第一章 唱頭
一 唱盤的構成
這裡有一幅唱盤的照片,我們可以看到它是由三個主要單元構成的:①承載唱片的轉盤(platter),②拾取錄存在唱片上聲音的唱頭(cartridge),③支撐唱頭的唱臂(tonearm)。
這三個單元對於聲音的再生而言都是必需的,同時還要相互配合,如果有一部分無法正確工作,就不能再生出高品質的聲音;現在我們就逐一的討論這三個單元。
1.唱頭
組合式系統的音色和音質往往會因為更動了放大器、揚聲器或唱頭而有所改變,所以,對一個門外漢講換一個唱頭對音效的影響和換一對揚聲器相當,往往會使他困惑良久,這是因為他不能了解唱頭的重要性在於它是聲音再生的尖兵。
聲音的再生是唱針(stylus)循著唱片的音槽循行並把振動變成電子脈衝,完成此一過程有很多不同的方法,但最普遍的是一種採用一組線圈和磁鐵的系統,今天最流行的型式則是動磁(Moving Magnet, MM)唱頭,幾乎所有高品質的唱盤都採用這種唱頭。
2.唱臂
沒有唱臂,唱頭就不能發揮作用,唱臂和唱頭的組合便是拾音器(pick-up),而唱臂的設計是要讓唱頭發揮其最佳特性,所以前面說過,唱盤的三個單元對聲音的再生都很重要,而組合式的音響系統也是由幾個相互影響的部分組成的,隨後會說明這一點。
唱臂的末端是裝置唱頭的外殼(shell),唱臂的分類是依照其施加針壓的方法來區別的,照片中所示的唱臂是靜態平衡式(static balance type)的,在今天,大部分的唱臂都是靜態平衡式的。
3.轉盤
為了能有良好的聲音再生,唱片必須穩定而又平順的轉動,這就是轉盤的責任了。要轉動轉盤,自然要有一個馬達,這就是唱盤馬達,馬達帶動轉盤的方法有數種。
圖24所示的皮帶驅動式是標準唱盤最常用到的,我們可以看到,皮帶結合了變速軸和轉盤,另外一種方法是惰輪(idler)系統,是用一個交輪來傳送轉動所需動力,同時,也有這兩種系統的變體,例如說皮帶惰輪綜合驅動,及雙皮帶驅動等。然而,我們可以說所有的唱盤基本上都是屬於上述兩種系統之一,唯一的例外是直接驅動式(direct drive)唱盤(轉盤直接用馬達帶動),這在隨後的一章中會介紹到。而在今天,皮帶驅動式系統由於能提供更為精確的特性,實際上已經取代了先前頗為流行的惰輪式系統了。
4.唱盤底座
底座是另一個重要單元,如果不能和其他單元配合,則不論其他幾個單元的效果如何的好,聲音仍然會有失真,在這一方面,我們不能以外表來判斷底座,其重量和內部構造對音質尤為重要。
二 唱頭的構造
今天,大約有500種以上的唱頭,價格自20元美金到1000元不等,再生出來的音質也各自不同,但是其基本結構可以分成三種系統。然而,之所以會有不同特性的表現,寧其說是結構的不同,不如說是所用材料、設計、技術以及與其他單元間的相互作用所致。
1.唱頭的構成
圖1所示便是裝置於前面那幅照片中唱臂上的MM式唱頭的內部構造。MM式唱頭用壞了的唱針能隨意的更換,只要把舊的唱針抽出,再把新的插上去就行了,這是因為向MM式之類的磁性唱頭,唱針部分是可以和唱頭本部分分開的,其他像動圈(moving coil, MC)式唱頭等,唱針的替換就沒有那麼簡單了。MM式唱針如圖2所示。
2.唱針
唱針由於要和唱片接觸,終究會磨損的,唱針的針尖是由鑽石、藍寶石或其他硬質材料所做成的,由於體積很小,所以很難用肉眼看清楚,但是如果用放大鏡來看,我們就可以看到每一顆針尖都經過了極為精確的處理。
由於唱針必須循著唱片窄小的音槽循行,所以針尖曲度的半徑很小,測量半徑的單位必須用到密爾(mil),一個密爾是0.001吋。
圖3所示是兩種典型的唱針型式,這是10種唱針基本型式中最為普遍的兩種。圖(a)是整體式的鑽石唱針尖,通常我們會認為鑽石的價格極其高昂,但是用來做唱針的鑽石是工業級的鑽石,和珠寶級的鑽石完全不同,工業鑽石的色彩和亮度毫不重要,所以可以用較低的價格買到。
然而,整體式的鑽石唱針還是比接合式鑽石唱針要貴得多,(b)圖就是接合式唱針尖。接合式唱針是把鑽石針尖和金屬本體用黏著劑接合,這種型式較便宜,但是不太適合高品質的唱頭,因為本體過重,就整體式和接合式價格上的差異而言,較貴的未必一定最好,大多數的人們都會認為東西愈貴愈好,但事實上未必如此,我們不能說整體式一定比接合式好,因為某些接面式的鑽石唱針也能呈現優異的特性,蓋重要的不是所用的材料,而是材料背後的技術問題。
把唱針尖附著在唱針連桿(cantilever)的技術極為困難,要減少振動系統的質量,系統中各單元的體積就要減少,然而,要減少體積,製作就得要精細,比如說,一個橢圓形的針尖附著在連桿上的角度不太對,在音槽中循行時,左右兩邊的平衡也就不太對了,自然再生出來的聲音也會失真的,這在音響器材的設計中是一個困難卻又耐人尋味的局面。現在,我們再回到針尖曲度的半徑的問題上去。
