錄音機的製造廠商很多,可是自行製造磁頭的卻很少,大部分向專門製造磁頭廠商購入裝配,並設計放大線路配合磁頭特性。據筆者所知,較有水準的專門製造磁頭廠商在日本有TDK及三美,在歐美則有Nortrnics等。
但有些專製錄音機的廠商,為了配合高水準的錄音要求,因此在廠內都設有專門開發磁頭的研究單位,譬如: 日本的TEAC、AKAI、Nakamichi及Technics等等。
錄音機用的磁頭依功能可分成三種: 即消音頭、錄音頭及放音頭。消音頭用以消除所有在磁帶上的信號,錄音時,磁帶先經過消音頭消音,然後才到錄音頭進行錄音。錄音頭將電子信號轉變成磁場信號,並將之記存於磁帶上。錄音頭的結構及規格比消音頭精密的多,音未消音頭只將強的磁場加在磁帶上,錄音頭卻要將音頻信號傳真地錄在磁帶上。放音頭是三種磁頭中最精密的一種,其品質決定錄音機的好壞,因此,凡採用錄音、放音共用的錄/放磁頭,其特性皆以放音性能為先決條件。
錄音頭及放音頭為錄音機最重要的部分,在介紹錄音機的手冊中,各廠家無不極力推薦磁頭的高性能,尤其是日本的產品。讀者們只須略看日本錄音機手冊即知。不過,很奇怪地,歐美廠商介紹錄音機時卻很少提及磁頭,令人費解,譬如: 瑞士的"Revox"美國的"Crown"、"Ampex"、"Wollensak"等等。
日本產品如何在特性說明文中,介紹其磁頭,現舉出下面幾個例子:
① TEAC: 卡式機A-450採用TEAC HD(高密度)型鐵淦氧磁頭(ferrite Head)、硬度高、壽命長。電磁變換過程中,磁場集中使低頻及高頻均不失真。電磁變換效率高,錄音時所需偏磁(Bias)電流小,避免產生偏磁雜音,並可保護磁帶。左、右聲道串音特性極佳。磁頭間隙(Gap)採用鑽石切割機(像寶石切磋琢磨一樣)可研磨出線性的狹窄間隙。此外與磁帶接觸的表面,皆磨成如寶石樣地光潔,不沾塵埃。
盤式機A-4300採用TEAC最新高硬度波膜合金(Permalloy),耐磨性及電磁變換特性均極佳,動態範圍廣。避免放音時產生形狀效果(在低音段電平響應成波浪形),放音頭與磁帶接觸面採用雙曲線形,變換效率最佳,低音渾厚。
② AKAI: 卡式、匣式、盤式共用的錄音做X-2000SD採用AKAI專用的交叉磁場音頭(Cross-field Head)如圖一,信號(含偏磁)磁頭及偏磁磁頭相對分隔於磁帶兩旁,間隙(Gap)稍微偏差。一般錄音機只有一錄音頭(沒有偏磁磁頭)時,容易使剛錄好的信號(尤其是高頻)受偏磁影響而產生衰減或消去的現象。若採用偏磁磁頭使合成偏磁後移如圖一,就不致影響錄音的信號。
盤式機GX-280D-SS採用單結晶鐵淦氧磁頭。通常鐵淦氧化物(ferrite)是最適合聲頻磁頭之用。並分成單結晶及多結晶形,在硬度上沒有差別,經壽命測試,多結晶形的微細晶粒容易剝落,導致磁頭間隙破損,單結晶形無此現象。同時間隙夾有玻璃介質構成低雜音壽命長的Akai GX磁頭。磁頭表面不沾塵埃,錄音偏磁磁場集中(即所謂的聚磁錄音Focused Field Recording),中高頻電磁變換效率高,S/N比即失真率好,有清澈明朗的音響,使杜比NR效果發揮100%。
