calle_jr Posted August 4, 2024 Posted August 4, 2024 Signalen från en pickup är helt mekaniskt genererad och kommer ju från nålens rörelse i vinylskivans spår. När nålen rör sig vertikalt och horisontellt och med varierad amplitud, hastighet och acceleration så alstras svaga elektiska signaler i pickupens motor. Spåren på en LP är mindre än 0.1 mm. Beroende på hur högt man spelar så kan man höra spårförändringar ner till någon bråkdels µm. Den minsta störning vid den här nivån hörs ut i högtalarna, kraftigt förstärkt. Det är inte svårt att inse att vinylspelarens uppställning och vibrationsmiljö påverkar arbetet mellan nål och LP. Oönskade vibrationer till kontaktytan mellan pickup och LP kan komma från skivspelarens motor, LP-skivans ojämnheter, från hyllan som skivspelaren står på (stomljud från vibrationer i materialen) och luftljud (musik) eller från resonans i tonarmen från de avlästa spåren. Alla dessa vibrationskällor blandar sig med de vibrationer som nålen alstrar från LPn och skapar distorsion, dvs förvrängning av den korrekta audiosignalen. Det mekaniska systemet med pickup, tonarm och LP-skiva har någonstans en resonansfrekvens som inte går att undvika, så kallad tonarmsresonans. Nedanstående figur beskriver anledningen att man bör anpassa ingående delar för att denna resonans ska hamna mellan 8 och 12 Hz. Det bör ligga över 8 Hz eftersom därunder förekommer de mesta av LP-skivors ojämnheter, och under 12Hz för att inte skapa resonans från den graverade musiksignalen. Ojämnheter (warps) och störningar har två oönskade konsekvenser: Dels kommer de blanda sig med den modulerade audiosignalen, dels utnyttjas en del (eller allt) av det nåltryck som finns tillgängligt för att nålen ska ha kontakt med spåret. Om störningarna närmar sig 20Hz eller däröver kommer man dessutom drabbas av akustisk återkoppling (feedback). Spårningsförmågan för lågfrekventa signaler bör anpassas i området mellan de värsta ojämnheterna (warps) och audiosignalen. Bild anpassad efter: Record Warps And System Playback Performannce. Larry Happ och Frank Karlov, Shure Brothers, AES 1973 Detta förutsätter att drivverket och racket/hyllan som drivverket står på ligger över detta systems egenfrekvenser, annars kommer det allvarligt påverka och samverka med detta system. Kommersiella rack marknadsförs med egenskaper som att vara snygga, flexibla, klara höga laster och ofta någon luddig formulering om vibration control. Specarna begränsas till mått, vilka belastningar de klarar och vilken finish man kan få på ramdelar och hyllplan. Specar på vibrationsprestanda förekommer sällan, åtminstone inte med någon tydlighet. Köperackens akilleshäl är att de ska gå att frakta, vilket normalt innebär att de måste ha montageskarvar på väldigt känsliga ställen. En ram som saknar avsträvning har störst snittkrafter i knutpunkterna, dvs i montageskarvarna, vilket blir avgörande för rackets styvhet. HRS ger också en bild av att bedriva avancerad produktutveckling. Vi har inte riktigt koll på det, men det de visar i sin marknadsföring har inte så mycket höjd. En FE-modell med färger och deformationsplot för statisk last är inte speciellt intressant, och om man studerar denna bild från hemsidan så kan man undra hur de har modellerat kopplingarna som kommer vara helt avgörande för rackets dynamiska beteende. Michael Latvis har garanterat koll på läget, men det skulle vara intressant att se det i text och bild eftersom det handlar om filosofier. Man kan utläsa att man eftersträvar hög styvhet, hög massa, robusta kopplingar och strategiskt placerad dämpning. Men inte alls hur och varför. De vitala delarna av ett rack beror på konstruktionsprincip, men vanliga rack består av en rackstomme (ram), hyllplan, upplag för hyllplan och fötter. Den viktigaste funktionen är att racket är stabilt och att det går att ställa i våg. Man kan ofta sandfylla ramen för att addera dämpning och öka massa. Hyllplanen får inte