密爾可以換算成0.001吋或0.025cm,由這種數值我們可以想像到唱針尖是怎麼一個尖法,以致我們會認為針尖能落到音槽的底部,但是由圖4我們可以看出這種想法未必正確,針尖不是在音槽底部循行,而是沿著音槽兩邊循行的,絕不會接觸到音槽底部,V型音槽的左右兩壁分別錄製了左右聲道的聲音,這是兩聲道唱片的錄製方法,針尖曲度的半徑過大會使唱針循行不良,導致聲音的失真和損失,反過來說,曲度半徑太小時,會使針尖接觸到音槽底部,因而產生雜音。
所以,曲度的半徑既不能太大也不能太小,對大多數的立體唱頭而言,標準的針尖半徑是0.5mil,而上述數值只適用於曲度半徑固定的圓形針尖。較高品質的唱頭用的不是圓形針尖,而是橢圓形的唱針,橢圓形唱針和音槽兩壁接觸點的曲度半徑,要比其他部分小,但這是肉眼所無法看出來的。
由圖5我們可以看到,橢圓形唱針和曲度半徑0.5mil的圓形唱針差異很大,橢圓形唱針曲度由0.2到0.3mil,明顯的能減少失真和循軌誤差,同時,由於垂直音槽方向測得的曲度半徑比0.5mil要大,更能有效的防止和音槽底部的接觸。
圖6是圓形和橢圓形唱針循軌模式的差異,我們可以看出來橢圓唱針的形狀幾乎和刻錄唱片用唱針相同,這正是橢圓唱針的主要特色,稍後我們會詳述這和信號音槽的關係。
ⓑ唱針連桿
唱頭末梢黏附唱針尖的就是唱針連桿,它把唱針在音槽循行的微小振動傳送到磁鐵或線圈上,也就是唱頭動力的來源。
唱針連桿的後半部無法看到,因為它是支持在極片(pole piece)中的,在MM式唱頭中,唱針連桿的後端附著有一塊磁鐵,如圖2所示,中間部分的阻尼尖有槓桿作用的支持點、以及唱針連桿動作的控制點兩種作用,上述各單元的組合就成為唱頭的振動系統了。
線圈和極片
現在,我們來看一看唱頭本體的內在和線圈部份:當唱針部分插入唱頭本體以後,磁鐵和極片接近,並因為線圈感應到的磁通而通電,而磁鐵的振動導致磁場變化,會在線圈上感應一個電壓。除了少數的例外,這種原理幾乎是所有唱頭的基本原理,並且由上述解說,我們可輕易的了解到為什麼要叫做動磁式(MM)了。
MM式唱頭是從唱片再生信號最普遍的系統,它的系統是一種發電系統,這意味著唱頭能把唱針在循行時所生振動轉變成電子信號,不管體積如何,唱頭是有能力完成此一工作的。
任何元件只要能完成這種作用就是一個能量轉換器(transducer),拿揚聲器做這例子,揚聲器就是一種能量轉換器,能把電子信號轉變成振膜的振動,換句話說,揚聲器的功用正好和唱頭相反。
本體外殼和隔離
大多數的本體外殼是由塑膠做成的,以前,唱頭是由金屬做成的,因而外型笨拙同時很難照設計圖做成,唱頭的重量隨不同的型式而有所不同,但是如果超過20克,就會使針壓調整困難,同時使唱臂的動作遲鈍,塑膠質的外殼較輕,同時比金屬外殼的顏色多,因此較易受歡迎。
使用膠質外殼的一個問題是無法保護內部的線圈使之不受唱盤馬達和放大器所生磁通的影響,如果唱盤的接地線不接到放大器上去,哼聲就會產生,同時如果唱頭沒有隔離,哼聲同樣也會產生。
MM式唱頭的好處之一是唱針更換簡單,但是有某些型式的唱頭,唱針握柄只能鬆鬆的附在唱頭本體上,這對音質有影響,為了避免這種現象,唱頭本體的寬容度應當製作得很精確。
端子插梢
端子插梢是用來做訊號輸出端子用的,除了少數例外,立體聲唱頭有四個端子插梢(分別是左右聲道的正負端),經由著色的導線和唱頭殼的端子相連接,某些唱頭為了便於識別起見,是連這些端子也予以著色的,你把唱頭殼反轉過來,就可以看到紅、綠、白及藍色的導線,這是為了正確的識別用的,不只是好看而已。
2.唱片的音槽
為了產生聲音,唱針要循著唱片的音槽(grooves)滑動,這個原理從一百多年以前愛迪生發明的留聲機開始就不曾改變過,愛迪生的留聲機是一種能直接發聲的唱機,用的是一個巨大的號角型喇叭,而今日的唱機則以電力發聲的,要用電力帶動唱盤並使聲音放大,起初,要有良好的聲音再生,就要用高轉速(78轉/分,rpm),但是隨著技術的改進,已經進步到今天33rpm的程度,這種唱片是比老式的78轉好太多了,稍後一章裡,我們會詳細介紹這些音響單元的歷史。而在這節唱頭的研究裡,我們需要知道一點唱片音槽的特性。
今天的LP(長播放時間)唱片上每一公分有40~100道音槽,所以我們單憑裸眼是無法看清楚的,圖7所示是放大後的唱片截面圖,唱片右聲壁間所成的角度是90度,右聲道的聲音刻錄在右邊的音壁上,左聲道則刻錄在左邊。
在圖7所示的例子裡,右音壁(即右聲道)所刻錄的是低音,而左邊是高音,圖7所示的只是一層音槽而已,事實上一面唱片只有一道音槽,循著唱片的圓周向圓心螺旋轉進,這樣唱針才能毫無阻礙的前進;在錄製響而低沉的聲音時,音槽表面的起伏變大,此時要注意防止音槽的邊緣和前後相接,因為這樣會使附近的音槽受到影響。
