磁帶錄音與盤式座(下) @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　　最近,按鍵式成時尚,但是方法還是一樣的,在這種結構中,壓帶輪和其他組件不是由活柱帶動的,而是用彈簧和槓桿來完成各種動作的,為一用到螺管之處則是自動停止機構,這種按鍵操作要稍微用力是必然的,不能像三馬達式的微觸按鍵了。

　　如圖24所示,迴轉時,皮帶將取自飛輪的轉矩傳送給供帶盤,使之轉動,有時候會用上一對滑輪來完成這項反向動作,如圖25所示,

在快速前進時捲帶盤座的轉差機構並沒有作用,而在正常操作情形下,飛輪(即主動轉軸)轉動,同時捲帶盤座的底部為皮帶所帶動,因此這個帶盤座是經過轉差機構而轉動的。

　　操作由快速前進和迴轉而言,捲帶側要輕微加上煞車,而供帶側的煞車要強勁。

2.暫停(Pause)

　　錄音過程中有時候要等候,此時就需要暫停機構了,其結構是除了壓帶輪釋脫而煞車加在供帶側外,其他都是正常的錄音狀態,而磁帶則是停止不動的,這種功用是由我們稱之為暫停(PAUSE)的按鍵完成的。其結構如圖26。

　　專業機型的馬達轉矩很高,任何錄音時的誤動作和空白可以在以後的剪輯過程中處理掉,但是基於經濟的考慮業餘者最好不要採用這種方法,因此,飛輪一開始就轉動,有這種功用的機構使得待命(隨時準備錄音)變得更容易些了。

3.意外抹音的防止

　　盤式錄音座中沒有特殊的裝置來防止錄妥的錄音帶遭到意外抹音,但是在槓桿轉進錄音狀態時仍然要按下紅色的警告按鍵,聊作預警措施。專業的機型則沒有這種輔助裝置,但是卻有一種安全裝置能防止按鍵因手肘或其他碰撞而意外按下。

三、盤式錄音座的必要條件

　　在稍早的一節中我們曾提過,我們對磁帶錄音機的要求似乎已經為卡式和匣式的最終情況及其最近的爆炸性發展所完全滿足了。如果有人對卡式的性能仍不十分滿意,還有稍微進步的超卡(L-cassette),因而使得盤式機的存在似乎只是為了保持高傳真的錄音和放音而已。

　　不論卡式的音質如何進步,也不論磁帶的品質變得如何的好,進入二氧化鉻(鉻帶)或金屬帶的境地,如果把這種進展用到盤式機上,其改善更為顯著,換句話說,盤式機的性能絕不會落後就像電子錶的性能勝過機械式的轉動,是一場贏多輸少的競爭,然而盤式機絕不會徹底失敗的,因為這場競爭不僅僅是時間的問題而已,因此,如果高傳真是盤式唯一的圖存之道,我們就來看一看其條件當如何。

1. 動態範圍要寬得能將麥克風輸入處理至近100dB

　　我們經常說樂團的極弱音(pianissimo)到極強音(fortissimo)是在50到60dB之間,這種動態範圍的寬度正常情況下唱片就算是採用變幅(variable pitch)法刻錄也無法達成.然而,對錄音機而言,寬得可觀的範圍也有可能,這就是何以磁帶寬度愈寬愈好而帶速愈快愈好的道理了,我們的目標是訂在至少38cm/sec. 和兩音軌時立體聲上。

2. 嗚聲和顫抖聲

　　轉速終放慢的變動稱做嗚聲(WOW),而較快的變化則是顫抖聲(flutter),如果是用目前的嗚聲計來測量,則通常是合而為一用百分表示,實際上是應當分別考慮的。

　　如果嗚聲特別嚴重,鋼琴的聲音(近似正弦波)聽起來就像二或三條走調的琴弦所發出的一種近似呻吟的聲音,因此嗚聲可以很輕易的由錄下再播出的鋼琴聲來判定,對聽覺良好的人耳而言,嗚聲在0.2%以上時鋼琴的聲音就不堪聽聞了。

　　顫抖聲是極微細的變動,因此能干擾波形,即意味能改變聲音的音質,是以對良好聽音能力的人而言,顫抖聲較嗚聲寧為困擾。

　　嗚聲和顫抖聲通常都是用一捲標準磁帶本身已經有0.03%的嗚聲和顫抖聲了,因此高品質機型的嗚聲如果能低於該值就無法測得,除非錄音和放音都是在該機上完成的,測試時要錄上一段單純的3000Hz頻率再重播出來以求得一個精確的指示,因為人耳對該頻率的感度最為敏銳,而低於0.05%的數值都很難於檢測出來,同時在該電平下會產生相當大的誤差,如果某個數字經過對人耳特性加以補償的加權(weighting)後仍在0.05%之下,則該捲磁帶的性能已至終極了,過此也無所可強求矣。然而,一些高級的卡式錄音座早就聲稱已達該數字了,因而盤式座本身的嗚聲和顫抖聲數字並不是最低的,但是卻能和其所能保持的一致,就算一部卡式座和盤式座都是低於0.05%,其他方面還是有差別存在的。

3. 偏離 (Dropout)

　　如果磁帶的張力能保持恆定,則磁帶以正常壓力加在磁頭上,我們也就沒有任何理由多加操心了,然而卡式座由於磁帶張力較弱以及磁頭襯墊的關係卻會有問題出現,如果你正在聆賞一段美好的音樂而突然之間立體聲的平衡有了偏移,豈不是很掃興?為了盡可能的減少這種現象,單馬達盤式座中的磁頭襯墊是不可或缺的。

