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Messungen

Drehzahl, Wow und Flutter: Messungen am Transrotor

Diese Website hat Messungen mit Instrumenten versprochen, sobald Isostase läuft. Hier sind die ersten, an einem einzelnen Plattenspieler: Zahlen, veröffentlicht mit Methode und Grenzen, kein Datenblatt.

Der Rahmen

Isostase steuert einen Transrotor Zet 3, zuerst mit einem Motor, dann mit zwei. Die Tabelle vergleicht mehrere Isostase-Konfigurationen mit zwei Original-Netzteilen von Transrotor, anonymisiert (A und B): Es geht um Größenordnungen, nicht um eine Rangfolge von Modellen. Die Original-Netzteile wurden so gemessen, wie sie waren, ohne Einstellung. Alle Messungen erfolgten am selben Plattenspieler unter denselben Bedingungen.

Die Methode

• Platte: The Ultimate Analogue Test LP, Seite 1, Titel 10 (ein 3.150-Hz-Ton für Wow und Flutter).
• Aufnahme: Interface QuantAsylum QA403, Python-Skript, 40 Sekunden pro Durchgang (etwa 22 Plattentellerumdrehungen). Vier Durchgänge pro Konfiguration, gemittelt; sie liegen sehr dicht beieinander.
• Auswertung: Die Momentanfrequenz des Tons wird in eine relative Abweichung (%) umgerechnet, per FFT analysiert, mit einer AES6-artigen Kurve bewertet und in zwei Bänder getrennt: Wow von 0,5 bis 6 Hz, Flutter von 6 bis 200 Hz. Je Band wird der Effektivwert (RMS) gebildet; das gesamte bewertete W&F ist die Wurzel aus der Summe ihrer Quadrate.
• Drehzahl: aus demselben Ton abgeleitet, bezogen auf 33,333 U/min.

Wichtiger Hinweis: Es handelt sich um eine AES6-artige Bewertung mit RMS-Detektion. Das ist keine Messung nach AES6-2008, die eine bewertete Spitzenwert-Detektion vorsieht, und die Trennung von Wow und Flutter bei 6 Hz ist eine Festlegung unserer Auswertung. Die Werte sind daher nicht direkt mit Datenblattangaben „nach AES6“ vergleichbar.

Die Ergebnisse

Die Abweichung ist die Differenz zwischen gemessener Drehzahl und 33,333 U/min. „70 %“ und „100 %“ bezeichnen die Ausgangsamplitude von Isostase. In beiden Zeilen zu Netzteil B hat der Plattenspieler bereits Betriebstemperatur: Es ist die Ausgangsfrequenz des Netzteils, die sich mit dessen eigener Temperatur ändert. Die Abweichung ist positiv, wenn der Plattenteller zu schnell läuft.

Was diese Messungen zeigen

• Die Drehzahl. Mit Regelung bleibt die Drehzahl innerhalb von 0,013 bis 0,025 % des Sollwerts. Die Original-Netzteile liegen, so gemessen wie vorgefunden, bei +0,63 % und +1,47 % (+0,97 % im warmen Zustand). Fürs Ohr entsprechen 0,5 % etwa 8 Cent und 1,5 % etwa 25 Cent, also einem Viertel Halbton. Eine Feineinstellung dieser Netzteile hätte die Abweichung vielleicht verkleinert: Verglichen wird hier der Zustand wie vorgefunden. Bei Isostase lässt sich diese Abweichung über die Feineinstellung der Frequenz, getrennt für jede Drehzahl, einfach auf null bringen, auch im offenen Regelkreis. Eine feste Einstellung folgt jedoch keiner Drift im Betrieb, etwa der bei Netzteil B mit der Temperatur beobachteten: Das ist die Aufgabe der Regelung.
• Wow und Flutter. Alle bewerteten Gesamtwerte liegen zwischen 0,045 und 0,051 %, mit Wow von 0,041 bis 0,048 % und Flutter von 0,0175 bis 0,0195 %. Isostase verschlechtert Wow und Flutter gegenüber den Original-Netzteilen nicht messbar. Es verbessert sie aber auch nicht: Die Unterschiede zwischen den Konfigurationen sind zu klein, um sie zu deuten.
• Die Regelung. Sie korrigiert die mittlere Drehzahl; sie ist nicht dafür gedacht, Wow und Flutter zu senken, deren Ursache überwiegend in Platte, Tonabnehmer, Tonarm oder Plattenteller liegt.
• Drehmoment bei 45 U/min. Bei unserem Exemplar des Original-Netzteils B reicht die Ausgangsspannung bei 45 U/min nicht aus, um ein konstantes Drehmoment zu halten: Der Plattenteller kommt bei jedem Start nur mühsam auf Drehzahl. Für Isostase genügen 18 V RMS, um den Motor bei 33⅓ U/min richtig anzutreiben; bei 45 U/min sind es 24 V RMS (gleiches Verhältnis von Spannung zu Frequenz). Das Vorserien-Gerät stößt derzeit bei 45 U/min bei 19,5 V RMS an seine Grenze (gemessen an 150 Ω); die Serienversion liefert diese 24 V RMS. Diese Beobachtungen zum Drehmoment sind qualitativ, an je einem Exemplar gemacht; die 24 V RMS ergeben sich aus dem Verhältnis von Spannung zu Frequenz, nicht aus einer Drehmomentmessung.

