Rozdział 4 – Metodologia badań

Aby cokolwiek zbadać należy określić metodologię.

(cyt, Encyklopedia Zarządzania: https://mfiles.pl/pl/index.php/Metodologia_bada%C5%84 ) Metodologia badań (z greckiego mèthodos – badanie i lògos – nauka, słowo; nauka o metodach) jest nauką zajmująca się czynnościami poznawczymi badań naukowych oraz tzw. wytworami poznawczych (czyli wynikami i efektami) tych czynności. … Metodologia to przejrzyście określony, niezmienny, niezawodny system reguł i procedur.

Badanie rezonansu ramienia będzie prowadzone wielokrotnie zatem metodologia badania powinna być jednoznaczna i dla każdego wariantu sprawiedliwa.

Pierwszy element stacji badawczej – Płyta.

Drgania ramienia występują przy określonych częstotliwościach odtwarzanego dźwięku. Potrzebna jest zatem płyta, która ma ścieżkę przechodzącą najlepiej od 20hz do 20khz. Odtwarzając taki wyizolowany sygnał i badając w tym momencie drgania ramienia otrzymam informacje o zależności między częstotliwością a drganiami.

Ważne, że nie będę badać sygnału dźwiękowego a tylko poziom wibracji. Powód jest jeden zasadniczy – płyta winylowa jest niedoskonałym źródłem dźwięku zatem ewentualne odkształcenia niekoniecznie muszą być związane z wibracjami.

Do testów użyję płyty Ortofon test record gdzie na obu stronach cztery pierwsze ścieżki to sygnały 800 – 20khz w lewym i prawym kanale. W tym sygnale brakuje zakresu 20 – 800 hz,. Ten sprawdzę kolejną płytą HiFi News Analogue Test LP Cartridge. Poza badaniem sygnału o pojedynczej częstotliwości sprawdzę drgania na zwyczajnej ścieżce – do tego wybrałem Pink Floyd – The Wall  – (C1) Hey You. Powodów wyraźnych brak.

Od tego momentu jest tylko trudniej. Jak zbadać drgania? Trzeba je jakoś zmierzyć, gdzieś zebrać, odnieść je do odtwarzanej częstotliwości i jeszcze zinterpretować na wykresie. Zagadnienie na pracę co najmniej inżynierską (a może źle oceniam poziom trudności😊).

Drugi element stacji badawczej – czujnik drgań.

Czujniki mamy przeróżne. Te popularne wykorzystywane są w zabawkach i telefonach i analizują zmiany w 3 osiach jednocześnie. Niestety są tanie popularne i do … niczego się nie nadają.

Potrzebny jest czujnik profesjonalny o dużej rozdzielczości, stosunkowo niewielkim zakresie pracy i sporym zakresie wykrywanych częstotliwości drgań.

Znalazłem taki:

  • Waga 1 gram – to niewiele i to dobrze bo będzie dociążał ramię w najdalszym punkcie czyli zwiększy masę efektywną ramienia.
  • Ilość osi – jedna (Z)
  • Zakres prac. Tu mam zagwozdkę bo podane są 2 wartości.
    • podane w specyfikacji 20m/s^2 czyli zakładając że g = 9,81 m/s^2 to czujnik działa do 2,038 g w górę i w dół
    • lub measuring range +/- 50 m/s^2 (czyli 5,09g)
      Mierzyć będę w g i wybieram specyfikację ogólną czujnika czyli +/- 2,038 g (nie będę odnosić się do innych badań zatem to wszystko jedno czy 2 czy 5g uznam za zakres – chodzi o złapanie rezonansów i tyle).
  • Czułość 20 mV/m/S^2 czyli 196,2mV/G przy 160Hz (im wyższa wartość tym lepsza czułość a czujnik przeznaczony jest dla mniejszych amplitud drgań)
  • Zakres częstotliwości 10Hz do 15 kHz
  • Sygnał wyjściowy – napięcie między 0 – 3,3 V. Stan spoczynku to środek czyli 1,65V

Czujnik przyklejany jest klejem na gorąco do headshella.

Trzeci element stacji badawczej – mikrofon.

Po co mikrofon? Chciałbym jednocześnie odczytywać dwie informacje – poziom wibracji (przyspieszenie) oraz częstotliwość odtwarzanego sygnału.

Nie będę badać jakości dźwięku a jedynie próbkować częstotliwość zatem mikrofon nie musi być super ekstra. Wystarczy cokolwiek o zakresie pracy od 20 do 20kHz.

Zarówno mikrofon jak i czujnik mają wyjścia analogowe więc należy je odpowiednio zinterpretować.

Czwarty element stacji badawczej – mikrokontroler.

Ten temat mocno przewałkowałem przy okazji sterowania silnikiem /ledami/ włącznikami itd. zatem będzie łatwiej.

