第六章 拾音系統的工作和等價質量
選擇唱盤時要特別注意唱頭和唱臂的選擇。唱頭和唱臂有兩種基本分類,針壓輕(約0.5~1.5克)的唱頭要配敏感的輕唱臂,而針壓相當重的唱頭(大約2~9克),就要用較重和較牢固的唱臂。當然,任何類別的唱頭和唱臂搭配起來都能發出聲音,但是搭配不當會導致某些問題。
一、拾音系統的等價值量
拾音系統(Pickup system),即唱頭和唱臂的組合,可以如圖38所示,每一個單元的功用可以如下簡稱:唱臂的等價質量(mt),唱臂支點磨擦所造成的阻力(rp),唱頭的質量(mc),唱頭振動系統的彈性(包括唱針、唱針連桿、磁鐵或線圈、及懸置單元)(Sb),振動系統的質量(ma)以及唱片的支撐(Sr)。
音槽使這個拾音系統振動,其功用簡稱如下:音槽的振動(Vr),唱頭系統的振動(Va)以及唱臂的振動(Vt)。
如圖39所示,重量若干的球體掛在彈簧上,如果把球體往下拉再放開,它就會垂直的上下移動。
這種垂直移動的規則循環是由球體的質量和彈簧的彈性所決定的,而速度和初期所施加的力量成正比,如果彈簧是如圖39所懸掛的,就會拒斥反向的移動,這種運動也會發生在唱片和拾音系統之間,其諧振點當如圖40所示般,設定在低頻和高頻部份。
高頻時的諧振點是由唱頭振動系統的彈性、唱片的支撐以及振動系統的質量所決定的,我們稱之為高頻諧振,而諧振頻率可以由下述公式算出:
上述公式中唱臂的質量並未列入考慮,這是因為高頻諧振要有重的質量,因此唱臂的質量(mt)實際上是沒有限制的。
而低頻諧振是由唱頭振動系統的彈性以及唱臂等價質量(mt)所生迴響現象決定的,其諧振頻率可由下式算出:
由於唱臂的等價質量高,低頻諧振又往往稱做唱臂諧振。
這種諧振堪堪可以和球體及彈簧的運動相比,但是由於所施加於球體和彈簧的力量不定,諧振未必經常發生,「諧振」兩字的意義是:如果在振動的某個週期(或頻率)下賦以運動(或速率),則在此一振動的該週期會產生一相當大的力量。
機械操作可以由下式算出:
由上式可以看出,較高的速率或較高的機械阻抗任一都可以獲致較多的動力,這裡可能有些東西是不容易了解的,好比說,你會發現「振動的週期(頻率)」等字眼並未出現在公式中,而有關諧振的解釋中的卻有這麼一句,另外就是挺生疏的「機械阻抗」。
目前我們暫時把那句話的疑問拋在一邊先看一看寫諧振頻率和機械阻抗關係的式子:
簡單的說,產生最大機械阻抗的頻率就是諧振頻率(fr),如果以另一種方法來考慮,諧振的功用在於賦與振動系統一個最大的力量,即令所施加的只是正常的速率,換句話說,在考慮及上述有關拾音系統之觀念的實際觀點後,產生最大機械阻抗的頻率,即諧振頻率會受到唱頭質量、振動系統、唱臂質量以及振動系統和唱片間的懸置(或彈性)等條件的影響。
我們再談一談機械阻抗的觀念,我們先看一看拾音系統在整個頻率範圍的運動情形。
如圖41所示,在高頻範圍時(即曲線中標有④之處),Sb可以輕易的振動(機械阻抗低)而mt難於振動(機械阻抗高),輸出電壓和速度(Va)成正比,因此頻率響應是平直的,之所以速度不是和音槽的振動(Vr)成比例,是因為唱片上有少量的彈性介入了振動系統。
而在超高頻域⑥時,唱片的機械阻抗降低(頻率曲線不穩的移動),因此音槽的振動為唱片的彈性所吸收,無法帶動唱針連桿而使輸出電壓降低。
