Vinylspelare 14. Elektromekanisk simulering med SPICE

[calle_jr]

 

Föregående avsnitt är ganska teoretiskt. I det följande vill vi visa mobilitetsanalogi för en konkret setup, och redovisa vad som händer när man ändrar mekaniska och elektriska komponenters egenskaper. För att kunna realisera detta rafflande avsnitt fick vi ta hjälp av @tek, som inte bara gjort elkretssimuleringarna, utan även på ett avgörande sätt bidraget med att få modellerna korrekta. Vi har även använt en testbänk med signalgenerator och anti-riaa för att verifiera vissa antaganden, och för att själv mäta en del okända specar. Som vanligt har vi inte fått någon som helst hjälp av tillverkare, förutom Per Lundahl som bistått fullt ut med sina kunskaper om transformatorer. Vi har efterlyst (icke kända) specar från tex Lyra, Ortofon, Shure, Zyx, Dynavector etc, men de har tyvärr inte kunnat bidra med hänvisning till att det är immateriell intelligens, vilket är ren nonsens men kanske ett artigt svar.

På ett sätt skulle man vilja illustrera responsen från en helt rak källa (v(t)=konstant) för att inte röra till det med riaa-modulering. Men vi har kommit fram till att sådana resultat är helt orealistiska - man måste tillämpa inspelningskarakteristiken om det ska bli relevant. Ungefär som att man inte kan köra en bil 10km/h i femmans växel, eller köra i 200 knyck i ettan. Hur riaa-modulering ser ut visade vi i avsnitt 11. Om man utgår från referenshastigheten 5cm/s vid 1kHz, så kommer den riaa-kodade hastighetsgeneratorn se ut såhär: 

 

 

Ekvationen finns uppritad i avsnitt 11.

 

 

SIMULERING AV PU OCH TONARM

 

Från mobilitetsanalogi och beskrivning i avsnitt 12 får vi en ekvivalent elkrets:

 

 

De elektromekaniska komponenterna beräknas enligt beskrivningen i avsnitt 12:

 

Antagna elektromekaniska egenskaper för generator baserat på mobilitetsanalogi.

 

 

Simuleringen är utförd med SPICE. Första steget är att få överensstämmelse mellan mekanisk och elektromekanisk beräkning:

 

 

 

Skalningen av input är avpassad så att spolen ger 0.5mV output vid en spårhastighet av 5 cm/s vid 1 kHz. Känsligheten i transducern utgörs ju både av generatorns flödestäthet, längd på spolarnas ledare och av "utväxlingen" mellan nålens och spolens hastighet. Så, om hastigheten är dubbelt så hög i spåret som i spolen så kan man säga att generatorn har Bl=0.02 Vs/m men att utväxlingen sänker detta så att totala känsligheten blir 0.01 Vs/m.

Det är tydligt att den elektromekaniska simuleringen ger en betydligt jämnare frekvensgång. Av någon anledning påverkar både pu-dämpning och tonarmsdämpning betydligt mer i Spice. Vi återkommer till detta lite senare.

Här ser vi simulerad magnitud och fas från transducern:

 

 

 

Riaa-kodning är egentligen definierad inom audiobandet 20 - 20.000 Hz. Vi har med ett större frekvensomfång än så eftersom en del resultat kan vara intressant att se utanför detta område. Det är rentav önskvärt om det går att flytta resonanser antingen under eller över dessa gränser.

Angående fas så ser man det karakteristiska omslaget som alltid uppstår kring resonans. Men det sker i övrigt inga större konstigheter inom audiobandet.

 

 

SIMULERING AV HELA KRETSEN

Enligt beskrivning i avsnitt 12 kan elkretsen ritas upp såhär:

 

 

c_nål (nålens massa) kan tas bort eftersom den inte påverkar här. Äldre pickuper, från 60-talet och dessförinnan, hade över 50 ggr högre effektiv massa i nålarm och armatur. Så för dessa pickuper spelade massan större roll för responsen. Vi har valt fina tonarms-, phono- och ic-kablar med en kapacitans 33-36pF/m och lagt till 10pF för resp kontakt. Vi har lånat en SUT med 26dB förstärkning av Per Lundahl som vi hyfsat kunde bedöma de egenskaper som inte finns i datablad. Slutligen har vi en standard mm riaa-ingång. I följande tabell redovisas ovanstående värden för pickup och tonarm, samt indata för kablar, SUT och riaa:

 

 

 

I nedanstående diagram ser vi frekvensgången för signalen från SUT och från riaa, i jämförelse med signalen från transducern. Den SUT vi valt ger 20ggr förstärkning i hela registret, så att en transducer med 0.5mV utspänning ger en signal på 10mV vid 1kHz. Riaa-avkodningen innebär därefter en förstärkning med 1000ggr vid 20Hz, 100ggr vid 1kHz och 10ggr vid 20kHz. Totalt sett förstärks alltså 0.5mV circa 2000 gånger till 1V vid 1kHz:

 

Simulering av utspänning från transducer, sut och riia. Magnitud och fas.

 

 

De gröna linjerna i ovanstående diagram är naturligtvis det vi hör. Det ser mycket bra ut, och vi ser knappt effekten av det mekaniska systemet under 30Hz. Det vi ser tensdenser av vid 15kHz är kablarnas påverkan, och resonanstoppen ligger ända uppe vid 35kHz. Fasvridningarna vid resonanstopparna är typiska, men även dessa ligger utanför audioområdet.

