Fallet med den exploderande CD-ROM-skivan

Konst, eller

Epsilon Omega City, 2025 e. Kr. Fotograf: Jörgen Städje

32x, 56x, 64x...
CD-ROM-läsarna blir allt snabbare

Innehåll

Inledning
Bakgrund
  CAV-fusk för mjukisar
  CLV för de hårda grabbarna
Experimentell uppställning
Provningsförlopp
G-krafter i skivan
Kevlarförstärkt CD-skiva

Resultat
Förslag på metoder att nå högre avläsningshastigheter
  Flera spår
  Flera läshuvuden
  Laminering med kevlar
  Cachning
Säkerhetsrekommendationer
Slutsats

Bilagor
Bilaga A. Resultattabell
Bilaga B. Diagram
_Diagram 1. Destruktionsvarvtalet (wd)
_Diagram 2. Periferihastighet vid destruktionsvarvtal (vp)
_Diagram 3. Periferihastigheten i procent av ljudhastigheten (vp%c)
_Diagram 4. Skivans effektförbrukning vid 24000 v/min (P24000)
Bilaga C. Ordlista

 

Inledning

Men var går gränsen? Olika tillverkare överglänser ständigt varandra genom att sälja CD-ROM-spelare med allt högre varvfaktorer. Varvfaktorerna 2x, 4x, 8x, 16x, 32x, 56x och 64x har kommit i en aldrig sinande ström. CD-skivan tvingas rotera allt fortare. Vid hur höga varvtal sprängs en CD-skiva och kan man göra något för att den inte ska sprängas?

Jag beslutade att undersöka fakta i fallet:

Saken undersöktes vetenskapligt vid Atlas Copcos elektroniklaboratorium i Tyresö, utanför Stockholm. Vi använde en motor som klarade 30.000 varv per minut och ett specialsvarvat nav för att hålla CD-skivan så vibrationsfritt som möjligt.

 

Bakgrund

Ljud-CD-standarden sattes redan någon gång på 70-talet. Man bestämde då att skivan skulle rotera olika fort beroende var på skivan avläsningen skedde, för att man skulle få någorlunda konstant datahastighet. Metoden kallas för CLV, eller konstant datahastighet. Datahastigheten för ljud-CD är 176 kB/s och för att uppnå denna relativt blygsamma kapacitet behöver skivan bara rotera 530 v/min i innerspår och 200 v/min i ytterspår.

CAV-fusk för mjukisar

I syfte att kunna publicera allt högre varvfaktorer, har många tillverkare börjat använda sk CAV, eller konstant varvtal, en metod där skivan inte roteras fortare vid läsning i innerspår. Då kan man ange en imponerande varvfaktor för ytterspår och få sälja mera, men i själva verket är varvfaktorn i innerspår bara 37,7% av detta.

CLV för de hårda grabbarna

En 64x-läsare som använder CLV skulle behöva rotera skivan med 33.920 v/min vid läsning i innerspår, vilket utsätter skivans nav för en tangentiell kraft på 45 N/mm2. En punkt på skivans periferi far fram med cirka 213 meter per sekund, drygt halva ljudhastigheten. Tål skivan det?

Svaret är nej. Ett effektfullt nej.

Vid ungefär 52x, alltså 27.500 varv per minut sprängdes de flesta skivfabrikat i ett regn av plastpartiklar, som satte sina spår i lokalen. Resultatet blev en hög med gnistrande plastbitar.

 

Experimentell uppställning

CD-ROM-skivan som skulle hållfasthetsprovas monterades i en splitterskyddad testjigg, i ett ljuddämpat rum, försett med splittersäkert tittfönster.

TestjiggTestobjektet A monteras på navet B med en förskruvning och ett antal centrerande och inspännande brickor i plastmaterial. Navet B är insvarvat i motoraxeln på motorn C, en trefasmotor för industritvättmaskiner. D är en sensor som känner varvtal och E1 och E2 är undre, respektive övre splitterskydd, utförda i 1,0 mm aluminium. Vid F syns den tungt bepansrade väggen till provrummet, denna försedd med splitterskyddad tittglugg utförd i amorft kiselmaterial.

Anvand elektronisk utrustningDen elektroniska testutrustningen är som synes omfattande och mycket avancerad. Längst till vänster står en digital-analog trefasgenerator (drive) med möjlighet att leverera 10 ampere och 600 volt med styrbar frekvens upp till 1000 Hz, vilket driver upp den anslutna motorn i 30.000 v/min. Driven styrs från en bärbar PC, en avancerad modell redan då den inköptes 1985, numera specialanpassad som styrterminal för våra sprängexperiment. Bakom denna synes, omsorgsfullt anordnat, mängder av avancerad utrustning, såsom en avancerad tejprulle, en högteknologisk plastburk, supraledande kablage och längst till höger en avancerad rulle lödtenn (röd).

