自從1920年代Alan Blumleim發表了動圈唱頭的理論之後,動圈式(MC)唱頭與線圈固定式(MM)唱頭的擁護者就開始為孰優孰劣展開了無休止的爭論。動圈唱頭的製造一直壟罩著神秘的氣氛,而動圈唱頭的高價永遠給人一種暗示─它一定比別的好。
也許在從前,音響迷的選擇只有廉價的普通唱頭或到業餘工廠去訂做一個的時代,這種想法是正確的。但是時代變了,高傳真、高價格,不再是動圈唱頭的專利,神話卻流傳下來,大多數的人仍深信動圈式唱頭的魅力。從許多人的談話中我發覺很多人寧可相信一個100美金的動圈式唱頭而不願採用500美金的動磁唱頭,但這些人往往又無法在控制的條件下,分辨出兩者的差別。現在該是我們檢討一下我們的觀念,並且想一想到底是什麼因素造成動圈式唱頭的神話。
動磁唱頭仍是主流
在研究的過程中,我和許多卓越的唱頭工程師談到他們對設計唱頭所持的態度及做法;我參加許多的會議,並且與其他從事評論工作的人互相討論(我所引用的話都盡量不予修改,但是意見是我的。)
每次參加宴會我最常被問到的問題是「到底哪一種唱頭比較好？動圈式？還是動磁式？」,這是一個典型對唱頭認識不清的問題。經常有人要求我從兩者之間選擇一種代表性的產品,或者有哪一些產品不夠水準。顯然的是這些問題的主人都認為動圈式唱頭與其他的唱頭截然不同。這種情形與很多人認為靜電式喇叭的動態不好的想法完全相同,但是只要了解問題的真正定義,我們仍然可以提供一個完整的答案。
實際上,動圈式唱頭屬於電磁唱頭中的一種。基本上所有的電磁唱頭包含三個主要的部份：一個提供適當磁場的磁鐵;一組線圈用來感應電流;及一支將唱片溝壁上的溝紋轉變成振動的唱針。這三者固定、組合方式的不同決定了唱頭的種類。
動磁式是其中一大主流,因為它的結構簡單;所以普遍性相當高。一般的設計是在唱針桿的末端裝上一個小磁鐵,唱針桿用橡皮或塑膠在靠近磁鐵的位置固定,然後整個組件用鋼弦固定在支點上。圖1中Shure V15 IV即為一個標準的例子,圖2是簡化後的結構,一個軟鐵心通過線圈形成空氣隙與磁鐵的磁通量相交。
早期的動磁唱頭,如ELAC唱頭是屬於重量級的唱頭。它的磁鐵將近1/4英寸長,所以靈敏度高,但以今日的標準來說高頻的循軌力就很差了。利用新的磁性材料及設計上的改良,唱針的質量及磁鐵的大小都有了相當的改善。而磁鐵的形狀也由方型的磁柱演變成Technics所用的圓盤型(圖3)或Audio Technica的雙磁鐵系統(圖4)。這些改進主要的目的是降低運動部分的慣性質量,而使針尖所承受的質量降至極小。Audio Technica的方式能使得沒有使用的聲道的磁鐵會繞著本身的軸轉動,如此不但可以降低未使用聲道的慣性質量,同時因磁鐵繞著本身的軸旋轉時不會產生磁通量的變化,因而使分離度提高。
電磁唱頭中另一種很普遍的唱頭是動鐵式(moving iron),動鐵式本身又分成可變磁阻式(variable redctance)(圖5)及感磁式(induced magnetic)(圖6)。可變電磁式是對磁鐵放在唱頭拾音線圈的鐵心系統之中,所以在空氣隙中永遠有磁通量通過,然後將唱針連桿固定於磁隙中運動的中空鐵管中。當鐵管由中央位置產生位移時使得磁隙中的磁阻改變,而改變了通過線圈的磁通量。可變磁阻式唱頭的缺陷是磁隙內磁阻的大小隨著磁隙大小的平方而變,所以儘管整個系統是推挽式的設計,仍然必須十分謹慎才可以降低二次諧波失真。
Ortofon有特殊設計
