2009年11月13日 星期五

Tracking angle 知多少



Tracking angle照理要叫做horizontal tracking angle (HTA),好像也有叫 lateral tracking angle ,有別於vertical tracking angle ( VTA ).

這裡從俗叫tracking angle,只提支點唱臂水平方向的循軌角horizontal tracking angle,不提上下垂直的循軌角 vertical tracking angle。

Tracking angle 知多少?
不知多少會怎麼樣呢?

1.不知道Ttacking angle就不知道Tracking Error多少。連帶的也就不知道Tracking distortion多少。

2.不知道Ttacking angle就不知道 skating force多少,左右聲道失衡多少。

因此Tracking angle是探討唱針循軌的基楚。

本文只說有偏頭角的支點唱臂pivoted off-set arm(radial arm),不提直切唱臂tangential arm。


因為直切唱臂tracking angle等於零,沒甚麼好說它的tracking angle。


 


下圖取自網站,示意直切臂跟支點臂的不同。支點臂pivoted arm他稱做radial arm。


http://www.soundfountain.com/amb/ttadjust.html#INTRO











上圖簡化了支點臂唱針循軌的幾何路徑。

定義沿用一般書上或網路看到的。

紅實線跟虛現代表唱臂。


這裡只畫出支點跟針頭的連線,不論唱臂實際是彎曲的或是折角的,或是純粹直線的。這條直線才是 tracking angle的基準線, 不是指唱臂的中心軸線。



針頭從距離唱片中心 C 的半徑 r 最外側 150 mm標示的M點唱起,順著唱溝向內側移動,示如藍色螺旋虛線,到達 60 mm的 M" 點大約就沒有音樂了,很少唱到65 mm以下的。

代表唱臂的紅色線跟唱溝切線(黑色虛線)所夾的角度定義作
Tracking angle 以希臘字母 theta表示。



這theta角度循著溝槽軌道一直在變化著,因此叫Tracking angle(也有叫Tracing angle的)。



下圖加上一條有折角的紅粗線,代表一般唱臂前頭的唱針桿中心線是向唱片中心偏,不跟OM直線一致,而是跟OM直線有一個offset angle叫做偏頭角 beta。


通常偏頭角循軌時候是固定不變的,當然也有 瑞士佬 提供可以變化偏頭角的唱臂,要價一部車子,據說還要排隊才買的到,這裡不談。


theta 跟beta的角度出入偏差,沒能夠完全抵銷掉的角度,就是error angle= alph 。


因為加了偏頭角theta,有效臂長 l=OM,是要設定得比臂長(l-h)要超出 h , h即是所謂的超距overhang,以便取得整體比較低的誤差角error angle。


要是搞怪設定under hang,沒有偏頭角的正合胃口,有偏頭角的反而火上加油,tracking angle更大,這也很容易證而明之。


為了計算唱針位置(半徑r)移動時 tracking angle theta 的變化,可以先計算 l 線 跟 r 線的夾角 (90 - theta ).


這裡要應用三角形定理公式,如第一個紅色框記。


可以得到計算式:


sine-theta=0.5*r/l + h/r - 0.5*h*h/r*l









計算式sine-theta=0.5*r/l + h/r - 0.5*h*h/r*l


裡含有4個參數,theta, r, l, h


如果要畫變化曲線圖,theta為y軸,r為x軸,勢必要畫很多族群 l, r  的圖,例如個別的l有個別的一張圖,裡頭含有個別的 h。


如果縮減成3個參數,以R=r/l , H=h/l取而代之,就可以畫一張通用於不同有效臂長 l的曲線圖了。


至於如何簡化計算式,有賴天縱英明的高人,好像幾何證明題,天外飛來一條"補助線"迎刃而解。


(高人是Dr. Seagrave 美國加州大學1957年發表的文章)
 