換句話說,要灌錄的信號其音量有個限制,因此,為配合充沛的音量電平,音槽間的距離要加寬,但是距離加寬後能灌錄的時間也減少了,為了解決這個問題,發展出了一種變幅刻錄的系統,在錄響而低沉的聲音時,使間距加寬,而在中等音量時恢復成正常距離。
如果你靠近去看一張唱片,並用燈光從某個角度照射,你就可以看到白色和黑色的部分,這就是音槽間距不同的現象,這樣做你已實際讀出了錄存在這唱片的音樂。
用乙烯氯化物壓製唱片的過程就像是壓製陶土製品一樣,首先,把錄存在母帶上的音樂刻錄在漆盤(Iacquered disc)上,在這個過程中,變成音槽形式的聲音實際上是刻錄在主盤(master disc)上了,早在電子麥克風還沒發明以前,演唱者要對一個大喇叭唱歌,這就是『灌唱片』一詞的起源,而唱片公司的刻片部門在那些日子裡,被人稱做雕刻部門。
圖8所示是用來在漆盤上刻錄音槽的刻片針,由上面看下去,刻片針是三角形的,橢圓形唱針和刻片針相似,圓形唱針則否,是以橢圓形唱針的聲音再生能力較優。
由刻片頭的側面看過去時,可以看到刻片針不是和漆盤垂直的,而是和轉動方向成斜角的接觸,這可防止因漆盤的彈性而使音槽太接近,這個角度就是『有效垂直刻錄角』。
同樣的,唱針和唱片間也是成圖9所示的斜角,這個角度就是『有效垂直循軌角』,如果唱臂不是水平支撐的,或是沿著唱片的內緣發生循行誤差,失真和循軌誤差(tracking error)就產生了。
音槽外緣的半徑和靠近圓心儀面的半徑不同,所以唱片等速轉動的時候,外緣的速度比內緣快,這可造成循軌或循行失真,故而這一點很重要,要記住,即內層音槽的情況和外層的不同。
三 唱頭的工作原理和特性
現在,我們來看一看唱頭的工作原理和性能,在這一節裡所講的大多數是基本原理。唱頭的工作原理實際上毫無改變,然而性能上卻有了大幅的改進,今天的唱頭就算和10年前的比起來就大為不同,其改進多是由於唱片生產技術的進步所使然。
首先,由於錄音技術的長足進步,使得頻率響應和動態範圍更寬,為了再生這種較好的聲音,帶動了唱頭做同樣的改進,因此,今日唱頭的材料,形狀和組件都已有極高的水準。
唱頭的任務是接收唱針在音槽上所拾取的細微振動,並使之變成電子信號,如果唱頭是用於最高品質的唱片上,唱頭本身也要相當優秀,才能將錄存的聲音忠實的再生。
1.振動系統的結構和工作原理
圖10是簡化了的振動系統在音槽中循行的示意圖。振動系統在音槽中循行時,會上下左右移動,由於就算是小小一節音樂再音槽中也有成千的變化,所以唱針在唱片上循行時,簡直是在跳舞。
唱針和右音壁及左音壁的接觸成90度,這種唱針和音槽的接觸,導致了聆賞者和音樂的接觸;有些人會認為唱針是在V型音槽的底部循行的,這是不正確的。
唱針的振動經由連桿傳到磁鐵,有時候,唱針會因為過響的鼓聲或鋼琴發出的音符而受到損害,或是在複雜的或高音的小節中無法正常循行,這兩種情形都會導致失真。
唱頭的循行能力是振動系統的順服度(compliance)來決定的,順服度是有關振動系統的柔順性及移動的數字,由振動系統的機械阻抗、彈性和質量所決定。
阻抗也可視作『阻力』,馬達沒有潤滑的話,就會由所摩擦的阻力,即機械阻抗增加而無法平順轉動。至於唱頭的振動系統,機械阻抗愈低唱針連桿的移動愈平順,因而唱頭得以在寬幅的音槽中循行。
我們可以把東西提起而概略的估出其重量,而某市場的魚販和菓販這種能力更敏銳,往往能以極小的誤差估出貨物的重量,但是除非重量的變化5公克以上,否則很難分辨出來,事實上我們很難分辨出1200公克和1205公克重的東西間有何差異。
而振動系統的整體也很小,因而我們拿在手上也無法感覺出重量來,然而其質量非常重要,由於支持唱針連桿的阻尼有橈執性,所以就算是用精密的天平也無法測出振動系統的質量,但是由於振動系統的一部分會移動,故而阻尼的橈執性也當計入振動系統的質量中,一般說來,振動系統愈輕,循行愈精確。
大多數情形下,你可以藉著使振動系統的振動平順而改善循行能力,有高順服度的唱頭其傑出的特性就是在於其優越的循行能力。
唱針連桿和唱臂的移動最好能藉著和蹺蹺板的比較而加以說明。
當兩個單元都靜止時,兩端間沒有差別,一旦開始移動了,一端就比另一端要重,因此要在較輕的一端加較大的力量才能使這一端停下來。假設這個蹺蹺板的之點就是唱針連桿的阻尼和重量,則唱針和磁鐵就是板子兩端的重量。
而振動系統是在唱片音槽中振動,必須對音槽中最細微的變化都能有反應,同時要在信號停止時很快的停下來。
前面說過,通常振動單元的質量愈輕,系統的性能就愈好。蹺蹺板的支點就好比唱頭的阻尼,而蹺蹺板無論如何的輕,都不能沒有外力而移動,同時無法瞬間停下來,要改善這種性能,可以在支點處上油或用軸承,但這樣的對蹺蹺板有用,唱頭又如何呢?
