1933年,當美國羅斯福總統正傾全力設法渡過「經濟大恐慌」之時,那些幸運擁有房地產的人,則還能經常在壁爐旁邊藉著玩賞留聲機唱片來紓解這種緊張的情勢。從上一期「饒富趣味的全自動換片機」一文中亦可得知,這種留聲機設備是當時少數富有家庭的娛樂中心。

  他們玩的唱片是12吋大,轉速是78rpm,其係以蟲膠(Shellac)為主要材料,並以研磨過的乾柏油粉做填充物,而唱針(其實是鋼針)就在唱片表面的溝紋中循行。當時聲音的再生是機械式而非電子式,整個唱頭落再唱片上的重量大概有5盎斯(一盎斯=28.3495克);因此在最好的情況下,整套再生設備的頻率響應是150Hz~3000Hz,聽起來的感受是:有雜音、混沌不清、毫無層次感!

  而同一時間,在新澤西州的Murray Hill實驗室裡也有一批人在玩賞留聲機唱片。不過顯然這一些人比較高明:他們所玩的唱片是12吋大,但轉速是33rpm,而且係以塑膠製成。這種唱片表面處理較好,沒有很多的小坑、小谷,他們用電磁性的動圈式唱頭來播放,針壓僅有2克!從針尖所拾取的信號,經由一真空管擴大機放大,擴大機末端所連結的揚聲器包括號筒式的高音喇叭和15吋的低音喇叭!

  整個音頻響應範圍大約是從40Hz延伸到12000KHz,由Leopold Stokowski指揮費城管弦樂團演奏的音樂,藉著此套設備所播放出來的聲音真是好極了。而在實驗室的另一個角落裡,有一張唱片正在播放,唱片的輸出訊號被送進兩步擴大器和兩個大喇叭──這正是立體音響的實驗。

  到底Murry Hill實驗室是個怎麼樣的單位?為什麼他能在距今48年前就有了立體音響的重播設備?事實上,這個實驗室是由大名鼎鼎的貝爾電話公司(Bell Telephone Company)所支持的。

  今天我們談Hi-Fi、談Audio,這些聽起來很時髦的名詞其實也是在1948年間被大家「認同的」,也是從那個時候開始,「音響工業」才蓬勃發展Magnecord的立體錄音機、KOSS的立體耳機、和Shure的立體唱頭......等逐漸進市場。

  在1930年代,所謂的Hi-Fi器材都是源於廣播及電影工業,而且要買Hi-Fi器材也只有到無線電或電子零件販賣店裡才有。往後雖逐漸發展像唱頭、喇叭、擴大機等都分別的開發、生產,但數量還是有限。而真正的音響迷應該知道:1948年還是單音(mono)大行其道的時候,比起貝爾電話實驗室在15年前發展立體(stereo)設備,還是差得太多!貝爾電話實驗室對於發展「高傳真音響」所做的貢獻,以及內部成員的事蹟等,都值得後人探討,而且它還是非常有趣味的。

  貝爾電話實驗室是在1881年,由Chichester Bell兄弟和Charles Tainter所建立的,從事語言、聽覺、音樂及音響方面的研究;而對貝爾電話實驗室來說,推動這些研究的基本因素──改良電話品質和較佳的傳送方式,更是他們理所當然的工作。而在往後的日子裡,貝爾電話實驗室開始了對音響工業的長期貢獻。

  在1920年代初期,這方面已有了相當的進步。事實上貝爾的成員早就注意到圓盤式的錄音唱片,因此他們雖曾將愛迪生的圓筒錫箔改進成蠟質,但並未因而感到滿足。他們認為圓盤式的唱片很有發展,而且對電話聲音的改進可能亦有所助益。但以當時的技術而言,不論是錄製音樂或是語言,都有著相同的困難:頻率響應、動態範圍、失真特性。好在貝爾認定圓盤(disc)錄音和音樂再生是很有價值的,否則你我所使用的音響器材還不會這麼優秀。

  值得注意的是,在20、30、40年代,貝爾是一個相當龐大且成功的商業性企業,貝爾實驗室有著極大的技術及經濟資本,因此吸引了許多相當好的科學家和技術人才加入其麾下。著名的貝爾實驗室裡人事成員有:Harvey Fletcher(Fletcher-Munson響度補償曲線提出者之一)、Joseph P. Maxfield和Henry Harrison(二人共同發展電氣錄音)、Arthur C. Keller(一位真正多產發明家,而且相當有名,因為他發明了MC唱頭、發明了第一套立體音響系統)、Ira Rafuse(他和Authur Keller合力發明了單軌45/45立體唱片)。而於1931~32年,Stokowski領導費城管弦樂團與貝爾實驗室愉快的合作時,Authur Keller是負責錄音的工程師。