4. 頻率響應

　　隨著帶速變快,頻率響應的範圍也增加了,因而無需等化電路來延伸錄音和放音的頻率響應就能錄下高頻的聲音也成為可能,這也意味著錄音放大電路和放音的前置放大電路的全面增益可以降低,以減少電路中所產生的雜音和失真,如果帶塑能有19cm/sec.,就不當有什麼問題了。

5. 分離度

　　卡式機中由於強1調單聲和立體聲的互換性,而把一條已經夠窄的音軌分為二,來容納左右兩個聲道,這樣除非磁帶的運行和磁頭的結構,包括導帶槽在內都非常良好,否則分離度只有20dB左右,比唱片差,至於盤式座,由於聲道寬度及音軌位置之間有相當餘裕,其分離度性能較優秀。

6. 獨立的錄音頭較佳

　　錄音時磁頭阻抗愈低愈好,線圈(尤其是有鐵心的)包括變壓用的在內部都要有良好的設計和結構,否則會有產生失真的可能,因此,最好是用這種問題不多的低阻抗錄音磁頭。

　　然而,為了獲致盡可能高的輸入電壓,放音磁頭的阻抗最好能有10的二次冪(x10²)之大,而隨著FET的出現這種要求更容易達成,這種阻抗自然也不宜太高,不過最好是放棄將兩者合而為一的念頭,或許你會說就是因為兩者得以合而為一才有卡式機的出現,事實上是限於卡帶的構造也不得不合併。

　　在專業機型中,這兩個磁頭是各自獨立的,在錄音時如果利用放音放大電路可以獲致相位稍微落後的信號,這是一種特殊的迷人之處。

7. 其他方面的問題

　　至此,我們已討論過磁帶運轉的問題,用磁頭錄下信號的問題,除此而外,偏壓雜音、放大電路中的互調現象以及許多其他的問題也能減損錄音和放音的傳真程度,但是有雜音抑制電路來減少這些失真,杜比(Dolby)系統是典型之一,此外還有很多輔助電路來擴展動態範圍,好比dBx電路便是,但並非所有這些對盤式座而言都是必需的,我們深信盤式的價值在於完全的利用到較寬的音軌寬度以及較高的帶速,而不是這些電路。

a. 麥克風和錄音的方法

　　盤式機和卡式不同,沒有所謂的內裝式(built in)麥克風,但是一定有兩個6.33mm的麥克風插座。今天使用最普遍的兩種麥克風是電動式(dynamic)和永久電極片(electret)式,而速度式(velocity)可以稱之為單匝電動式,但是最近已很少使用了,那是因為另外兩種是如此的簡單和操作簡便,永久電極片式是一種無需電源的電容式(condenser)麥克風,構造簡單、價格低廉而使用廣泛,至於室外錄音時,使用電動式似乎比較方便,因為它能拒斥風所產生的雜音。

　　麥克風依指向性(directivity)分有單指向(unidirectional)的和無指向(omni-directional)兩種,其原理在於如果振膜的前後相位相反,來自後方的聲音就抵消掉了,要做立體聲的錄音一定要用兩個單指向的麥克風。最近則開發出一種手執式的立體聲麥克風,內含兩組單指向的元件,其間角度可以調整,這在做單點錄音時很方便,在這種情形下兩元件的角度當在60~90度之間,單指向型麥克風由於其指向性如圖27右方所示,是心型的,故其有心型指向(cardioid)之別稱。

指向性自然也有頻率響應,對高音而言其指向性相當尖銳,因此,錄製管弦樂團或爵士樂隊的演奏時,其訣竅在於把麥克風正對發出高音的樂器,至於鼓和低音樂器的低頻指向相當寬,不論麥克風的指向如何都能收錄到,事實上我們可以說透過高音才能產生立體的效果,再生200Hz以下的聲音時根本沒有必要用到兩個揚聲器(用一個擺在正中間就可以了),用兩個只不過是要產生能使室動窗搖的能量罷了。

　　因此錄製鋼琴的演奏時(鋼琴恐怕是最難錄製的樂器),麥克風自然是要對正高音區域,如圖28所示,鋼琴有一塊共鳴響板,儘管經過多年的研究,仍無法和極高頻的諧波起諧振,是以除非恰當的安置麥克風,否則Yamaha鋼琴的錄音聽起來卻像Steinway或Bechstein的,也就是說會聽不出差別來; 可能的話麥克風應當懸掛自天花板垂下的細線上,或是放在一個非常重的物體上,以期能吸收震動,否則鋼琴踏板的聲音或爵士樂團員用腳打拍子的聲音都會收錄進來。就有這麼一次在一場大提琴的演奏錄音中,大提琴家全神貫注的演奏,但是大提琴支架輕擊地板的聲音也為安裝在地板上的麥克風收錄進去,所有這種震動都會收錄到而出現在錄音中,錯誤全是出在麥克風設置不當,就算是專業人員也會出這種錯的,自然他們的本意也不是存心與收錄這種來自支架的震動的,如果麥克風距離樂器太近,會連一些支支嘎嘎的聲音也收錄進來。好比說有一場錄音的評論是這樣的「你幾乎可以看到松脂油提琴的弓上飛揚出來。」另一方面,如果距離太遠了,室內的聲響也會混進演奏中,就會有回音產生,而優秀的麥克風設置卻能技巧的調和這些現象。

