Pomiary Audio gramofonów i wkładek gramofonowych

Analizatory Audio Precision wraz z oprogramowaniem APx500 stanowią szeroką platformę do testów elektroniki użytkowej, pokrywając wymagania zarówno pomiarów projektowych jak i masowych testów produkcyjnych. W tym artykule przedstawimy możliwość pomiarów gramofonów i wkładek gramofonowych, wykorzystując do tego płytę testową stworzoną przez polską markę Unitra.

Samo wydanie płyty testowej powstało w dwóch wariantach. Standardowej przeznaczonej do ustawień anti-skatingu i czterech bodźców pozwalających wyznaczyć różne warianty odpowiedzi częstotliwościowej oraz wersji laboratoryjnej, rozszerzającą zakres pomiarowy między innymi o przesłuchu, analizę sygnału referencyjnego, czy WoW and Flutter. Płyta umożliwia dokładne ustawienia geometrii ramienia gramofonu, oraz porównania między poszczególnymi gramofonami lub konkretnymi wkładkami. Nagrania są kompatybilne z oprogramowaniem APx500 umożliwiając bezproblemowe pomiary nawet w przypadku bodźców wymagających synchronizacji.

W pomiarach wykorzystano kartę dźwiękową wraz z licencją APx500 FLEX.Taka konfiguracja pozwala na pełnoprawne pomiary audio za ułamek ceny profesjonalnego analizatora. Licencja dostarczana jest na kluczu fizycznym bez ograniczenia ilość stanowisk.

Dostęp do licencji możliwy jest poprzez wygodną formę abonamentową, dającą dostęp do wszystkich funkcji pomiarowych Audio Precision (z wyłączeniem testów PESQ & PLQA licencjonowanych zewnętrznie). Drugą opcją jest licencja stała, której finalna cena zależy od wybranych funkcji pomiarowych. 

Oprogramowanie Audio Precision APx500 współpracuje z dowolnymi interfejsami audio wspierającymi ASIO. Od najnowszej wersji v.10 możliwe jest również bezpośrednie wykorzystanie urządzeń Windows Audio co dodatkowo rozszerza możliwości pomiarowe. 

Pierwsze działania obejmują ustawienia interfejsu, wybór liczby kanałów, próbkowania i rozmiaru bufora. Pomiary mogą być wykonywane w domenie cyfrowej z wykorzystaniem dBFs lub analogowej. Druga opcja wymaga ustawienia karty dźwiękowej pod kątem wartości referencyjnych, natomiast  uzyskamy dźwięki temu wynik w V lub dBV, który następnie łatwiej porównać lub odnieść do innych testów. 

Proces konfiguracji i wzorcowania interfejsu został dokładnie opisany w tym artykule: APx500 FLEX - Konfiguracja interfejsów audio​

W standardowej konfiguracji oprogramowanie APx500 zarządza zarówno generacją jak i akwizycją sygnału.Taki typ połączenia nazywamy zamkniętą pętlą pomiarową. Nie wymaga ona żadnych dodatkowych działań związanych z synchronizacją wyjścia z wejściem sygnału. 

Nie jesteśmy jednak w stanie bezpośrednio wygenerować sygnału na wkładkę gramofonu, wykorzystujemy do tego zewnętrzną płytę testową umieszczoną na talerzu gramofonu, co uniemożliwia wewnętrzną synchronizację. Taką sytuację nazywamy otwartą pętlą pomiarową. Nie stanowi to problemu dla standardowych jednoliczbowych pomiarów np. poziomu, zniekształceń, czy częstotliwości, natomiast w przypadku bodźców przemiatanych częstotliwościowo wymagany będzie tak zwany ton pilotażowy, o zdefiniowanej, częstotliwości, poziomie i czasie trwania. Ten bodziec pozwoli na synchronizację wejścia z wyjściem wykreślając prawidłowy wynik. 

Poniżej przedstawione zostało przykładowe okno ustawień definiujące relację między bodźcem i tonem synchronizującym, tak aby oprogramowanie wiedziało kiedy rozpocząć analizę sygnału. 

APx500 udostępnia dwa główne widoki wyników. Jednoliczbo odnoszące się do ogólnej wartości zarejestrowanego parametru oraz reprezentację wyniku w funkcji innego parametru np. częstotliwości, czasu lub poziomu. Audio Precision oferuje szereg gotowych funkcji pomiarowych do rejestracji tych wyników.