rida på något av upplagen (antingen fasta upplag, tre upplag eller elastiska upplag). Fötterna kan utöver stabiliteten vara det som påverkar klangen mest. Testning och investering i bra fötter brukar löna sig. Rackstommen är ofta tillverkad i metall och hyllplanen i trä/mdf, men en rad exotiska varianter förekommer. Racket bör inte vara tillverkat av magnetiskt material. En del rack integrerar andra smarta funktioner såsom jordning. Ikea Lack blev väldigt populära som skivspelarbord efter att någon tidning testat dem. Att Lack fungerar beror nog mer på den fördelaktiga geometrin än på uppbyggnaden. Hyllplanet ger en dämpning och benen är ganska robusta, men knutpunkterna är ganska veka. Att de är billiga och enkelt tillgängliga har spelat större roll än deras förträfflighet. Det oslagbart vanligaste hemmabyggda racket är DIY gängstång + limfog. Det är ett tydligt exempel på där man får ganska rigida knutpunkter med enkla medel. De flesta klarar bygga detta rack och materialen finns enkelt tillgängliga i byggvaruhus. Envar kan med ett metallsåg, borrmaskin och skiftnyckel specialanpassa ett rack efter godtyckliga mått. Och det kostar några hundralappar. I Stefano Pasinis bok Deutsche Perfektion beskrivs en seismisk bas som EMT introducerade 1977 som en lösning till problem med sviktande studiogolv ihop med EMT 930. Detta är väl närmast all-out-assault inom hifi-rack EMT 930-900 Seismisk bas. Bild: Stefano @ Vinylengine Den stötdämpande ramen är uppbyggd med en fast och en flytande sektion. Man använde täta, tunga material för att öka den flytande vikten. Val av fjädring har anpassats för att ge extremt låg egenfrekvens. Mekaniken har därefter kompletterats med fjädring för att dämpa lågfrekventa vibrationer, och gummielement för dämpning av högfrekventa vibrationer. Vad är det då man vill åstadkomma med vinylspelarens uppställning? Det är såklart att minimera alla de ovanstående vibrationskällornas påverkan på kontakten mellan nål och LP. Men man får tänka på att dynamiska kraftspektra (vibrationer) alltid ger en respons, och responsens utseende avgör hur nålen påverkas. Det viktigaste är antagligen att det inte uppstår resonansfenomen inom det hörbara frekvensområdet. Men även impulser som inte ger resonans ger ju en respons i skivspelaren. BESKRIVNING AV EN UPPSTÄLLNING SOM EN MEKANISK MODELL Uppställning av de två huvudtyper av drivverk som finns (stela och flytande) ska hanteras på lite olika sätt. En spelare med stelt drivverk är konstruerad så för att inte ge några lågfrekventa resonanser. Däremot blir den ju direkt påverkad av vibrationer, även om de inte ger en resonans. En spelare med flytande drivverk är konstruerad för att ge avisolering av impulser. Det är svårt att göra detta perfekt, och även om denna avisolering dimensioneras för säg 10 Hz (under hörbart område) så är den normalt inte effektiv förrän över betydligt högre frekvenser. Och även om responsen är lägre än påförda vibrationer från säg 15 Hz, så är de ju inte noll och kommer därför blanda sig med ljudsignalen. I båda fallen handlar det alltså om att skapa ett responsspektra som påverkar nålen minst. Här är en mekanisk illustration och modell (starkt förenklad) på uppställningen av en vinylspelare: De parametrar i uppställningen som påverkar och som går att påverka är Last, Styvhet, Massa och Dämpning. Dessa parametrar hänger ihop och sambandet dem emellan (Newton's 2:a lag) kan beskrivas som; Som syns är massa [m] kopplat till acceleration [a], dämpning [c] är kopplat till hastighet [v] och styvhet [k] är kopplat till deformation [y]. Hastighet är derivata av deformation (förskjutning), och acceleration är andraderivata av deformation: och så att Det innebär att man behöver känna till strukturens formfunktion (utböjningsform), materialegenskaper som ger massa, styvhet o dämpning samt laster (påförda vibrationer) för att kunna beräkna hur uppställningen beter sig. Men nummer 1 är alltid