Ye Olde WizardeTekniker Thord Nilson (Ye Olde Wizarde) utför här, under yttersta själslig koncentration och största möjliga tystnad, manuell balansering av ett provningsobjekt. Verktyget som han håller i handen, en Borkhardt SMS4579-A, används vid åtdragning av det gängade spännförbandet i navets centrum (B i bilden ovan). Utrustningen i bakgrunden, den gröna cylindern, är en hemlig del av Atlas Copcos utvecklingsverksamhet, en sk Splurisator. Då den är av mycket sekret art, torde den bortglömmas omedelbart.

 

Provningsförlopp

Provningen förlöpte så att provobjektet DUT (Device Under Test) monterades så vibrationsfritt som möjligt i testjiggen, testpersonalen lämnade lokalen, lokalen förslöts hermetiskt, skyddsutrustningen påtogs och skyddsläge intogs vid tittgluggen.

Varvtalet ökades långsamt från noll (rampning), mot 30.000 v/min och driftparametrarna avlästes vid bristningspunkten.

Skivans fabrikat, varvtal vid sprängning, förlusteffekt, temperatur mm noterades omsorgsfullt och ligger till grund för resultattabellerna i Bilaga A.

Detta upprepades för alla elva DUT. Det skall nämnas att vi inledningsvis ökade varvtalet manuellt, men sedan övergick till att låta sprängelektroniken själv öka varvtalet (direktrampning). Detta gav något ökad varvtålighet hos DUT, oftast något tusental v/min.

Det är att notera att tjutet från motorn, vibrationerna i väggarna samt vrålandet från CD-ROM-skivan, icke helt olikt ljudet från ett störtande reaplan, var imponerande och självklart drog till sig stor uppmärksamhet från personalen i grannlaboratorierna.

När skivan sprängdes, uppstod en skarp knall och provrummet fylldes av glänsande, glimmande splitter och vi log brett. Snabbt rusade vi in och monterade nästa skiva för att så snart som möjligt få smälla igen.

 

G-krafter i skivan

Vid 30.000 varv per minut utsätts skivans periferi för drygt 1500 g och navet belastas med en dragkraft på 35 N/mm2 på innersidan. Det är denna kraft som till sist bryter sönder skivan.

 

Kevlarförstärkt CD-skiva

Kevlarforstarkning, frontKevlarforstarkning, sidovyI våra ansträngningar efter att nå ständigt högre varvtal, prövade vi att förstärka en skiva med kevlartråd. Tråden lindades tvärs skivan, enligt första bilden. Då kevlar kräver viss förspänning för att fungera korrekt, kom skivan att uppvisa viss deformation i viloläge, enligt andra bilden. Det var emellertid något som försvann med ökande varvtal.

Kevlar är det starkaste material som finns, många gånger starkare än ohärdat stål och sytråd. Tråden vi använde, hade en brottgräns på 80 N. Då tråden lindades 5 varv kring samma punkt på skivans periferi fick trådpaketet en total brottgräns på 400 N (det räcker att hänga en cykel i).

Det visade sig att vår motor inte hade kraft nog att varva upp skivan tillräckligt mycket för att spränga den på ett försök, i och med att luftmotståndet bromsade bort ett antal hundra watt motoreffekt.

Kevlarforstarkning, resultatEfter en längre tidsperiod (cirka 20 sekunder) på nära 28.000 varv per minut sprängdes dock skivan med en ljudlig knall och tråden blev kvar på navet, enligt bilden. Man kan se att trådarna fortfarande sitter radiellt på navet. Kevlartråden sträcktes alltså radiellt och gjorde sålunda avsedd verkan. Det som till sist fick skivan att sprängas var att plastmaterialet flöt, dvs töjdes med tiden, under de höga G-krafterna.

 

Resultat

Resultatet överträffade våra vildaste förväntningar, förlåt: resultatet var vetenskapligt övertygande. Lokalen och testutrustningen modifierades till viss del under provningens gång.

Sprengskydd, skadorCD-fragmenten lämnade skivan med så hög utgångshastighet att de deformerade splitterskyddet, som var utfört i 1,0 mm aluminium. Skyddet både bucklades till, revs sönder och slogs loss från sina infästningsbultar.

Skador pa sprengskydd, detaljEtt fragment har här träffat splitterskyddet med sådan kraft att metallen har rivits upp i en 8 millimeter lång reva. Det är dock inte sannolikt att fragmentet har trängt igenom sprickan.

