Interesowały mnie drgania zatem zbadałem poziom drgań w osi pionowej czujnikiem w punkcie wkładki gramofonowej.
Czego szukałem? Otóż szukałem częstotliwości, przy której występują największe drgania lub rezonanse.
Po co tego szukałem? Aby zminimalizować rezonanse i drgania ramienia w trakcie odtwarzania płyty winylowej czyli aby w konsekwencji zredukować do minimum wpływ ramienia na działanie wkładki.
Zanim cokolwiek zbadałem określiłem metodologię tego badania.
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. Coś nowego w tej branży:)
Pierwszy element stacji badawczej – Płyta.
Drgania ramienia występują przy określonych częstotliwościach odtwarzanego dźwięku. Potrzebna była zatem płyta, która ma ścieżkę przechodzącą najlepiej od 20hz do 20khz. Odtwarzając taki wyizolowany sygnał i badając w tym momencie drgania ramienia otrzymałem informacje o zależności między częstotliwością a drganiami.
Nie badałem sygnału dźwiękowego a tylko poziom wibracji. Powód jest jeden zasadniczy – płyta winylowa jest niedoskonałym źródłem dźwięku zatem ewentualne odkształcenia dźwięku niekoniecznie muszą być związane z wibracjami.
Do testów użyłem 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 sprawdziłem kolejną płytą HiFi News Analogue Test LP Cartridge.
Od tego momentu było 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😊).
Pojawił się 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, niewielkiej masie i sporym zakresie wykrywanych częstotliwości drgań.
Znalazłem taki o wadze 1 grama. Specyfikację zostawię dla siebie:)
Trzeci element stacji badawczej – mikrofon.
Po co mikrofon? Chciałem jednocześnie odczytywać dwie informacje – poziom wibracji (przyspieszenie) oraz częstotliwość odtwarzanego sygnału.
Nie badałem jakości dźwięku a jedynie próbkowałem odtwarzaną częstotliwość zatem mikrofon nie musiał być super ekstra. Wystarczyło cokolwiek o zakresie pracy od 20 do 20kHz.
Zarówno mikrofon jak i czujnik mają wyjścia analogowe więc należało je odpowiednio zinterpretować.
Zrobił to czwarty element stacji badawczej – mikrokontroler.
Mikrokontroler miał 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 dawało mierne efekty.
Kontroler musiał 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 to 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 pokazałem 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 były na poziomie max 0,4g
Jeszcze jedno ważne założenie – pobieranie sygnału z mikrofonu nie mogło powodować niepotrzebnych wibracji. Wiadomo, ze takowe powodowane są przez kolumny szczególnie w niskich częstotliwościach. Kolumny zatem były odłączone a dźwięk czytałem z 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.
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 patrzyłem tylko na pionowe.
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.
Tak zaczęła się przygoda z badaniem rezonansów ramienia gramofonowego. Taka metoda pozwoliła na zbudowanie wzorowego ramienia z pominięciem etapu odsłuchów kolejnych prototypów. Dopiero finalna wersja została odsłuchana i nie pozostawiła żadnych wątpliwości.