小質量和敏銳的反應對振動系統而言是很重要的,另外還有一個重要的因素,那就是要自金屬質的唱針連桿上消除過量的振動。
要消除這種振動並不太困難,如果我們穿著手套鼓掌,聲音會很低微,同樣的道理,如果連桿的支點是橡膠質的,唱針連桿的移動會較平順些,而過量的振動也得以消除。
動磁式唱頭之所以會流行的原因之一是因為其順服度及輸出電壓都比動圈式的要高,在動磁式唱頭中,磁鐵取代了動圈式的線圈,重量因而減輕,這在稍後數章裡還會討論到。
2.唱頭的頻率響應
有關一套音響系統性能的測試有很多,最重要之一就是頻率響應了,人耳可聞的頻率範圍大約是20到20.000Hz,而可錄存聲音的頻率範圍也大略如此,但是如果要從一張CD-4的唱片上再生出適當的聲音,並不致在整個頻率範圍內有高峰或低落,因而有一個令人滿意的響應,唱頭的頻率範圍必須要延伸到40~50KHz才行,這種延伸後的高頻響應正代表著音響技術的顯著進步。圖11所示就是人聲和樂器的頻率範圍。
但是儘管頻率響應很寬,如果其曲線是彎彎曲曲的,效果也會很差,由於振動系統的小等價質量能拓寬頻率響應,我們就一直致力做出更細的唱針連桿,更細微的唱針、以及更輕的磁鐵,但是頻率響應的改進不能單單從這一方面著手。
一個大鐘就算質料及形狀和小鐘相似,所發出來的聲音還是不同的,鐘愈柔軟,音調愈低,這是因為諧振點改變了,打鐘時,聲音是由諧振所生,而每一樣東西都有其本身的諧振。
唱針連桿都很小,是由鋁做成的,如果敲打它,會發出音調很高的聲音,然而人耳卻聽不見。
唱針連桿的諧振會替唱頭頻率響應的高音範圍帶來問題,因為其所生的高音對全面平直的頻率響應有妨碍。要減低這個諧振,而用了橡膠質阻尼,這種阻尼有兩個功用,其一是提供較平順的振動,其二為阻礙唱針連桿的諧振。
高音諧振受到阻礙以後,頻率響應和機械阻抗的特性都有所改善,結果使得循行比先前所敘述的還要好。一般說來,我們可以說振動系統的質量愈輕,性能愈好,減低振動系統的質量有很多好處,只有少數壞處,壞處之一是唱針連桿較細會變得較脆弱,而中頻有低落的趨勢,另一個壞處是輸出電壓較低。
早先我們提過,最近幾年以來,唱頭的性能有了顯著的改進,但是這些改進也引出了新的問題,解決的方法端在採用新而較好的材料,以及改變唱頭各元件的形狀,因此只會看一看唱針連桿的材料和形狀,我們就可以看出製造的進步和所費的心血了。
第二章 唱臂
一 唱臂的結構
唱頭的顏色和形狀是形形色色的不同,如果把幾個唱頭散置在桌上,乍看過去倒像是昆蟲們開大會,而從某個方面來說,它們正像是產生聲音的小昆蟲!而另一方面,大多數的唱臂都很相似,然而仔細看一看,你會發現唱臂管的曲線,以及軸承附近或有或無的機構等,差別仍是存在的。唱必能支撐唱頭,精確的和敏銳的唱臂移動是由任何唱頭獲致最佳性能的重要因素。
本節所附照片正式今日音響市場上典型的唱臂之一,現在我們概要的看一看組成唱臂的不同元件。
1.轉軸
唱臂必須能在水平及垂直的方向平順的移動,水平移動是由唱針在唱片上的位置來決定,而垂直的移動是由唱片彎曲的情形來決定。轉軸最重要的特性是它的初期感度,能決定其反應如何,這個數值正說明了唱臂的感度。
轉軸以寶石或滾珠軸承做樞軸,如圖13所示,以期減少磨擦,兩點式的支撐是最常見的,一般說來,軸承是用來做水平移動用的,而寶石則用來做垂直移動,其他型式的支撐及其特性如下:
單點式:如圖13(a)所示,是最簡單的型式,所用的軸承較少,然而磨擦很低,必須做水平方向的平衡,因為會斜向的移動,同時會在和唱臂軸線垂直的平面上轉動,要有複雜的調整和操作才能獲致極端精確的移動,這種型式的唱臂只有在頂尖品質的唱盤上才會出現。
平衡環(Gimbals)式:如圖13(b)所示,這種型式用兩組樞軸來做水平和垂直的移動,唱臂管伸進雙環(平衡環)中,外環水平的支撐唱臂,而內環垂直的支撐唱臂。
刀鋒(knife edge)式:如圖13(c)所示,這種型式是用V型的溝槽支持住刀鋒似的邊緣,溝槽的直線可以視做一點式樞軸的延伸,水平方向的移動則由一個軸承負責。
由於刀鋒是在V形的溝槽中棲止,只由其本身的重量支持,唱臂提起時,刀鋒上移;雙刀鋒式是這種型式的變化,能以雙鋒向上下邊施壓力而消除後座力。
2.唱臂管的形狀
