Arduino - モノホンTENGUとECM再考

結局気になってモノホンのTENGUを注文し一昨日届きました！
ソフトウェアの進捗が伸び悩んでいるので、今回は息抜きネタです。

自分でニッチとか言っておいてなんだけど、いろいろな意味で薄っぺらいという所感
ある意味裏切らない商品なのかも。。。

ボタンとか無いからどうやって他の表情を出すのかと思ったら、思いっきりマイクに息を吹き掛けてやったら変わった。
どうやら、最大レベルが数秒続くと、別の表情に切り替わるようになっているみたい。
なるほど、こういうアイデアは素晴らしい。

でも、すぐに眠ってしまうのには残念。
せめて半固定抵抗かなんかで眠るまでの時間調節が出来るか、オン・オフの切り替えが出来ると良かったな。
どうせUSBで繋ぎっぱなしなんだし。

遊んでいて思ったことは、マイクの感度が意外なほど良い。
じゅんさんの話では、トランジスタ２個でプリアンプが構成されているらしい。
ということなので、やはり分解して検証してみることにした。

裏蓋を外すとまずPIC16F876Aが目に付きます。

基板を裏返すとLEDマトリクスの回路のみで、確かに目が横に３個ずつ並んでますね～
これがPWMで明滅しているのでしょう。
合計で6x8のマトリクスです。

そして気になるマイク周辺回路。
う～む、２つのトランジスタでアンプが構成されているのはわかるけど、結構抵抗とコンデンサが入っているんですねえ。

このトランジスタ、「1AM」と「2A」と書いてあるのだけど、1AMは調べてNPNではないかと分ったけど、2Aというのは何だろう？？
たぶんこれもNPNだとは思うけど、わかる方いましたら教えて下さいm(_ _)m
（下記参照）

で、見てても拉致があかないので、分かる範囲で回路図にしてみました。

2009.2.9追記
トランジスタの修正など回路図の訂正をしてアップし直しました。
ご協力頂いた じゅんさん に感謝致します。ありがとうございましたm(_ _)m

抵抗は数値から読み取れるので間違いないと思うけど、コンデンサはさすがに分かりません。
トランジスタは一応両方ともNPNとして入れてあります。
たぶんC1とC4はカップリングで、C2とC3がバイパス？、最終的にPICの２番ピンに接続されているようです。

基本的なプリアンプ回路を改造しているのは分かるのですが、いまいち勉強不足なので理解に至りません。
試しに出音を確認してみようと、下のようにして出力をＰＣのマイク入力で録音してみました。
途中、オルガンの音色でＡ（ラ=440Hz）の音をマイク付近で出して、そのまま1mほどまで遠ざけてます（かなり聞き取り辛い）。

色があべこべですが、赤がGND、黒が2番ピンです

ダウンロード tengu-ecm.mp3 (163.5K)（大きなノイズ音に注意）

強引に出力を奪っているので、電圧変化のノイズがバリバリ入ってます
こういう場合、どうやったらうまく音を取り込めるのでしょう？？

たまたま発覚したことですが、マイクのプラス側に何も接続してないテストクリップを接続したら、なんとＡＭラジオの音声が入ってきました！
どうやら接続したテストクリップのコードがアンテナとして作用したようで、文化放送ともう１つの局が混線して聞こえます。すげ～～～
このままスピーカーを付けたらTENGUラジオになりそう・・・選曲出来ないけど

一応ノイズが多いですが、TENGUで拾ったラジオ音声を録音したので置いておきます。
結構はっきり聞こえます。

ダウンロード tengu_radio.mp3 (24.3K)（女性の声が文化放送で、裏の音楽がBGMではなく他局の放送です）

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別な意味で遊んでしまったけど、急遽ArduinoTENGUのマイク部分を改良してみることにしました。

というのも、これまでは反応があまり良くなくて、マイクのすぐ手前か大きな音を出さないと反応しなかった。
TENGUがこの反応なんだから、まだ改良の余地があると思い更なる調査をしてみました。

以下の感じでブレッドボードにマイク回路のみを移して、その出力を直接ＰＣのマイク入力に入れてチェックしていきます。
ワニグチはＰＣのマイクへ（検証ではグランドも接続）、クリップはマイクへ接続。