我要設計500mm長臂,關心這一段的tracking angle,計算了page 3到page 6


















結果畫成下圖。


可見overhang 等於零,變化線通過零點,theta隨半徑r 呈直線上升。


提高overhang,唱片內側的theta角度急速上揚,外側緩慢上升,變化曲線像湯匙。


在某個overhang H時變化比較平滑。














常見的臂長250 mm區段,只算了page 7 , page 8, 曲線畫了兩條黑色曲線在下圖,中間估計一條H=0.065 紅線交差了事。


不過變化的趨勢是一樣的。




因此我得到的圖跟網路上的圖(如下),是一致的。







隨著唱針移動r=60-150 mm, 250 mm 的唱臂,它的循軌角度theta都落在 20到24度之間,偏離正切線相當大的。


即使 500 mm的超長臂, theta角也有9-12度。




單靠挑選 overhang是無法把theta角拉低到個位數5度之內的。




10度到20度的theta角引起的內滑力 skating force可以想辦法加抗滑裝置抵銷掉一些,既使不加上抗滑,聽覺上也許還可以容忍,但是偏離正切線的tracking angle如果不加上偏頭角beta把error angle 拉低到個位數, 它引起的distortion失真恐怕是聽覺上無法接受的。


幸好偏頭角不難設定,或著把唱臂灣折一個角度beta或者把唱頭殼轉個角度beta就可以達到目的了。


例如 250 mm唱臂,選擇偏頭角=21.5度,可以畫一條水平紅線,跟選擇的overhang H=0.065


交叉的A、B是null points,沒有誤差角


其餘各點的誤差角度是紅色區塊,一目瞭然,也都在1-2度之內。


把theta角減掉beta角就是error angle。


把theta angle 垂直刻度減掉21.5度就會得到如下的圖。










這樣skating force內滑力雖然依舊存在,但是distortion失真度大幅度減低了。



至於如何挑選最適當的偏頭角beta,超距overhang,說來話長,是另一個題目了。


不過仔細看這theta vs R 、 H 曲線變化圖,答案也就呼之慾出了。




2009年10月31日 星期六

無偏頭角直臂Pure Straight Arm










為了做一隻20吋500mm長的唱臂,再先做一點基本的功課吧!


大人說,唱臂、唱針桿最理想是永遠跟唱片溝槽跑的中心線成為切線方向,所謂的直切臂。


這是可以理解的。


第一點理由是因為刻製母片的時候,刀具邊刻邊向唱片中心平行移動,刻刀一直保持切線方向,把溝槽刻出來的。現在重放拾音,順著原來軌跡跑,說tracking angle循軌角度等於零度,沒有tracking ( or tracing )error循軌誤差,當然最好了。


第二點理由是唱針桿偏離切線方向,有了tracking error Theta angle循軌誤差θ角度時,唱針唱盤之間的摩擦力F,無法完全交由唱臂吸收掉,引起一個分力F*cos-theta,導致溝槽左右兩邊受力失去平衡,左右聲道失衡。


直切臂不好製作,DIYer 」週日自做派」 還是做個支點臂吧,也許是沒有偏頭角的Pure Straight Arm( PSA)唱臂。


 


我用的是這個5吋長的slide rule,跟有開平方、M+M-MR的電子計算機,1分鐘可以算出一點。


例如紅線表示的,x=5, sin-theta=30度。



 


以下檢驗一下:臂越長,誤差角越小。


P-1.    mounting distance 等於effective length,所謂的沒有overhang也沒有underhang,唱針會通過唱片中心點。只有當時才可能有tracking angle =0,唱針越向外側,tracking angle越大。





 







P-2.     mounting distance 比effective length短,所謂的有overhang時,tracking angle更糟。










P-3.   mounting distance 比effective length長,所謂的有underhang時,tracking angle,唱針只有一點正切,tracking angle =0.
















P-4-P-5.   underhang增大,正切點向外側移動。











P-6-P8.   按照3角形cosine定律,愚公移山 計算幾個正切點或underhang點。























綜合計算幾點,畫製一張圖,可以看出變化。










 





最適當的underhang在哪裡呢?


是否外側紅線偏角跟內側藍線偏角的絕對值相等,又最小的underhang?


不對!