Mikrokontroler ma zebrać dane z czujnika i mikrofonu (w zasadzie oba elementy są czujnikami) i pokazać je na wykresie.

Takie to proste. Niestety tylko w teorii. Problemy napotkane i rozwiązane:

  • Aby odpowiednio zinterpretować (pokazać na liczbach – wykresie) wartości z czujników należy sygnał analogowy przetworzyć czujnikiem analogowo cyfrowym (ADC). Taki czujnik musi mieć odpowiednią rozdzielczość. Przyjąłem minimum 12 bitów (4098 punktów). Tą samą rozdzielczością steruję pracą silnika w drugą stronę😊 ADC musi być na pokładzie mikrokontrolera. Niestety używanie zewnętrznego nawet wielokanałowego ADC nawet 16 bitowego daje mierne efekty.
  • Kontroler musi być odpowiednio szybki. 16MHz to np. zdecydowanie za mało. Dlaczego? Otóż przekształcenie pojedynczego sygnału z mikrofonu na częstotliwość nie jest takie proste. Mikrofon daje sygnał w postaci sinusoidy o jakimś przebiegu i natężeniu zatem należy zastosować jakiś algorytm do przekształcenia sinusoidy na informację o częstotliwości w dodatku z szerokiego zakresu 20 – 20kHz (trochę ponad możliwości stabilnej pracy akcelerometru). Z pomocą przychodzi algorytm FFT czyli Szybka Transformacja Fouriera (polecam dla odważnych przeszukanie internetów). Aby szybko przetworzyć sygnał na częstotliwość potrzebna jest spora moc obliczeniowa już nie wspominając o samym algorytmie. Stanęło na kontrolerze o mocy 84 MHz. Prawie jak kiedyś komputery klasy Pentium90😊 kto nie pamięta ten podlotek

Piąty i ostatni element stacji – program sterujący mikrokontrolerem.

Program napisałem tak aby:

  • Próbkować (128 razy) sygnał po konwersji 12 bitowej z mikrofonu
  • Następnie skonwertować do 12 bitów sygnał z akcelerometru
  • Zebrać najwyższe wartości z 10 przebiegów powyższych odczytów i pokazać je na wykresie

Wartości znormalizowałem i pokazuję w osi X, która jest osią czasu, a w osi Y pokazuję wartości zarówno częstotliwości dźwięku jak i poziomu przyspieszenia akcelerometru w g gdzie 1g=100kHz

Odczyty będą na poziomie max 0,4g

Jeszcze jedno ważne założenie – pobieranie sygnału z mikrofonu nie może powodować niepotrzebnych wibracji. Wiadomo, ze takowe powodowane są przez kolumny szczególnie w niskich częstotliwościach. Kolumny zatem są odłączone a dźwięk czytany mikrofonu przytkniętego do słuchawek. Test wygląda cicho i dziwnie😊 gdyby tak popatrzeć z boku (cytuję „co ty tak się gapisz w ten komputer, przecież nic nie gra 😊)

No właśnie. Szaleństwo!

A teraz wynik – zbadałem sygnał 800 – 20kHz analizując drgania pionowe (vertical) i boczne (lateral) raz przyczepiając czujnik na górze headshella a raz z boku.

Test przeprowadziłem na dzisiejszej wersji ramienia i gramofonu Immersion. Wkładka Denon DL 103R.

Przypomnę, że w teście highfidelity ta wkładka zachowywała się wzorowo w dole i średnicy natomiast (to moja ocena) sprawiała pewne niespodzianki w górze pasma (to naprawdę niuanse ale dążę do perfekcji więc nie ma litości).

Linia niebieska – częstotliwość. Widać jak krzywa powoli wspina się do poziomu ok 15 khz. Później zakres rozszerzę do 20kHz kosztem jakości. Tutaj chodzi o uchwycenie mniej więcej tego samego momentu drgań

Linia żółta – poziom wibracji bocznych. Widać, że przy ok 10 kHz wartość wynosi ok 0,12g (10000hz = 0,1g czyli g jest pomnożone 100000 razy dla uzyskania tej samej skali).

Linia zielona – drgania pionowe w negatywie żeby łatwiej się oglądało.  

Widać, że drgania boczne i pionowe występują w tych samych momentach zatem w dalszych analizach będę już patrzył tylko na pionowe. Na koniec – jeśli uda się drgania wyeliminować – powtórzę analizę drgań bocznych.

Analiza nie pokazuje częstotliwości poniżej 800hz. Do tego jeszcze dojdę. Widać natomiast co dzieje się powyżej. Pierwsze większe drgania pojawiają się przy ok 8-9 kHz, potem chwila spokoju i tym razem większa amplituda (max 0,37g) przy 12-13 kHz.

Już niedługo testy na moim starym Project Debut Carbon z wkładką 2mRED, ten sam z DL103R itd.

Kontakt