改良点として、まず電源ラインにパスコンとして 220uF の電解コンデンサと 0.1uF の積セラをいれました。
これはマイクのプリアンプ回路でよく使用されているのと同じにしただけです。

制限抵抗はどこかの掲示板だかで、抵抗=電圧÷0.00068 という式を見かけたので、それに従うと約7.3kの抵抗になります。
よって手持ちで近いものとして10kを選びましたが、バラつきを無くすために金皮抵抗にしてます。

何故0.00068なのかは分かりません。
例えばWM-E13UYなら1.5V時に2kが推奨ですが、結構いろいろな回路を見ていると電圧も抵抗もバラバラなんですよね。
分圧して推奨電圧にするべきなのかと思ったけど、結局アンプに流したい電流によりけりなのでしょうか？

これまでの回路で音を聞いてみると、とにかくノイズが酷くて聞くに堪えません。
更に、音声を入れてもノイズに埋もれてしまっていたようです。
本来「音」自体は関係ないのだけど、「反応」という意味では重要。

まず電源のパスコンだけでも、ノイズのバラつきが落ち着きます。

そして制限抵抗は2.2kの抵抗を入れてましたが、10kにしたことでノイズが滑らか？で弱くなり、音の輪郭が出てきました。

更にコンデンサをカップリングすると交流成分だけが抜けて、ちゃんと音声を抜き取ることができ、ノイズもぐんと減りました。
まだノイズは乗りますが、とにかくノイズだらけだったのが、わずかな音でも反応するようになり、音がはっきりしました

音声認識するわけでも録音するわけでもないので、これで十分といった感じです。
録音するならアンプからして再設計して、しっかりフィルターを作らないとならないし、まして音声認識なんてFFTを搭載するだけでもArduinoのプラットホームでは厳しいでしょう。
Processing側で認識部分を任せれば出来なくはないけど、データ転送のレイテンシーでサンプリングレートをかなり落とす必要がありそう・・・そうなると認識率がかなり落ち込んでしまう・・・

と、関係ない話は置いといて、最終的に出来上がった回路です。
マイクの制限抵抗は 10k の金皮抵抗で置き換え、カップリングとして1uF、4.7uF、10uF、47uFで試してみましたが、10uF の電解コンデンサに落ち着きました。

220uFだけやたらデカいですが、これしかなかった
OSコンとかのオーディオ用コンデンサにしたら、どれくらい変わるのだろうか。

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今度はマイクです。
TENGUのマイクのスペックは分かりませんが、そこそこ良いものを使っているのかもしれないですねえ。

手持ちのマイクは以前にも紹介しましたが一応紹介しておくと、秋月さんのC9767とWM-E13UY、そして千石さんのF9767Aというのが見つかったので、これも対象にしてみます。

これだけでは比較対象としては貧弱なので、手持ちの製品でプラグイン・パワー方式のマイクも使ってみます。

だいぶ前に買ったマイクですが、AudioTechnica製のAT9830という製品と、SONY製のECM-DS70Pというコンデンサ・マイクも対象にしてみました。

プラグイン・パワーは低電圧なので、ちゃんとしたコンデンサ・マイクみたいに48Vのファンタム電源を必要としないところは楽ですね～

AudioTechnica - AT9830

SONY - ECM-DS70P

SatE-Oが適当に弾いたJazzy？なコード進行をサンプル音として作りました。
オープン・ヴォイシングでクリシェしていくように音域を稼ぎながら弾いて、音色はロック系で使われるオルガンを使用。
アタックがあって低域もある音色なので、急激なレベル変化があり、低域から高域までカバーできていると思います。

ダウンロード chord.mp3 (90.3K) 比較サンプル元音

このサンプルをスピーカーから流して、スピーカーの手前10cmあたりのところにマイクを置いて録音します。

但し、使用しているスピーカーが2.1chなので、ウーファー側からの集音が出来ず、中高域用のスピーカーからでしか録音できませんでした。
また、自宅でノイズ対策も何もしてない環境です。

