第一章 卡式錄音機的誕生
在今天,就算「卡式」後面不再跟著錄音機這三個字,恐怕小孩子也會知道這是什麼玩意兒,甚至還會知道如何去操作。卡式(cassette)一詞指的已不再是塑膠質的磁帶容器本身,簡直就是卡式錄音機的意思了,這就和立體聲(stereo)取代了「立體效果的聲音再生系統」的情形一樣。
在任何一家音響店的展示櫥窗裡,我們都可以看到形形色色的錄音機陳列在最顯眼的所在,而在這個浩大的陣容中,我們也會看到很多收錄音機和卡式座夾雜其中。我們可以看到各種價格的機種,手提的、高級座式的,而在一套立體聲的音響系統中,卡式座已能和唱盤相提並論,甚或在某些人的眼裡,卡式座更為重要。而孰高孰下,寧為難斷,而卡式機種當初設計的緣起,不過是要用在語言教室中,或是做其他的學習,其最終目的也只是成為一冊有聲書籍罷了,而今日無心插柳的結果誠難預料。
而到底什麼是卡式呢?我們且從其結構、電路及傳動機構談起。
卡式的正式名稱是飛利浦盒式卡帶,歐美人仕所稱卡式cassette的原意是一個小盒子或是珠寶箱,磁帶是捲繞在盒子中的兩個帶盤(reel)上,磁帶的播放時間從30分鐘到2小時都有。圖1是卡式磁帶的透視圖。
卡式帶之所以能有今日的標準規格,背後還有一個耐人尋味的故事,這也適合以正式稱呼中還有飛利浦字樣的原因,那是因為在一場相當激烈的規格和性能競爭後,荷蘭的飛利浦公司體會到如果能把他們提出的規格當作標準,他們就能獲致相當大的利益。其實在當時他們已經站在稍微有利的地位了,但是仍然決定採取打招牌而不是推銷產品的策略,他們採取的策略是放棄卡式的專利權,這在當時的世界是極不可思議的事情,其結果是突然之間其他的競爭者都沉寂下來,而歸到飛利浦的卡式陣容來了。
這種把那些難於操作容易斷裂及纏到一塊的磁帶放進盒子去,使得磁帶不再和外界接觸並易於操作的概念,很早以前就已發展出來。首先是用在小型電影攝影機上的(這種9.5厘米的膠捲,早為世人所遺忘,是8厘米電影膠捲的前身),這在當時叫做軟片盒(magazine)或膠捲匣(cartridge)。通常盒子中有兩個帶盤(有的只有一個),攝影機打開後,軟片盒塞進去,此時有一個彈簧緊縮,所以按下槓桿後就能拍攝電影了,這種型式拍攝過程簡單、結構牢固,同時能防止軟片曝光,卡式錄音帶所採用的概念也極為類似。見圖2的圖示。
以下要講一段題外話,但很有趣,如果我們注意一下可以發現,盤式(open-reel)錄音機的帶盤無須耕動就能用做8厘米電影機的帶盤,電影底片的寬度是8厘米而錄音帶寬6.25厘米,然而其帶盤內槽的寬度卻超過8厘米,這種差異一眼就能看出來。
這種雷同可能是錄音帶的首創人認為再做新的帶盤太麻煩,乾脆就用這種8厘米的帶盤來繞錄音帶,就這樣連放映機的結構都和錄音機相似,因而歐美許多製造8厘米電影機的廠家都轉而產製錄音機,卻也能製造出一些使之引以為榮的傑出機種,其中有些的確是珍品。
今天,日本已經成為產製錄音機的重鎮,而這些曾經極富創意的廠家,所製造出來的機型却幾乎完全相同,如果因此而減少了磁帶錄音的樂趣,則是極為可惜的;是最先試圖把帶盤裝到盒子裡來簡化盤式磁帶的操作,如圖3所示。這種早期的盒子磁帶只要裝上盤式錄音機就能操作了,其目的端正免除用手指把磁帶從第一個帶盤上抽出,經過導帶槽和磁頭,再繞上捲帶盤等麻煩的過程,這是匣式磁帶盒的原型。
隨後又發展出一種四音軌的循環式磁帶匣盒,正式今天汽車上所用匣式磁帶的前身,再數年間就開啟了一個新紀元,使得RCA的匣式在試驗階段就遭到淘汰,只有少數幾個機型能進入生產階段的。
除了循環式的磁帶外,也有幾種設計是在方盒中只有一個帶盤的,磁帶自由成膠捲狀的帶盤捲離,而捲帶盤(take-up reel)就在其中,磁帶能自動的捲上去,磁帶轉動盡頭後,又自動的再捲回膠捲狀的帶盤上去,這種型式是由安培(Ampex)和3M兩公司發展出來的。把這三種匣盒的設計加以比較,可以發現飛利浦的兩個帶盤式匣盒正和現在的錄音系統所用者類似,雖然尺寸縮小,但是錄音和放音的功用及性能和現存者相同。
另一種4音軌和8音軌的設計,磁帶寬度和今天的錄音機相同,為了易於操作而做成循環式的,只適於放音。而第三種設計,雖然和今天所用錄音機的目的相同,但也隨著潮流成為只適合放音的磁帶。各型的匣帶見圖5。
既然是想要透過大量採用的鼓勵而獲得巨額利潤,自然是要把注意力集中在放因而不是錄音,而把目標放在預錄好的音樂帶上,但是這種策略却忽略了一個重要的事實。