Reva i taketVid ett förprov utan splitterskydd slogs långa revor upp i innertaket, så som bilden visar. Varvtalssensorn fick dessutom sin ytbeläggning bortsliten.

Skervor betyder lycka...Saneringen av lokalen tog lång tid och ändå kunde allt splitter inte återfinnas. Vi tillvaratog dock så mycket att någon större fara för påverkan av miljö och klimat inte ansågs föreligga. Bilden visar den rara samling plastbitar som återstod efter försöket.

Skervor, skervor, ujujHär en närbild av splittret, som visar dess oerhörda mångfald och intressanta färgskiftningar. Den plåtskruv som syns i mitten till vänster, BZX4x12, förzinkat stål, härrör inte från vårt experiment, utan får tillskrivas den synnerligen noggrant, nästan till överdriftens gräns, utförda saneringen.

Skervor i naerbildDenna slutliga bild visar fragmenten i närbild, där brottytor och flis kan studeras ingående. Det skall sägas att vi ännu inte avslutat de svepelektronmikroskopiska studierna och sannolikt har inte alla detaljer ännu ådagalagts. Längst nere till höger läses ”Corel Corporation”.

 

Förslag på metoder att nå högre avläsningshastigheter

Det är uppenbart att CD-ROM-skivor är för bräckliga för varvtal över 23.000 v/min. Eftersom varvtalet är en kraftigt begränsande faktor när det gäller att öka överföringshastigheten från CD-ROM-skivor, måste andra utvägar sökas. Läsmetoden eller mediet måste modifieras.

Flera spår

Eftersom filer normalt upptar fler än ett spår på skivan, vore det lämpligt att försöka läsa flera spår samtidigt. Antag att man ersätter dagens läsande fototransistor med en CCD-array och läser, till exempel, 100 spår åt gången. Detta skulle kunna öka läshastigheten 100-falt utan att varvtalet behövde ökas.

Flera läshuvuden

För fleranvändarbruk kan man tänka sig använda tre eller fyra läshuvuden samtidigt på samma CD-skiva. Då monteras fyra läsmekanismer med 90 graders vinkel från varandra i samma drivenhet. Skulle samma användare använda alla fyra läshuvuden skulle intelligent cachning kunna användas och öka läshastigheten. I annat fall kan fyra användare läsa på olika ställen på skivan samtidigt, varvid de fyra användarna upplever en ökad läshastighet, kontra fallet med ett läshuvud och tidsdelad åtkomst.

Laminering med kevlar

Laminering med kevlarväv är en uppenbar utväg. Inte nog med att det ger skivan hållfasthet att klara 20.000 varv per minut, utan i och med att kevlarväven måste lamineras mellan två CD-skivor, lämpligen limmade etikettsida mot etikettsida, blir skivan dubbelsidig och får dubbla lagringskapaciteten mot idag, cirka 1,3 GB. I och med att man kan läsa båda sidorna samtidigt, fördubblas läshastigheten igen. Motoreffekten som skulle krävas, cirka 300 watt, skulle dock utgöra en betydande belastning för datorns nätaggregat.

Cachning

Man kan tänka sig att bygga in en hårddisk i CD-ROM-läsaren. Direkt när skivan sätt in i läsaren, börjar denna automatiskt läsa ned informationen på hårddisken. All användar-åtkomst görs mot hårddisken och man åtnjuter därvid hårddiskens alla fördelar, såsom åtkomsttider på under 10 ms och latenstider i storleksordningen 3-4 ms. Hårddiskar med kapacitet att lagra allt data från en CD-ROM-skiva kostar idag inte mer än en CD-ROM-läsare av standardkvalitet, varför en cachad CD-ROM-läsare kanske skulle betinga ett pris på 1,7-1,8 gånger priset för en ocachad, vilket inte kan utgöra något hinder för normalkonsumenten.

 

Säkerhetsrekommendationer

Kommittén måste efter avslutat arbete be att få föreslå följande säkerhetsföreskrifter.

  1. Säkerhetsavståndet för en CD-ROM-spelare med varvfaktor 64x CLV bör vara minst 5 meter.
  2. Vid arbete med CD-ROM-spelare bör skyddsglasögon och lämpliga skyddskläder bäras.
  3. CD-ROM-spelare i 64x CLV-klassen och högre bör förses med sprängskydd i minst 3 mm aluminium eller 1 mm stålplåt.
  4. För att förhindra att operatören inandas CD-ROM-partiklar bör CD-ROM-spelare förses med utsug med dammfilter, eller ha sitt utsug kopplat direkt till uteluften.
  5. I tillägg till varningsskylten för laserljus, bör CD-spelare förses med en splittervarningsskylt, enligt bilden nedan:

Varningsskylt

 

Slutsats

CD-ROM-läsare med högre varvfaktorer än 64x är omöjliga att bygga, eftersom de flesta skivor når sin brottgräns vid detta varvtal. Istället tvingas man tillgripa andra metoder, som att använda flera läshuvuden, läsa flera spår åt gången eller dylikt.