  說實在話,貝爾實驗室對於改進圓盤錄音及再生方面的研究,那種毫不吝惜的給與財力資助,在當時是找不出第二家的。即使在今天,能大把大把花錢做研究工作的公司,也不多見;而想再擁有多位技術人的話,就更不必提了。

  貝爾實驗室研究出來的第一項主要成果是1925年的電氣錄音問世。在1925年之前,所有的錄音都是利用機械再生式的。相信讀者們一定非常熟悉一張照片:一個樂團集中在一個號筒喇叭之前,而指揮正對著號筒大聲說話!

  那個號筒是錄音號筒,它將樂團所發出的聲音聚集起來去推動一個由Mica製成的振膜,振膜再驅動刻片針在轉動的厚厚蠟質錄音空板上刻出溝紋。但是由於聲波產生的力量實在是太小,以至於大部分的和聲(即使是在錄音器材的響應範圍之內)都無法錄進去。同樣的,由於每一聲音(頻率)都需極大的音量才驅動刻片針,於是就缺乏動態範圍。

  貝爾實驗室將發展電氣錄音的工作交給了Joseph Maxfield和Henry Harrison。他們的同事中有一位叫E. C. Wente的,曾經發展出第一個電容式麥克風,而此麥克風恰巧有足夠的靈敏度和頻率響應能將各種聲波音量轉變成電氣訊號。

  Maxfield使用真空管擴大機將麥克風的輸出訊號放大至足夠的電平以驅動刻片針在蠟盤上刻錄溝紋。而Harrison的貢獻則是刻片頭,這個刻片頭包括電極、刻針、連接軸承,以及一個硬橡膠傳輸線所構成的「電子機械網路」。他這個刻片頭設計係由電氣傳輸原理及電阻、電容、電感等原理為基礎的。

  有了Harrison的刻片刀,處理50Hz~6500Hz的頻率是毫不困難;這樣子具備有電容式麥克風、真空管擴大機、硬橡膠傳輸刻片刀所構成的完整電氣錄音系統,對音樂家來說真是方便極了,因為它們依舊在舞台上一面演出一面錄音,第一小提琴手也可以坐在原來的位置上......。

  在Maxfield從事電氣錄音研究時,由於不眠不休的工作,使得他對於唱片的直徑大小;特定的切片位置以及轉速等方面能做最精確的分析。這和有聲電影有極密切的關係,在1926年的時候開始以元盤路因為影片配音。Maxfield認為供給1000呎長影片作配音的圓盤,最適合的是16吋大,33rpm的轉速。

  依照Maxfield的分析,12吋大的唱片使用33轉速來播放是不十分理想的,用在影片配音或許還可以。因此他認為12吋的唱片配上45rpm的轉速是最理想的,再者錄音速度愈快,愈能錄下較高的頻率,而且暫態響應愈佳。如果說有某些缺點的話,那就是播放時間的縮短。而以現在的錄音技術言,若採用密紋錄音,則12吋45rpm的唱片,每面還能播放22~24分鐘,並且還保有極佳的錄音電平和低頻響應。

  至1930年,Harrison的橡皮傳輸刻片頭已被改良能產生30Hz~12000Hz的頻率響應,而且能做側面(水平面)、垂直面「山──谷型」的刻錄,使得45/45立體唱片終能實現。大約在1928年,Keller做了一個奇怪的兩頻段錄音實驗,Keller認為唱片上的失真主要是來自高頻與低頻間的互調,不僅來自單一頻率的諧波失真。他的「兩頻段錄音」是:以1000Hz做中間頻率,把能量較大的低頻錄在唱片的內側,把能量較小的高頻錄在唱片的外側,這樣就有兩個同心的頻段;而播放時是使用兩個相同的唱頭,其效果比起傳統的唱片來,在品質上有明顯的改進,失真極低。