att beräkna egenfrekvenser, eftersom påförda vibrationer kommer att förstärkas vid dessa. Som värst vid lägsta egenfrekvens, men även de första 2-3 övertonerna exciterar. Systemets egenfrekvens är Om man bortser från dämpning är Kritisk dämpning (se nedan) Last Den dynamiska last som kommer ifråga är vibrationer från de källor som nämnts ovan. Vibrationer är i detta sammanhang sammansatta av amplituder och frekvenser, men den komponent som påverkar en pickup i form av distortion är acceleration. Vi är osäkra på om transient och harmonisk svängning påverkar mer/mindre i olika frekvensband, men de har såklart störst påverkan vid egenfrekvenser. Det optimala är att ställa drivverket i ett annat rum, vilket oftast är opraktiskt. Men man behöver ju inte ställa den framför och nära högtalarna. Hitta gärna ett tryckminimum i rummet. Ett lock hindrar luftljud effektivt. Styvhet Normalt sett vill man ha så hög styvhet som möjligt. Framför allt eftersom hög styvhet gör att amplituden i responsspektrat då begränsas för godtyckliga vibrationer. Men även eftersom det höjer den lägsta egenfrekvensen som kan få racket och därmed apparaterna i resonanssvängning. Rack som är låga, knubbiga och med kraftiga ramdelar ger hög styvhet. Knutpunkterna i ett rack brukar vara den svaga länken, och överdimensionerade ramdelar hjälper föga om inte knutpunkterna är styva. Rack bör ställas där bjälklaget är styvt alternativt hängas på en styv vägg. Eftersom en tonarms resonansfrekvens ligger mellan 7-12 Hz så bör rackets styvhet åtminstone inte ligga nära detta område eftersom detta omedelbart kommer excitera tonarmen. Man kan laborera med att antingen ligga över eller rejält under detta område. Antagligen beror det bästa resultatet på vinylspelarens konstruktion. Men om man ligger under så kommer hela rackets konstruktion oscillera både för stom- och luftljud. Rekommendationen är att ligga väsentligt över 7-12 Hz. Då ligger man över både drivverkets egenfrekvens, svaj och rumble som kan förekomma under 8 Hz. Men systemet tonarm+pu ger resonans vid 7-12 Hz, och om lägsta egenfrekvens för racket ligger över 7-12 Hz undviker man resonanser i både drivverk och tonarm. Man tar ju dock inte bort vibrationer bara för att man skapar höga resonansfrekvenser, man undviker att de förstärks. För att eliminera vibrationer krävs att man eliminerar källan, tillför massa, dämpar eller något annat. Massa Hög massa är normalt sett positivt om den placeras rätt. Det krävs större kraft för att accelerera en högre massa, men samtidigt högre dämpning för att stoppa den när den väl kommit igång. Massa ger alltså tröghet. Hög massa sänker dessutom rackets egenfrekvenser, så hög massa och låg styvhet är inte att rekommendera eftersom det resulterar i hög känslighet för lågfrekventa resonanser. En speciell egenskap är hur pickupens massa påverkar nålens avläsning. Förvisso balanseras massan av både tonarm och pickup med motvikter. Och nåltrycket avpassas ju utifrån puppans komplians och tillverkarens rekommendationer, men när pickupen "arbetar", dvs är i rörelse upp och ner och i sidled, så kommer massan ge dynamisk påverkan på avläsningen. Mer om detta i avsnitt 8. Även tallrik och upphängning påverkas av sin massa genom gravitation. Det är därför väldigt viktigt att både drivverk och pickup är i våg. Detta bör kunna kontrolleras och justeras enkelt med ett bra vattenpass. Deformation och hastighet är i sig inte så avgörande för pickupens prestanda, utan det är accelerationen som ger distorsion, och det är pickupens massa (eg. pu+tonarm eff massa) i förhållande till accelerationen som ger distorsionen. Dämpning Om racket är helt odämpat så är risken mycket stor att man får feedback mellan pickup och högtalare. Detta är inga problem så länge det inte förstärks vid spelning (feedback alltså). Det är i princip ofrånkomligt att det hörs svagt i högtalarna om man knackar på drivverk eller tallrik vid spelning av