現在我們再回過頭來看一看,要知道錄音機的最大特色是把過去專屬於職業性錄音工程師才了解的複雜錄音過程,變成一般業餘人仕也能操作的程度。為了要達到這種婦孺都曉得操作的程度,後兩種型式由於無法錄音而不能列入考慮,也正由於缺少了這個相當重要的特色,錄音機的功用也少了一半,毫無疑問循環式和自動裝帶式使操作過程的簡化邁進了一大步,但卻是本末倒置了。因此,在一連串的試行和修正後,終於發現能錄音的卡式磁帶才是最後的勝利者,先前風行一時的8音軌音樂帶漸漸淘汰出局,經過十年的不受重視,卡式的實際價值終於受到承認。
一、卡式錄音帶的問世
促成這種新式卡帶問世的原因,無疑必是磁帶及電子科技的快速進展。
1.基帶(tape base)由紙質或醋酸鹽質變成塑膠質薄膜,使得厚度更薄韌度更強,厚度由原先的50微米(micron)變成35微米,隨後又變成原厚的一半25微米,最後成為只有13微米的厚度。
2.3M公司宣佈了一種新的帶寬0.15吋(3.81毫米),取代了原先的6.25毫米標準帶寬,並首先應用在他們所發展出來的匣盒式磁帶上,而這種較窄的寬度終於成為廣泛採用的磁帶寬度。
3.更為細小的鐵淦氧化物質點也開發出來,而規格也有所改善,使得慢帶速時的動態範圍也得以擴展,導致帶速由標準的19cm/sec(7½in/sec)首先降至9.5cm/sec最後成為4.75cm/sec。
4.由於電晶體的廣泛應用,使得錄音機的電路成為低電壓低電流的供應,因而使得體積更緊湊,同時由於恆速直流馬達的應用,使得可靠性更為增進。
有了上述基礎以後,荷蘭的飛利浦公司就著手把RCA的匣盒式磁帶改成64毫米長、102毫米寬而12毫米厚的形狀,而卡盒中採用的是窄磁帶,並且做成雙帶盤的系統,使得每一面都能有30分鐘的播放時間,這樣兩面就是60分鐘,和LP唱片一樣,這就是卡式錄音帶,和用來錄放音的卡式錄音機同時行銷上市,這種新機種的規格也是很動人的。
1.體積小,電池操作手提式。
2.所用的磁帶寬度0.15吋(3.81毫米),而厚度是13微米。
3.帶速4.75厘米/秒。
同時這個機種也應用了所有當時仍屬新的技術成果,包括特性出色的直流馬達,超小型的電路,以及塑膠質零件的應用等,而把塑膠應用到機械製品上,對歐洲本已極為精巧的技藝而言,無疑是新寶藏的發現;卡式錄音帶和RCA式的差別在於磁帶是完全繞在兩個帶盤上的,而操作時磁頭被推向磁帶,所以卡式的錄放音軌是在磁帶的外側。
捲動磁帶時,壓帶輪(pinch roller)必須和磁帶接觸,而主傳動軸(capstan)則由帶盒的下方穿過磁帶的背後,也因此帶盒上要有一個4毫米的開口,這正是卡式的特殊規格之一,因而使得卡式機無法像烤麵包機一樣設計成帶槽裝帶或自動彈出式。而在卡式盛行以前,李爾(Lear)的彈出式八音軌帶盒也是將磁頭和主傳動軸由外推向磁帶,但是壓帶輪卻是原來就裝在帶盒上的,而早期的4音軌是也有壓帶輪,當帶盒裝上後由磁帶後方的小孔浮起,和主傳動軸接觸,其方式和8音軌相同,見圖6。
不論是採用何種方法,為了要讓磁帶等速捲動,磁帶都必須夾在主傳動軸和壓帶輪之間,見圖7。
因此,卡是兩字的稱呼是源自飛利浦是小型卡帶,而飛利浦式的卡盒磁帶通稱卡式(cassette),而李爾的8音軌式就稱做匣式(cartridge)了。
卡式的磁帶正面朝外,而主傳動軸穿在卡盒中,而磁帶上的三氧化二鐵質塗覆和壓帶輪接觸,顏色為棕色。
主傳動軸由於只和塑膠質表面接觸,所以轉動平滑,而磁頭襯墊(head pad)附在卡盒中,其作用是輕壓磁帶使和磁頭接觸,這和4音軌或8音軌的匣式相同。
正如先前所指出的,任何和卡式磁帶有關的事物都是袖珍的,可以手提的,同時為了減少電力消耗,而採用能用電池推動的高速直流馬達,而為了合乎帶速4.75cm/sec的要求,主傳動軸的直徑必須是盤式錄音機的一半,約為2毫米;如果主傳動軸的直徑是2毫米,則其外側轉動是每轉6.28毫米,那麼帶速4.75cm/sec時,主傳動軸和相連的飛輪(flywheel)轉速當為450rpm(轉/分)。
稍後我們會說明,飛輪的作用在於減低嗚聲和顫抖聲（wow and flutter)以及減少帶速的變動。由於卡式的袖珍特性,飛輪也很小,直徑50~60mm的飛輪其轉速最低要有450rpm,否則無法湊效,是以主傳動軸要有2mm的直徑以維持已定帶速。
此時國際上也有幾家公司(包括歌蘭蒂Grundig在內)以黑馬的姿態出現和飛利浦競爭(但最後仍遭到了淘汰),當時也發展出一種稍大的主傳動軸,直徑2.5mm,其著眼點在於磁帶運轉的平順,有幾種機型採用2.5mm主傳動軸,由於主傳動軸的直徑增加了,飛輪的速度隨之降為310rpm,同時如果主傳動軸的直徑增加到3.0mm,飛輪的轉速能更進一步降至270rpm。由於飛輪的轉速降低,效應也減低,但是由另一方面看來,主傳動軸由於直徑的增加而更形堅固,因而使得磁帶的運轉更平順。