  紐約的Roxy是一所很大的劇院,而且是一流電影的首映中心;劇院經常有音樂表演,但以由Erno Rapee領導的「80人交響樂團」最為有名,他們經常演出一些較通俗的曲目,像拉威爾的波烈露舞曲、雷姆斯基考塞可夫的西班牙隨想曲、柴科夫斯基的斯拉夫進行曲......等。貝爾實驗室的人設法將兩個優秀的640-AA電容式麥克風永久的裝置在樓下座位最後端,然後用兩條經過等化的電話線傳送到新澤西州的Murry Hill實驗室。每當Roxy有交響樂團演出時,Keller只要將開關一開,就有音樂傳來,而且還是立體聲響!Leller的一些同事還順便做兩頻段錄音,然後將唱片送給演奏者。

  雙頻段同心錄音並非只是實驗品,在1950年Emory Cook還真的推出上市,但十分麻煩。因為使用者必須購買唱片、播放系統整套設備,而且兩個唱頭要完全同步,再者唱片內側與外側的速率就不是完全相同的,因此仍是問題多多。

  經過多次的改良與實驗後,Keller又發明了一種多功能單針錄音系統,使得在一個溝紋內能產生兩個或多個聲道的聲音。但以當時的技術言,刻片頭時再沒有足夠的頻率響應來錄製寬頻率的二聲道,Keller又使用奇怪的雙頻段錄音,即一個聲道以垂直刻錄,一個聲道以水平刻錄;然後再逐漸改良,使兩聲道間的串音調變減至最低(英國DECCA公司也有類似的實驗)。雖然兩聲道被分開錄製,但Keller認為兩聲道有著不同程度的失真,這並非理想的設計。為了克服這個缺點,Keller和同事Ira Rafusu終於發明了45/45立體錄音系統,這個錄音方式一直到現在都還在採用。

  Authur Keller,現年81歲,身體依然健康,精神依然抖擻。對於45/45單軌立體錄音系統的發明,Keller表示;他和Rafuse早在1932年就已全部完成這項計劃,並由貝爾實驗室提出專利申請;但為了某些原因,到1936年6月這項專利案才被辦理,結果到1938年4月18日Keller與Rafuse才收到編號為2114471的專利證。

  可是就和Edwin Armstrong的情況一樣(請見本刊66期第36頁),也有許多人認為45/45立體錄音系統是由英國的Alan Blumlein在1933年發明的,因此到底誰是第一個發明者,到目前為止還是個懸案。好在Keller和Rafuse並未像Armstrong那樣,將畢生的精力投入長期而煩人的法律訴訟程序中;他倆也非常的樂觀,在旁人面前他們的說法是:我們的理論比較中肯些......。

  隨著貝爾實驗室對刻片技術的進步,有必要將唱片的表面做的更平滑些。而先前使用蟲膠作材質製成的唱片由於表面雜音太多,因此捨棄不用,改用無摩擦性純纖維的醋酸銅(acetate)來製作唱片,這是在1930年做的實驗,並證明醋酸銅唱片比蟲膠唱片來得平滑、雜音小。

  可是醋酸銅是一種吸濕性材料,在很潮濕的時候會不斷的吸收水分而使唱片彎曲變形。貝爾實驗室的發明家們又回頭找出了蠟,若依傳統方式則蠟值唱片的雜音會更大,因此決定特殊處理:將蠟的表面上塗以精研的石墨粉末,使其具有導電性。雖然是經過了精製,可是他們發現石墨份子仍然會帶來一些雜音。

  再一次的,又是賴Keller加以解決,這發明是唱片表面外層噴金的處理方式。早先也有人利用噴的方式但效果不甚理想。Keller的設計主要是:在一個高度真空的實驗室裡,精製的蠟盤被架著,並在螺旋狀鐵柵(接有電極)上覆上金子,電極則接到能將AC電壓升高的變壓器上,而螺旋狀鐵柵則被放置在臘盤表面上約1吋的地方。Keller這種方式的奧妙之處是當電壓達到極高時,由於電極做螺旋狀運動,於是黃金的陰極分子被均勻的撒在臘盤的表面上。

  實驗還是繼續進行,Keller準備改進以蠟做母盤的方式。原則上這片蠟要先經過精製,而且厚度在2吋左右,做成母盤後如發現在錄音時有錯誤,則以瑪瑙刀在欲修正的地方將蠟削掉,當然削過後就不合乎Keller的要求了。後來他又做了一個銅盤模子,邊厚¼吋,然後將蠟倒進盤子,如此做出來的表面更加光滑。(事實上這都不是純蠟,而是已加上了某些化合物,故Keller常說它是硬肥皂)。

