老音響資料庫/蘇桑部落格

　　當數位唱盤來臨時,許多音響迷或許會對傳統的唱臂產生懷疑,這些慣用的、甚至宣稱是經過精密設計的唱臂,是否真的能和數位唱盤相比呢?這原因不外乎:

　　第一: 大眾對數位唱盤的大肆宣傳。

　　第二: 和數位唱盤相比,類比唱片的重播裝置太簡單。

　　然而持相反看法的亦大有人在,這些人的觀點是:

　　第一: 由於已經擁有標準的類比播放器材及大量的類比唱片,因而排斥數位唱片唱盤。

　　第二: 目前新的錄音技術大為進步,且直接刻片的唱片品質驚人;還有45轉電腦化錄音的唱片,品質亦相當優秀,因此而否定數位唱盤的必要性。

　　不管怎麼說,數位唱盤的來臨的確是一大衝擊,使傳統唱盤必須做一定程度的改進以迎戰數位唱片唱盤,作者在此提出了一款直線循跡式唱臂,以解決就有唱臂的種種問題。

　　一支傳統的九吋唱臂,大致會產生2.3度的循跡角誤差,這樣的誤差,大約會造成0.7%的失真度。固然循跡誤差可由增加唱臂的長度而予以減小,但長度的增加卻會增加等效質量而形成共振上新的問題。事實上,很多的廠家都已停止生產長的唱臂,而已橢圓形唱針、適度的側面補償及抗滑等來妥協因循跡誤差所產生的失真。

　　上述的問題皆可由正切是唱臂解決,其實正切唱臂的想法已經孕育了許多年,但限於許多技術上的困難,這一構想只止於夢想而已。雖然Garrard也曾為解決循跡誤差而設計了唱頭旋動式的唱臂──Zero 100,藉著唱頭的轉動以改善循跡誤差,但問題並未解決,抗滑依舊需要,而且轉動的唱頭因機械上的設計增加了唱臂的轉動慣量。

　　驅動唱臂及轉動唱頭所需的能量全來自唱片表面的溝紋,但對正切是唱臂而言,這能量來自伺服馬達(Servomotor),而且唱臂的長度減為7.25吋,比原來的9吋唱臂縮短了19%。唱臂本身的質量減低了,而且唱頭的力臂縮短了,相對的調針壓的重錘(Counterweight)質量已能減低,如此一來,整支唱臂的等效質量大約減為原來的二分之一。

唱臂與質量

　　唱臂有較低的等效質量,其好處是對共振頻率的影響,唱臂的共振頻率為:Fo=2√MeC⌯1。

　　其中Me是唱臂及唱頭的等效質量,而C是唱頭的順服度(Compliance)。在一般的情形,Fo落在人耳不能聞的最低頻是最理想的,很不幸的是現今的唱頭,順服度愈來愈高,這使得Fo降到10Hz附近;這附近的頻率充滿了唱盤的抖動,及唱片不平所產生的超低頻。這些信號皆因唱臂的共振而大幅升高,這些訊號傳至擴大機及喇叭,嚴重的影響原有音樂的品質。為了配合愈來愈高的唱頭順服度,許多廠家開始找尋質輕的材料來做唱臂,譬如鈦合金及碳纖維即是,但這些材料畢竟太貴,而且循跡誤差依舊存在。

光線控制循跡

　　正切式唱臂的發展可以說得利於光電元件的引用,許多廠家都採用此一方式:以光照的偏差角度來驅動伺服馬達使唱臂移動到正確位置,但是整個驅動的機械部分卻是相當昂貴。因為對精密度的要求非常之高的原因,整個機械部分大約需美金500~1000元。

實際設計

　　實際上的設計參看圖1及圖2,整個部分是由兩支臂所組成的,比較底下的那隻,內裝有一枚24V的小燈,而固定在平台上作為基準用;主唱臂則以一般固定唱臂的技巧,固定於平台上,但能作微量的垂直及水平位移。在主臂下端固定一組感光二極體,其位置洽正對著底下的基準臂,參看圖3可以明白整個光耦合的結構大致是這樣的:參考臂透出光線的窗口只有1.5mm寬、5mm高,透出的光恰好落在二枚光二極體(BPW 34)的正中央,且稍微觸及二支二極體。圖4是固定二極體那部分的結構圖,圖5是驅動部分的線路圖。IC 741負責誤差放大,當兩枚二極體的受光亮不平衡時,741便有輸出;此輸出經電晶體射極隨耦器驅動伺服馬達的轉動。在這裡主臂的垂直移動是不會影響伺服馬達的轉動;而Tr1~Tr4則組成了警告電路,在正常狀況下,光線照射在兩枚二極體上而使得Tr1及Tr3導通,因此Tr2及Tr4被關掉,警鈴不響必須先移至唱片邊緣開始播放的位置,此一動作不能依靠伺服電路的控制。在圖5中,開關撥至1的位置即能將唱臂移過來,而電阻R是為了限制流過馬達的電流而設;當開關撥至2的位置時,便是正常的伺服動作;開關撥至3,此時馬達被切離電源,可以舉起唱臂;開關撥至4時,馬達電源反接,唱臂便退回原來位置。

　　參看圖6及圖7,承架唱臂是由兩個平台所組成的,底下的那個隨著旋轉軸的旋轉而移動,上面的那個則固定二支臂,上下兩平台以可旋動的螺絲固定著(見圖2),這樣一來,當Cue arm搬動時,唱臂便能自唱片表面提起。