主傳動軸如果只有2mm時,很容易發生滑帶,如圖8所示,故而常把壓帶輪裝成某個角度來扺補這種現象,如圖9所示,然而在標準卡帶中,扺補的效應並不太大,壓帶輪附近的空間有限是主要原因,也因為扺補的效應不大,有必要增加壓帶輪的壓力。
而壓力會導致主傳動軸的些許彎曲,反過來說主傳動軸的直徑如果能增加到2.5~3mm就會有顯著的改善,然而此舉會導致帶速降低以及飛輪的效應減少,也是一個問題。
主傳動軸的彎曲會影響及軸帶運轉的平順,同時磁帶和錄放音軌的寬度太窄更使問題複雜,而導帶槽(tape guide)又不像盤式機的硬挺,只是一個薄片狀的帶槽,裝在磁頭的兩邊,故而使用薄而軟的磁帶時,為了維持固有的性能,每一個組件都要使出渾身解數才行。
因此在帶輪的表面要做成中凸的形狀,以使磁帶永遠保持在中心位置,這個細節必須要注意到。
音軌的寬度由於只有1.5毫米左右,而立體聲時則比其一半還要小,所以哪怕是0.1毫米之差也會產生影響,如果某一音軌佔用了次一音軌的一部分,就會導致串音。
由於磁帶的寬度、音軌的寬度磁帶的厚度,主傳動軸的直徑,磁帶的速度等等,都已調整到能配合卡式緊湊的形體,所以如果說卡式機構所要求的精確性和先前的盤式分屬不同的層次,不算是誇大。
而飛利浦公司為了要使他們造福人類的理想能實現,不顧它們所能獲得的利益而毫無代價的公開了卡式的基本專利,同時該公司還和其他的公司達成協議,無須任何專利使用費就能採用這種規格,以期使卡式的規格能標準化。主傳動軸要穿過卡盒可以說是卡式的一個特性,但絕對不是一個缺點。如圖10所示
而烤麵包機式的插入和跳出法要到15年後才出現,那是比利時的史達爾(Staar)研究所利用了一個小小的創見而解決了這個問題,如圖11所示。這使得卡式能在平等的基礎上和車用音響的李爾彈出式匣帶競爭,而最近幾乎所有的汽車音響都已採用卡式了,此後又有更多的改進,諸如自動停止、自動反轉等機構也加入了卡式的行列。
數年後,飛利浦又推出一種更小的迷你卡式或稱微卡(micro-cassette),由於帶速更慢,只適用於能放在口袋中的錄音機上,到目前為止,還不能用於音樂的錄放上。
至此,我們提到卡式的時候,就不用特意指出這是飛利浦的卡式了,而在錄製音樂的時候,如果用的是二氧化鉻帶或是更高品質的純鐵帶,我們可以發現卡式的表現不亞於一張LP唱片,因此,我們可以說卡式已在音響的國度裡取得了有利的地位。
而卡式錄音機由於既能放音又能錄音,又因體積小而能隨身攜帶,使得卡式的世界和唱片完全有別,而一架收錄音機(radio-cassette)已幾乎成為每一個家庭不可或缺的裝備之一。
二、錄音機的歷史
卡式錄音機是磁帶錄音裝置發展史的一部份,而出現在各種錄音方法和系統的持續改進過程中。在此一進展過程中,有許多不同的系統出現又遭淘汰了,而卡式可以說是由於這些系統的經驗所累積成的最終產品。
第一架錄音機是1898年由丹麥的科學家浦爾森氏(V. Poursen)所發明的,這裝置用的不是磁帶,而是把0.25毫米的鋼絲繞在鼓狀圓筒上,這時真空管的放大效應還未發現,所以和當時正流行的愛迪生發明的唱盤式錄音裝置比起來,這種錄音不能獲得充份的重播音量。
1905年,今日磁帶錄音裝置的基礎──直流偏壓出現了,而到了1927年,磁帶錄音最重要的理論──交流偏壓也發明了交流偏壓是一項對磁帶錄音裝置的發展有助益的發明,磁帶錄音機可以說是現代音響技術的尖峰,綜合磁帶的發明和發展、磁頭的發展、電晶體的發明和改進、塑膠製品以及機構中所用各種材料的技術開發等,而把塑膠質薄膜上做磁性塗覆的錄音磁帶卻是最近的發展;電視和錄音機可以說是二次世界大戰後進展最神速的兩項裝置。
採用磁帶是使錄音和放音過程簡單的唯一方法,為了要使一般家庭的每一個人都會操作,其簡化過程也遭遇到許多問題,同時還要符合一般家庭的經濟能力。卡式錄音機一開始是由西歐的四家名廠聯合發展的,開始發展的初期都是採用磁帶,但是在卡盒的尺寸和帶速上有了歧見,飛利浦的卡盒尺寸是100×65毫米,帶速則是4.75cm/sec,而另一種萬國型的尺寸稍大,有120×75毫米,而帶速是2in/sec(相當於5cm/sec)。一開始是萬國型的卡盒特性優於飛利浦的,然而其帶速卻和國際標準(38cm/sec 19cm/sec 4.75cm/sec)不合。