解決這個問題最成功的應屬Ortofon的可變磁分路式設計(variable magnetic shunt)(圖7)。在這個設計裡,將一個環形磁鐵在靠近唱針桿的末端環繞著金屬電樞。這個時候與一般可變磁阻式設計不同的是磁場並不通過空氣隙,而是在空氣隙內前後進出與整組結構平行,所以金屬電樞與磁通量互相平行。當電樞靠近磁鐵的內面時,成比例的磁通量被分路掉,而使通過線圈的磁通量改變而產生訊號輸出。
感磁式的設計是使磁鐵做線性運動,同時降低重量。一個中空的金屬電樞皆在唱針桿的末端,而外部的磁鐵對它產生一個感應磁場,這個磁場隨唱針桿連動而對環繞著軟鐵極的線圈產生一個感應電壓。這種設計的好處是整個磁路在零磁通量下能有效的獲得最大線性。
動圈式唱頭與固定線圈式唱頭的種類幾乎一樣多。基本上所有的線圈都固定在唱針連桿的末端,所以一旦要更換唱針就必須把唱頭送回工廠的理由即在此。我們可以利用兩個代表性的例子來解釋動圈唱頭的結構：Ortofon的MC-20(圖8),唱針桿從磁極的一端伸入,所以磁通量與唱針桿平行。線圈繞在一個扁平四方的模片上而唱針桿的支軸就在線圈後方。一個聲道的運動會使一組線圈振動,使通過線圈的磁通量改變而輸出訊號。
Technics另一組屬於另一聲道的線圈則繞著中央軸振動,不輸出訊號。則採用另一種結構的設計,固定在驅動軛上的線圈在不同的磁隙中運動,磁場是輻射狀的但只通過一半的線圈面上,以免輸出互相抵消。不工作的聲道則繞著直徑轉動所以不產生輸出。
以上所提到的每一種唱頭都是成功而具有代表性的例子,但是我們尚未考慮其他的重要因素,如阻尼、唱針的結構、材料、形狀及組合的方式。因為本文主要是討論動圈式的理論與其他理論間的優劣。
讓我們重新定義我們的問題,在什麼情況下,哪一種固定線圈式的唱頭比哪一種動圈式唱頭好？
Shure有可能生產MC唱頭？
被問到為什麼偏向動磁式唱頭的設計時,Shure兄弟公司的總裁James Kogan說：「我們曾仔細的衡量過動圈式及動磁式唱頭間的關係,我們當然能夠生產高級的動圈唱頭,但是這兩種設計都有一些必須妥協的困難存在。我們也衡量過大多數其他類型的唱頭,而我們的結論是動磁式唱頭在價格與性能之間能獲得較好的平衡。」「當然！」他又補充說：「這並不否決了未來我們生產動圈式唱頭的可能性。」他認為真正的進步是在技術上的更新,而不是想要怎樣別出心裁另樹一格。「有效代價」也是一個我們必須考慮的因素,如果以這為標準的話,動圈式唱頭就處於劣勢。
如果動圈式唱頭在技術方面真的比較好的話,那我們可以主觀的以價格的觀點來解釋固定線圈式唱頭存在的理由。但是在這兩類唱頭中我們都能找到價格與性能有最好比例的唱頭,所以價格絕不是比較的標準,但這確實是一個存在的問題。
1981年11月AES在紐約開會的期間,我問過一些唱頭的設計師一個相同的問題：「如果再不受預算限制的條件下讓你重新開始設計的話,你會設計哪一種唱頭？」沒有一個明確的結論！唱頭設計的範疇受到許多專利的限制,所以大多數的設計師都會遵循他所屬公司原先的方向。
難道沒有人願意突破嗎？當然有！但是商業上的競爭性,使得大家不敢去嘗試。我們到底用什麼標準來評論唱頭呢？
Ortofon公司的Frits Nygarrd認為動圈式唱頭的優點在於有較低的有效質量,較好的相位響應,及較短的上升時間以及本身的低阻抗使它較不易受到擴大機的影響而引起匹配的問題。