　　如果要錄一場相當寧靜的樂器獨奏,好比說是吉他獨奏,麥克風最好是由上向下斜而距離在50~100cm之間。

　　電子琴是一種電子樂器,和電風琴一樣是由揚聲器發聲的,如果在揚聲器之前能引出一對線,就能直接由該處錄音,但是不幸的是電子琴卻沒有這種便利,耳機插座是有的,但是阻抗太低無法直接連到錄音機的麥克風輸入端,要錄音的話可能只有現場演奏,再把鍵盤、踏板、室內的回響等聲音連同音樂都錄進來(或許這樣才更富「臨場感」!」。

　　同時在所有的情形下,兩具分離的左右聲道麥克風都不當分開得距單點錄音的位置太遠,如果相距太遠,就算是錄製管弦樂團之類的寬廣音源,中間也會有一處空洞,造成極度令人不快的立體聲效果。

　　複置麥克風(Multi-microphone)錄音最近變得相當流行起來,這對專業人員極為方便,因為每一種樂器都分別的予以錄音,事後才開始混音的工作,這也是多聲道錄音出現後才開始流行的; 而在錄製古典音樂時要裝置輔助麥克風來錄製音量較弱的樂器,好比說木管類樂器、豎琴或獨奏樂器之類的,但是很少用到多聲道錄音,由於強烈的相互干擾現象之故,我們毋寧推薦單點法而不是複置麥克風法。

b. 錄音機的馬達

　　馬達方面前面已經提過,此處只是作個總結。我們知道除了少數專業用得手提機型外,盤式機已很少做成手提式了,主要的還是在室內做錄音座之用。

　　用電池做電源的手提機型自然是採用直流馬達,而高品質的機種則會採用直流伺服馬達,最近這些伺服控制進展神速,價格也下降,因而一些小型輕便的低轉矩卡式座也採用伺服馬達,其數量反而超過交流馬達了。

　　過去直流馬達一度品質很差,由於震動、靜電、可靠性低而不受歡迎,然而,在低轉矩的卡式機中,用交流馬達轉矩太大,又佔空間,因此大多都轉而採用直流馬達,而盤式機由於能用交流電源所需轉矩又大,是以大多採用交流馬達。

　　和直流馬達比起來,交流馬達的鐵心要用上較多的鐵和銅線,因而較重也較貴。交流馬達的速度永遠和電源的頻率有關,因此一旦用到頻率不對的地方,要有選擇頻率和變動速率的方法,如圖29所示,或是採用頻率可以變動的伺服機構來完成,或是將磁滯馬達的變速滑輪做成可變型的。

　　至於主傳動軸馬達我們建議採用速度1,500~1,800rpm的同步磁滯馬達,而用皮帶連接飛輪,這種配置可以使高速轉動所生震動以及馬達本身的變動為皮帶所吸收,而不致傳送到主傳動軸去,這也是最經濟的配置,但是卻不要忘了每三年左右就要換一次皮帶。

　　另一種方法是採用交流伺服馬達而直接驅動,在這種情形下,如果帶速是19cm/sec,而主傳動軸直徑9.5mm,馬達的轉速應當在450rpm左右,這也意味著馬達要有16極,更意味著效率會低落而價格會上揚,另一方面,再這種速度時馬達的震動少,同時如果再加上伺服控制就更加理想了,圖7便是這種馬達的照片,外轉子就拿來當作飛輪。

　　渦流馬達用來做帶盤馬達最理想,因為其速度可以隨意變動,實際的應用還要將之做成杯型以減少體積,但是由於效率極差,大多數的三馬達式,包括專業機型在內,都是用異步(asynchronous)磁滯馬達來代替之,這一點我們不太贊同,但這似乎是為了求得多量轉矩的做法。

c. 磁頭

　　盤式錄音座中,抹音磁頭一定是交流偏壓的,因而抹音法就是交流歸零抹音,而最近又有很多種磁帶推出──薄帶、雙層帶、鉻帶等,使得磁頭間隙的寬度變得更窄,而鐵淦氧(ferrite)也變成了標準材料,但是比起稍後會提及的錄音和放音磁頭,卻有幾個問題。

　　關於錄音磁頭,我們來考慮交流偏壓法,過去,磁頭多是用鈹膜合金(permaloy)或鋁做成的,但是現在則是用鐵淦氧和一種稱之為Sendust的合金,因為後二者較耐磨損,由於盤式的帶速相當高,因而沒有必要將磁頭間隙做成只有若干微米(micron),實際的間隙是相當寬的,這樣可以減少磁頭磁化所生雜音。另外一點是立體聲的串音很少,可以有70dB或更好的數字,鐵淦氧和Sendust合金比鈹膜合金難於成形,同時還要經過一道水磨的最後磨光手續,故而精確度相當驚人,理想的磁頭當是低阻抗兼有寬間隙,結構如圖30所示。

　　對於放音磁頭我們付出的關注遠勝過錄音磁頭,間隙更要比錄音磁頭窄很多,而為了增加感度,阻抗相當高,而最近,外界感應雜音、串音和磁化雜音等都成為問題,但是由於卡式的進展而使得上述各方面都有神速的進步。

　　磁頭並不是永不磨損的,卻有很多人昧於此一事實,其實情況正像唱頭上的鑽石唱針一樣,鐵淦氧磁頭壽命較長,但是使用1000小時以後也會有0.1mm左右的磨損; 如果磨損面很均勻的話,還可以有2000小時的壽命,有趣的是磁頭也有迴光返照,在快完全磨損之前一段時間,會有相當好的性能,但是很快的就完蛋了。