Vad vi inte ser i simuleringen är högfrekventa mekaniska fenomen, som beror av dynamiska effekter mellan nålarm, armatur, komplians och vinylskiva. Dessa effekter avser vi återkomma med.

 

 

KÄNSLIGHETSANALYS

 

Vi har provat variera de ingående komponenterna var för sig. Första komponent som vi varierar är vår stepup. Vi har testat med förstärkning 1:12, 1:20, 1:24 och 1:40.

 

Blå kurva är utgångsläget med sut 1:20. Som syns ger simuleringen en ren skalering. Simuleringen tar ju dock inte hänsyn till
varken brusnivå eller överstyrning i riaat. Riaat kommer efter simuleringen i signalkedjan. Men det händer således inte något
häpnadsväckande i kedjan mellan pu och riaa.

 

 

Nästa variabel är pickupens massa. Med allt annat lika varierar vi tillskottet till effektiv massa med 5, 10 respektive 20 g.

 

Varierad pickup-massa. Utgångsläget är 10g. Som syns kommer en lägre massa att höja resonansfrekvensen, och en högre
kommer sänka den. Ganska stor skillnad i amplitud också.

 

 

I nästa simuleringssekvens varierar vi pickupens komplians. Pickupens massa och komplians är intimt hopkopplade, men kompliansen är helt intimt avgörande för output. Pickupens massa sitter ju fast i tonarmen och åker inte med på samma sätt.

 

Utgångsläget för komplians är 12µm/mN, och man ser att en styvare pickup skulle höja både frekvens och amplitud för resonans,
medan en mjukare kommer att sänka dessa. Det visste vi redan, men det kan vara intressant att se det illustrerat.

 

 

Nästa parameter är dämpning. Vi börjar med dämpningen i pickup:

 

 

Blå kurva är utgångsläge (15% c_CR). Vi har gissat detta värde, men det är sannolikt inte långt från sanningen. Som syns skulle vi få
en oregerlig pu om dämpningen var väsentligt lägre, och vi skulle trubba av all low level output om den var väsentligt högre.

 

För tonarmsdämpning blir det lite av en gissningslek. Det är mycket svårt att lista ut absoluta siffror på viskös dämpning i en tonarm, och givetvis påverkar placeringen av denna dämpning vilket då måste korrigeras med det värde på motstånd som ansätts i en elektrisk analogi. Vår teori är att pu-dämpning och tonarmsdämpning är intimt kopplade, så att värdet på den ena i stor grad bestämmer effekten av den andra och vice versa. Vi tror att vi får anledning att återkomma med bättre underlag, men för att åtminstone illustrera effekten av några val ser man i följande bild resultatet från några spice-simuleringar:

 

Även om vi har antagit ganska höga tal på viskös dämpning i förhållande till pu-dämpning, så ser det i spice-simuleringen ut som att vi inte kan överdämpa armen inom audioområdet.

 

 

Sist i simuleringssekvenserna studerar vi vad som händer om man varierar kabellängd/kabeltyp. Vårt utgångsläge är en kabel med mycket låg kapacitans. Det lägsta uppmätta vi hört talas om är 48pF mellan pickup och riaa, men det är exceptionellt lågt för 1.2 m kabel inkl kontaktering, internkablage i tonarm etc.

 

Variation av kapacitans i signalkablar. Med högre kabelkapacitans så kommer man få en hörbar resonans i övre diskantregistret. Med normala kabellängder bör man inte överstiga 100pF/m för att undvika att det menligt båverkar output. Räkna med att varje kontaktering adderar minst 10pF kapacitans.

 

 

Det är bara signalkablar C_ic-kablar mellan SUT och riaa som är varierat (56, 150, 300pF) i diagrammet. Vi har även testat variera tonarmskablar C_ta-kablar och phonokablar C_ph-kablar , men detta ger ingen som helst påverkan på frekvensgången före stepupen med aktuellt lindningsförhållande.

 

 

SIMULERING MED TESTBÄNK

Illustration av testbänk. Förstärkarens 0,2 ohm + resistorerna på totalt 5,2 ohm ger ett R_inre på 5,4 ohm vilket är samma som en Lyra har. Induktorn består av 50 varv 0,8 mm koppartråd med en innerdiameter på 13 mm och en längd på 40 mm. Det ger teoretiskt en induktans på 9,1µH och en mätning avslöjade att teori och praktik stämmer hyfsat bra. Mätaren visade 8,9µH. SUT:ens sekundärsida jordas via riaa-steget och signalgeneratorn är också jordad.

 

 

 

 

 

Vi har gjort mätningar i testbänken, och även om vi har svårt att svepa en bit över 20kHz så är resultaten för kablarnas påverkan samstämmiga med simulering. Kabelkapacitansen mellan pickup och SUT påverkar bara marginellt och då väldigt högt upp i frekvens (>20 kHz) och den effekten kan man mildra med en något annorlunda belastningsimpedans. Däremot kommer kabelkapaciatansen mellan SUT och riaa att ge en påverkan från 12-15 kHz och en bit uppåt.