看看下圖,內側溝槽需要更精確循軌角度。


 


 



 


1957年Dr. Seagrave老早用嚴謹的數學證明過:


偏角誤差引起的是second harmonic distortion。


而33.3 RPM 唱盤需要誤差偏角是 (1度每距離軸心1吋)才能保持 2% distortion


意即60 mm內溝要 2.45度,140 mm 外溝要5.7度。誤差偏角當然是越小越好。


變化圖上我把他畫成黃色區塊。


underhang估計約在 6 mm


 



 


下圖根據underhang 6 mm計算,從裡到外,ID=Index of Distortion都在1度之內。



 


 


 


跟有偏頭角的支臂比較起來會如何?


沒有偏頭角,循軌誤差角度當然比不上有偏頭角的。


但卻佔有滑力較低的優勢。


 


看下圖:


沒有偏頭角,500 mm 臂的 誤差角度 最大極端是 -2度到 +6度,中間段有接近0度,滑力先向內,後向外,但力量小,正負相抵,長期磨損均勻。


有偏頭角,列如 (2+6)*0.5=4,加上4度偏頭角合併調 overhang,則誤差角度 最大極端可能是 2度,中間有兩點 0度,循軌誤差角度佔絕對優勢。但滑力 永遠向內側。如果短臂沒有抗滑裝置,會較嚴重。 但 500mm長臂 tan-theta小,可以不理,tan-theta 4-5度時,約0.08。比較有偏頭角短臂tan- 20度時約0.4, Fc失衡力相差5倍。


 





2009年10月23日 星期五

AB null points 調整的誤差






本文的由來是我看到
MyAV視聽商情網
http://www.myav.com.tw/bbs/showthread.php?s=&threadid=399103
09.12.2009   jc104網友貼的文裡提到:

quote:
唱臂的設計:

選定Null Points pair 以及Effective length

(Effective length)^2 = OC² +ND1*ND2

Sin (offset angle) = (ND1+ND2) / (2*Effective length)

Overhang = Effective length – mounting distance

OC : mounting distance
ND1: distance of Null Point1 to the spindle centre
ND2: distance of Null Point2 to the spindle centre


談得是理論的東西

有興趣可以參考
unquote

其實網址在這裡

http://www.vinylengine.com/vpi-tonearm-geometry.shtml

我深入探看,才發覺AB null points 的理論基礎在這裡,也知道為什麼我實際上很難調的出來AB點。
因此在Myav貼了兩個文:

為何調不出正切AB兩點?
http://www.myav.com.tw/bbs/showthread.php?s=&threadid=399103


如何調出正切AB兩點?
www.myav.com.tw/bbs/showthread.php?s=&threadid=402221


難得有網友alc仔細看,提出疑問:

這裡有問題。offset angle 改變時,a、b 點呈發散或內斂。 overhang 改變時, a、b 點才是同進同出。

******************

另,角度比距離難搞,歪 1度就等於差1cm 的 overhang,嚇死人。所以應該先把角度搞定沒錯,可是誰有辦法驗證你家那隻唱臂的 offset angle 到底是幾度幾分?

如果說我的唱針跟唱頭不怎麼平行,照 stein 兄上回講的,差一度大約後頭是 0.17mm 這種要魔眼才能搞定的規格(還有魔手... ), 那顯然這次 0.5度的假設有點樂觀。 就當... 2 度吧! 少了 2 度,我們也來算一下 linear offset
230*0.37388=85.9924mm
比 包啊 的 93.47 足足少了 7.48mm
a b 點一人挪個 3.7mm 變成 69/118

呼~ 還好,還在那個 Loefgren 和 VPI 附近。 當然,這是歪錯往裡邊的結果,如果歪錯往外邊,那就大大地不好嘹哇。



為了釐清問題,我趁週休2日,把幾何圖重畫成彩色版,加上些註記,如下圖。




AB null points幾何圖 裡的公式不難導出。


因為 兩個大直角三角形(藍綠黑)相等,所以 OE = OD,  AE = BD


因為 兩個小直角三角形(紅綠黑)相等,所以 CD = EC


因為 (AC + BC) = (AE + EC + BD – CD) = 2*AE = 2*DB,


所以 AE = DB = (AC + BC)*0.5



按照圖說公式,以9吋左右的唱臂,AB點等於 120.90/66.04 mm這一對為例,重新做出一個table 1表1,貼在本文頂頭。

這圖跟上次貼的沒有衝突,只是改以第1欄mounting length (mounting distance)主導,補足overhang數字。

這表只要有開方根的電子計算機,應用"畢氏定理", 查查三角函數表,不難做出。
沒有三角函數表可以查的話,就要想一想 古聖先賢 是如何做出來的。
角度最終還是要回歸到圓周、半徑長度的吧。