　　要記住時時用酒精清理磁頭表面,如果你發現聲音變差或失真增加,最先想到的應當是磁頭。

第三章盤式錄音座的電路結構

　　現在我們來談一談錄音機的三個磁頭(有的只有兩個)如何工作的,即錄音磁頭、放音磁頭及抹音磁頭,其工作是透過電路來完成的。

　　錄音機的主要電路是錄音電路、放音電路、偏壓振盪電路、電源電路及其他一些輔助電路,其結構如圖31所示的一個實例; 錄音放大電路的作用在於提昇來自麥克風、唱盤或調諧器的信號到所需要的電平,來自麥克風、唱盤或調諧器信號的強度──稱之為電平(level)不盡相同,優良麥克風的輸出電壓約在0.1mV~0.3mV之譜,而來自一般唱盤的電磁式唱頭信號約有2mV,調諧器則有10~30mV,因此,這些不同的信號在送入錄音磁頭之前先要和錄音磁頭的特性匹配(即所謂的錄音等化過程)。

　　重播放大電路的作用則在於提升錄存在磁帶的信號(這些信號相當弱,通常只有1mV左右),使之和放音磁頭的特性匹配(即所謂的放音等化過程),並將之放大至另一部擴大機能處理的程度。

　　偏壓振盪電路是供應錄音偏壓和抹音所需電流,電源電路則提供其他電路工作所需電力,其他的輔助電路則在稍後提到時再予說明。

　　現在我們先來談一談有關錄音和放音的等化過程(equalizing),其特性如圖35所示。等化器,正確的說就是放音時的頻率響應等化電路,這種電路可以賦以放大器一個特殊的頻率響應,在錄音時提昇較高的頻率,而在放音時卻提昇較低頻率的信號,其理由稍後會詳細提及,其功用主要是在於補償錄音和放音過程中所產生的各種損失,而使得錄存再重播出來的聲音儘可能的和原音相同,其方法通常是強化錄音電路中較高頻率範圍的信號,以及放音電路中較低頻率範圍的信號,同時還要提昇信號雜音比以及動態範圍。

一、頻率補償

　　如果用一個頻率響應平直的放大器來從事錄音和放音的工作,磁頭的輸出電壓當是如何呢?通常其曲線會如圖32所示,如果錄音磁頭的信號電流是恆定不變的,則在某個頻率範圍之下磁帶會磁化成某一個固定的程度。

另一方面,如果放音磁頭暴露在磁帶所生固定於某個程度的交變磁場中,輸出電壓則會和交變磁場的頻率成比例增加,音而使得錄音磁頭電流和放音磁頭輸出電壓有線性關係,即以每八度音程6dB(6dB/octave)的比率上昇(即每一八度音程輸出電壓加倍,也就是說頻率加倍後輸出也倍增)。然而,隨著信號頻率的增加,錄音和放音過程中的各種損失也增加,而過某一點以後響應滑落; 錄音過程中的高頻損失基本上可以分成自去磁(self-demagne-tization)損失和錄音去磁損失,此外還有錄音空間損失、渦流損失和磁帶損失等,但是此處我們只討論自去磁損失和錄音去磁損失,各損失如圖34。

　　錄音頻率變高後,磁帶上的錄製波長變短,相臨而磁極性相反的質點有相互抵消效應的現象,這就是自去磁,頻率愈高這種現象愈增加,但會因磁帶的磁性材料不同而有所不同,是以磁帶最好由高保磁力(retentivity)的材料做成。

　　隨著頻率變高而欲錄製信號的波長變短,磁帶上的一點通過磁頭的間隙時,磁場會反轉,因而無法完成有效錄音,這就是錄音去磁。這種現象隨著偏壓電流的增加而增加,而錄製頻率增加時這種現象更形尖銳,同樣的,如果偏壓電流降低這種損失也會減少,但是如果偏壓太小了,失真會增加而輸出也滑落,因此有一種自我限制的現象。

　　放音時也有各種高頻損失,如圖32所示,錄存信號由放音磁頭拾得以後,理想情況下當有6dB/octave的增加,但是實際上卻會有各種損失產生,諸如磁帶厚度導致的損失、磁頭與磁帶間空間的損失,鐵心損失以及間隙損失等。磁帶厚度損失和磁帶上磁性物質層的厚度有關,隨著磁性物質厚度的增加,表面磁場的波長變得更弱; 磁帶磁頭間的空間損失是因為磁頭間隙和磁帶上磁性物質表面間的空間而產生的,會在錄製波長變短後突然增加,同時如果磁帶不能對正磁頭間隙,則不僅損失增加,電平也會變動,同樣的,捲曲的磁帶會使中心偏離磁頭間隙,也是不受歡迎的,因此,如果你對於獲致高傳真的錄音和放音效果很認真的話,除了要保護錄音機免於受損外,還要考慮磁帶的種類以及特別注意維護,否則無法獲致良好的效果。各種放音損失如圖33所示。

　　因此就算錄音磁頭流入的電流恆定,錄存在磁帶上的信號仍然會有圖32所示的頻率特性的,同時放音時還會有更多損失產生要計入,因而響應一定無法平直的。

　　重播一段流入恆定電流到錄音磁頭而錄下的錄音時,所得的頻率響應當是綜合有錄音損失和放音損失的曲線,這也是稍早提過的經由平直放大器所得的錄音/放音響應曲線,如何才能使這條曲線平直呢?