這種看法又引起了幾個特殊的問題,其中之一是唱針的質量。由於動圈式的結構非常小,所以自然被認為具有較低的質量;但是實際上運動的質量應該是指針尖所承受的「有效質量」,而非整個唱針的質量。有效質量其實是包括了整個的移動部份──針尖、連桿、支點及反應唱針振動的「發電機」部分。我們所關心的是慣性質量,這通常由設計者所決定。
這個條件絕不是主因,因為Ortofon MC-20的有效質量是0.5毫克,而LM-30卻只有0.35毫克。但反過來說,Shure V15 IV的有效質量僅0.33毫克,而Technics EPS-305 MC只有0.3毫克。特別要提出來的是Empire的600LAC的有效質量高達0.6毫克。
很明顯的針尖的有效質量不能單獨的用來解釋兩者間的差異,針尖的質量即使有相當的變化仍然能獲得相同的頻率響應,因為藉著改變接觸面積的大小我們可以調整唱片表面的有效硬度。
都是高傳真,豈能有差別！
但是在正常的情況下,我們還是能夠分辨出動圈式及固定線圈式唱頭的差別。藉著適當的選擇我們能在最不利的條件下獲得最好的效果,例如：在一個空間設計不良的旅社房間,沒有足夠的時間來處理空間的音效,而前級的高頻響應又有衰減現象,一位聰明的展示者會利用動磁唱頭來取代動圈唱頭。兩者的差異是不容否認的。在我的觀念裡,如果這兩種都是「高傳真」,那麼兩者必須聽起來完全相同。如果它們有差別的話,至少兩者之一一定不是完全正確的。「真實度」維繫信心,如果沒有信心就不會有真實度,可是「高」傳真卻又包含了不同的水準。
如果針尖有了相同的質量(至少很接近),確有不同的音色,那麼問題就剩下相位及頻率的響應了。
Micro Acoustic的總裁Arnold Schwartz在1981年3月號的Audio曾指出唱頭的輸出網路可能是引起音色不同的另一個因素。在他的實驗室裡,他展示了一組包括拾音線圈、放大器輸入阻抗、唱頭電氣頻率響應對導線電容的模擬儀器。這些元件對每一類的唱頭而言組成一個低通濾波器。動圈式因相對阻抗較高與音源的低阻抗耦合,較不易受到導線電容的影響,因此在高頻端的滑落比固定線圈式緩和。總結來說,為了使頻率響應延伸至能包括整個音頻範圍,唱頭的機械設計必須補償在電氣輸出的衰減。這就需藉由唱針、唱片系統共振產生一個補償尖峰。在示範的例子中,如果唱針的共振定於20KHz,則動磁唱頭的機械Q值=2,而動圈式唱頭比1多一點。
不幸的是要正確的補償電磁唱頭相當的困難,所以在5到15KHz之間約有1到2分貝的下降。動圈唱頭之所以較好的原因就是在高頻的範圍會略為上升,雖然升高的不多卻有顯著的差別。
因電氣網路所產生的頻寬限制,也明顯的影響了暫態反應。如果利用再生方波的前緣來測量上升時間,我們可以發現頻寬限制不但壓抑了高頻諧波,也使反應變慢。要解決這個問題使唱頭具有平坦的響應,最簡單的方法是使電氣頻率響應高於機械響應,使唱針不必負有補償的責任。
對唱頭最終的測試是試聽。要控制在試聽測試中所有的變因是不可能的,但是如果對一組人做一連串的試聽實驗,然後將結論統計分析後往往會獲得有趣的結論。加拿大國家研究中心的Floyd Toole博士於1980年在Ottawa主持了一項大型的實驗。首先由16位試聽者試聽9個唱頭,然後從9個中選出三個再由13位試聽者試聽。每一位試聽者的位置都有最好的立體效果;每一次同時不超過三個人;試聽時不准移動身體以免引起音質的變化;同時也禁止因身體語言(body language)來影響同組的意見。最後選出的三個唱頭分別是Ortofon的MC-20、Denon DL 103D及Shuer V-15 IV型;試聽又分成兩部份,一是經過等化處理,及不經過等化處理。在未經等化的過程中唱頭的差異非常明顯：Denon比Ortofon明亮,而Ortofon則與Shure相似。在大部分的情況下試聽者都不欣賞高頻的突出,除了有兩位特別欣賞動圈唱頭的例外。這些差別也是在選擇錄音特別良好的唱片中的某些片段由有經驗的試聽者才能聽出。但是即使在這種條件下,以統計分析來說差別也不明顯。