Rekommendationen blir att du aldrig ska stå nära en 64x-läsare om den inte är monterad i sprängsäkert hölje. Du kan få magen perforerad.

 

Bilagor

Bilaga A. Resultattabell

Nr

Typ

wd

vp

vp%c

P24000

Anmärkning

1

CD-R, Maxell

27000

170

49,87

86

Typ CD-R74XL

2

CD-ROM, CorelDRAW 6

24000

151

44,33

86

 

3

CD-ROM, CorelDRAW 6

23000

144

42,48

86

Kraftigt misshandlad med trubbigt föremål

4

CD-ROM, CorelDRAW 8

25020

157

46,21

86

 

5

CD-R, Maxell

25020

157

46,21

86

Typ CD-R74XL

6

CD-ROM, Ventura 7

26200

165

48,39

86

Fr.o.m denna skiva användes direktrampning av varvtalet

7

CD-ROM, WP Suite 8

27400

172

50,61

86

Mycket färg på

8

CD-ROM, CorelDRAW 6

27900

175

51,53

330

Kevlarförstärkt. Sprängdes efter lång tid.

9

CD-ROM, Ventura 7

27900

175

51,53

86

 

10

CD-ROM, CorelDRAW 6

27900

175

51,53

86

 

11

CD-ROM, WP Suite 8

28600

180

52,83

86

Mycket färg på

wd: Varvtal vid destruktion (v/min)
vp: Periferihastigheten vid destruktionsvarvtalet (m/s)
vp%c: Periferihastigheten vid destruktionsvarvtalet i procent av ljudhastigheten (% av 340 m/s)
P24000: Skivans effektförbrukning vid 24.000 v/min (W)

Kommentar: Det är uppenbart att man vid direktrampning av varvtalet, kan nå högre wd än vid manuell rampning, eftersom den manuella rampningen tar längre tid. Plastmaterialets flytning har en väsentlig del i hur lång tid det tar innan skivan sprängs.

 

Bilaga B. Diagram

Diagram 1. Destruktionsvarvtalet (wd)

Destruktionsvarvtal

Kommentar: Den kevlarförstärkta skivan, nr 8, skulle ha kunnat nå 30.000 v/min, men vår motor orkade inte. Skiva nr 3 hade vi slagprovat med ett tungt verktyg, därför sprack den så tidigt.

Diagram 2. Periferihastighet vid destruktionsvarvtal (vp)

Periferihastighet vid sprengning

Kommentar: Ingen skiva kom upp i mer än 180 m/s, men det är å andra sidan 650 km/t, marschfart för ett trafikflygplan.

Diagram 3. Periferihastigheten i procent av ljudhastigheten (vp%c)

Periferihastighet, % av ljudhastighet

Kommentar: Med våra 180 m/s som mest, var vi långt ifrån ljudvallen. Ljudhastigheten är 340 m/s. En CD-ROM kan alltså inte göra ljudbangar, i alla fall inte rotationsmässigt.

Diagram 4. Skivans effektförbrukning vid 24.000 v/min (P24000)

Effektforbrukning vid 24000 v/min

Kommentar: En CD-ROM drar mellan 80-90 W vid dessa varvtal. Den bli alltså ganska varm. Den kevlarförstärkta skivan, nr 8, förbrukade så mycket mer på grund av alla kevlartrådarnas luftmotstånd. Men den såg mycket tuffare ut.

Bilaga C. Ordlista

CLV: Constant Linear Velocity, eller konstant datahastighet, vilket innebär att CD-skivan roteras med sådant varvtal att avläsningshastigheten alltid är densamma oavsett vilket spår man läser.

CAV: Constant Angular Velocity, vilket innebär att CD-skivan roteras med konstant varvtal, varför avläsningshastigheten blir högre i ytterspår än i innerspår, något man helst vill undvika.

Varvfaktor: Sortlös konstant som anger antalet gånger den åsyftade CD-läsaren roterar skivan fortare än en ljud-CD. Beteckning x. Ljud-CD-spelaren roterar med 1x, vilket innebär 530 v/min i innerspår och 200 v/min i ytterspår, eftersom man använder sig av CLV.

Kommentarer

Eftersom dessa artiklar är de populäraste jag någonsin skrivit, finns här en sida med kommentarer från allmänheten.

En re-write av denna artikel publicerades i holländska Computer Idee. Titta här.

Här kommer du till den andra artikeln, om sprängda DVD-skivor.


Till startsidan