　　如圖35所示,如果放大器的頻率響應曲線正好和放音磁頭的輸出曲線相反,就能獲致平直的輸出了,然而,所有這種補償並不是完全要在重播放大器中完成的,考慮及音響的S/N以及線性(意味著輸入和輸出間的恆定比率,或者換句話說,輸入電壓的任何變動都要在輸出電壓上精確的重現)後,這種補償應當分成兩部份,一在重播放大器,一在錄音放大器中。

　　通常都是對較低頻率的強調在重播放大器中完成,而較高頻率則是在錄音放大器中,現在簡單的說明一下其理由。

　　之所以要將較低頻率在重播時強調,是因為重播時的S/N比,特別是所謂的嘶聲(hiss)不能增加,如果此時反過來強調先天就有較多雜音的高頻段,一定會有前述現象了,再者考慮及錄音放大器的動態範圍限制後,在錄音時強調低音頻率也是不智之舉。

　　既然已經瞭解到錄音和放音時響應的補償或者等化是什麼以後,試想如果任由錄音機製造者和音樂帶錄售者設定補償或等化的標準,局面會如何?如果某甲錄了一捲磁帶,再借給某乙以他自己的錄音機(不同廠牌的)來播放,聲音就不同了,或者你自丙公司買了一捲音樂帶來聽華格納(Wagner)的音樂,你可能會發現木管樂器的聲音不太對勁。

　　因此,等化曲線應當有國家或國際標準才行,現在我們就來談一談放音的等化曲線。

　　自從錄音機開始產售以來,隨著不同磁帶的開發成功,各國都有不同的等化標準,舉例來說日本就有1960年訂定而1966年修訂的日本工業標準(JIS),此外還有BTS、IEC、NAB、RIAA、EIA、DIN及其他所設定的標準,此後就有一項行動統一了這些各自為政的標準,目前NAB(國際廣播協會)的標準似乎是最廣泛採用的。各種標準的補償情形如表2。

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　　對較高頻域的補償量(稱之為高頻時間常數),或是較低頻域(稱之為低頻時間常數)都是隨帶速而變的,帶速愈慢較高頻處損失愈大,因而高頻時間常數自然也變得較大,現在我們就來看一看Hi-Fi錄音最常用到的兩種帶速──38cm/sec及19cm/sec。NAB對38cm/sec和19cm/sec的低頻時間常數一樣,都是3180u sec; NAB對19cm/sec(以及9.5cm/sec、4.78cm/sec)的時間常數是1965年訂定的,在此之前唯一的NAB時間常數是38cm/sec的,訂於1953年,這說明了低速錄音機在1960年代才步入實用階段。

　　38和19cm/sec.的高頻時間常數是50uS,100Hz時的電平和1KHz的相比要高上18.6dB左右,50Hz時則要高上22.6dB左右,至於在高頻範圍時,5KHz的電平會下降9dB,10KHz就下降10dB,如圖3所示。

這種規格的意義示如果用一捲NAB標準的磁帶在有NAB標準等化饗應的放大器中重播,其再生的頻率響應就會在如表所示的限制範圍之內,或許我們應當注意到放音等化器的響應並不是重播放大器的響應,但是卻包括了放音磁頭的響應在內,這意味著要視所用磁頭而定,也有必要對較高頻域做進一步的補償,換句話說,如果用的示NAB標準磁帶,重播放大器的響應要有所變動,直到適合表中所示的限制之內。

　　錄音放大器的頻率響應沒有訂定規格,磁帶如果能在圖36所示的限制中錄製而在標準的重播放大器中再生就很充分了,由現在開始你會發現,重播放大器往往是調整的基礎,這一點應當是沒有問題的。

　　稍早曾提過,重播放大器有下述兩種基本功用:

　　(1)將來自磁頭的極小電壓(大約1mV,即1/1000V)放大到能推動一級放大器。

　　(2)執行對磁頭的放音等化。

　　此處所賦與重播放大器的使命是很重要的,也就是說要清楚的將來自磁頭的信號予以放大,並不得產生雜音,前面曾說過,放音等化曲線顯示要重播50Hz的頻率所需增益要比1KHz的頻率多上個20dB,即要多放大10倍,50或60Hz是一般家電的頻率,而這種頻率對重播放大器會有極大影響,電燈線的頻率跑到重播放大器中後會怎麼樣呢?會使錄音機再生出來的聲音不是音樂而是無法忍受的哼聲。

　　第二點就要有一些技巧了,但是磁頭的結構也不過是銅線繞在鐵心上,簡單的說,線圈中低頻通過的情形良好,高頻卻不良,這種情形在電機工程上稱之為「阻抗」(impedance),而磁頭的阻抗隨著頻率的變高而增加。

　　如果磁頭連接到低阻抗的重播放大器上(磁頭的阻抗隨頻率而變),則超過磁頭阻抗等於放大器阻抗的頻率以後,來自磁頭的輸出電壓會逐步下降,輸出電壓會降到磁頭阻抗和放大器阻抗相等時的一半,這是問題之一,因此放大器的輸入阻抗一定要比磁頭所能再生最高頻率下的阻抗要高,實際上是高上5~10倍之多,如果放音磁頭在1KHz時的阻抗是2KΩ,而在15KHz時是30KΩ,則重播放大器的阻抗當在150~300KΩ之譜。