Warum 50 Hz nicht 33,333 U/min ergeben

Die einzige echte Überraschung dieser Messungen: Bei genau 50 Hz läuft der Plattenspieler zu schnell.

Bei genau 50 Hz würde ein Synchronmotor theoretisch 33,333 U/min liefern. Bei der Serienkonfiguration zeigt die Messung etwas anderes: Es braucht etwa 49,8 Hz (Multimeter), damit der optische Sensor 33,33 U/min meldet und die 1-kHz-Spur der Testplatte mit 1,000 kHz gelesen wird. Bei genau 50 Hz würde der Plattenteller daher etwa 0,4 % zu schnell laufen (berechnet: Die Drehzahl eines Synchronmotors ist proportional zur Frequenz). Das ist keine Drift, sondern ein statisches mechanisches Übersetzungsverhältnis (Pulley, Riemen, Schlupf), das für diesen Plattenspieler typisch ist. Ein Netzteil mit „exakter“ Frequenz garantiert also nicht die richtige Drehzahl. Das garantiert nur die Messung der tatsächlichen Plattentellerdrehzahl, und genau das leistet die Regelung. Die Tabelle (1 Motor, ungeregelt) zeigte im offenen Regelkreis bei 50 Hz eine Abweichung in gleicher Richtung und gleicher Größenordnung (+0,48 %).

Genauigkeit des Multimeters bei dieser Frequenz: ±0,030 % vom Messwert (≈ ±15 mHz); die letzten angezeigten Stellen sind nicht signifikant.

Frequenzreferenz: vor und nach der Kalibrierung

Die Ausgangsfrequenz von Isostase beruht auf einer Quarzreferenz, die werkseitig an jedem Gerät kalibriert wird. Hier, für die Serienkonfiguration, die Kalibrierfrequenz von 1 kHz, gemessen mit einem Keithley-DMM6500-Multimeter, vor und nach der Kalibrierung.

Beide Abbildungen sind Aufnahmen der virtuellen Frontplatte des DMM6500: Die Weboberfläche (LXI) des Geräts bildet seine Frontplatte samt Anzeige nach. Es sind keine Fotos des physischen Bildschirms. Ein Klick auf ein Bild öffnet es in Originalgröße.

Das Multimeter zeigt die Frequenz mit einer Auflösung von 1 mHz an (1 ppm bei 1 kHz). Es ist weniger als sechs Monate alt; laut Datenblatt beträgt seine Unsicherheit bei 1 kHz ±0,010 % des Messwerts, also 100 ppm (2-Jahres-Spezifikation). Die Abweichung von 21 ppm vor der Kalibrierung liegt damit unter der absoluten Unsicherheit des Geräts: Die beiden Messungen, mit demselben Multimeter unter gleichen Bedingungen, zeigen die Verschiebung der Frequenz, belegen für sich allein aber keine absolute Genauigkeit von 1 ppm.

Die Motorausgänge am Oszilloskop

Gleiches Prinzip wie bei der Frequenz: Diese Aufnahmen stammen von der virtuellen Frontplatte eines Keysight DSO-X 2014A (100 MHz), die im Browser angezeigt wird. Sie zeigen für die Serienkonfiguration beide Phasen des Motorausgangs (Kanal 1 gelb, Kanal 2 grün; 10 V/Div, 5 ms/Div) bei belastetem Motor, mit 100 % und anschließend mit 70 % (leises Hören). Ein Klick auf ein Bild öffnet es in Originalgröße.

Die beiden Sinuskurven sind gleichmäßig und in dieser Aufnahme um etwa 90° versetzt (eine Viertelperiode); die Phase wird automatisch und für jeden Motor einzeln eingestellt. Zu diesem Zeitpunkt meldet der optische Sensor 33,33 U/min, die 1-kHz-Spur der Testplatte wird mit 1,000 kHz gelesen, und die Ausgangsfrequenz beträgt am Multimeter etwa 49,8 Hz. Die Amplitude sinkt von 52,7 auf 37,8 V Spitze-Spitze, also auf etwa 72 % des Werts bei 100 %, bei einer Einstellung von 70 %; das liegt innerhalb der Messunsicherheit des Oszilloskops.

Mit den Motoren sind die Scheitel der Sinuskurven etwas dick. Die Messungen erfolgen bei eingebauten, laufenden Motoren: Sie erzeugen eine Gegen-EMK, die sich der Ausgangsspannung überlagert und das Signal stört.