而飛利浦式的卡盒之所以能超越萬國型的而成為卡式的主流,除了操作簡單和經濟特性外,最主要還是因為飛利浦把世界專利公開,促使卡式規格統一,因而使不同廠家間的產品有互通性,使得卡式的經濟效益提高。
第二章 卡式錄音機的原理和實際
在60多年以前,當愛迪生的留聲機製作成功後,就開始了聲音和音樂能錄存的紀元,一開始並沒有唱片在市面上出售,那時的留聲機除放音外還能錄音,和錄音機相同。
聲音是空氣中行進的聲波或振動所組成的,愛迪生把這種振動轉換成一種機械的振動,然後刻錄在轉動的臘筒上,成為音槽,然後用一之和刻錄時相同的針,循著轉動中臘筒上的音槽而發出機械的振動,再利用一個號角式的裝置把振動轉變成聲音,傳至空氣中,在那個時候,號角除了傳送聲音外,還能拾取聲音。
不久,臘質圓筒就被圓盤所取代了,一直演變到今天的唱片,隨著錄製過程中應用了電,以及長播放時間唱片(LP)和立體聲的發展成功,其進展是日新月異的,然而利用聲波來刻錄唱片音槽的機械過程卻一直沒有改變,這可說是一個老得可以的方法。
而過去數十年間,也沒有任何新的方法發展出來,唱片的壓製過程很適於大量生產,然而實際刻錄過程要用相當精密的刻片機來完成,其所需要的技巧不是一個業餘的人所能勝任的。同時,刻錄出來的母盤非常軟,經不起幾次的重播就會損壞,在這種情況下,唱片的刻錄必然是專業者的天下,一般人只能到市場上買唱片回來聽。
然而,由於磁帶錄音是把聲音變成連續的磁性變化,錄存在鐵、鎳、鉻或其他磁性材料所做成的帶狀媒體上(也有盤狀或片狀的),所以能把這種過程反轉,既能錄音也能重播,這是一種革命性的差別。
一開始,磁帶錄音所使用的媒體是鋼絲,這種產品在二次世界大戰後問世,隨後鋼絲就被塗覆有氧化鐵的膠帶所取代。
磁帶錄音機充份的應用了現代電子科技的進步,才得以用麥克風拾取聲音,再變成電子的振盪,以磁的形式錄存在磁帶上,再以同樣的原理來重播,推動揚聲器,因而使得錄音的過程相當簡單。現在回到本章的主題,錄音機的各部結構和功用可以概分成下述五部份,參照圖12所示:
①平順帶動磁帶的機構,主傳動軸和壓帶輪的功用就是要把磁帶自第一個帶盤以等速平順的帶出,再整齊的捲進第二個帶盤。
②把空氣中的振動(聲音)變成電子信號的強度變動的機構,這就是麥克風的功用。
③把這種電子信號的變動變成磁性的變動,並錄存在磁帶上的機構,這就是磁頭;到目前為止,所提到的都還是錄音部份的機構。
④把來自磁帶的微弱電子信號放大的機構,這是放大電路。
⑤把這種放大後的電子信號變成空氣中的振動,這是揚聲器的功用。
如圖12所示,麥克風把聲音的振動變成微弱的電流,這種電流的強度還不足以直接錄進磁帶上,所以要在送進錄音磁頭前先行放大,而在收錄音機中,錄音信號直接取自揚聲器之前,其強度足,所以能直接送進磁頭(磁頭的工作原理如圖13所示)
在高級的錄音機中,錄音和放音的磁頭是分開的,但標準情形下,兩者是合併在一起的,這是因為卡式錄音帶盒上沒有多餘的空間來安排分離的錄音及放音磁頭,只能把錄音和放音的磁頭合併或疊置,而在錄音或放音時把不同的電路切換上去。
錄音時,信號送進磁頭,變成磁性的振盪,把磁頭前的磁帶磁化,使磁帶成為磁場強度持續變化,這種變化是永久的錄存在磁帶上的。除非暴露在強磁或交變磁場中,但是我們卻可以用這種方法來抹音,這也是磁帶錄音的另一個優點。既可做永久的錄存,又能在不需要時消除掉,再錄上別的(如圖14所示)。
因此,錄音鍵按下時,抹音磁頭必須位於錄音磁頭之前,並且一直工作;實際上在使用一捲新錄音帶時是沒有必要先行消音的,但是一般的機種是不對抹音磁頭做單獨控制的。
錄音時,信號不是單獨直接送進磁頭的,而是要和所謂的偏壓(bias)一併加入的,因此,錄音機裡必然有振盪電路(oscillator)的,所產生者就是高頻的偏壓。
放音的過程就簡單多了,也不用加上高頻偏壓,錄放音頭從磁帶上拾取到磁性的變化,並再磁頭內的線圈上產生一個電子信號,而此時抹音磁頭是不工作的,至於把電子信號放大以迄推動揚聲器的過程,則是和立體聲放大器別無二致。
卡式錄音帶的寬度是3.81毫米,在單聲道的情況下,每個方向上只有一個音軌(也就是一個聲道),然而立體聲時,每個方向上就要有兩個音軌,因而整個磁帶上就有四個音軌了。這也就是說,單聲道時每個音軌的寬度是1.5毫米,立體聲時就只有0.6毫米了,而盤式磁帶在全寬度(full-width)錄音時,音軌的寬度是5.6毫米。
卡式錄音機中都是迷你化的,因此,為了達成完美的錄製效果,所有的元件都要仔細精選,以期有最好的表現,否則訊噪比會惡化,整個性能變差。
一、機械部份
1.機械部份的結構和基本功用