Poniżej przedstawiona została wartość RMS sygnału generowanego bezpośrednio z wkładki gramofonowej. Do jego zarejestrowania wykorzystany został strona C i ścieżka 3 płyty referencyjnej, zawierająca ciągły ton 1 kHz.

Innym przykładem jednoliczbowego wyniku jest parametr Crosstalk. W tym przypadku APx500 również oferuje dedykowaną funkcję pomiarową. Wynik przedstawiany jest jako różnica poziomów między kanałem wysterowanym i kanałem bez sygnału. W tym zakresie wykorzystana została strona C płyty i tony 4 oraz 5, zawierające ciągły sygnał 1 kHz, odpowiednio na kanale prawym i lewym. 

Oprogramowanie APx500 posiada funkcję pomiarową Signal Analyzer, pozwalającą przedstawić widmo rejestrowanego sygnału. Jest to jedno z głównych narzędzi oceny zachowania układu względem cyklicznego bodźca pobudzającego. Jest to uproszczona wersji funkcji Transfer function, która dobrze sprawdza się w sygnałach stacjonarnych. 

Poniżej przedstawiony został wykres z zarejestrowanym widmem dla sygnału referencyjnego 1 kHz. 

Ustawienia funkcji, pozwalają dopasować rozdzielczość akwizycji, oraz uśrednić kilka pomiarów zmniejszając zaszumienie pomiaru. Bodziec może zostać również zapisany do pliku WAV i wykorzystany w innych testach.  

Płyta testowa Unitry posiada również ścieżkę bez nagranego sygnału, pozwalając zarejestrować szumy własne układu. Taki parametrów również może zostać zarejestrowany przy użyciu funkcji Signal Analyzer.

Pomiar odpowiedzi częstotliwościowej stanowi duże wyzwanie w przypadku gramofonów. Popularnym krokiem jest użycie tonów sinusoidalnych i oscyloskopu, wykreślając poszczególne punkty składowe, które następnie możemy wykreślić w odpowiedź częstotliwościową. Głównym problem jest tutaj oczywiście ograniczona liczba próbek, reprodukująca odpowiedź częstotliwościową w ograniczonym zakresie, bez lokalnych rezonansów. 

Odpowiedzią na to są 3 sygnały pomiarowe zawarte na stronie A. Są to odpowiednio:

• Ścieżka 1.   20 Hz – 20 kHz log −20 dB
• Ścieżka 2.   20 Hz – 15 kHz log −14 dB
• Ścieżka 3.   20 Hz – 2 kHz log 0dB

Każda ścieżka wyposażona jest w ton synchronizacyjny, który umożliwia przebadanie pewnego zakresu częstotliwości. Warto zwrócić tutaj uwagę na zależność pomiędzy górną granicą sygnału a poziomem. Płyta winylowa ma swoje fizyczne ograniczenia związane z wycinaniem rowka przez rylec. Aby zoptymalizować miejsce na nośniku, nagrywany materiał audio poddawany jest equalizacji zgodnie z krzywą RIAA, tym samym obniżane są niższe składowe i podbijane wyższe. Z tego powodu zarejestrowanie wyższego zakresu częstotliwości wymaga, odpowiedniego obniżenia amplitudy sygnału.

W konsekwencji otrzymujemy Ścieżkę nr 1 pokrywającą cały zakres słyszalność ale o gorszym stosunku sygnału do szumu, oraz Ścieżkę nr 3 o dobrym stosunku sygnału do szumu ale ograniczonym paśmie. Złotym środkiem jest Ścieżka 2, która bierze pod uwagę faktyczną reprodukcję częstotliwością wkładek gramofonowych, których skuteczność spada diametralnie powyżej 15 kHz.   

Poniżej przedstawione zostały ustawienia programu APx500. W tym pomiarze program używa bodźca Fast Sweep, będący autorskim bodźcem Audio Precision. Łączy on zalety standardowego bodźca chirp i stepped sweep. Pomiar wykonany został dla 195 punktów, na podstawie których obliczona została odpowiedź częstotliwościowa. 

Jako odpowiedź, otrzymamy pełny zakres odpowiedzi częstotliwościowej, wskazującą wszelkie lokalne resonanse i zawahania. Warto zauważyć, że pomiar wykonany był bezpośrednio z gramofonu bez wykorzystania przedwzmacniacza, co sugeruje spadek w zakresie niskich częstotliwości i wysokie podbicie zakresu górnego odpowiadające korekcji RIAA.