③ Nakamichi: 卡式機Nakamichi 550,錄音頭採用Focused-Gap Head如圖二。一般以為錄音品質決定於磁頭間隙寬度,事實上當決定於磁帶通過間隙邊緣時,偏磁磁場在臨界地帶的衰減情況。由圖中可知,Focused-Gap Head的臨界地帶較陡,θ角度呈直角且Δl小,則錄音特性良好。放音頭間隙嚴格要求為1.5微米寬度,高頻特性優越。一般的磁頭的「有效間隙」受磁場擴張影響均在2微米以上,此乃由於製作過程中重壓所致。Nakamichi磁頭裝置技術已研創出新方策,避免磁場擴張,使有效間隙仍為1.5微米。Nakamichi 700採用三磁頭,頻率響應達20K以上,錄音頭間隙為5微米,鐵心採用高導磁率鐵淦氧化物。放音頭間隙為0.7微米,內夾有鈦(Titanium)薄片,採用高導磁率超硬波膜合金鐵心。
由已上的質料說明中,磁頭特性可整理如下:
一、磁頭鐵心質料的特性要求
①高導磁率。磁性阻抗小。
②鐵心損失小。固有電阻大且採用積層形,避免高頻渦流損失。
③最大磁場磁度大(如圖三)。在磁帶尚未飽和之前,磁頭應未達飽和以避免造成失真。
④抗磁力(見圖三)小。若抗磁力大則易帶磁,使磁帶錄上雜音,信號被消去。
⑤耐磨性好。鐵淦氧化物(ferrite)硬度(耐磨性)比波膜合金(permalloy)好,但導磁力較低,抗磁力較大。
⑥加工性好。間隙在1~2微米間,鐵心硬度高,不易加工及精密研磨,但硬度低,則壽命短。
⑦Curie溫度高。Curie點為磁體磁性急遽變化的溫度,磁頭操作中溫度會上升。
二、關於鐵淦氧化物(ferrite)及波膜合金(Permalloy)
此兩種材料為磁頭鐵心的基本材料,鐵淦氧化物有多結晶形及單結晶形,另外尚有Technics的HPF(Hot Press Ferrite),各種成分如下:
(A)波膜合金(Permalloy): 適用聲頻磁頭成分為4-79型,鐵佔17%,鎳佔79%,鉬佔4%,其優點為導磁率高及抗磁力小以及最大磁場強度大,不易帶磁及磁飽和,缺點有二: 一為硬度不高,壽命短,若欲用之為磁頭,必須另加特殊硬度處理才可。一為固有電阻小,渦流損失大,需做成積層型磁頭。
(B)多結晶型鐵淦氧化物: 固有電阻大,渦流損失小,若內有氣孔,加工及特殊性均很差,適用於消音頭,不適合錄/放磁頭。
(C)單結晶型鐵淦氧化物,在加工處理中,一次完成結晶,固有電阻仍很大,渦流損失小,因而鐵淦氧鐵心大都不採用積層型。
(D)HPF(熱壓鐵淦氧化物)(Hot Press Ferrite),乃Thchnics獨有的處理方法;將磁性粉末在高溫高壓下成形,密度非常高,也可以精密機械加工,錄影機也採用此型。
三、鐵心(Core)及線圈
鐵心及線圈結構如圖四,一般磁頭均有前後間隙,錄放音頭前間隙有規格,後見隙可用作調整;後健系大則靈敏度(錄音及放音靈敏度)不好,但帶磁少。前間隙必須做得很精細,成直線性。間隙填塞物的厚度稱為機械間隙寬,電磁轉換的實效磁場間隙寬比機械間隙來得寬,而間隙填塞物應採用非磁性體。波膜合金鐵心一般採用硬度大抵相同的銅合金,鐵淦氧鐵心採用特殊的玻璃質。磁頭鐵心的厚度視音軌寬度為準,如圖五,消音頭比音軌寬度大,錄音頭稍微大些,放音頭則略小於音軌寬度。立體聲磁頭上下兩聲道鐵心,其間隙應成一直線以免形成兩聲道相位偏差,同時兩聲道鐵心隔離要良好,避免串音。