　　一開始時重播放大器用的是電晶體,但是很難使電路在高達300KΩ的阻抗時仍有良好的S/N比,好再上有一種半導體元件稱之為場效電晶體(FET),其工作原理和電晶體全然不同,製售的價格也很低,而FET的應用使得性能得以改善,此處我們無意討論FET的特質,但是FET實在是有很多傑出的特性,諸如(1)S/N比良好,(2)低失真,(3)傳輸特性良好,自然電晶體也有FET所沒有的優點,故而電路設計者要盡力的擷取兩種元件的優點。

　　現在我們找出一個重播放大器的典型結構,再分析一下如何工作的,如圖38所示,這個電路的第一級用的是電晶體,由於電晶體Tr1的輸入阻抗低,電路中還設計有增加阻抗的部份,我們可以在圖中看出各種用來減少流進Tr1工作電流、增加阻抗,同時改善S/N比的步驟。

　　放音等化是由R1 R2和C來完成的,C和R2組成低頻時間常數,而高頻時間常數則是由C和R1所組成的。

　　為了更進一步提升對高頻的補償,放音磁頭和電容C'並聯,以期C'能和磁頭線圈產生並聯諧振,還有其他方法也能完成等化,剛才這種等化是負回授式等化器,但是還有一種CR等化器,利用電阻器R和電容器C的效果,如圖39所示,

有些精通此道的仁兄認為CR式的聲音比NF式好,至於何者較好實在是見仁見智很難判定,但是自S/N比和線性的觀點看來,CR式由於必須介入放大電路中而較不受歡迎,而NF式如果設計良好,也能達成低失真的要求,在目前幾乎所有的機型都是採用NF式的。

二、錄音電路

　　現在我們來看一看錄音放大器的結構和功用,其任務是將來自線性放大器的信號提供給錄音磁頭(線性放大器則將來自唱盤、調諧器或麥克風的輸入信號予以放大)。

　　首先是錄音等化器,其特性經過剛才提過的重播放大器再生後,就是一個平直的頻率響應,一般說來,錄音磁頭錄存在磁帶上的磁性信號其強度和流進磁頭線圈的電流量成比例(假設鐵心損失可以忽略的話),因此,如要考慮錄音時的頻率響應,我們應當考慮的是流進磁頭電流的頻率響應,而不是電壓的,故而以下便是要連接到錄音磁頭的錄音放大器其必要的特性。

　　(1)必須能供應錄音磁頭充份的信號電流。

　　(2)信號電流必須能補償前面提過的錄音損失。

　　此外,錄音磁頭和放音磁頭一樣,頻率愈高阻抗愈高,因此,即令頻率變高了錄音放大器也要能供應充份的信號電流,除此而外,還要能供應額外的信號電流來補足高頻時錄音磁頭所生損失,最簡單的方法當是如圖40所示般將一枚電阻和電容併聯,再和磁頭串聯,

正如圖中曲線所示,頻率響應在f1之前都相當平直,但是由f1往後,響應開始以6dB/octave的比率上昇,而f1之值則是由電阻和電容的數值來決定的,頻率f2則是諧振頻率,由磁頭線圈的電感量和電容器所共同決定的,頻率接近f2以後,響應快速滑落。

　　這種電路的優點是成本低,但是如果想要增加錄製頻率範圍,就要增加電阻R之值,就意味著流進磁頭的電流會減少,如果還要有充份的電流,就要增加電壓了,雖然說有這種缺點,由於成本低,一般簡便型的錄音機仍然是採用這種電路。

　　為了能更進一步改善響應,高品質的機型多是採用一組由線圈和電容組成的諧振電路,如圖41所示,電晶體的射極上有一組LC串聯諧振電路,在此LC電路的諧振頻率f2附近時,電晶體的增益快速增加,至於說頻率f1附近的補常缺乏,可以在電晶體的集極和磁頭之間串聯上剛才提過的CR併聯電路,這樣就能獲致較為理想的全面特性了。

三、重播放大器

　　重播放大器和錄音放大器一樣,所應考慮到的特性包括頻率響應、失真、以及S/N比等; 錄音機放音時要用到放音等化,放音磁頭也有各種損失,程度各自不同,要將之調整到合乎規定,就要利用時間常數做出等化曲線,調整時是播放一捲標準磁帶,然後調整等化電路以使頻率特性平直。

　　至於播放標準帶時等化電路中能容許多少個dB的差異,則是一個微妙的問題,實際的情形是少許的差異對音質並不會有不良影響的。

　　因此,倒要取決於我們希望有什麼樣的效果,但是大多數的廠家同意在正常情形下維持在3dB之內就很充份了。

　　放大器中有各種失真(我們把失真定義為輸入信號波形和輸出信號波形之間的差異),失真對音質的影響甚大,既有諧波失真、互調(或內調)失真、暫態失真以及相位失真等,諧波失真愈低愈好,但是由於人聲和樂器都有其各自本身的諧波,如果有這麼一款放大器本身只有諧波失真的話,其對聲音的影響當不致太大的。

　　然而,互調失真卻未必如此了,同時有諧波失真的放大器往往就會有互調現象,互調的結果是產生一種完全不同的聲音,自然就會有粗糙和不純的現象,因此互調和諧波兩種失真一定要防止。

　　其次是S/N比,也就是信號和雜音之比,除了重播放大器內部所生失真外,任何其它與信號毫無關係的成份統稱雜音,訊噪比說明了放大器的品質,也是最重要的性能因素之一。

　　由於錄音機中,時有機械轉動部份,因而會產生大量的雜音,也使得降低雜音的電路更形重要,前面也說過,外界電源線的干擾和機械雜音要設法予以隔絕,同時要採用低雜音的元件,聽起來似乎很麻煩,但採用不會產生雜音的電路卻是極為重要的。

四、線性放大器(Line Amp.)