唱臂的分類是以針壓系統及其形狀而定,然而,一般說來依形狀的分類較常用到。圖12是各種型式的唱臂,曲線像S的金屬唱臂(今天,幾乎所有的唱臂都是金屬質的了)稱做S形唱臂,另一種流行的唱臂在尾端稍有彎曲,稱做J形唱臂。
直線形唱臂的唱頭斜向安裝,而S及J形的唱臂依其曲線特性而與唱頭成某種角度,這是很重要的一點,故而我們來看一看其原因。
ⓐ唱臂的水平循軌角
唱片的音槽是由刻片機所刻錄的,刻片針由邊緣向中心直線前進,如圖14所示理想情形下,唱盤的唱針也當依同一直線前進,然而這是不可能的,因為唱臂會使唱針超出刻片針的直線而成一弧線移動,換句話說,唱片播放時的情形和刻錄時不同,這種因素可以造成和曲面鏡類似的失真。為了校正這種差異,要用循軌角來補償刻片針直線移動而唱臂弧線移動所生差異。
ⓑ唱臂超距(over hang)
如圖14所示為唱針通過轉盤中心軸的軌跡,超距如圖15所示。唱騙上的音槽靠近唱片的中心時內緣變小,因此內層音槽的失真較大,為了補償這點,唱臂的循軌角必須指向唱片的中心,這就是所謂的超距,市用來把失真降到可以接受的水平,而刻片針和唱針移動間的差異稱做『循軌誤差』。
補償角是用來縮小這個差異的,循軌誤差可以因採用不同補償角和超距的組合而減至最小,沒有唱臂說只有一個補償角和超距的,今天,唱臂簡直就是補償的意思。
ⓒ有效長度
唱臂也有依長度分類的,通常有兩類:14吋(35公分)以及16吋(40公分),其長度的測量是由前至後沿直線所測得者,並不表示其全長,由於唱臂彎曲的形狀,全長自然會比用上述法子測出者長。
由水平軸承的中心量到唱針尖的距離稱做『有效長度』,圖14所示就是唱臂可以像圓規一般畫一個弧出來,這段弧線會超出刻片針行經的軌跡,其間的差異就是循軌誤差,補償角和唱臂是用來減少這種誤差的,唱臂的長度亦然,唱臂愈長,循軌誤差愈低,如果唱臂可以延伸到1米或2米長,循軌誤差就可以忽略掉了。但是這種唱臂就算是實驗室中也不存在的,由其他觀點看來也是不切實際的,因為感度會降低而諧振也會增加到無法接受的程度。
前面提過,今天的唱臂幾乎全都是14吋落16吋的,14吋的較為普遍,因為質量低且易於控制,而16吋的唱臂則幾乎純為吹毛求疵的音響狂熱者或是廣播電台所採用。
前面提過,１米長的唱臂循軌誤差可以忽略,但是巧妙的選擇補償價角和超距卻可以使短唱臂的實效加倍。
3.唱頭殼
一個人進入音響器材的世界愈深,他所收集的唱頭通常也愈多,稍早時我們提過,只要換個唱頭,聲音就會有顯著的不同,由於唱頭和揚聲器及擴大機比起來是小事,計求嚴格的音響玩家往往有好幾個唱頭,同時由於唱頭的選擇要比揚聲器複雜,所以我們常常可以由一個人對唱頭的認識來判斷他對音響系統懂多少。
能容納不同唱頭的唱臂稱做『通用』型唱臂,而有些唱臂式廣播電台或其他專業用者所專用的,只能採用特殊的唱頭,這種特殊的唱臂稱之為『整合型』唱臂,由於整合型及半整合型的唱臂的唱臂只能容納特殊型式的唱頭,所以相當少見。今天幾乎所有家用音響系統的唱臂都是通用型的,圖16所示則是『通用型』的唱頭殼。
通用型唱臂的唱頭殼可以隨意裝卸,更使唱頭的置換容易,通常只要旋轉唱臂末端的閉鎖螺帽就可以卸下唱頭殼了。
唱頭殼和唱臂的連接依照EIA(電子工業協會)標準的規定是統一的,只有少數例外,用來連接唱頭和唱頭殼的導線如圖17所示。
有些唱頭為了避免導線交叉而過,接線端子的位置會反過來,這樣容易導致不正確的連接(左右聲道反轉),要看看連接是否正確,裝上後可以放一張管弦樂團的演奏,如果小提琴會在左聲道大聲的響起,連接就是正確的。
4.平衡錘(counterweight)
沒有適當的針壓,唱針無法在唱片音槽上精確的循行,反過來說;過量的壓力會損害唱片。平衡錘就是用來調整並維持針壓在適當的程度。
唱臂是設計成如精確的天平般,可以自由移動的,要維持平衡有兩種基本系統,一種是靜態平衡系統,藉著反向移動平衡錘來控制針壓,另一種則是應用彈簧力的動態平衡系統,兩種平衡系統如圖18所示。
大多數家用音響系統的唱臂是靜態平衡系統的,這是因為大多數的唱頭都只需要1克到2克的針壓,而靜態平衡系統在這種針壓要求下較能精確的在音槽中循行。而另一方面,動態式唱臂較適用於播放彎曲唱片,或是精密程度不太要求的唱盤。