ett tyst spår. Syftet med dämpning är att uppta energin i vibrationer så att de släcks ut (genom värmeavgivning och/eller utsmetning). Odämpade eller underdämpade vibrationer innebär att oscillerande respons pågår länge. Överdämpade vibrationer innebär att excitering ger respons som inte oscillerar men som tar lång tid att klinga ut. Begreppet kritisk dämpning innebär övergången mellan under- och överdämpad, och effekten av det är att när en struktur är kritiskt dämpad kommer den snabbast till vila. Både en under- och överdämpad struktur tar längre tid på sig att återvända till sitt viloläge. Man talar ibland om Q-faktor, och kritisk dämpning innebär Q=0.5, överdämpad innebär Q<0.5 och underdämpad Q>0.5. En massa som oscillerar fritt kring en linjär fjäder, till vänster underdämpad, i mitten överdämpad (nedsänkt i trög vätska), till höger kritiskt dämpad (nedsänkt i lättflytande vätska). Produkter för avisolering är alltid beskrivna utifrån hur mycket vibrationsenergi de absorberar vid olika frekvenser, sk transmissibilitet (avisolering = 1-T), utan hänsyn till hur det påverkar strukturens verkningssätt. Om det som står på avisoleringen själv innehåller känsliga och/eller rörliga delar så måste en konstruktör dimensionera avisoleringen utifrån dess dynamiska beteende. Som exempel är det en jäkla skillnad på en skivspelare som roterar 33.3 rpm (0.56 Hz) och en tvättmaskin som roterar 1500 rpm (25 Hz) fast de båda kanske väger 80kg. Dessutom är sådana data alltid baserade på att avisoleringen står på något som är oändligt styvt, vilket sällan är fallet. Om en flytande skivspelare ställs på avisolering så dubblas antalet egenfrekvenser. Så, när det gäller hifi är det viktigare att det som står på avisoleringen ges stabila förutsättningar (små acc, kritisk dämpning), än att avisoleringen har superbra transmissibilitet. Ett tillvägagångssätt vi tycker är bra är att alltid starta en ny uppställning med styva kopplingar (spikes). Om feedback är störande är det en god idé att prova med avisolering. Avisoleringen bör avpassas så att den avisolerar men inte skapar ett nytt svängande system ovanför avisoleringen. Det är bättre att välja för styv avisolering och öka massan på hyllplanet. Det finns också en del passiva och aktiva dämpare på marknaden. I huvudsak framtagna för medicinsk industri och mätinstrument. Generellt finns följande system: TMD: tuned mass damper är en passiv massdämpare där massan används för att motverka lågfrekventa vibrationer genom sin tröghet. AMD: active mass damper är en dämpare som mäter vibrationerna i den avisolerade strukturen och använder motkrafter för att dämpa dessa. HMD: är en hybrid mellan aktiv och passiv massdämpare. Moderna lösningar är ofta aktiva dämpare eller där vibrationsisolering bygger på någon form av piezoelektisk eller elektrodynamisk utsläckning. Man omvandlar den kinetiska vibrationsenergin från upplagspunkterna till en elektrisk signal som skickas till styrelektronik där signalen processas och en utsläckningssignal skickas tillbaka till upplagspunkterna. Se exvis http://www.herzan.com/ Accurion, http://www.accurion.com/ har gjort hybridlösningar med aktiv dämpning från 0.6-200Hz och passiv däröver. Det finns även helt mekaniska lösningar, exvis http://www.minusk.com. Se även här. Det finns liknande produkter som släcker ut resonanser, även högfrekvent som t ex Finite Element. De har utvecklat avstämningsresonatorer som kan justeras för att motverka oönskade resonanser i racket. Vad vi förstår handlar det om mer högfrekventa vibrationer. Vibrationsmoder En annan metod som kan tillämpas för att söka en bra vibrationsmiljö är att ta hjälp av Chladnis klangfigurer. Om en låda eller ett membran (tex fiol, gitarr eller drivverk) exciteras med någon av de toner som sammanfaller med lådans resonansmoder så vibrerar lådan i ett vågmönster som beror på membranets geometri och material, enligt Chladnis lag f=C(m+2n)p. Ernst