　　線性放大電路的目的在於調和來自唱盤的信號、調諧器的輸出或者來自麥克風的信號,予以放大成衰減,再送入錄音電路,因而是一個相當重要的單元,不過也和重播放大器一樣,所要注意的也是S/N比、動態範圍和失真。

　　所有的外來的輸入端子都先連接到線性放大器去,如圖42所示,大多數的機型都有麥克風和輔助(AUX)或直接(LINE)輸入的端子,實際上這樣也夠了,有些高級的機型還有唱盤和調諧器端子,這些端子不僅可以切換,甚至可能有各自的放大電路。

　　事實上所有錄音座的輸入端子並不需直接和調諧器、唱盤或麥克風等連接,錄音座往往是連接到功率放大器、前級放大器或收音擴大機上的,因此如果所有這些輸入都接到上述三者之一上去,錄音機就能直接獲致這些輸入,此時只要切換錄音輸入選擇開關,而無需插來插去這般費事了。

　　線性放大器一方面要放大來自麥克風之類的微小信號,另一方面還要能供應1V左右的輸出到前置放大器或收音擴大機,因此我們可以將之視作兩個主要單元,一個放大低電平的信號,另一個供應相當大的輸出。

　　放大低電平信號的單元,原理上可以視作和重播放大器上相同,除了頻率響應要充份線性外,也不需重播放大器的時間常數,(如果說放大器要直接接到MM式唱頭,自然放大器就該有配合唱頭特性的時間常數,好比說是和RIAA等化標準一致的。)

　　至於錄音座輸出所來自的放大器其要求則稍有不同(此處所謂輸出並不是推動揚聲器的輸出,而是要送入另一個前置放大器的輸出。),即輸出電平往往很高,還要考慮及動態範圍。

　　動態範圍是電路所能處理而不生失真的最低信號電平和最大信號之間的範疇,如果動態範圍太小,現象之一是如果麥克風有一個較大的聲音進入,就會產生失真,同時聽來刺耳甚或聽不到了。

　　決定動態範圍的最重要因素就是放大器的電源供應,一般說來供電電壓愈高動態範圍愈寬; 這也是錄音座輸出連接到其它放大器時所要考慮者之一,至於輸出阻抗如何倒也無需太過注意,理想情況下,輸出阻抗應當低,而高級機型的基本數值是600Ω左右,至於一般的機型則有1K~10KΩ,如果輸出阻抗過高,連接到其它放大器時就會有損失,此時不僅是無法獲致想要的音量,在極端情況下還會失卻高頻。

　　降低輸出阻抗最常用的方法之一是使線性放大器的最後一級做成射極隨耦電路,但是有的機型則採用功率放大器所用的SEPP電路架構,或是用SRPP電路,各有各的優點。(SEPP是單端推挽,而SRPP則是串接調整推挽。)

　　如果直線放大器的設計良好,則各種方法之間似乎並沒有太多差異,這一點是和重播放大器不同的,不過SEPP和SRPP兩種電路的確能供應額外的增益,以便採用負回授架構,因而得以更進一步的減少失真,亦能降低阻抗,所以由這種觀點看來這些型式的電路堪稱極為有利。

　　我們暫且換個話題來看一看我們已提過不少次的FET及其一些特質,FET就是場效電晶體(field-effect transister),具有很多傑出的性質,除了錄音機外,用在收音機和其他音響組件上也有非常好的效果。

　　FET和電晶體一樣,也是一種半導體裝置,但是其工作方式卻截然不同,因而特性也和電晶體不一樣,但是這一方面我們留給教科書來說明,此處我們且看一看錄音機如果採用了FET會有什麼優點。

　　和電晶體比起來,場效電晶體:

(1)具有極高的輸入阻抗,因而無需電解質電容器來交連,得以有利於音質和雜音的改善; 電路中用了太多的電解質電容會因為電容器的漏電流而引起颯颯的聲音,採用後這種雜音大幅降低。

(2)使得偏壓電路簡化,這意味著元件崩潰(breakdown)的機會減少。

(3)由於其阻抗非常高,連接到阻抗隨頻率而變的元件(磁頭或唱頭)時所生的損失會大幅減低。

(4)本身所生雜音一般說來非常之少,只有一些稱之為MOS FET的所生雜音比顛晶體多。

(5)其傳送特性能使互調失真低於電晶體。

　　至於有較低的雜音特性,儘管我們不能漠視電解質電容所生颯颯雜音得以消除的事實,FET在低頻雜音的消除方面並沒有太多的優點,但是在消除錄音機特有噪音方面卻有其獨到之處; 由於高阻抗、低雜音和低失真等特性,FET的用途已日益廣泛。

五、偏壓振盪電路

　　偏壓振盪電路是錄音機所特有的電路,作用在於供應高頻電流給抹音和錄音磁頭,所謂高頻通常都高達60K~100KHz左右,但是有些機種更高至300KHz。

　　理論上,由訊噪比和失真的觀點看來偏壓的頻率愈高愈好,但是抹音或錄音磁頭卻無法處理太高的頻率,因而只好用較低的頻率,同時如果頻率太高的話,偏壓電流就愈發的可能在磁頭內部產生熱,而不是在磁帶上產生偏壓效應了,在極端的情況下磁頭可能會熱得無法觸摸,或許會因而燒壞。