在⑤的地方,機械阻抗增加到一個較高的程度,這是因為前面提過的高頻範圍內的諧振,使得振動系統有充分的力量擺動,產生較高的輸出電壓;而在①處的超低頻域,Sb的機械阻抗增加,Sb和mt同時振動,輸出電壓減少,所幸的是,由於這種衰減使得因唱片彎曲而生的雜音以及唱盤馬達的轆聲也同時消除掉。機械阻抗的特性如圖42所示。
②的地方表示低頻諧振,機械阻抗因唱臂等價質量和振動系統的懸置而變得很高,在這個諧振頻率時,會產生較高的輸出電壓。
③處mt幾乎是平直的,能產生某個和音槽速度成比例的電壓,而由唱針連桿感知到這種振動,這種情況和④相同,頻率響應平直,而在③和④之間,頻率響應隨著唱頭的型式而變,在某一點上機械阻抗降低,可由公式⑥求出,而機械阻抗的降低是因ma和Sb的平衡而生,即會在低動力時也能有高的振動的速度。
但是這種現象說明了有較平順的移動,頻率響應沒有變化,而由這個頻率向低處延伸,機械阻抗增加,依此而訂定出RIAA特性。
現在我們更進一步的來研究機械阻抗。
根據歐姆定律,E=IR(E=電壓,I=電流,R=電阻),我們將之改寫成解釋機械阻抗的式子,變成:力量=速度×機械阻抗,和歐姆定律極為相似,歐姆定律適用於直流電路,同時原則上也能用在交流電路上,電阻增加了而電流不變,則某一頻率的壓降也增加。
如果以速度取代電流,機械阻抗代替電阻,固定速度的動力取代電壓(不管速度固定時的頻率為何,速度控制式唱頭的電壓恆定不變),結果是機械阻抗愈大,動力也等比例增加。
二、拾音系統的諧振點
唱臂和唱頭的諧振是在低頻或高頻時才結合起來呢?
答案是在低頻時的諧振(又叫作唱臂諧振),低頻域的諧振頻率是由唱頭振動系統的懸置及唱臂的等價質量來決定的,可以依照公式算出,而隨著不同的唱頭和唱臂的結合,可以有不同諧振頻率。
唱頭和唱臂的結合形式是由諧振決定的,那麼等價值量又是什麼呢?
在機械振動系統裡,等價質量的定義是:振動系統的慣性矩(inertia moment, I)除以支點到針尖距離的平方,如果唱頭的質量是Mh,而平衡垂的質量是Mm,則等價質量可以由公式(8)概略的算出,假設唱臂管的重量可以不計入:
由這個算式看來,似乎拾音系統的等價質量只是由唱頭本身的質量來決定的,而和唱臂的質量無關,然而我們知道較重的唱頭就要用較重的平衡錘,而唱必要配合唱頭來限制下面會提到的唱臂諧振,由此我們可以看出唱臂對拾音系統的等價質量是有充分影響的。
我們不能這麼說等價質量和振動系統的彈性所決定的低音域諧振頻率多麼高都無妨,我們應當選用對邊際可聞頻率(20Hz)或雜音頻率(若干Hz)沒有影響的諧振點。圖43所示的是低頻諧振和唱片彎曲的情形。
現在舉個例子來說明,裝在SME 3009 II Imp.型唱臂上的STS 555E唱頭,是一個典型的唱頭,由於這種結合其等價質量(mt)是17克,而順服度是剛度的倒數,我們可以用到諧振頻率的公式,算出來是9.6Hz,這是最理想的結合,因為不受唱片彎曲所生雜音以及可聞區域以外雜音的影響。
這種結果是因為唱頭結構的關係,就算是等價質量只由唱頭本身的質量來決定,也會因調整唱臂的平衡錘而有所改變,因此唱頭和唱臂的結合一定要詳加考慮,因而重唱頭和輕平衡錘唱臂結合,而做輕針壓使用是不智之舉,不宜輕易嚐試。
三、拾音系統的實務
1.振動系統質量的降低
為了能有清晰、高品質的聲音,而頻率響應和暫態響應也要有所改變,唱頭振動系統的質量應當盡可能的小。