再第二部份的實驗中,Shure唱頭使用Technics 9010參數等化器使頻率響應與Ortofon唱頭的響應的誤差不超過0.2分貝;再一次的結論還是很接近。有趣的是這次動磁唱頭的分數略超過動圈唱頭,而且並不是因動磁唱頭的得分升高,而是動圈唱頭的分數降低了。這種性質的實驗很容易引誘人去做一種結論：是否一位試聽者能不斷的選擇出動圈唱頭而且清楚的表示出其優點。
實驗的結果讓很多受測者感到驚異,尤其一些自認是動圈式狂的人在發覺自己居然選擇了動磁式唱頭令其窘困不已。
這種結果真的令人很驚訝嗎？許多的評論都認為在相同的條件下,性能相同的放大器會有相同的聲音,任何能聽得出的差別一定是因為某些尚未測出的因素所引起的,這種觀念不也適用於唱頭嗎？
Technics的工程部主任Shuichi Obate談到他對唱頭設計的哲學是：「錄音工程師及演奏家很努力的將音樂錄進唱片的溝槽裡,那麼如何正確的將所有的訊號正確的從溝槽中拾取出是唱頭設計師的責任與榮譽。唱頭本身不應具有任何音色,但不論是動圈式或動磁式,對一個勝任的工程來說,主要的選擇還是基於公司的決策,而只要具有相同的性能無論是動圈式或動磁式一定有相同的音色。我認為我們應專注於唱針的裝設及質量的分佈這些問題上。」「到目前為止,許多其他的廠商不斷的以動磁唱頭的觀念來干擾我們對動圈唱頭所持的原則,對這些問題我們做了深入的研究,而我們的結論是EPC-305」。
EPC-305是Technics最新的動圈唱頭。錐形的硼質連桿有效質量僅0.098毫克,頻率響應10至100KHz。另一類新型的混合唱頭由Stanton及Pickering所製造(XLZ/7500S、980 LZS、981 LZS)。基本上這些唱頭的設計是動磁式,但是電感非常低(1uH),及低的直流阻抗(3歐姆),低的有效質量(0.2毫克),輸出很低,必須使用前前級來放大。這種唱頭具有動磁的優點,而沒有動圈唱頭的缺點。
動磁、動圈的爭論尚未結束。唱頭越做越好,測量結果越來越相似,音色差別越來越小,動磁唱頭的進步使得在高頻的範圍大多數人都無法分辨兩者的差別,而影響選擇的因素主要變成經濟能力的問題。
但是我們不能忽略少數金耳朵的意見。由於這些人的刺激,才使音響不斷的研究發展,不斷的進步。讓我們承認差別仍然存在,然後繼續研究引起差別的理由,以及好聽的聲音真的是正確的聲音嗎？
同時誠如Shuichi Obata所言：「光要求唱頭好有什麼用？有好的唱片才會有好的唱頭！」
動圈唱頭、動磁唱頭兩者間的差異已經變得不值得爭論了。但是即使到了最後一只唱頭變成歷史的陳蹟之後,爭論仍會繼續進行。(取材自Audio March,1982,原作者：Peter Milton)
轉載音響技術第77期 MAY. 1982 動圈唱頭真優於動磁唱頭？/王超群 譯
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