　　交流偏壓錄音法所用的偏壓頻率沒有標準,但是如果採用音頻範圍之內的頻率,則這個頻率也會錄進去而在重播實聽出來,或是和音頻信號混合而生拍差音(beat frequency),因而一般都是採用五倍於所欲錄製信號最高頻率的高頻來偏壓,甚或更高。

　　由於偏壓頻率的位準略高,一旦採用較高的頻率就會導致各種問題,諸如磁頭發熱、干擾調幅廣播、或干擾臨近的擴大機,這正是設計者大展身手的時候。

1.諧波失真要低

　　交流偏壓錄音時的要點之一是偏壓電流的波形必須對稱,如果不是這樣的話就會產生雜音,雜音和失真間似乎沒有直接關連,但是在高品質的機型中,一般是以低於1%作為偏壓電流失真可以接受的基準。

2.頻率要穩定

　　高品質的機型中往往附有偏壓陷波(bias-trap)電路,以防止偏壓電流流至其它電路中,但是如果偏壓振盪器的頻率和陷波電路的諧振頻率有了差距,陷波電路就失去作用,則對其它電路的干擾也變得嚴重了,極端情況下會變得無法錄音,同時,如果偏壓電流流進其他電路,則流進錄音磁頭的電流減少,錄音失真惡化,而如果流進抹音磁頭的電流降低,抹音就不完全,先前的錄音就會留下來,因此,維持偏壓頻率穩定是相當重要的。

3.電壓要穩定

　　正如上述般,錄音時偏壓的電壓變動其效果就和偏壓電流變化相同,會使失真增加。這樣的話,偏壓電流主要是和失真及頻率響應有關,太低了失真增加,太高了頻率響應的上部會受不良影響,偏壓電流和音頻信號加到錄音磁頭後,放音輸出隨著偏壓電流的增加而逐步增加,同時,如圖43所示,到了某一點後輸出呈現峰值,過此就開始跌落。

　　一開始失真快速滑落,然後逐漸開始維持齊平,偏壓的最佳數值是在放音輸出到達峰值又降落1dB之處,如圖中所示,而不是峰值之前有X記號那點,因為如果電壓因某種原因降低而偏壓電流設定在該點,輸出和失真都會受到不良影響。

　　最佳偏壓點也會隨音頻信號的頻率而變,頻率變高時該點降低,依據NAB的規定,基本音頻信號頻率是400Hz,現在我們來看一看一些代表性的偏壓振盪電路實例,圖44及45,原理上單端式和推挽式沒有太大差異,只不過推挽式在降低諧波失真方面稍有長處。

六、其他附屬電路

　　錄音機的供用就是要忠實的錄下原始信號,是以實際上並不需要有其他能力,但是有許多電路能使操作更簡便,那就是附屬電路,現在我們就來看一些典型的電路。

1.雜音衰減電路

　　錄音機錄音和放音時有一個共同的問題極為惱人,那就是和原始信號比起來電平極高的雜音; 尤其是磁帶的嘶聲特別令人不快,過去數年間也發展出各種方法來衰減這種雜音,最簡單的方法是在放音時採用一個高頻截止濾波器來濾除高頻成份,這樣不僅消除雜音,連音樂的一部份也會遭到濾除,因而使得頻率響應有所變動,顯然不是一個好方法,自然我們寧可採用一些既能除掉雜音又不致損失任何音樂成份的方法,這些方法中最出名的莫過於杜比系統。其原理很簡單,是利用具有相反特性的擴展及壓縮電路,在錄音時先行擴展音樂信號,而於放音時予以壓縮,即意味著其目的在於由錄音到放音的過程中,使輸入信號的特性不需變動而讓嘶聲等雜音受到壓製。

　　當低電平和高電平的信號同時到達耳朵時,人耳的結構會使得低電平的信號受到壓制以致無法聽到,磁帶的嘶聲本質上就是一個電平極低的「信號」,而在擴展和壓縮的過程中只受到壓縮,嘶聲音而受到衰減,是以實效上變得不可聽聞。

　　換句話說,壓縮和擴展的完成是依輸入電平和頻率而定的,錄音時如果輸入電平夠高,電路不會工作,只有電平變低時才開始工作,理由是輸入電平高時,嘶聲會因前述的掩蔽效應而不可聽聞。

　　輸入電平低時,擴展電路開始擴展(即提升其電平)較高頻域,擴展量大約是10dB左右,只有高頻範圍才受到擴展。

　　放音時的工作正好是反其道而行之,高頻範圍的電平壓縮10dB左右。

　　這種方法的要點是利用同一電路(相反的)來擴展和壓縮信號,以期確保錄音和放音的特性相同。

2.電平指示電路

　　加在磁帶上的磁場其強度超過某個水平後,磁帶就會飽和,使得低失真的錄音成為不可能,因此,要防止失真就要監視錄製信號的電平,指示裝置有很多種,諸如氖氣燈、魔眼，'電錶以及LED(發光二極體)等等,由於今日電晶體電路的發展,因而不是用電錶就是LED的,而除了少數的廉價機型外,幾乎全是電錶式的天下,電錶可以是VU(音量單位)式或是一個100uA的電流錶和一個二極體所構成。