首先,振動的工作元件包括唱針、唱針連桿和磁鐵(或可動單元)在內的質量都要減少。
唱針連桿的質料必須要硬而輕,而全面設計更要詳加考慮,例如讓唱針連桿漸漸變細或是採用雙終端都是典型的方法,技能強化唱針連桿又不致增加其等價質量。
唱針連桿的質量和強度若是減低了,會因為扭曲或彎折而導致頻率響應曲線有突昇的現象,因此資料和設計都要詳加考量。
而唱針除了鑽石外很難找出第二種合適的材料,而從等價值量的觀點看來,降低唱針的質量最為有效,因為唱真是振動系統中距支點最遠的單元。
或許會有人認為唱針是完全落進唱片的音槽中;實際上是只落下1/10到1/20的程度,換句話說,我們可以將之看成一座冰山露在水面上可以看得見的部分,這樣的話,唱針可以設計成更短,基於此一觀念,市場上已經有非常小的唱針問世,乍看之下簡直看不見。
要把唱針裝上連桿,正常的方法是這樣的：首先,在唱針連桿管頂端開一個小孔,以便容得下唱針尖,但如果針間非常小的話,就用黏的(而在今天,就算是造一棟房子也可以用黏的,省了用釘子),好比說,如果唱針連桿是鈹質(beryllium)的,唱針就要用黏劑上,而不能在上面開孔裝上,這是因為鈹的比重(3.52)和鑽石的相同之故。
就算是很小的一塊磁鐵也有很強的磁力,在唱針連桿後方的小磁鐵就有充分的磁力可以吸起一枚針或釘子,特殊情況下,可以用鈷(cobalt)磁鐵來產生更強的磁力。
在將來會有法子解決各種問題,包括減少各元件的重量,以及設計成某種形狀來減輕整個振動系統的等價質量,在靠近振動系統支點附近用上相當重的元件可以減輕等價質量,因此,採用盤狀磁鐵靠近阻尼單元或變更唱針連桿的設計都能湊效。
2.低溫時唱頭不能正常工作
阻尼,作為振動系統的支點,通常是由彈性材料做成,因此有時候無法轉動,反而會向錯誤的方向移動,為了防止這種不當的移動,要用特殊技術來處理這個當作支點的部分。
例子之一是懸置線的採用,以防止唱針為唱片的磨擦帶動時,振動系統會產生前後的位移或失真,此時支點為懸置線牢固的把持住。
阻尼一般都是由合成橡膠所做成的。
不幸的是合成橡膠的黏性隨溫度而變,低溫時合成橡膠會變硬。
因此唱頭要在溫度控制在15~20℃的環境下測試。
而冬天時,聲音會變,很難產生高音。
唱頭、錄音機和磁帶等音響組件只有在正常室溫時才能發揮最佳的性能。
3.新的唱針連桿材料
唱針連桿的作用是要把唱針間的振動傳到磁鐵(或其他可動單元)上去。
為了能有高性能的循軌,要增加唱針連桿的長度來減少機械阻抗,並使唱針能在較寬的音槽循行。
但是這樣會使磁鐵的轉動角度變小,因而使得輸出電壓降低,因此,要適當的選擇唱針連桿的長度。
在許多情況下,要減少唱針連桿的質量來降低振動系統的有效質量,這又意味著唱針連桿必須細又短才行,但是如果唱針連桿的設計變成這樣,就要用極端牢固的材料來維持其強度才行。
一般說來,唱針連桿都是由氧化鋁管做成的,其他牢固又質輕的材料有鈦、碳酸纖維以及鈹等。
碳酸纖維是做黑色高爾夫球桿的材料,也可以做音響用揚聲器。
由於其質輕、牢固而內部損失又低,所以很受歡迎。
鈹是很理想的材料,但是很難成形,阻礙了廣泛的使用。
同時鈹又和玻璃一樣易於折斷,儘管玻璃比鐵還要硬。
自從特殊的成形方法研究出來以後,鈹就可以用來做揚聲器的振片以及唱針連桿了。
最重要的還是能充分利用其特性,但是一旦這個目的達到後,就又要開始找更新的材料來獲致更高的性能水平了。