四、錄音頭、放音頭及錄/放音頭
錄音機為三磁頭系統,磁頭排列順序,依磁頭進行方向,磁帶先接觸到消音頭,其次錄音頭,最後為放音頭,錄音時,三磁頭可同時工作,而放音時只須放音頭工作。錄音時的監聽方式有二: 即監聽信號源(Source)的信號及監聽錄於磁帶上的信號(此由放音頭放音出來)。若錄音機為兩磁頭系統(消音頭及錄/放音頭)只能監聽信號源,因為路/放音頭只能進行錄音工作,無法同時進行放音工作。高級卡式機及大部分盤式機採用三磁頭系統,原因乃錄音頭及放音頭要求特性不同如表一,同時錄音的監聽,可隨時切換信號源及磁帶,實際比較之相當方便。
1. 靈敏度及頻率響應:
錄音頭及放音頭的等效線路如圖六,對錄音頭而言,以最少的電流及圈數(繞於鐵心的線圈)而使磁帶感受最大的磁場,就是錄音靈敏度好。放音頭來說,磁帶上存有的最小磁場使線圈感應出最大電流來,就是放音靈敏度好。磁性材料的導磁率高,靈敏度就好。圖六中,Rfg大高頻響應低、深度小壽命短,那麼,靈敏度、頻率響應及壽命三者的要求特性,依錄音及放音要求重點而不同。錄音以靈敏度為重,放音以頻率特性為重,而壽命同屬重要,因此間隙深度均在0.2~0.4%左右,放音頭間隙寬以最高錄音波長的½為基準,也就是在1~2微米左右,最佳寬度為1.5微米,此乃指實效磁場間隙寬度而言。錄音頭以磁帶性厚度為基準,大約在10~15微米左右,最佳選擇在10微米。
事實上,理想的間隙磁場分布如圖七的H1,實際的磁場H2,一間隙中心向y方向,距間隙½處,磁場強度減半,磁場完全貫穿至磁性層內面則錄音靈敏度好,但因間隙寬度一大而使頻率響應降低,及高頻錄音特性低落,美國Fairchild公司發明一種Focused-Gap Head,即Nakamichi 550採用的型式,在間隙內插入如圖八的導電材料,造成一種如變壓器的短路環現象(Shorting),間隙內產生2次電流使再見戲外側保有強磁場,使高頻特性變好。另外一種改善方式為依據M. Camras氏的理論,採用交叉磁場磁頭(Crose-Field Head),如圖九。
放音頭間隙寬為1~2微米,頻率特性好,但靈敏度差,欲提高靈敏度可增加線圈圈數及細線圈,但其阻抗及線圈間雜散電容,漏磁增高,與放大線路連接,易感受雜音,高頻響應差所以線圈阻抗在1KHz時選定在0.5~2K左右。
卡式機帶速較盤式機慢,磁頭磨損亦較慢,可稍微減少間隙厚度。除了間隙寬外,影響錄音頭及放音頭頻率特性的其他因素如下:
A: 錄音頭: ①鐵心渦流損失隨頻率增高而增大。②受磁帶磁性層厚度影響,高頻信號不易穿透磁性層而使電平損失大。③磁帶上的信號,高頻波長短,正負極性相近而使磁性減少,降低電平。
B: 放音頭: ①任何磁帶與磁頭接觸間均有空隙,使高頻信號損失大。②鐵心渦流使高頻損失大。③磁頭間隙與磁帶信號的磁場排列不一致,形成高頻損失,即所謂的Azimuth問題。④形狀效果使低頻響應成波浪起伏,當磁帶信號波長恰為磁帶磁頭接觸面長度的整數倍,如圖十,則g及i導通且相位相反,使感應電流相減,形成波浪形特性曲線;改善形狀效果即須將磁頭外形改成雙曲線型。