Chladni lade ju sand på en metallplatta och när han drog med en stråke på plattan så samlades sanden längs linjer som inte vibrerade (nollinjer). På samma sätt som man med denna metod hittar de enskilda trädelarna av ett instruments goda egenskaper, så kan man tänka sig hitta resonansmoder i en skivspelare eller ett hyllplan som man då enklare kan åtgärda utan att riskera överdämpa. Vi vet inte exakt hur detta skulle gå till eller vilka kriterier man skulle ha, men sannolikt är metoden lämplig i simuleringar för att hitta fel och brister. Här ser vi klangfigurer för bakplattan på en gitarr: Resonansmoder i bakplattan på en akustisk gitarr. Bildkälla: Wikipedia Om en skivspelare eller hyllplan har klangfigurer i likhet med ovanstående bilder, så kommer tonarmen att påverkas när resonanserna exciteras. Amplituden på en sådan klangfigur kan i så fall dämpas om det upplevs som störande. FÖRUTSÄTTNINGAR OCH KRAV Det är nästan alltid mycket svårt att ta reda på hur de dynamiska lasterna ser ut (storlek och frekvensband). I vårt fall skulle man kunna tänka sig högtalarbrus med ett visst ljudtryck, och även steg/dans med 80 kg kraft och 1.5-5 Hz frekvens. Men om man bygger upp en erfarenhet så skulle vi kunna normera ett lastfall, exvis att man bankar med en 3 kg gummiklubba med 1, 2 och 5 Hz. Vilka accelerationsnivåer skulle då anses acceptabla för ett sådant lastfall? Det finns standardiserade vibrationskriterier som är framtagna (IEST) för att tillverkare av känsliga instrument som t ex mikroskop, kameror, laser ska kunna referera till dessa som krav för att deras instrument ska behålla sina prestanda. Det är sju klasser, A till G där även den lägsta klassen A är väldigt tuff. Ett råd är att sikta in sig på VC-B (25 µm/s) eller VC-C (12.5 µm/s) . Detta är 4 resp 8ggr känsligare än vad en normal människa kan känna när den står barfota på ett golv som vibrerar. Bild: www.uwo.ca VC-kraven omfattar endast lågfrekventa vibrationer 1 - 80 Hz. Omräknat till acceleration är rms hastighet VC-C: 78, 785 och 7850 µm/s2 vid 1, 10 och 100 Hz. Eftersom responsen i en struktur inte är en ren harmonisk respons utan snarare närmast kaotisk så baseras många mätinstrument på power spectral density (PSD), som bättre identifierar energinivåskillnader i frekvensband. För att jämföra med ett accelerationskrav beräknas arean under kurvan för ett PSD-resultat. SPIKES ELLER MJUKA FÖTTER? I en systemmodell med vibrationskälla - transportväg - mottagare så kan man med ganska avancerade beräkningar (TPA, Transfer Path Analysis) optimera egenskaperna för kopplingarna mellan tex en vinylspelare och ett golv. Tex skulle man i en sådan modell kunna optimera varje koppling för att: ge maximal dränering av vibrationer inom ett frekvensområde, eller minimera specifika resonanser, eller maximalt hindra utomstående vibrationskällor att fortplantas till andra sidan kopplingen, eller ge mottagaren kritisk dämpning osv... Men, om man gör en sådan optimering och sedan ändrar något, exvis apparatens eller rackets vikt, placering eller styvhet, så kommer beräkningen inte stämma längre. Alla ingående delar beror av systemmodellens dynamiska beteende, och vad som är bra i en uppställning kan vara dåligt i en annan. Det är inte hokus-pokus, det är bara komplext Till vänster är en koppling placerad mellan vibrationskälla och mottagare, exvis musik som fortplantas i stommen. Till höger är vibrationskälla och mottagare i samma apparat, exvis motor eller trafo. Kopplingens funktion är då att dränera vibrationer. Vi anser därför att det inte finns någon universal koppling som är bäst i alla lägen. Det beror alldeles på vad problemet är, de ingående apparaternas/delarnas egenskaper och vad man vill optimera. Direktkoppling kan potentiellt ge feedback eller kraftigt reflekterande transienter. Elastisk koppling kan ge överdämpning eller oanade resonanser. Elastisk koppling kan även totalt ändra apparatens/rackets