  一旦蠟盤被刻錄及噴金後,就用蒸氣及腐螢性蘇打將蠟除去並清洗溝槽,於是露出來的就是金光閃閃的母盤負片。而貝爾實驗室大概也沒有將這張金盤再做處理就直接壓製唱片了。而湊巧有一天Union Carbide公司的代表向貝爾實驗室展示一種被稱為「合成樹脂」的新塑膠體,並建議可以好好利用製造電話器材。但這些優秀的發明家立刻就想到它可以拿來製造唱片,而且唱片表面非常平滑、雜音非常少以後再加上錄音技術的進步,使得動態範圍亦提高不少。

  早在貝爾實驗室努力改進圓盤錄音與聲音再生時,他們就決定專精於垂直刻錄法,而揚棄側切刻錄法。原因是:垂直刻錄的唱片,切割的深淺是隨著錄音時訊號的振幅而變動,於是唱針播放時也是忽高忽低的運動。到了這個時期,頻率響應可達到30Hz~10000Hz或12000Hz的範圍,而且具有60dB的動態範圍,這與現今的普通唱片幾乎不分上下。

  為了使顆錄效果達到最佳的情況,Keller又發明了動圈式磁性唱頭;第一個成品型號是「7A」,備有鑽石和藍寶石唱針,它的等價質量少於12.5毫克。以後再問世的是9A,它能播放垂直刻錄和側切刻錄的唱片;這兩型MC唱頭的循跡力(針壓)都少於10克。Keller稱這種唱頭為「髮針」式唱頭,因為在線圈上只繞有單層導線,而且它的輸出電壓非常低,但Keller的真空管擴大機有足夠的增益。他並且將9A以2克針壓來播放合成樹脂製成的唱片,效果十分理想。


  在Authur Keller所有的發明中,對圓盤唱片錄音最有貢獻的是"air advance ball",這是根據Bernouli(瑞士物理學家)原理而設計,它代替了老式的"jewel advance ball"。在未有刻刀之前,係以Jewel來處理刻錄的深淺;但刻錄時jewel advance ball會在蠟盤的表面上留下輕微的刻痕,這足以在完成的唱片上產生雜音。Air advance ball是利用低氣壓經過一小管子,尾端有個凸緣被置於靠近刻刀的地方;有氣壓在刻刀上的凸緣與蠟盤表面保持有大約2密爾的距離。因此,完成的刻錄深淺對蠟片的表面將不會造成任何足以產生雜音的傷害。有了這些高傳真的設備之後,Keller準備要和Leopold Stokowski及費城管弦樂團作歷史性的合作了。

  早在1930年初期,貝爾實驗室的Harvey Fltcher博士就和波士頓交響樂團的指揮Serge Koussevitsky接觸過,希望他能協助貝爾實驗室完成一些實驗,但Koussevitsky一直沒有給予肯定的答覆。後來Fletcher就找上了Stokowski,沒想到後者一口就答應了。Stokowski予1930年4月正式拜訪貝爾實驗室,並與Fletcher及其他貝爾實驗室高級人員會談,同時也參觀了一些正在進行中的實驗品。

  翌年4月8日,Stokowski寫了一封信給貝爾實驗室董事之 依的Harold Arnold,信的內容如下:──「如果我或是費城管弦樂團能對你們的音響實驗有任何幫助的話,我們願隨時聽候差遣。這些實驗可利用樂團在排練的時候進行,如此可以節省一些不必要的花費。我們排練時是絕對禁止任何閒雜人進場,所以你們的實驗將非常的隱密。而實驗的結果,假若你們希望,我們亦代為保守秘密。」

  接到信後,事情的發展非常快,幾個月後背爾電話實驗室就在費城音樂學院的地下室建了一個房間,裡面裝滿了電氣設施。

  Arnold博士在1932年的記事簿上曾經如此寫著:「很幸運的,經由Stkowski和善的幫助下,我們得在費城音樂學院裝配上我們的設備,並依我們的意願在音樂廳裝設麥克風,並且在排練及正式演出時都准許我們使用麥克風,甚至利用學院大樓的一間休息室做試聽室。」