錄音時,偏磁及信號同時加於錄音頭,鐵心渦流損失隨頻率增高而增大,偏磁頻率大約可聽聲頻的5倍左右(即100KHz),消耗功率相當大,因此偏磁必須供給較大的電流,同時,錄音頭鐵心材質及結構應特別注重渦流損失小。
2. 殘磁、感應雜音、失真以及聲道、音軌間串音
錄音機的雜音主要來源為磁頭及磁帶。此種雜音種類(對磁頭及磁帶而言)有三: 即殘磁雜音、感應雜音、磁帶特有的嘶聲(Hiss)雜音。Hiss雜音屬於高頻帶。殘磁雜音為磁頭殘磁產生的,錄音頭帶磁時,若信號電平高,易達磁飽和而失真,則錄於磁帶上信號也失真。放音頭帶磁,將原錄好之信號破壞之,音色音質劣化,因此大約使用50小時候,錄、放音頭均應消磁。
感應雜音為放音時獨有的現象,一般放音頭靈敏度基準為磁場強度250pwb/mm,可感應出-70dB的信號,外來雜散磁場比250pwb/mm可大得多,所以磁頭防磁隔離結構相當重要。
首先由內部鐵心結構及線圈繞法改進,如圖十一,鐵心採用前間隙及後間隙,繞線分兩邊,繞法如圖,則可使外來雜散磁場感應互相抵消。磁頭懀包以不帶磁性材料如波膜合金,只有兩個小窗口(雙聲道磁頭)露出鐵心的間隙。在交流式的高級機座,防磁干擾的隔離更應特別注重。
雙聲道磁頭,特別注重上下(左右)聲道鐵心及線圈互相感應造成的串音(crosstalk),一般在兩鐵心中夾一磁場隔離板如圖十二,材質為波膜、銅、波膜三層,後約0.1~0.2mm。隔離效果可達55dB。
盤式帶及卡式帶左右聲道及音軌間關係不同如圖十三,盤式帶左右聲道距離較長,盤式帶磁頭左右聲道距離亦較長,故隔離效果比卡式機磁頭好。
五、 消音頭
消音方式有直流消去及交流消去,高及錄音機均採用交流消去法,交流來源與偏磁相同,同為100KHz左右。
最佳的消音頭構造如圖十四,間隙寬約0.1~1mm,鐵心採用高導磁率及渦流損失小的材料。消去的電流大,消去特性就佳,消去特性以削去率表示之。普通LH磁帶比二氧化鉻帶易被消音,因之,目前一般錄音機消去特性測定二氧化鉻帶即可。消去特性不好除了消音頭本身問題外,尚可能是消音頭鐵心間隙位置沒適正地觸於磁帶音軌上。
六、磁頭的壽命及保養
磁頭壽命跟間隙深度有關,帶速快則磨損大,所以卡式機磁頭比盤式機磁頭壽命長。
所謂磁頭壽命有兩個意義: 依為機械的磁頭面被磨損的壽命,一為磁頭特性降落的壽命。在耐磨壽命上,若正確地使用,間隙深度0.1mm約可使用1000小時以上, 若磁頭面沾塵埃或使用不良磁帶(磁性粉易脫落),不僅高頻特性較差,而且只可使用200~400小時。因此,每當錄放音時,應先以柔軟布沾清潔液(如無水酒精)擦式磁頭間隙接觸面。磁頭經磨損後,音質會變化,應適當調整偏磁補償之,大約磨損0.1mm,偏磁應調整減少10~20%,若只磨損0.05mm以內,大約不必調整修正。磁頭間隙磨損或變形,可採用50倍以上的顯微鏡觀察之。
轉載音響技術第16期 APR. 1977 錄音機的舌尖─磁頭/楊 絃
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