機械部份在某些部份和唱盤甚至和自動換片唱機類似。或許有一天,鐘錶的機械部份會從地球表面消失,唱盤和錄音機卻不會,這是因為鐘錶已經進入了石英的時代,而比錄音機和唱機的歷史要久的寶石錶心部份,卻已到了功成身退的時候,不久就會成為古董的,而電動計算器的命運也一樣,而只要有一天我們還要用卡式錄音機,帶動卡式的機械部份就不會消失的。由於卡式的標準規格極嚴,所以全世界都是同一標準的,圖15是卡式的基本機械結構圖,其內容可分為基本結構部份以及選擇性的附屬結構,以下所述的前5項可以說是絕對必須的。
1.能平順送出磁帶及倒轉捲帶的供帶盤(supply reel)。
2.由能從卡帶盒底面穿出磁帶背面的主傳動軸,以及自卡帶前面送來迎合主傳動軸的壓帶輪、錄放音磁頭、及抹音磁頭等組成的副基座(sub-chassis)如圖37所示。這一部份自成一個單體,能在主基座上前後移動;而當壓帶輪和主傳動軸接觸後,磁帶開始向前移動,磁頭也開始和磁帶接觸,引發這一連串動作的操作是把前進(FWD)或播放(Play)的按鍵按下。
3.捲帶盤(take up reel)部份是要把壓帶輪等速送來的磁帶,整齊的捲起,由於捲起的磁帶會愈來愈多,轉動的速度會逐漸變慢,因此要用一種轉差(slip)機構。
4.一個能維持卡盒位置並於停用時能讓卡盒升起的裝置。
5.為了防止把已錄妥的磁帶意外抹音,要有一個感知機構來檢測卡盒背面的防止抹音小片是否存在,並能再需要抹音時將此一防止閉鎖打開;同時還要有一個安全鍵(REC)來切換錄音或放音的電路,即一定要按下此一按鍵才能遂行錄音的工作。
6.使磁帶能快速前進的裝置(F.FWD)。
7.使磁帶在錄音或放音時能暫時停止前進的裝置(Pause)。
8.卡盒彈出裝置,以使第4項所提到的功能能更方便的完成。
9.表示錄音位置及磁帶使用量的轉數計(counter)。
10.在錄音或放音時,磁帶捲到終端時,要有一自動停止裝置使機械部份還原,甚或把卡帶彈出。
機械部份的基本特色之一是不能讓磁帶承受不必要的張力,也不能太過鬆弛,這兩點正是決定卡帶壽命最重要的因素,如果卡帶在彈出時,磁帶也被弄得纏在一塊,或是快速前進和反轉時,磁帶捲得很緊,都是不正常的,也會使卡帶的壽命減短。
2. 飛輪、主傳動軸及壓帶輪
這三者可以說是卡是錄音機的心臟部份,因為他們能決定嗚聲和顫抖聲的大小,以及轉速的變化。
主傳動軸的概念已有很久的歷史了,古時候,人們用滾軸般動笨重的石塊時,會把粗繩索繞在一個輪子上,然後讓兩個到四個人圍著輪子轉,推動穿過輪子的棒子,這樣就能搬動石塊了,在機械上的稱呼是絞盤,而在錄音機裡,主傳動軸就是帶動磁帶的旋轉輪子,如圖16所示。
為了要使轉速降低,並使小直流馬達的轉動平穩,必然要用到一個高慣性(inertia)的飛輪。
而主傳動軸就是這個飛輪的軸,在卡式機構裡,馬達的轉動通常是藉皮帶傳送給飛輪的,在採用適當的減速比後,主傳動軸外緣的速率會恆定的維持在4.75cm/sec。
飛輪愈重,轉速愈快,動態及靜態的平衡愈佳,而馬達本身引起的速度變化也會改善,同時軸承的拒斥力及皮帶的不規則運動也會被吸收及減少掉;而由於馬達的轉矩和空間的限制,從製造的觀點看來,最常用的飛輪是用鋅質模鑄成的,最大60毫米,這也是只有2或2.5毫米之細的主傳動軸所能支撐的極限了。
由於主傳動軸不能是磁性材料的(否則會把錄妥的資料抹掉),所以通常是用低磁性的不銹鋼。不銹鋼的種類有很多種,但是由於主傳動軸的要求必須硬及挺,選擇上就有問題了,過去曾試過很多種材料,而目前最常用的則是鐵淦氧質不銹鋼,而表面經過硬化處理的,較高品質的機種則用鉻鋼,由裡至外都經過鉻硬化處理,由於曾經硬化處理的關係,必然會有些許碳的存在,這也意味會生一些銹,但這在使用上不會有任何實際影響的。
主傳動軸的精密度要求是相當嚴格的,除了直徑外,圓周的渾圓程度也要極為精確,否則無法避免轉速的變動,以及讓顫抖率維持在0.2%以下。
上述要求可以用數字表示如下,圓周的精確度必須在0.3微米(3毫米的萬分之一)以內,而偏心率則是0.1微米(1毫米的萬分之一)。
主傳動軸穿過飛輪並固定其上,如果主傳動軸的表面太過平滑,磁帶的轉速會滑脫,所以還要加上一道水磨(liquid honing)的處理,使得表面看起來像毛玻璃一樣,如果這道手續做得不好,偏心率就會受影響了。
轉動是由合金質的軸承所支持的,軸承的精密度要求很高,稍有彎曲或摩擦不均勻,都會使轉速變動。而飛輪本身也要承受許多方面的應力作用,例如說:供帶盤和捲帶盤上負荷的變動、壓帶輪所施加的不正常壓力、皮帶所施加的應力、轉速計以及自動停止機構等。