今天,新材料的研究還在進行,包括鈹和碳酸纖維在內,要知道就算是唱頭或其他換能單元有小小的改變,對聲音都會有巨大的影響,所以材料的選用是一個很重要的因素。
4.唱頭的負載
詳細檢查一座播放分離式四聲道唱片的唱盤以後,你會發現唱頭、頻率響應和相位響應都有顯著的改進。
這種技術上的進展對二聲道或四聲道的唱頭都有好處。
諸如45KHz的載波信號唱頭都可以再生,但是卻會因連接唱臂到擴大機導線的電容量而變化,音響器材的隔離線通常都有100~200pF(pico farad,微微法拉)的電容,而45KHz的高頻信號會被200pF衰減,所以幾乎所有的唱盤都用低電容(50~100pF)的導線來連接到擴大機。
MM式唱頭由於有額外的線圈來獲致較高的輸出電力,所以內部阻抗呈電感性,而高頻特性會因負載電阻而變,幾乎所有的此類唱頭都有47KΩ的負載電阻,以期和擴大機的輸入電阻47KΩ匹配,因此不該有問題產生。
今天,唱臂和導線的總容量大約是100pF,大多數的唱頭都能適用,除非唱頭的額定容量定在200~300pF。
而設計新穎的擴大機其唱頭輸入除了可以選擇不同型式的唱頭(MM或MC)外,還可以選擇不同的負載電阻和電容,以資匹配。
第七章 唱頭的種類
唱頭使用期限到了以後,音質就開始變化,這種變化就意味著該換唱針了,對MM(動磁)是唱頭而言,換唱針是簡單不過的事,但是許多其他的唱頭型式,換唱針就不是那麼簡單了。
現存的唱頭有好幾種型式,最普遍的是動磁式,唱針的置換很簡單,也是MM結構的主要特色。
而另一方面,MC(動圈)式唱頭的唱針由於其結構的關係係是無法更換的,或是要送回製造廠才能更換,而其輸出又相當的小,因而要用昇壓變壓器或是唱頭放大器,因此MC式不僅結構不同,使用也不同。
本章就是要討論不同型式的唱頭,現在就從MM和MC式典型的結構開始。
一、和速度成比例的唱頭
表一是唱頭的分類,輸出電壓和振動系統在唱片音槽所拾得的振動速度成比例,因此,MM和MC式的唱頭都是「和速度成比例的唱頭」。
動磁式唱頭有時也稱做電磁(electro-magnetic)唱頭,在這種動磁式的唱頭裡,如果磁鐵靠近線圈振動,會使磁場產生變化,因而在線圈上感應到電壓。
換句話說,動磁就是磁鐵在振動,而另一方面,動圈式的輸出是得自線圈的振動,因此,MM和MC式的結構正好相反,如圖44所示的。
而動磁是因發展較早,只是磁鐵式唱頭的一種,磁鐵式,如圖所示,可以分成兩類相似的和一類不同的型式,我們一類一類的看。
1.動磁式(Moving Magnet Type)
我們先由最普遍的動磁是開始,雖然說佔有了整個市場的80%,動磁式的歷史是隨立體聲唱片的問世才開始的,只是唱片再生和唱頭(拾音)歷史中的一頁。而其之所以能在眾多類型的唱頭中頗為流行,理由很多,計有:在大量生產的基礎上,由於其構造簡單而能維持恆定的品質;充分的輸出比動圈式大得很多,使用簡便,唱針置換也容易。
雖然說和廠牌有關,但是一般說來動磁式唱頭有順服度較高的振動系統,這是源自磁鐵式的特性,這種特性使之得以能在刻錄電位較高和振幅較大的唱片音槽中循行。
ⓐ動磁式唱頭工作原理
唱頭是一種換能單元(transducer),能將來自唱片音槽的物理振動變成電能,圖45就是動磁式唱頭如何把來自唱片音槽的振動轉變成電壓。