機械方面的細節部分

　　兩支臂(基準參考臂及唱臂)都是由很薄的金屬管作成,唱臂的直徑為9.5mm,基準臂為5.5mm,由於採用質輕的鋁合金,使得整支臂的質量只有10克。

　　參考圖8,為支撐唱臂承軸的設計圖,這樣的設計使得唱臂能作上下及左右的移動,詳細的組合圖可參考圖9。

A3是兩支可上下調整的軸,支撐著A2,而兩個A2支撐著整個A1圓環,A2底下承架A3的圓錐形的杯口,其角度為90度。而C14(唱臂)則固定在A5上,A5由上下兩個A6承架於A1環中;同樣的,兩個A6的圓錐口也都是90度。

　　附帶一提的是調整針壓用的重錘(Counter weight)是由直徑1吋的黃銅作成,中間鑿一孔並襯以橡皮而嵌於唱臂,這樣做只是為了簡化而已,讀者有興趣,可翻開一下。如果只有一支二極體受光,譬如說是上面那支BPW 34受光,底下一支不受光,那麼Tr3導通,Tr4截止,不過Tr1及Tr2的狀態為何,控制警鈴的繼電器線圈沒有電流流過。如果底下的感光二極體受光而上面一支不受光,那麼Tr1導通,Tr2截止,不論Tr3及Tr4的狀態如何,線圈中依舊沒有電流。只有在當主臂偏離參考臂太遠而使兩支二極體同時不受光時,Tr3及Tr1截止,而Tr2及Tr4導通,繼電器的線圈流過電流,然後可以驅動警鈴或伺服馬達將唱臂舉起。

　　整個伺服電路的靈敏度決定於二極體的感度及741的放大率,741在這裡的作用為電流──電壓變換器。回授電阻R_f決定放大率,其輸出電壓為Vo=I_inR_f,所以調整R_f即能調整伺服電路的靈敏度。在理想上,我們希望有±0.2度的偏差時便能驅動伺服馬達。

伺服驅動系統

　　伺服系統包括伺服馬達,以及由馬達驅動的旋轉軸,此旋轉軸則帶動承載唱臂的平台移動。

　　驅動用的馬達,擬採用6V卡式錄音座所用的那種,此種馬達轉速平穩、雜音小;馬達的軸帶動一條皮帶,皮帶驅動齒輪,而齒輪咬住長條的旋轉軸。整個的轉速從馬達到旋轉軸約降至100:1,以尼龍質作成的齒輪不需要潤滑油,而且轉動時雜音小,很適合用在這裡。

　　一般的LP唱片,錄有音樂的部分其寬度約為3吋,播放時間15分鐘,因此平台移動的平均速度可求。但唱臂Randhawa的文章可得進一部有關此重錘的資料,該文在Wireless World, April 1978 page 63~68。

光電開關的製作

　　如圖3及圖4所示,兩支感光二極體是以一L型架及長螺絲固定於唱臂下方,L架上鑿四孔,使引線由此拉出。兩支二極體以膠水貼於L架上,須注意兩支二極體中間有片鋁質金屬板將兩者分開,這片隔板可隔離二極體表面光線的反射而影響到旁邊二極體的工作。

　　燈泡是使用24V 35mA的小燈泡,但以20V來驅動,這樣燈泡的壽命較長,而且以較低的電壓驅動時,燈泡所發的光線光譜偏向紅色,並富含大量紅外線,這剛好配合了感光二極體的動作,因為BPW 34最敏感的區域是在紅外線區。當然,這支燈泡也能以紅外線二極體代替,但紅外線二極體驅動方面要比燈泡來得麻煩。

　　馬達方面是採用6V的馬達,在正常電壓下正常運轉時,只吸取60mA的電流,但如果因過荷而停止旋轉時卻會吸收500mA的電流;因此驅動用的電晶體必須能承擔這些電流,而且必須固定在散熱片上以免過熱。雖然在理論上馬達並不至於過荷,但為免萬一的情形發生,因而在電晶體BD135的集極接入15Ω 10W的保護電阻。

　　電源方面,伺服馬達和電子電路都是用同一組20V的電源,此電源,此電源必須穩定化,且具有1A的電流能力。整個唱盤所需的峯值電流約為350mA,須注意變壓器磁場的隔離及變壓器本身的振動不能影響到唱頭,最好變壓器能放在另外的箱子裡。

組　合

　　整支唱臂組合妥後可裝上唱頭並調整重錘使達平衡狀態,若不能平衡,可試著更換較輕或較重的重錘。接著調整唱臂的高度,使得當唱針落在唱片表面時,整隻臂能呈水平狀態。當然,您可以調整唱盤本身的高度來達到此一目的,如果您是採用MKL15唱盤的話,這件事是很容易做到的。

　　您可以薄鋁片照圖12那樣剪一塊校準板,並置於唱盤上,先在板上畫出一條半徑線,然後移動唱臂至三條參考線的位置,看看線與臂是否平行。如果不平行,就須調整平台的角度,使達平行為止。

最後檢查

　　現在可以放張唱片看看伺服馬達驅動唱臂的情形,緊接著便可以調整伺服電路的靈敏度,如前所述:伺服電路的靈敏度決定於R_f,而驅動馬達的電壓則被13V的Zener所限制,如果有必要的話,可以更換此Zener以改善驅動馬達的電壓。在雛型中,伺服馬達的校正量為每0.5秒0.2度,細心的調整R_f當不難達此目標。

　　最後是機械部分的雜音問題,馬達本身產生的雜音是很少的,6V的卡座用的馬達若能降至5V使用,則產生的雜音更低。問題的所在是齒輪箱所發的噪音,設法採用合成橡膠製成的傳動系統能得到很好的效果。(譯自 The Audio Amateur 4/1982,原作者 Rod Cooper)

轉載音響技術第96期DEC. 1983 直線循跡式唱臂製作/王以德 譯