飛輪通常是模鑄成後再用車床車出來的,由於鑄模成形過程會產生氣泡,所以很難獲得動態平衡,唯有採用燒結(sinter)過程才能獲致,但是成本很高,所以很少見,或許將來的高級錄音座會採用這種飛輪的。稍早時我們曾提過,壓帶輪和磁頭一樣,是位於副基座上的,而當操作時,副基座向卡帶盒移動,壓帶輪也就壓在主傳動軸上,壓帶輪不很大,直徑只有13毫米,由於只是輕壓住主傳動軸,其外緣的橡膠質襯套仍能保持彈性,而不會影響性能,但在卡帶已捲完後,如果壓帶輪仍然壓在主傳動軸上,經過一段時間後,就會在壓帶輪的外緣造成變形,以致導致嗚聲。應該盡可能的避免這種情況發生,自然偶爾的疏忽不致造成永久的變形。因為壓帶輪的橡膠彈性能使之復原,最好能有自動停止機構,以期在磁帶捲完後自動使機件還原,來避免我們忘了關開關所引起的問題;壓帶輪的外緣通常是中凸狀的,或許肉眼看不出來,但卻能維持磁帶的直線前進。
八音軌和四音軌的飛輪和壓帶輪配置略有不同,如圖17所示,而機械部份的一般配置如圖18所示。
3. 轉差機構
先前曾提過,捲帶盤把等速通過磁頭的磁帶捲起的工作,看來容易,實為困難。
由於磁帶是繞在捲帶盤上的,所以外徑愈來愈大,因而有必要調整帶盤轉動的速度來配合磁帶的等速前進,故而盤式錄音機的捲帶盤通常都有轉差機構,但是在飛利浦的機種裡,由於轉矩市得自連接馬達和飛利浦的皮帶,所以轉差效應也是在皮帶傳進捲帶盤前完成的,而這兩種方式的性能相近,都是相當原始的方法。轉差機構如圖19所示。
產生轉差的方法有兩種,一是用膠輪、一是用布帶,前者在轉差的表面用到毛氈,而利用其摩擦係數表面的溼度或積聚的油漬和灰塵而激烈變化的原理,再雨天和晴天時的捲帶張力相差很大,比較起來,後者的布帶由於是循環式的,因而較為方便,但是精確度低,且容易引起轉速的變化,但大體說來還算穩定,這種方法一開始似乎只能用於廉價的手提式上,但是演變到後來,高級卡座也採用這種方法了,如圖20所示。這兩種方法都有一個缺點,即在摩擦係數變化或負載變大時,轉速會產生變化。
4. 捲帶盤座
捲帶盤和供帶盤外型相似,但內部構造卻截然不同,蓋前面提過,捲帶盤不是本身就有轉差機構,就是自外在的轉差機構獲得轉矩。
卡式錄音帶盒的帶盤上各有六枚凸出的梢齒,而錄音機上的帶盤座(reel mount)上有三個導動梢,所以當卡帶插入後,會因一個彈簧的作用而使卡帶進入正常位置,待命工作。
由於卡帶插入時,其帶盤的角度未必和帶盤座上導動梢的角度吻合,所以用一個彈簧來調整是不可或缺的,但是有少數廉價品卻付之闕如,以致常常發生故障。
這兩個帶盤座的軸應當和主傳動軸平行,或許我們這麼說,三者都要和基座垂直,如果三者之間沒有這種空間關係,磁帶的轉動就不均衡了,這是因為卡式的導帶系統不若盤式健全,只是聊勝於無的在磁頭的前後安排一導帶片,略作補償,同時因為卡式磁帶薄又軟,這種導帶的效果也不甚可靠,見圖21。
而雖然說壓帶輪的外形是桶狀的中凸形,其能維持卡帶運行中線的效果也有限,因此如果有人大膽的把導帶片自磁頭旁取下,結果會怎樣呢?如果磁帶仍然照舊直線前進,則不會有串音,左右聲道的分離度充份,這也意味著三個軸的相互關係至為完善,這種錄音機就相當不錯了,因為導帶片只需要用來做程度極小的校正,而機器本身就已能提供相當正直的運轉。
至於說快速前進時,由於壓帶輪已和主傳動軸脫離,轉差機構也脫離,轉矩得以直接加在捲帶盤上,所以能快速捲帶。
5. 供帶盤座
供帶盤不需轉差機構,這點和捲帶盤不同,但需要一個反轉裝置,最簡單的方法是利用快速前進的裝置來完成,其原理和捲帶盤相同,自然此時主傳動軸和磁頭也必須完全脫離。快速前進和反轉機構如圖22所示。
而在高級的三馬達式機種裡,捲帶盤和供帶盤各有一馬達專司帶動,也就是說快速前進和反轉各有不同馬達負責。而在錄音和放音時的正常運轉情況下,這兩個馬達就反轉過來帶動磁帶及維持張力,這能使磁帶的轉動相當平順,同時也能減少轉速的變動。
自然這種高級的裝置是不可能用到所有的卡式錄音機上的,這個叫做後張力(back tension)的裝置只有在一些堪稱極品的卡式座中出現,而大多數的機種都是只有一枚彈簧來完成這種作用的,但這再供帶盤上滿帶時,會使開始的後張力有所變動,而目前似乎沒有一種比較適中的改善辦法出現。
6. 煞車機構
磁帶是一種很麻煩的東西,這種PVC質的帶子要很小心的捲進帶盤,否則,一旦鬆弛了就會纏在一塊的,到那個時候就只好棄之不用了。而在卡式機未出現前,盤式機的帶子如果有了問題,可以剪下幾公尺來,由於那個時候磁帶還挺貴的,如果在錄音室中發生這種事,還會有人撿起來帶回家湊合著用呢!