有N匝線圈的軛鐵置於永久磁鐵所生的磁場中,此時磁通受軛鐵的導引如圖中所示般穿過線圈,如果磁鐵和軛鐵都不動,等量的磁通如箭頭所示的方向流動,線圈上沒有電壓出現,而圖中磁通分布的形狀,就像把一塊磁鐵放在一張舖滿鐵屑的紙上時所出現的一樣,如果把磁鐵比做蘋果心,環繞的磁通就像蘋果形狀的分佈。
如果磁鐵移動了,圖45會如何呢?如果磁鐵振動或旋轉,穿過繞在軛鐵上線圈的磁通就會產生變化,依圖中所示公式算出的電壓就會感應而生於線圈上,公式是說當磁通Ø在時間dt之內有了dØ的變化,則N匝線圈上產生了E的電壓,同時這個公式也可以證明唱頭是一個換能單元,它將振動變成電壓,在公式裡,Ø是和振幅成正比,或是如果磁鐵振動的範圍很小的話,就和其迴轉的角度成正比,同時依照此一公式,唱頭的輸出電壓也是與之成正比的,這就是何以這種唱頭稱之為「和速度成比例的唱頭」了。理論上動磁式唱頭的原理是磁鐵的振動在線圈上感應出電壓,但是實際上的動磁是唱頭也有很多變化,如圖46所示,其結構和工作情形也有所不同,雖然說原理是一樣的,但是其結構卻會因為設計工程師的想法和態度,以及製造廠家的不同而有所變化,其變化恰如圖中所示,其實這些圖形都已經簡化了,實際上還有更多差異存在,好比說體積和線圈的安排,振動系統的裝置方法,乃至磁鐵和唱針連桿的平衡等。
如圖(A),唱針連桿位於極片的對稱軸上,在磁路上是平衡的,沒有位移時(未播放唱片時),左右聲道都沒有磁通,一旦唱針接觸到唱片,磁通就像圖47般通過,其方向隨著唱針的變動而變化,因此立體聲的信號可以在左右聲道出現。
圖48所示是圖47中唱針連桿位移和磁通變化的關係,圖中是以唱針連桿的位移作水平軸,而以磁通當垂直軸,虛線則是另一聲道的情形。
而線圈的配置與接線是要使所感應的兩個電壓相加,如圖48所示,相加值呈現於Ⓐ的右方和Ⓑ的左方,因而如果和單獨的一個線圈比起來,可以有較高的輸出電壓以及較寬的比例範圍,這使得唱頭可以在較寬的範圍內循行於唱片的音槽中。
現在再回到圖46中,(B)大體上是和(A)圖相似的,雖然說軛鐵是彎曲的,唯一的差別是唱針連桿和振動系統阻片的關係。
(B)圖中支撐磁鐵的阻尼位於唱針連桿的後方,磁鐵則是圓盤狀的,振動系統由阻尼支持住,可以向任何方向移動,更有甚者,諧振也受到抑制,但有時候會向不當的方向移動。
至於圖(A),振動系統不僅是以阻尼為軸轉動,而且會被拖向唱片轉動的方向,因而會和極片平行移動,導致互調(cross modulation)現象,為了防止這種平行的移動,可以用一條極細的鋼琴線懸掛在唱針連桿上,來固定振動系統的中心,而在(B)圖中,振動系統的中心則較為穩固,因為懸掛的線能把持阻尼的後端,而磁鐵又是圓盤狀的,磁鐵佔有振動系統重量的大部分,距支持點很近,因此由唱針看來的等價質量相當小,使得高頻範圍的特性較好,而大多數(A)圖形的唱頭都有絲線懸住唱針連桿以消除側向移動,而維持在振幅的中間循行。
(C)的振動系統和(B)相似,但是軛鐵則完全不同了,如圖49所示,每一聲道的極片都有三個分支,形狀像「E」,線圈繞再中間的一支,可以從磁鐵厚度的方向獲得能量。
(C)的簡化情形可以如圖50所示,如果唱針連桿循箭頭所示方向移動,磁通則由N極開始,穿過E形軛鐵的分支1及分支2、3,到達S極,E形軛鐵的特色是對磁通變化的比例範圍較寬,但是如果磁鐵沒有繞有線圈的分支對正,就破壞了磁通變化的平衡,再處理高振幅的信號時就會在兩個聲道中引起失真。