這兩種系統各有其利也各有其弊,而所有的音響組件莫不如此,前面我們並未試圖判斷出孰高孰下,這完全要看使用人本身的特殊要求而定,任一種型式如果設計得當,都能有相當的性能。
5.內滑力抵消裝置
轉軸的動承、唱臂管、唱頭殼以及平衡錘是通用型唱臂的基本元件,有些通用唱臂還有其他特殊裝置,這些裝置及其外形,同樣的也會在音響迷中引起何者最好的討論。
圖19中,轉軸頂端伸出一支有刻劃的連桿,連桿末端的細繩上繫有一個小錘,這就是內滑力抵消裝置,又稱抗滑裝置(anti-skating),很早就在音響迷中流行起來。
抗滑裝置的起因及原理如下述:稍早我們提過,水平循軌誤差可以用補償角來補償,但是其本身又引出另一個問題,如圖20所示,唱片順時針方向轉動時,在(A)的方向產生一個力量,有將唱頭往那個方向拉的趨勢,在這種情形下力量(A)沒有任何影響,但是在補償的唱臂時,力量(A)可分成力量(B)及(C),如圖中(B)及(C)所示,(C)會將唱臂拉向唱片中心,這種向內滑的力量會使唱針對左側的音槽施加較多的壓力(大約多上1.2倍)。
為了補正這種現象,唱臂上應當加入反向而等量的壓力,這樣才能抵消其他的壓力,以維持完美的平衡,這就是內滑力抵消裝置的功用。
也有一種能直接轉動調整的凸輪式抗滑裝置,兩種都能用來依唱頭的針壓而調整內滑力的影響。
然而不適當的調整反而會使失真惡化,因而有些人聲稱把針壓增加10%也有同樣效果,所以某些唱臂沒有抗內滑裝置,關於這一點,音響玩家們的爭論也很激烈。
我們不能一口咬定沒有抗滑裝置的唱臂就不完全,抗滑裝置理論上可以改善性能是不錯的,但是由使用不當反而會導致失真,我們不打算向那些音響設備知識不完整或經驗不夠的人推薦抗滑裝置。
有時候就算是經驗豐富的玩家在操作這種裝置時也有問題,同時有些唱臂,因設計不同,內滑力根本不成問題,加上抵消裝置反而是畫蛇添足,因此,你不能從抗滑裝置的有無來判斷一支唱臂的品質。
6.側向平衡裝置
圖21顯示在抗內滑裝置的對面也有一個平衡錘,這個平衡錘,能左右移動,就是側面平衡裝置。在內滑力將唱臂向唱片中心拉的同時,還有一個力量會使唱臂側向移動。
一支平衡的唱臂可以做蹺蹺板,由於平衡錘一端的長度比唱頭殼端要短,故而要比較重才能保持平衡。
對裝有平衡錘的S型和J型唱臂而言,平衡錘端重心並不和轉軸及唱針間直線一致,這使得唱盤不是完全水平時,唱臂會失卻側向平衡,會如圖22所示般左右滑動。
鑑於地板或音響架的情形,通常很難使唱盤完全水平的放置,這就是何以要有側向平衡的裝置了。
側向平衡裝置是藉減少補償臂中心線和平衡錘端重心的距離來消除側向或水平的滑動。
和抗滑裝置一樣,關於側向平衡裝置的必要性也有一些爭論,無論如何,只要使用恰當總會使性能有某種程度的改善,設計良好的S唱臂全然不需側向平衡裝置,而其他的型式如果唱盤能完全水平的放置,也不需要的。
今天,音響工業在完美的聲音再生系統的理論上進展很大,許多這種進展,諸如內滑力抵消裝置和側向平衡裝置,也不過剛剛打進市場四、五年而以對很多使用者而言可能不是絕對必需的。
大多數音響器材的選擇都是基於價格、技術以及使用者的特殊需要而定的,因此,很多唱盤不一定裝有側向平衡及抗內滑等裝置,而有的則包括了所有的裝置。
第三章 唱盤馬達
愈是狂熱的愛好者愈愛使用一些只有少數同好了解的術語和行話,一個人對這些詞語的精通正好是說明了其興之所在,音響尤其如此。他們管揚聲器叫『喇叭』,錄音帶叫『帶子』,而香港人稱唱片為『碟』。
我們可以在唱片上看到刻得細窄的音槽,而錄存在這音槽的聲音振動,則是由唱臂上的唱頭『讀』出來的。現在,我們就來看一看帶動這些『碟』的裝置。
一 轉盤的構成
和唱頭及唱臂等輔助機構的外形比起來,唱盤轉盤的外型是相當簡單的,至於設計上的差異,好比開關的配置以及測速的安排等,則是相當小的。你找到唱盤馬達以後,很容易就看出轉盤的心臟是什麼了。
1.唱盤馬達
馬達在我們生活的週遭幾乎到處可以看得見,好比說:電車是由馬達帶動的,電梯也是,至於家裡的洗衣機、冰箱、吸塵器、果汁機等無一不用到馬達。
但是唱盤的馬達和家電用品馬達有所不同,唱盤馬達無需高功率或高轉速,但是要靜而精確的轉動,現在我們來看一看怎麼樣的馬達才適合做唱盤用。
