt, dels så att man får hög flödestäthet, dels så att man får en jämnhet inom det område spolarna rör sig. Detta får dock inte göras så att massan blir för hög eller styvheten i nålarmen för låg. En stark magnet som byggs in så att magnetfältet blir optimalt riktat gör alltså att man kan ha färre varv på spolarna för att generera samma utspänning. Det gör att de rörliga delarna i en mc-generator kan utformas slankare med mindre tröghet och därmed ge en exaktare avläsning med lägre distorsion. Det har även påståtts att olika magneter i samma konstruktion ger olika ljudsignatur, och det beror såklart på att man ändrar magnetfältets egenskaper. Knappast att magneter har en slags inneboende klang som färgar signalen

 

Men vi vet inte riktigt om det egentligen går att kategorisera bra och mindre bra magneter. Det är nog inte en kostnadsfråga utan mer en designfilosofi och i vissa fall kanske mbs. En del använder alnicomagneter även i sina finaste pickuper. För Lyra skulle det aldrig komma på tal, och det stämmer kanske för Jonathan Carrs principer. Ortofon är lite åt samma håll och använder mycket små neodymmagneter i sina toppmodeller ihop med i princip omagnetisk kärna i spolarna. Både Van den Hul och Dynavector verkar prova sig fram från modell till modell och har till och med blandat magnettyper i en och samma pickup. De är inte alls så rigida. Både AJ vdH och Dr Tominari har ägnat sig mer åt hur magneterna används och riktas för att minska reluktansen och göra fältet linjärt (dubbla bakre polstycken, flux dampers, softened magnetism etc). Tominaris bakgrund som professor på Tokyo University är inom området magnetism, vilket kanske visar betydelsen av förståelse för området inom pickupdesign. Benz använder kraftfulla neodymmagneter och spolkärnor av rubin för att inte påverka generatorn under gång.

 

När det gäller moving magnet-pickuper, så är såklart magneternas vikt helt avgörande eftersom rörlig vikt tillför tröghet. En annan svårighet med MM är att kunna rikta fältet eftersom magnetens placering inte är helt godtycklig, den behöver liksom sitta i änden på nålarmen. Men den kanske svåraste nöten är att fältet inte ska påverkas av annat magnetiskt material i närheten eftersom fältet då ändras när generatorn arbetar.