ステレオのものはL側のみの使用。
本来ならモニタースピーカーを使うべきですが、引越しやらで邪魔になって譲ってしまいました

そして録音結果ですが、カップリング・コンデンサを1uFと10uFでそれぞれ録音したのが以下です。
最初の３秒ほどが無音（何もしてない状態）で、次いでサンプルの音が入り、サンプル終了後も２～３秒ほど無音となってます（だいたい１２秒程の長さ）。

• C9767
  ダウンロード C9767b.mp3 (136.5K)  1uF
  ダウンロード C9767c.mp3 (140.2K)  10uF

• WM-E13UY
  ダウンロード WM-E13UYb.mp3 (138.1K) 1uF
  ダウンロード WM-E13UYc.mp3 (149.4K) 10uF
  ダウンロード WM-E13UYd.mp3 (148.2K) 前回までの回路での録音

• F9767AL
  ダウンロード F9767ALb.mp3 (130.7K) 1uF
  ダウンロード F9767ALc.mp3 (141.4K) 10uF

• AT9830
  ダウンロード AT9830b.mp3 (131.6K) 1uF
  ダウンロード AT9830c.mp3 (132.9K) 10uF

• DS70P
  ダウンロード DS70P.mp3 (144.5K) 10uF

前回まで良かったと思っていたWM-E13UYですが、製品以外では一番ノイズが多い結果となってしまいました。
それから前回までの回路での録音結果も入れてありますが、こんなに酷かったんですねえ

C9767とF9767ALは名前からして恐らくほぼ同じ特性ではないかと思いますが、ノイズも少なく、かなり良好です。
けど、F9767ALの方が若干ノイジーで音の厚みが違います。

この中で最も良いと思われたDS70PはWM-E13UY同様、とってもNoizyyyで意外な結果。
これは10uFしかありませんが、この状態だったので１つだけにしました。

そしてAT9830が最もノイズが少なく、一番良い結果となりました。
かなり距離が離れていても集音してくれます。
しかし、中域の特性に弱いのか、だいぶ高域寄りな結果となってます。

DS70Pには期待していたのですが、どうもSONYはいろいろと制限するのが好きなのでしょうか。。。
でも、このマイクの中身はしっかり作られていて、ECMにはノイズシールドがあり、L/Rそれぞれにダイオードとコンデンサがかましてあります。

AT9830にはシールドもなく、特別な部品などありません。

恐らく適合した機種での動作保証という感じで、それに見合ったお膳立てをしてやらないとならないのでしょうねえ。
なのでWM-E13UYもそういう特性のECMなのかもしれません。
う～む、意外な落とし穴・・・

ちなみにDS70Pは、同社のMDウォークマンと併用していて、主にバンドやっていた時にスタジオでの録音に使ってました。
もちろん、この組み合わせでの録音は非常に良好でした。
PCM-D1みたいなレコーダーがその当時にあったらなあ。。。

また、コンデンサの違いでは、10uFの方が中域での豊かさがあるように思います。
コンデンサ容量を下げていくと高域を多く取り込んでくるため、10uFの方が中域が目立ってくるのではないでしょうか。
結果としてノイズのレベルにも違いが出てきてます。

C9767(10uF)の無音部分

FFTによるスペクトラム解析では、全体を通していきなり100Hzあたりから減衰するローパス状態です。
これは回路自体の問題だと思うので仕方ないとして、いつかはアンプ自体もモジュールではなくディスクリートなりしたいと思います。
たぶんその頃には違う目的になっているかもしれないけど・・・

これでもまだ本家TENGUの方が反応が良い時があるのだけど、かなり近づいたと検証と改良には満足。
というわけで、ArduinoTENGUにはC9767を載せることに決定～
はぁ、単純なテストだったはずなのに疲れた

でも、もっといろいろなECMで試してみたくなってしまい、今後もECMが増えていきそうな予感が・・・

とまぁ、いろんな回路を調べていたおかげで、アンプというものが少し分かってきた気がします。
今まで中のことなんて考えたことなかったからなあ。

このTENGUのROMを吸い出して解析してみようかと思ったけど、リバースするのもアレだし、余計な労力を得るだけか・・・気になるけど。