ⓐ感應馬達(Induction motor)
唱盤馬達是轉盤動力的來源,可以概分做三類,其中感應馬達的結構最簡單,先看看如何工作:
如圖23所示,將一塊磁鐵盡可能的靠近一片薄銅盤,然後沿著銅盤邊緣轉動磁鐵,你會看到銅盤也慢慢開始轉動,由於同不是鐵磁性物質,這種轉動不是磁鐵的吸力所致。
那為什麼會轉動呢?磁鐵會產生磁力線,把磁鐵放在鐵屑上可以看出來,鐵屑會被吸成漩渦的排列,這些磁力線可以穿過銅盤,而磁鐵轉動時,穿過銅盤的磁力線也跟著轉動,因此銅盤中產生一種渦電流(eddy current),由於渦流有反對磁場轉動的趨勢,故而當磁鐵繼續轉動時,其反作用力使得銅盤也轉動了。
這就是感應馬達的基本原理,會讓我們想起小學或初中時我們所做的實驗,因此你可以看出音響器材所應用的原理未必都很深奧,很多元件都是應用我們在學校學過的基本原理;由於操作簡便、經濟、具變通性,感應馬達廣泛的應用於家電製品中,但是由於有震動、顫抖、漏磁以及轉動不穩定的缺點,同時轉數還會受到電壓波動的影響,感應馬達很少用於唱盤中,如果要用感應馬達的話,要用有電容器來使轉速平順的改良型式。
ⓑ磁滯同步馬達
名稱說起來很繞口,但是磁滯同步馬達(hysterisis-synchronous motor)卻是用得最多的唱盤馬達,可以用特定頻率的交流電直接供電。
在台灣,頻率是60Hz,而由於磁滯同步馬達的轉動和電源頻率同步,其轉數不會隨負載或電壓的變動而有所變化,由於這種磁滯系統的特殊性能,故能有平順的轉動,因而儘管磁滯同步馬達的轉矩低,但卻有上述優點,適於用來做唱盤的馬達。
ⓒ伺服馬達
伺服(servo)馬達不是因為其功用或結構而有這種命名的,就算是極為優秀的伺服馬達,其轉動仍要依賴其他的外在條件而定,伺服馬達是發展來提供精確的轉動,有一個轉數檢測機構能在太快和太慢時核正轉數,因此伺服馬達有一別名為『自動監視轉速馬達』。中等價格的唱盤通常都採用磁滯同步馬達,而高級唱盤大多採用伺服系統。
2.轉盤的驅動系統
不管馬達的性能如何優秀,如沒有穩固的驅動機構,還是無法獲致滿意的再生,直接驅動系統,正如其名稱的暗示,是使馬達和轉盤間做直接連接,而其他的系統則需要一個動力傳輸機構,就好像汽車也要一種傳輸機構來把引擎所生動力傳送到輪胎上去一樣。
我們知道,唱片的轉數要求是每分鐘33⅓或45轉,多年以前的SP(標準播放時間)唱片是78轉,而有時候為了加長播放時間,LP(長播放時間)唱片的轉速可以慢到每分鐘16轉。而在今天,LP唱片是以33rpm播放,而EP(加長播放時間)唱片(或SP)則是45rpm,某些老式的唱盤還是包括78rpm再內的三速的,但大多數的音響玩家都認為SP唱片只能用電唱機播放,然而,今天我們很少有機會聽到SP唱片的,因而幾乎所有的唱盤只有兩速:33⅓和45rpm。
現在回到正題:馬達。由於唱盤馬達的轉動比唱片所要求的要快上50或60倍,因此把唱盤馬達所生轉動力傳送到轉盤的傳輸系統應當有減速裝置,轉速減低時轉矩增加,因而唱盤馬達無需有高轉矩的輸出,而直接驅動系統的唱盤馬達要和唱片所要求的轉數一樣,因而其轉速的設計和其他的馬達比起來,顯得相當低。
ⓐ皮帶驅動
今天大多數的唱盤都是皮帶驅動系統,圖24所示便是一個基本的皮帶驅動系統。
這種系統的關鍵所在就是皮帶的質料以及精確程度,來自馬達的動力必須要平順的傳送到轉盤,那麼,哪一種材料最適於拿來做皮帶呢?用絲或棉編成的索帶如何,或是用化學織品的腸線?這些都可以用,事實上,就有一些玩家們採用特殊的索帶,但是使用時間久了索帶會延伸,因而要重複的採取張力調整措施,因此不適於一般人使用。除此而外,由於滑輪的轉滑現象,轉盤開始時要用手帶動,為了解決延伸和轉滑的問題,我們可以考慮採用連鎖驅動系統,在馬達滑輪和轉盤的邊緣裝上凸齒,其效果很顯著,但是由於齒輪所生機械噪音而未能全然實用,這種系統一度曾用於廣播電台,但是要用到大容量的馬達以及齒輪減速裝置,同時這種馬達的轉矩大,可以自行起動,在這方面廣播電台是不容有差錯出現的。
但是,其性能實是令人嚮往,既然索帶和連鎖都不能令人滿意,到底什麼才是皮帶的最好材料材料呢?怎麼樣才能有平順寂靜又精確的轉動呢?