Dieselbe Messung mit 150-Ω-Widerständen anstelle der Motoren: Amplitude (52,7 V Spitze-Spitze) und Frequenz (49,785 Hz) bleiben unverändert, die Spur ist aber deutlich dünner. Die Störung kommt also von den Motoren, weder von der Endstufe noch von der digitalen Kette.

Verzerrung und Rauschen der Ausgangsspannung

Isostase ist kein Audioverstärker: Sie speist Synchronmotoren mit 50 bis 120 Hz. Der THD+N dient hier daher als Maß für die Reinheit der Ausgangsspannung, nicht als Hörgröße. Messungen mit dem QuantAsylum QA403 am Ausgang von Isostase, Serienkonfiguration: zuerst mit 150-Ω-Widerständen anstelle der Motoren (bei etwa 50 Hz, also 33⅓ U/min, dann bei etwa 67 Hz, also 45 U/min), dann mit den Motoren bei 33⅓ U/min. 64k-FFT, Abtastrate 48 kHz, Flat-Top-Fenster, 10 Mittelungen.

An Widerständen beträgt der THD+N 0,045 bis 0,047 %. Die zweite Harmonische dominiert mit etwa −68 dB unter der Grundwelle; alle weiteren liegen bei −76 dB oder darunter, und das Rauschen (−94 und −93 dB) ist gegenüber der Verzerrung vernachlässigbar. Die Werte je Harmonische sind im Diagramm auf etwa ±1 dB abgelesen; ihre Summe ergibt den angezeigten THD+N-Wert. Die Linien wandern mit der Ausgangsfrequenz (um 100, 150 und 200 Hz bei 33⅓ U/min, um 135, 200 und 270 Hz bei 45 U/min): Sie stammen also nicht vom Netz.

Mit den Motoren steigt der THD+N auf 0,63 %, also auf das 13- bis 14-Fache. Der Rauschteppich steigt je nach Frequenz um 30 bis 40 dB: Der Signal-Rausch-Abstand fällt von 94 auf 51 dB, und die Harmonischen 2 bis 8 liegen zwischen −49 und −67 dB unter der Grundwelle (im Diagramm abgelesen; ihre Summe beträgt etwa −45 dB und ergibt zusammen mit dem Rauschen den angezeigten THD+N-Wert). Das passt zur Spurdicke am Oszilloskop: Rauschen bei −51 dB gegenüber einem Signal von 18 V RMS entspricht etwa 50 mV RMS. Dieser Zuwachs stammt von den Motoren, weder von der Endstufe noch von der digitalen Kette: Nur die Last ändert sich, und er verschwindet, wenn die Motoren durch Widerstände ersetzt werden.

Anlauf und Bremsen

Zeiten, gemessen mit einem 12-kg-Plattenteller aus dem Stillstand. Der „Hochlauf“ ist die Zeit bis zur Nenndrehzahl innerhalb von ±0,5 %. Die Regelung über den optischen Sensor ist während des Hochlaufs inaktiv: Sie wird am Ende der Rampe aktiv und stabilisiert sich in 3 s. Ohne Sensor ist der Plattenspieler also mit dem Ende des Hochlaufs spielbereit, mit Sensor 3 s später.

„Bremsrampe“ ist die Dauer der gesteuerten Verzögerung. „Stillstand gesamt“ ist die Zeit bis zum vollständigen Stillstand des Plattentellers.

Der Hochlauf ist bei 78 U/min langsamer: Kleine Motoren dieser Art verlieren mit steigender Frequenz an Drehmoment, und das Programm begrenzt die Beschleunigung, um ein Außertrittfallen zu vermeiden. Mit zwei Motoren steht mehr Drehmoment zur Verfügung: Der Hochlauf ist schneller und die Bremsrampe nur halb so lang.

Grenzen dieser Messungen

• Nur ein Kanal (Kanal L des Analysators); die Grundwelle ragt über den oberen Rand des Diagramms hinaus, angegeben ist die gemessene Effektivspannung; die Messung mit Motoren erfolgte nur bei 33⅓ U/min.
• Die absoluten Wow- und Flutter-Werte spiegeln die gesamte Kette wider (Platte, Tonabnehmer, Tonarm, Plattenteller). Sinnvoll ist hier nur der Vergleich zwischen Konfigurationen, und für das W&F wurde kein unabhängiges Messgerät verwendet.
• Die Drehzahl wird aus dem Testton abgeleitet und mit dem optischen Sensor der Plattform sowie einem 1-kHz-Titel derselben Platte gegengeprüft. Diese Gegenprüfungen sind nicht völlig unabhängig, und es wurde kein Quarz-Stroboskop verwendet.
• Die Bewertung dämpft sehr langsame Anteile, etwa die Exzentrizität der Platte, stark.
• Die Streuung von Durchgang zu Durchgang wird nicht veröffentlicht.
• Diese Zahlen sagen nichts darüber, was das Ohr hört.

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