(D)圖中的唱頭左右聲道各有其獨立的磁鐵,雖然說這一對磁鐵互成90度角的裝上,如圖51所示,其產生電壓的方法還是和(A)的情形相似,如果某一聲道沒有信號輸入,相關的磁鐵只會轉動,磁通無法穿過軛鐵,因而沒有信號的聲道就不會有輸出電壓。
這樣可以改善串音特性,而使聲道分離度加大,由於磁鐵的裝置和唱片音槽成直角,這種唱頭的結構和刻片的針頭相同,然而要用上兩塊磁鐵,故而很難減輕重量。
ⓑ動磁式唱頭的特色
動磁唱頭之所以會大量的生產,以及廣泛的使用於各種場合,由廉價的產品到頂尖的唱盤,主要是由於振動系統相當簡單,又容易製造。
而其他的特色使之能凌駕於動圈式唱頭還有:相當穩定的特性、對性能可做較佳的控制、輸出電壓較高、唱針置換簡單、由於懸置線的應用使得振動系統有較穩定的移動因而失真較低,這些都是動磁唱頭優於動圈唱頭的地方。
另一方面,電磁唱頭也有一些缺點,為了高的輸出電壓和音質,線圈的匝數和軛鐵的質料要保持平衡,同時,由於高頻範圍時阻抗較高,負載電阻會被動,同時會因而出現哼聲。
2.感應磁鐵式(Induced Magnet Type)
前面提到的動磁式唱頭式1960年由SHURE公司推出的,因而擁有這種型式在美國的專利,也因而有了不侵害這項專利的其他型式出現,前面的(D)圖就是一個典型的例子,而在感應磁鐵式中,是用了一個高導磁性管子來取代動磁式後方的磁鐵。
再唱針支持點上有一塊磁鐵,所生磁場可以傳到高導磁管上。
ⓐ感應磁鐵式唱頭的原理
圖52所示為感磁式(IM)產生電壓的原理圖。
磁鐵所生磁場中置有繞了N匝線圈的軛鐵,和一片小鐵片,如果小鐵片振動了,穿過軛鐵的磁通就會產生變化,線圈上因而感應出一個電壓,和鐵片的振動速度或轉動角速度成正比,而這片鐵片的作用就像磁鐵,因此,感磁式可以說是動磁式的變體。
如果不用鐵片,而用一種重量較輕稱之為μ管(μ-pipe)的高導磁性管子,可以減輕振動系統的重量,減輕由唱針量起的等價質量可以在某一頻率範圍中獲致較小的機械阻抗,因此感磁式可以很輕易的使振動系統的質量有顯著的降低。
感磁式的簡化結構如圖53所示,μ管位於動磁式中磁鐵的位置而磁鐵又靠近μ管安置,如果把μ管看作是一塊磁鐵,振動系統就和動磁式極為相似了。
在圖53的a和b中,各有一固定的磁鐵來磁化μ管,只是位置不同,另一方面,C中用了一塊附在磁鐵上的軛鐵來使磁鐵和μ管監的空隙變窄,以期增加磁通。
最普通的感磁式如圖53中a所示,而圖54是圖53中a型和圖46中(A)型動磁式的比較,感磁式的磁通流通比動磁式簡單,而感磁式中磁通由磁鐵發出,流通μ管而進入軛鐵的一支,再由另一支流出而回到磁鐵,其中由於分支1和分支2中的磁通方向相同,因此μ管可以放在極片之外,而在動磁式中磁鐵則一定要包含在極片內部。
ⓑ感應磁鐵式唱頭的特色
感磁是在高頻範圍的頻率響應較好,這是由於較輕的μ管取代了磁鐵,因而使機械阻抗降低。
但是在另一方面,輸出電壓相當小,而高頻特性有受負載電阻影響的傾向,而感磁式唱頭的主要特性是其高順服度,因此要嚴格選用適當的針壓才能發揮其特色。
轉載音響技術第63期MAR. 1981 每月專載-唱盤的機械設計與結構-第二篇(第六、第七章)/蘇天豪 譯
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