儘管實驗室的儀器日益精良,但是卻無法保證測試規格再好的音響能發出理想的聲音,所以器材的規格與器材的表現常是互相矛盾的。Ortofon的工程師們相信唱頭的測試一定有不完整的部份存在,所以設計了一個實驗來測量唱頭的相位響應,然後找出這個因素與其他常用參考間的相關。
促成這個實驗的動機是大家都承認動圈唱頭的聲音比動磁式唱頭要好、要清晰。可是如果我們從規格上無論是振幅響應、循軌力、分離度、諧波失真都無法看到這種差異的存在。所以我們相信,雖然現在所有的測試對真實的表現能提供相當的參考,但是一定有不完整的部份。
一般的音響迷並不了解他們稱為頻率響應的參數實際上包含了兩個部份:即振幅對頻率響應及相位對頻率響應。由於相位的變化較為線姓,一般的電路都將其忽略不計;可是一旦牽涉到像唱頭這類的換能器,相位的變化不再屬於線性時,相位的因素就不可以忽略了。因此我們研究了一套數學模型,並以這個理論為基礎藉著對唱頭的實際測試來修正我們的模型。這個模型的理論基礎我們不預備在此詳述,為了進行實驗,我們利用B&K的加速儀(accelerometer)來測量相位響應,然後配合一般振幅響應的資料,藉著與實際測試的資料比較來證實我們的理論。
在此還是先將唱頭簡單的介紹一下。
唱頭的移動系統是指會隨著唱片溝槽的調制而振動的部份,這部份又包含了唱針、連桿及感應電壓發生器(voltage generating system)的移動部份,這整個部份結合在一起有一個「共振頻率」,共振頻率是指整個移動系統會以這個頻率振動。自然共振頻率則是共振能量最大的頻率,對唱頭而言,自然共振頻率是指從唱片溝槽以固定輸入的條件下能產生最大輸出電壓的頻率。
感應電壓發生器構成了唱頭主要的部份,其主要的目的是將受溝槽調制的機械振動能量轉換成電子訊號,這個部份又包含了線圈、磁組件或磁分路(magnetic shunt)及磁鐵。
在洞圈唱頭的設計中,線圈屬於移動的部份,藉著在固定磁場中的移動產生電子訊號。在動磁設計中磁鐵在線圈中移動,由磁場的變化在固定的線圈上產生訊號。
動圈唱頭的相位
典型動圈唱頭在未經阻尼時,振幅響應的曲線從5~6KHz左右就開始上昇,20KHz時提昇至8分貝,而到25~28KHz時達到峯值約為15至18分貝。這未經阻尼的唱頭也有大量的相位移,以共振頻率為中心點高達+180度,這可以當做對頻率的時間失真或是上升級下降間的時差。
雖然未經阻尼的動圈唱頭在20KHz時的相位差僅10度~15度,而15KHz以下的相位差更可忽略,可是振幅響應卻有相當的錯誤而造成主觀明亮的聲音。減少這個昇高的高頻端振幅最常用的方法是利用懸掛或橡皮懸掛環作阻尼。
固定線圈唱頭的相位
動磁及動鐵式唱頭的移動部份質量比動圈式要大的多,因此它們的共振頻率低得多,通常就在聽覺的範圍內。為了要獲得良好的振幅響應,固定線圈唱頭的設計者都採用大量的阻尼,但卻引起相位移的增加,結果使得固定線圈式的相位問題比經過適當阻尼的動圈式唱頭要嚴重許多倍。
固定線圈式唱頭同時也因線圈的自感引起的電氣共振(通常在音頻範圍內)產生相位移,減少這種共振的方法通常是在唱頭與前級的連接線間接上相當的電容做為負載,這個電容的負載又增加了相位移,正如機械阻尼一樣。
圖三是五種不同廠牌及形式固定線圈式唱頭的振幅及相位響應。圖四是Ortofon MC 200動圈唱頭在不同的阻尼下的振幅及相位響應。
圖三中振幅響應的偏差從5至20KHz不超過+/-1.5分貝,但在10KHz的相位移從30度至80度不等,而動圈唱頭在10KHz時最糟也不超過20度。
試 聽
為了要證實相位移對音樂的影響,我們對圖四中的四種MC 200動圈唱頭做了許多的試聽實驗,這些唱頭包括各種不同的條件,從完全不受阻尼,而且有快速上昇的頻率響應曲線在20KHz時可達+7分貝的,到受到大量阻尼而具有平坦的響應曲線在20KHz時僅-0.3分貝者。其餘的兩個則經適當的阻尼,一個在20KHz時響應為+3.8分貝,另一個則為+1.9分貝。
這些唱頭間音質的差異清晰可聞,樂器的位置、音像的深度、高度、廣度,每一個都有所不同。
完全不受阻尼的唱頭亦即相位移最小的,具有最深、最廣、最穩的音像。這個唱頭的真實性毫不受到扭曲,不幸的是過份「明亮」的特性令人無法釋然,整體的平衡並不正確,尤其是女聲、弦樂器及某些打擊樂器。
第二個唱頭,即所受阻尼最小的唱頭,音像稍窄、稍高,也沒有那麼深,樂器的方向及位置則很接近完全不受阻尼的唱頭。最重要的是頻率響應的偏差已經減至最小,而唱頭過份明亮的感覺則消失了。
第三個唱頭,即阻尼再加強一點的,與第二個唱頭非常相似,聲樂部份的深度較差,對較複雜的弦樂小節無法表現得很好。
第四個唱頭,即具有最平坦頻率響應的,卻令人最不滿意。整個音場的深度幾乎沒有了,僅剩中央舞台的部分仍可感覺出深度,舞台同側間樂器的位置差也不存在。未經阻尼唱頭所發出的聲音好像許多的樂器排列在聆賞者的前方,可是阻尼最多的唱頭產生的音場好像只有三個音源,即左邊、右邊、中央。
另外值得注意的是每一個唱頭的振幅響應除了少部分範圍外都能保持平坦。除了完全未經阻尼的唱頭在10KHz就有2分貝、15KHz有5分貝的變化外,其餘唱頭間振幅響應的差別可以忽略。這些相位偏差對聲音的影響包括了減少音場的深度、音像不穩定、聲音定位不良,有時候音像甚至發生在喇叭以外的位置。
從這些測試的研究及試聽,我們的結論是:我們確實能夠測量唱頭的相位偏移,而這個因素對唱頭產生的聲音又有直接的影響,所以我們嘗試設計一隻響應平坦而相位差很小的唱頭,至此我們的實驗證實動圈唱頭的相位偏差比固定線圈式唱頭要小,而振幅響應同時能保持相當的平坦及平衡。 (取材 MAR./1983,AUDIO)
轉載音響技術第91期 JUL. 1983 淺談唱頭的相位響應/王長安 譯
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