約略看表1。
offset angle                變化  0.5度
overhang                   變化    0.35 mm
mounting distance 變化    5 mm   ( effective length 同)


精算要真槍實彈,代入數字。用的是偏微分的想法。

要是我有了超級工具,魔鬼巧手,運氣又好,調出AB點的目標值很接近表列裡的真值。
比如說 在
表1第一欄 mounting length=222 mm, overhang=17.31 mm, offset angle=23度。
過依段時間,或是風吹草動,螺絲鬆動,針桿拉扯,不知何故,offset angle變成22度-32分,除非我知道了,又能夠調回來22度-32分,或者 能夠遷就新的offset angle調overhang=16.95 mm, mounting length= 227 mm,effective length =243.95,要不然AB點就跑掉了。
跑掉的、新的AB點不難再代入公式、三角圖裡再找出來。

下面貼了3種組合,2種數據供驗證(其實作的不只這幾種數據,沒貼而已),
每樣組合的結論 在右下角有底色 綠 or 藍的方框裡:

1. offset angle 改變,其餘不變

2. overhang 改變,effective length 不變(mounting length隨overhang 改變,用於移動式唱臂)

3.overhang 改變,mounting length 不變(effective length隨overhang 改變,用於固定式唱臂)


我的結論是:
1.
 AB點飄移只有分散或收斂,沒有同步外移或內移的情況。
2.
offset angle偏差還不到0.5度,AB點的飄移,就讓人受不了,分散或收斂 >12 mm>20%
3.
overhang 0.5 mm的出入大約是裸眼能夠做到的。相當的AB點分散或收斂量是 8 mm=15%上下。
4.
overhang 改變,effective length不變,相當移動式唱臂,AB點分散或收斂呈對稱方式(所謂的蔣中正?)。overhang 出入0.5 mm 時, AB點各自飄移 4mm應該是可以接受的。
5.
在沒有方法可以確認offset angle偏差低於 0.5度之前,AB點的定位 連同 三位洋大師公佈的AB mm vs tracking distortion % 曲線圖,我暫時當作鏡花水月看待,不必太認真。
6.
如何調出正切AB兩點裡的第3法:媒妁之言,具體的作法是精確的測得對應於table 1表1的數目,而且就那樣調定,不再傷腦經了。












































2009年9月30日 星期三

Testing the friction force



Nov. 2009加註:



依照
http://www7a.biglobe.ne.jp/~yosh/recspecs.htm
摘錄以下說的,唱片溝槽實驗得到的磨擦係數是真正係數的1.41倍。
列如實驗得到的有效摩擦係數0.3相當理論上真正係數0.212.
這是因為溝槽V-45度分力引起的。
跟速度、針頭形狀關係也有列表在。
可查。
大致落在0.25-0.55(1979年JVC的實驗係數。這是有效實際牽引唱針的係數)。
Colin實驗測得係數0.38合理。

My Summary Note:
(下刪掉)