10吋帶盤的磁帶快速迴轉時,會發出吱吱的叫聲,如果此時不把帶盤帽(reel cap)罩上,迴轉送中帶盤就會脫落,磁帶也會因而弄亂,因此,錄音機和汽車一樣,也要有煞車機構,如圖23所示。
至於卡式錄音機,由結構圖中可以看出來免用煞車機構的藉口,但這是早期的情形,最近只有一些廉價的產品沒有煞車裝置,這是很堪慮的。
在稍後講到磁帶的一章裡,我們會詳細說明卡式的磁帶是捲在一個柱狀的帶盤上,帶盤的任何一邊都無法和外界接觸,而磁帶是由卡盒中的一片膠質薄片（通常是鐵弗龍質的）夾住,這和盤式的比起來,卡式的形體雖然較小,其阻力卻稍大,這可以用一支鉛筆來捲動磁帶而試出來,磁帶未必會很順暢的被鉛筆捲動,而總是會有側滑的現象。
這種阻力的存在就像開車時一直踩住煞車,一旦引擎停止運轉,車子就停下來了。
因而嚴格來說,不用煞車裝置未必是不可原諒的,但會讓我們忽略掉一些事情,而省略煞車裝置的理由純粹只是為了降低成本而已。
要使磁帶停下來,煞車首先加在供帶盤上,供帶盤停下來後,再釋開主傳動軸,然後讓捲帶盤停下來,這是正常的停機順序,而高級的盤式錄音座,也都是依此順序操作,未能依此順序的設計會使磁帶鬆弛或緊張,而使得磁帶的某一邊受到張力,甚或毀損。
而快速前進和迴轉的停機尤為困難,一定要先讓供帶盤停下來,稍後再停捲帶盤。
而卡式磁帶儘管本身就已有某種煞車性質,最好還是不要省略煞車機構,在一些高級的卡式錄音座裡,就儘可能的依設計而採用了煞車裝置,蓋這種機構之所以能減少卡式磁帶受損的情形,就僅謹慎的選擇唱臂和唱頭能決定唱片的壽命一般,因而有些講究的音響玩家甚至不肯把錄音帶借給卡座沒有煞車裝置的人。
如何才能看出煞車系統是否完善呢?可以這麼做,試著讓一捲快速前進或迴轉中的磁帶停下來,再把磁帶取出,如果此時兩邊的磁帶都沒有鬆弛的現象,這個系統就算可以,不致成為「磁帶殺手」了。
7. 操作機構
早期的飛利浦卡式錄音機都是T槽(T-slot)式的,如圖24所示,
這是最簡單的操作方式,也是較容易裝配的,這種方式在歐洲的錄音機中極為流行,而為什麼日本的機種卻一開始就是按鍵式的呢?(如圖25所示)?這或許和民族性有些關聯,因為日本製的汽車上也有很多按鍵,而這種趨勢持續至今。
而在歐洲,一度曾為T槽式的天下,現在也開始流行按鍵式的了,現在的歐洲製音響裝置甚至有一排20個以上的按鍵,如果不熟悉這些按鍵的功用,很可能不知道要按哪一個,因而似乎有些不方便。
而卡式的初衷就是要簡單到每一個人都會用,因此操作方式應當盡可能的簡單,卡式錄音座通常都是琴鍵式的控制,而收錄音機由於通常都是直立式的,所以控制是按鍵式的(隨著微處理IC的廣泛應用,新一代的錄音機控制都是觸控式的,使得定時、遙控、自動調整等功用的道具更富多樣性。)
一般說來按鍵愈少,操作愈簡便,但是幾個必要的按鍵仍是不可少的,包括位於正中的放音鍵(FWD或Play),左邊的迴轉鍵(RWD),以及右邊的快速前進(F. FWD)鍵,再加上一個停止鍵和錄音鍵,此外還可加上一個卡帶退出(eject)鍵來裝填或退帶。暫停(Pause)鍵能使磁帶前進暫停,快速放音(CUE)按鍵有助於節目的選擇,重查(Review)按鍵亦然,新一代的錄音機則附有更多更複雜的電路,來使錄音機的性能更完美。
但是從卡式錄音機當初的設計動機看來,隨著其普遍化的過程,也逐漸走上複雜和昂貴的途徑,寧為不幸,但願有朝一日卡式錄音機能走上構造簡單、操作容易的正途,就像電氣火車的控制一樣,用一支槓桿就能加速、減速及煞車。
8. 卡盒退帶機構
在飛利浦T槽式卡式錄音機的時代,裝帶和退帶是用手來完成的,就像手動式唱盤一次只能放一張唱片上去一樣,這自然也是一種最可靠的方法。
然而,人們是愈來愈懶了,廠家們就投其所好,因而發展出一種操作簡便的方法,只要把磁帶插入一個蓋子上,再輕輕一推,就能使卡帶進入正確位置,退帶時,只要按下退帶按鍵,磁帶就緩緩退出了,此後的改善就只是一些小地方略作變動而已。
但是一些高級的卡座仍然有新的發展,例如說,袋鼠式的裝帶方式,減少裝退帶時卡搭聲的阻尼裝置,以及外形不變,卡帶卻能在停止後自動退出的裝置等。
卡帶和唱片不同,卡盒外部的斑點和擦傷痕跡對內部的磁帶沒有影響,因而持用卡帶時未必要太過小心翼翼,重要的是要讓卡帶放在正確的位置,使得活動基座上的磁頭和壓帶輪能進入正確的位置,這樣才不致有卡搭聲,以及帶盤轉動時因傾斜而使卡盒外部移動的現象發生。
除了這種標準的退帶系統外,還有一種和烤麵包機相似的卡帶彈出式,如圖26所示,通常用在汽車音響上,稍後會提及。