實際上,我們是用橡膠質的皮帶來傳送動力的,橡膠自然能防止轉滑和噪音的發生,同時彈性和持久自然也是很重要的,這樣才能精確的工作,而皮帶上絕對不能有縫隙,厚度的精密程度必得要在±0.01mm之間,厚度必須在1.99至2.01mm之間,在各種型式的橡膠中,精確度很優秀的聚酯類(polyurethane)產品已廣為選用來作為皮帶的材料,但是,為了維持最佳性能,我們建議你每年換一次皮帶,在此作為你的參考。
ⓑ惰輪驅動
惰輪驅動(idler drive)系統有時稱做邊緣驅動(rim-drive)系統,因為橡膠質惰輪的轉動力是傳送到轉盤的內緣的。
惰輪的精確度必須要相當高,如果惰輪不是相當圓,或是有了變形,或是中心不正,都會使唱盤性能變差。
過去,大多數的唱盤用的都是惰輪系統來驅動,但是今天所有較高品質的唱盤,都是皮帶驅動或直接驅動系統的天下。惰輪傳動如圖25所示。
一般說來,要使轉數在33⅓和45rpm間變換時,直接驅動或伺服馬達系統的唱盤其馬達轉述的變化是電子控制的,而速度固定的機種,其轉速的變化是機械控制的,有一變速機構能使皮帶在一個兩段滑輪間變換接觸。
在皮帶驅動系統裡,直徑較小的滑輪是供33⅓轉用的,而直徑較大者是45轉的,有少數唱盤的這種變換要親自動手去將皮帶換過不同的滑輪,但是今天這種機型已經少見了。
大多數的情況下,皮帶是用一個U形的金屬帶動而變換滑輪的,轉數選擇開關扳動以後,這個U形的金屬片將皮帶由直徑較大的滑輪轉移到直徑較小者,或是反向行之。
如果你仔細的檢視一下馬達的滑輪,可以看到中間部分像皮酒桶一般的隆起,這是為了防止皮帶滑脫,或是當馬達傾斜時皮帶會出軌。圖26所示是皮帶的轉移機構。
至於惰輪系統中,馬達的滑輪也是兩段的,而隨著變速槓桿的位置惰輪本身會上下移動,其變化轉數的法子和皮帶驅動式相同,即直徑較小的一段是33⅓轉的,較大者則是45轉的。
3.轉盤和橡皮墊
盡管我們的週遭有很多圓的事物,但實際上很少是全然渾圓的,試以煙灰缸為例,看起來是圓的,但是如果你仔細看一看,你會發現實際上有點橢圓,或者其邊緣不夠均衡,煙灰缸的設計是圓的,但是功能上不因其是圓是方而有所影響,然而,轉盤是必須全然渾圓的,說起來你會嚇一跳,轉盤渾圓的程度要比汽車的車輪還要精確很多很多(即精確度的誤差要在±0.001以內)。
轉盤通常是用鋁模鑄成的,直徑為30~31公分以和LP唱片配合,而中心軸要垂直安置於轉盤的正中心,這一點相當重要,否則轉盤的轉動會不均衡,我們之所以一再的強調轉盤組件的工作精確性,是因為工作精確性對全盤性能的影響極大。
橡皮墊放在轉盤上可以防止唱片擦傷,但是更重要的是橡皮墊可以防止唱片滑動,你可以發現橡皮墊的表面有很多種型式,其目的在於把持住唱片,是以型式並不是單獨由外形所決定的。
圖27所示為30公分LP唱片的剖面圖,我們可以看出一張看起來簡簡單單的黑唱片,實際上是依照相當詳細標準而壓製的,中間較厚的部分用來張貼標籤,而邊緣的凸出部分是避免唱片放在封套裡面時受到損害,或是對音槽施加壓力,17公分的SP唱片邊緣沒有凸出部分,請注意音槽的厚度愈近中心愈厚。
唱片絕不會完全平直的,大約距中心12公分以外開始變薄,因此,如果橡皮墊完全平直反而無法穩固的支持住LP唱片。
我們可以注意到就算是一張簡單的橡皮墊其設計也是相當的仔細的,以期使其外形能適合唱片來吸收震動。
轉盤組件的設計要相當仔細,以免震動傳到唱片上。在所有組件中,馬達和電源變壓器是震動的最大來源,雖然說唱盤馬達無須太大功率,但是仍有極低的震動,如果馬達是直接裝置在機座上的,則就算是極其微小的震動也會傳到整個轉盤上去,因此,裝置唱盤馬達時要用到橡膠墊或海綿等阻尼材料來吸收震動,除了避震橡膠以外,膠質驅動皮帶也有助於防止將震動傳送到轉盤去,這也是皮帶驅動系統的優點之一,而惰輪驅動系統用的是硬橡膠,就沒有這種避震效果。
震動必須消除和吸收的原因是轉盤的轉動必須寧靜和精確,我們也不必太過注意轉盤的避震措施,嘎聲和太大的噪音使不可能的,但是轉盤上就算有極其微小的噪音也是無法接受的,蓋一旦放大以後就可以聽出來了,音槽中的聲音為唱頭拾取以後,在變成音樂出現在揚聲器前,要經擴大機做高達100.000倍之多的放大。圖28是馬達的避震措施。
轉載音響技術第61期JAN. 1981 每月專載/唱盤的機械設計與結構-第一篇/蘇天豪 譯
留言列表