  1931年4月,Stokowski對整個實驗下了個評價:完全賦與音樂再生所需的頻率響應和動態範圍。而這些實驗對貝爾公司來說則另有四大助益:第一,由此而得知操作電話時的傳輸電路上需做哪些改進,此傳輸線路是用來將音樂由演奏現場輸送至廣播電台。第二,推測如果使用分配是傳輸線路,將音樂直接送至每個家庭裡(就像裝電話一樣,電信局有根線拉到你家裡),則音樂在生的品質會比其他的再生方式更加可取(Stokowski的助手們特別堅持這一點,他們認為即使是最好的唱片、最好的廣播其重播品質依然差了一大截!)。第三,有利於影片配音品質的改進。第四,希望由此來影響唱片業、廣播業做重大改良。

  現在我們回到1931年秋天,看Keller和Rafuse如何進行歷史性的錄音實驗。Keller已架好了刻刀器準備做垂直刻錄及同心立體錄音;場地上有兩隻貝爾實驗室618-A動圈式麥克風被巧妙的擺設著。有些奇怪,先前提到過的640-AA電容式麥克風具有35Hz~10000Hz的平直響應,那為什麼要使用動態範圍較窄的618-A呢?其實這是選擇問題,618-A具有單一指向性,Keller認為它比較適合。而Stokowski卻一直被蒙在鼓裡,他還以為麥克風是著名的640-AA。

  Keller到現在都還記得十分清楚,1931年12月1日的排演,在那天Keller要求Stokowski演奏他認為最能表現整個樂團最大頻率響應與動態範圍的樂曲。Stokowski毫不考慮就選擇白遼士的羅馬狂歡節序曲,Keller坐在樂團的中央位置,Rafuse則在地下室控制機器;Stokowski則賣力的演出。十多分鐘後Rafuse說「這段錄音完美極了」,並將麥克風實情告訴Stokowski,但他已精疲力竭、汗流夾背不願意再來一次了。

  總之,前前後後Keller一共為費城管弦樂團做了128次錄音,所有的蠟盤都被送回貝爾實驗室做噴金及電鍍處理,並以乙烯基(Vinyl)唱片壓版;而128張錄音就被收藏在貝爾實驗室達50年之久。但是當決定把一些具有歷史性價值的唱片送給紐約林肯中心時,這些唱片顯示出來實驗並不完全成功,因為唱片還是有雜音。

  不論是使用純乙烯基,還是加上其他的化合物都有著相同的問題。另外有一點是費城管弦樂團所錄製的唱片從來就未打算做為商業性的發售,所以看起來就不像是完整的錄音,東一段、西一段,零零散散的,有點像是各自獨立的小品集。貝爾實驗室決定使用特製的STANTON唱頭來播放「金盤」,然後把信號錄在標準的磁帶上,如此一些單獨的精品就能夠被連續起來,而成為完整的曲目演奏。負責重新製作工作的是費城管弦樂團的Marsten四世。

  由磁帶上重新編輯過再壓製成兩張唱片,第一章有小部份是立體的,大部分是單音的,曲目有韋伯的邀舞、華格納的崔斯坦和伊索笛、穆索爾斯基的展覽會之畫......等;第二章則全部選自華格納最偉大的歌劇──尼布龍根的指環。很可惜,這兩張唱片是純為歷史性及紀念性意義發行的,未能普及社會大眾。

  1980年元月16日在一項儀式中,貝爾實驗室董事會主席William O. Baker博士將這兩張唱片贈予林肯中心,由David Hall接受。這兩張特殊的唱片將Stokowski的魔棒發揮的淋漓盡致,那三角鈴的聲音真是美極了!就雜音來說,兩張都有,第一張比較大些;而兩張的立體效果都不錯,左右的位置表現的恰到好處,意外的是有「中空」的感覺。給人印象較深刻的是第二張,音色宏亮,動態範圍也寬;第一張雖然表現也不錯,但高頻部份有點乾澀,而第二張則又加了些迴音效果,使聲音聽起來更為雄厚。

  這兩張唱片顯示了貝爾實驗室技術方面的可行性,當然由於這些天才們的表現,像Authur Keller、Ira Rafuse、Harvey Fletcher......等,在連續不斷的實驗中所導出的錄音技巧,以及同事間表現的長期合作精神,使得貝爾電話實驗室更值得我們敬仰。

轉載音響技術第69期SEP. 1981 根──貝爾實驗室對唱片錄音的貢獻/宋長波

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