Anti-skating mechanism is problematic. It is rare that the anti-skating force will match side thrust force due to eventual friction forces. Some Thorens arms have 4 different scales for anti-skating: wet/dry x spherical/elliptical tip. The following graph shows imbalance of pressures on flank L/R for three representative designs of geometry (Stevenson/Baerwald/Loefgren) when anti-skating device is omitted (parameters: effective coefficient of stylus drag 0.3 and effective length of arm 231.2mm).
Note: theoretically the true coefficient of friction = 1/(SQRT(2) ) of the measured or empirical value since vertical stylus pressure is to be divided statically into VTF/(SQRT(2) ) each on groove flank. Then stylus drag force is [VTF/SQRT(2)]*2*coefficient of friction=VTF*SQRT(2)*coefficient of friction. This tricky calculation is based on armchair theories because the VTF cannot be actually divided evenly during stylus drag. Hence usually effective coefficient of stylus drag as empirical results is assumed to be theoretically equivalent to SQRT(2)*coefficient of friction. This coefficient of stylus drag 0.3 (coefficient of friction 0.212) for example is rather too small in comparison to the past investigations (coefficient of stylus drag 0.27-0.5 by Rangabe or 0.25-0.55 by JVC-1979 as shown in the following table).



Oct. 2009加註:


按照Colin試驗得到磨擦係數大約=0.38



有偏頭角的唱臂,會有內向的滑力 skating force,大小是唱針跟唱片之間的
摩擦力F乘sine 偏頭角。
而摩擦力=針壓*動摩擦係數。

動摩擦係數可能在0.3到0.7之間,確實多少找不到資料。

Colin先生做過實驗,想要測出摩擦力,下圖就是他的部分裝置,貼在網路上
http://tw.myblog.yahoo.com/colin-5687/article?mid=2386&prev=2410&next=2375&l=f&fid=20
我很佩服Colin先生的天才。
但是好像沒有看到下文。



下圖虛紅線是我加上去的colin牽引線


因為車輪的靜摩擦力太大,沒有測到微小的唱針摩擦力。


聽Colin說:後來把車體稍微吊離平台,可以量個大約數字。






如果我接力的話,會像下圖一樣測試。
主要差別是先測出唱臂車載體的摩擦力扣而除之。
法碼可用竹牙籤,法碼盤可用包裝藥丸的小塑膠袋。
拿天平測一下0.1 gram相當幾支牙籤。
算是石器時代的實驗裝置。



 


還有底下鐵器時代的作法,直接量測摩擦力。







2009年9月18日 星期五

THORENS TD 295 LP player 調整














我這台Thorens唱盤配幾樣唱頭, Shure V15, Grado Silver, Gold, Denon DL 160, DL 103安裝時候完全按照說明書,配合隨機附送的Guage 治具(下圖 1,2, 3)沒甚麼問題。
自從2年前Colin 網站提起,要沿著唱針從外到內,調出兩個正切點A and B. 有人給我analog雜誌附的調整卡紙,我買AT唱盤,LP-Gears也附上一張單點卡紙,好像非此不可。
上週初闖Myav,也有熱心網友強烈建議要自己畫圖,核對,不能目測了事。



我現在找出來Thorens 說明書再讀一遍,實機核對。




先要核對下圖 figure A 的唱針身高:
這相當於Vertical Tracking Angle (VTA)
高度不夠要加隨機附送的墊片。
萬一太高的話,這機子恐怕沒辦法矯正。
否則高度太低,唱針跑起來"頭犁犁",高度太高,跑起來昂首闊步,不合原設計。
道理是說唱溝刻刀下的時候是跟盤面垂直的,重播的唱針當然也要跟著垂直才對。後來某國高人發現,刻出來的溝槽會縮水,未必垂直。
金耳朵聽出來身高差個 1 mm聲音高低頻有差。
還有拿顯微鏡檢視調整垂直度VTA的。
不妨計算一下:
半徑250mm (9吋唱臂)的圓圈,周長等於=2*3.1416*250=1570mm涵蓋360度,或者說:
上下 1 mm=0.23度,
1度=4.4 mm
角度的變化其實不大呢。
12吋的長臂更小。