9. 防止抹音裝置
前面曾經提過,磁帶錄音的原理和唱片上刻下音槽不同,而是把磁力的變化加在磁帶上塗覆的粉狀鐵淦氧(ferrite)上,因此很容易還原,也就是抹音(erase),錄音時,抹音磁頭永遠保持工作狀態,使磁帶在錄進信號前先行抹音,但是這種特點有時也會成為致命的缺點,會把重要的錄音不經意的抹除掉。
因此,盤式機和卡式機再錄音時都要同時按下前進鍵和紅色安全鍵,否則無法錄音,而在錄音完了按下停止鍵後,錄音鍵也跳回。再要錄音時,又要從頭開始整個過程,也因此使得稍後提及的暫停鍵更為重要,暫停鍵能使整個機構停下來,但仍然維持錄音狀態,隨時待命而動。
錄音安全鍵能防止意外抹音,也能當作提醒或警告裝置,一旦按下此鍵,抹音工作即將開始。
而在卡盒上,和磁頭及壓帶輪能接觸到的一面相對之處,左右各有一方形小孔,如圖27所示,
為了防止錄好的磁帶遭到意外抹音,要把防止抹音小片折斷,使小孔洞開,錄音鍵因而無法按下,因而能防止意外抹音,只要防止抹音小片不斷,基座上的一個槓桿會蹺起,如圖中虛線所示,因而錄音槓桿得以前進,錄音鍵就能按下,但是小片折斷後,小口洞開,槓桿無法蹺起,整個機構無法進入錄音狀態,換句話說,無法抹音。
由於卡式磁帶要翻轉做兩面使用,所以防止抹音小片有二,一左一右,而在預先已錄好的音樂帶上,這些小片是已經折斷的。
如果要防止抹音小片已經折斷的卡帶上錄音,可以把一團紙片或橡皮之類的東西塞進小孔內,使得整個機構得以進入錄音狀態,如圖28所示。
在早期的飛利浦卡式錄音機,這種裝置並未出現,這或許是因為最後決策尚未確定的關係,雖然說基座上有這種裝置的準備,但是槓桿並未裝上,而我們可以從最初的卡帶上就有這種小片的事實看出,最起碼一開始就有這種概念的。
因此,卡式錄音機有雙重安全裝置,雖然可能有朝一日曾取消安全鍵,但這個趨勢並未說明除了防止抹音小片外,如何從事防止意外抹音的努力。
10. 轉數計(counter)
卡式磁帶盒的中央有一視察窗口,同時錄音機上卡帶插入的蓋子也有一個透明的窗口,所以磁帶的位置能夠看見,這在一些簡單的手提機種上已很充分了,但是由於在一般的卡式磁帶的開始和結尾兩端,個有一段空白的導引帶(leader),這在磁帶運轉時很難看得見的,因而使得磁帶轉數計的實際應用增加很多。
磁帶轉數計所指示的不是通過恆速主傳動軸的磁帶長度,而是和供帶盤的轉數有關,因此,轉數計的數字未必和錄音時間有關,雖然說有這種矛盾存在,磁帶轉數計打從盤式錄音座時代開始就是用這種方法的,偶爾有的機種的轉數計是接到捲帶盤的。
幾乎所有的轉數計的數字都是三位數的,而由皮帶帶動,如圖29所示,
同時隨著數字的增加,所需轉矩也增加,故而這種負載是不均勻的,會導致嗚聲,由此觀點看來是最好不要用轉數計,但是轉數記再錄音時極為有用,很難不用它。
11. 自動停止機構
卡式磁帶的開始和結尾都有引導帶和帶盤的軸接合,所以說當磁帶在反轉和前進至此時,都要停下來,但是在錄音和放音時,很難確知磁帶何時轉到盡頭,如果轉到磁帶盡頭了仍未將整個機構停下來,除了會將電池的電力耗光外,更由於主傳動軸和壓帶輪是一直保持密切接觸的關係,而使得壓帶輪的表面產生不規則和變形,因而導致嗚聲。
所以最近的錄音機都有一種和唱盤的「睡眠」開關類似的機構,在磁帶轉到盡頭後停下來,並使整個機構自工作狀態變成關機狀態。幾乎所有的自動停止機構都和唱盤的類似,利用飛輪的慣性使機構自工作狀態釋開,但也有的機種是採用順序控制電路和活塞柱來使機構釋開的,如圖30、31所示。
自動反轉機構在放音時磁帶轉到盡頭後開始動作,如圖32所示,能自動的變換磁帶前進的方向,重播另一面,這主要是用在汽車音響上,而其中的大多數是採用電氣停機裝置。
12. 馬達
最先問世的卡式錄音機是由電池供電的,馬達自然也是直流的,有電子調速裝置,如圖33所示。而此處所用馬達是串激(series)式的,所以其原理和電氣火車相同,在負載增加時,速度降低,而轉矩增加,而在負載變小時速度增大,故而把有這種特性的馬達用在錄音機這種有恆速要求的機構上時,速度控制裝置是必需的。
上篇完,請接"下篇": http://tw.myblog.yahoo.com/agoodman-suson/article?mid=3994
轉載音響技術第58期OCT. 1980 每月專載 卡式錄音座的基本設計與結構˙上篇/蘇天豪 翻譯
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