verkningssätt, och kräver därför större försiktighet än direktkoppling. Även om man skulle ha möjlighet att göra denna typ av beräkningar (jo, vi har provat) så blir det svårt att genomföra med nödvändig precision. De flesta som tillverkar denna typ av kopplingar/fötter vill inte eller kan inte lämna ut de uppgifter som skulle behövas. Vi är alltså utlämnade till att prova oss fram. SLUTSATSER För att isolera pickupen från vibrationer så måste drivverkets resonansfrekvens vara låg. För ett odämpat drivverk är förhållandet mellan överförd kraft och påförd kraft: där fp är frekvens hos påförd vibration och f0 är systemets egenfrekvens. Vibrationer under 1.4 gånger drivverkets resonansfrekvens kommer inte att avisoleras. De kommer att förstärkas. Och för chocker är faktorn 2.0 (kvadraten på fp/f0 försvinner). För stela drivverk bygger konstruktionen på att lågfrekventa resonanser inte kan förstärkas (det finns ju inget som fjädrar) och att påförda vibrationer minimeras genom friktions- eller hysteresisdämpning. Denna filosofi bör väl i första hand då också tillämpas på racket. (Om man i stället avisolerar drivverket, så har man ju radikalt ändrat drivverkets funktion till en flytande konstruktion.) Men för mycket dämpning påverkar pickupens respons och kan ge distorsion långt utanför de exiterande vibrationerna. Konklusionen blir att både för stela och flytande drivverk så ska ostadiga rack inte användas. Det är helt otänkbart tänka sig att en avläsningsmekanism med känslighet ner till mikrometernivå ska kunna samverka med ett rack som rör sig flera millimeter. VC-klasser är en bra kravställning. Som exempel innebär VC-B att man accepterar max 25μm/s eller 3μm amplitud över 8Hz. Det motsvarar ca 10% av minsta graverade spårbredd på en vinylskiva. Men är det bra nog? Hur har man dämpat för att nå det kravet? Dessa frågor går att utvärdera, men det är ett mycket omfattande arbete, och man ska nog akta sig för att generalisera. Lägsta egenfrekvens för racket bör ligga över 11 Hz för att inte samverka med tonarmsresonans. Däröver har ett rack en hel rad egenfrekvenser för alla tänkbara svängningsmoder, även om den första är mest elak. Men resonanser är bara hygiennivå, det innebär ju inte att racket blir vibrationsfritt. Eliminering av resonanser innebär "bara" att stötar mot racket inte förstärks. REKOMMENDATIONER Källa: Högtalarna placeras ju för att ge bästa möjliga soundstage i rummet, så det är knappast aktuellt att flytta dem för att minimera vibrationer till golvet. Ställ högtalarna på ett tungt och stumt underlag. Laborera med olika fötter för avisolering, såvida de inte försämrar högtalarnas klang. Om högtalaren blir överdämpad eller kabinettvibrationer reflekteras till membranen så har du misslyckats. Transportväg: Bjälklagets styvhet spelar stor roll för överföring av lågfrekventa vibrationer. Hög styvhet minskar risk för lågfrekventa resonanser. Hög massa dämpar. Flytande golv är antagligen dåligt för klangen. Det beror också lite på hur flytande det är. Fyllda skivhyllor, en flygel och tunga möbler på ett flytande golv minskar sannolikt negativa egenskaper i detta avseende. Mottagare: De problem som uppstår i rack/hylla/drivverk/tonarm är ofta kopplat till resonans vid specifika frekvenser. Gör ett styvt rack med hög massa med styv avisolering under hyllplan. Eller gör en vägghylla monterad styvt på en robust (murad eller gjuten) vägg. Flytta racket/hyllan till ett ställe som har tryckmin i rummet. Ändra egenfrekvenser så att man undviker excitera dessa. Öka styvhet för att höja egenfrekvenser, öka massa för att sänka egenfrekvenser. Öka konstruktionsdämpning; försök att närma dig kritisk dämpning, t ex med sandfyllning, pålimmad konstgummi eller andra metoder för att skapa friktion mot vibrationer. Även tonarmen kan dämpas, antingen armröret+skalet och/eller med koppar som oljefylls. Sätt lock på skivspelaren för att förhindra luftljud.
Recommended Posts