effective length有效臂長是指支點到針頭的距離,規格上寫232 mm。
實際上要精確測量不容易。
我拿直尺量到唱頭前端=234 mm再扣除唱針到前端的 2mm(查DL 160規格)得到232 mm。這是唱頭遵照治具調出來的。
stylus overhang唱針超距規格上寫16.4mm. 實機沒法測量,因為唱臂無法移動到唱片軸心上頭比劃。
軸心到支點的距離有人稱作mounting distance。實機測離約 207 mm。
按照定義:mounting distance + overhang = effective length
可是 207 + 16 = 223 mm 差規格的232 mm 有 9 mm之多,絕非老花眼可以解釋。
以老人之心度小人之腹,可能Thorens技術頭原來建議客戶設定overhang=16.4 mm,加上mounting distance 207 mm就老實寫上232mm,銷售經理一看,effective length越長越好,輸人不輸陣,大筆一揮,反勾一下,223搖身一變232mm, 還說將來有龜毛Stein問起的話,有我來檔。
這是開玩笑的了。
Thorens說明書 德文寫Ueberhang(einstellbar) 16.4 mm 可以調整,並非固定之意。
事實上唱頭固定螺絲溝槽長 10 mm,可以進退+/-3 mm。要是推到最前端,effective length 會到232 mm沒錯。


offset angle=23度,我借用半圓塑膠角度規,量一下治具的邊緣,證實沒錯。






按照治具調出來,量到mounting distance =207 mm, effective length =223 mm.
我在白紙上劃兩個三角形
207/223/65 mm相當A點
207/223/122 mm相當B點
用半圓塑膠角度規,量一下A,B點的offset angles,跟23度出入不大,在我畫圖的誤差之內。










以前1974年用的GA212也提供治具,換裝唱頭更加簡單。








Mr. Seb已經畫圖,提出一個名稱叫linear offset相當下圖裡的



DB and AE. (Linear offset = NP1+DC, or  = NP2-CE)


證明過

linear offset is (NP1+NP2) / 2
And
DC = CE = (NP2-NP1) / 2


只要您訂出來溝槽跟唱針直切的A,B點,知道NP1, NP2要多少,就可以算計出來相當的offset angle, 按照關係'三角函數表就可以找出來:


effective length * sin (offset angle)= linear offset.




而overhang
從:OE=effective lenght * cos(offset angle),  跟直角三角形E─C─O算出mounting distance OC









Null points are measured by their distance to the spindle centre i.e. AC (NP2) and CB (NP1). The angle formed by the line passing through the stylus and the pivot of the tonearm and the projection of the cantilever onto the record's surface is named the offset angle (AOffset). Once set up, the offset angle is fixed. 


Linear offset.


The linear offset is given by OA* Sin (offset angle) = OB* Sin (offset angle) (since OA and OB are equal to the effective length).


This linear offset is equal to DB and AE.  Therefore, it follows that:
Linear offset = NP1+DC
Linear offset = NP2-CE


Let's now take a look at the triangles ODC and OEC with right angles at D and E. Those triangles share one common side, OC. and OD = OE = OA * Cos (offset angle) = OB * Cos (offset angle). It follows that DC=CE


And then the linear offset is (NP1+NP2) / 2
And
DC = CE = (NP2-NP1) / 2


Whatever the effective length, if you choose a pair a null points, the linear offset is simply a function of the pair of null points you choose.


I asked VPI jig users to measure the angle OCB on their jig. What is the theoretical value of this angle?


Let's begin with the DCO angle – once we have this angle, OCB will be 180-DCO.


DCO is given by: ArcCos ((NP2-NP1) / (2OC))
And then, OCB is 180 - ArcCos ((NP2-NP1) / (2OC))


Remember that OC is the mounting distance and for a given pair of null points, the angle OCB is a function of the mounting distance.


Let's call the angle measured by users, Alpha.


Our goal here is to obtain the value of the second null point (since it's not provided by VPI). Let's consider the mounting distance as known. We now need to resolve this equation:


Alpha = 180 – ArcCos ((NP2-NP1) / (2OC))


180 – Alpha = ArcCos ((NP2-NP1) / (2OC))


Cos (180 – Alpha) = ((NP2-NP1) / (2OC))


NP2 = 2OC * Cos (180 – Alpha) + NP1


Once we know the second null point, all other data relating to the geometry of the tonearm alignment can be calculated from the following equations:


Effective length = (OC² +NP1*NP2)0.5


Angular offset = ArcSin ((NP1+NP2) / (2*Effective length))