精密測試愛迪生的錄放音全能留聲機 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

仿製費時300小時

　　為了讓讀者與音響器材之最近的發展並駕齊驅,本人已測試了發明家多瑪斯●愛迪生之當時的最新發明,亦即電唱機或稱說話機。(註六)。這項器材是設計來錄下聲音,並且立即播放的。在1877年12月6日(註七)在科學上的美國人期刊的編輯室裡,很多人親眼看到了操作愛迪生錫箔唱機之實況。當時,愛迪生實驗室在前一天才完成了它。(註八)。我本想借這東西出來細看研究,但因為這是它們製作出來之唯一成品,悉有所不便。而況,我也感覺到它確有潛在的歷史性的價值。於是,愛迪生實驗室供應我一套的計畫,以便我可以立即著手製造一相同的複製品來測試。(註九)。我本身並非在行的機械師,因此花費了三百多小時才製造了它。很多時間都花在原作品表面上沒有功用的細節的仿製上,然而,我還是全部仿製了,不想改變最小的細節,因為害怕會影響了性能。我也小心地避免加上我自己的任何錯誤。當複製此機時,我漸漸地體會到愛迪生實驗室的機械師約翰●克魯西在製作這第一架唱機的高超的手藝。(註十)

　　愛迪生錫箔留聲機無論在外觀及操作上都特別地簡單。有一個黃銅做的圓筒,這是在錄音及播放時唯一移動的部份,它沿著穿上線的軸移動,而此軸則為以手操作的曲柄所轉動。箔片繞著圓筒而把它包起來。這圓筒有預先刻好的溝槽可讓箔片嵌入。同時,當圓筒被轉動時,唱針可循軌。此唱機有兩個尖針,一為錄音用尖針,二為放音用之唱針。由於圓筒上的溝槽必須時常保持在靜態的唱針的正下方。因此,曲軸柄上的線必須和圓筒(每英吋有十條溝槽)在同樣的高度上。錄音是經由在中央焊接有錄音針的金屬隔板(10毫米的鋼片)而發生作用的,而錄音針又跨越上短號角的末端上,短號角則面向著黃銅做的圓筒。當聲波震動隔板上的錄音尖針時,針尖就振動,於是錄音尖針就把聲波圖紋刻在從下方經過的箔片上。在聲音被錄上之後,錄音針要移開,而圓筒則回到了它的起點,然後播放用的唱針被移上來接觸箔片。操作者必須小心來調整它,以便可以和錄音尖所鏤刻的痕跡相疊合。唱針被一薄的鋼質支柱所支持而穩固地附著在8毫米的雲母隔板上。而雲母隔板則位於長的黃銅號角之末端。當圓筒轉動時,播音用的唱針則循著錄音針在箔片上所刻製的凹痕,引起雲母隔板的振動,如同鋼隔板被原先的聲波所振動一樣。

調整必須細心

　　想要正確地操作這唱機需要相當的耐心與練習。首先,錄音針尖及放音唱針兩者皆必須正確地放置在圓筒上的溝槽的正中間。如果唱針不能很正確地形成一直線在錄音尖針所刻成的溝紋上循軌前進,則它無法向側方移動,因為它被牢固地固定著。扳動大調整螺絲上的支柱側面,可以稍微地調整錄音尖針。事實上,這樣的調整沒有實際上的用處。因為隔板上的錄音針形成對圓筒的表面的斜切,造成箔片上失真的刻版錄製。當支持著隔板的夾緊環被鬆開,而隔板旋轉到唱針正確地成一直線地循軌,(這實在是非常煩瑣而令人討厭的步驟),錄音針的調整才是最成功的。好在放音用的唱針比較容易調整。假設承受唱針得支持彈簧上的夾子不太緊,把唱針從側面輕觸一下,直到完成最適切的調整。最輕微的碰撞也會造成唱針無法成直線循軌。不妙的是,如果連繫唱針和雲母隔板的柱子不和隔板成垂直,播音用的隔板就不能以錄音隔板所用的方式來調整,然而小心使用的話,唱針是不會再誤差的。調整錄音針和唱針,直到兩針之軌跡重和時(可以用放大鏡放大來看)最容易完成適當的調整。

安放錫箔要細心

　　把錫箔包在圓筒上是最不容易的。錄音針和唱針都只能從圓筒離開0.2英吋。而且支持錄音號角的金屬板在旁邊只有0.2英吋之距離。這些種種都幾乎不能夠有足夠的空間可放進箔片。我發覺把圓筒放回起點,在把箔片包在圓筒上是最好的方法。當箔片被東西勾到而弄皺了時,需先將它弄得平滑光整。因為,如果不弄平滑光整則錄音時會被勾破。箔片兩端重疊的部份也有點困擾。為了防止尖針在箔片上絆住,某些重疊是必須的,然而重疊太多,卻易造成箔片捲曲,容易勾破。當然,重疊必須和圓筒的旋轉同一個方向。我發現,大約0.1英吋的重疊是最恰當不過的了。箔片可以用口膠(註十一)來安置,可是卻容易弄得遭亂,而且也不好使用。廠家所推薦的覆錫的鉛箔最容易弄平整而且也易於粘上的。

　　錄音尖針觸切箔片的深度調整最為重要,太深時,則無法完成全部的行程的刻錄,太淺時,則在每一循環之最高高峯時; 無法觸到箔片。最適當之深度大約為2至3毫米。(如圖一)。想探知適當的深度,可以使圓筒緩慢地旋轉,並仔細端詳唱針的位置

　　錄音時,非但要聚精會神。而且要相當地熟練。操作者非但要能對準錄音號角清晰地叫喊,而且要能以恆定速度來轉動圓筒。真像是一個人既要拍拍額頭,也要按摩胃部,忙得不亦樂乎。放音時的針壓也是非常的重要。太硬則箔片上之在箔片刻版會被刮平,太軟時,則所有的訊號皆不能播放。說到播放,真是作弄人,因為,我們必須以錄音時所用的速度來轉動圓筒,而操作者忙碌之餘也得費神來聽所錄製的聲音,並辨識話語。

　　重新播放一張預先錄好的箔片是可能的。事實上,我發現到把一張以前錄好的箔片放回到圓筒上並不如想像中那樣的困難。箔片甚容易放在中心位置,因為箔片上的凹入處剛好落在圓筒的溝槽中。如果沒有人指導,也沒有說明詳盡的指導手冊可看,大約要兩三小時方能精通使用此唱機。

用現代的方法來測試

　　雖然廠家推介使用2毫米後的覆錫鉛箔,我卻只能拿到1.5毫米厚的。縱使我所使用的箔片比推薦的要薄一點,我相信其效果和廠家所使用的相似。另外兩種箔片,一個3毫米的純錫用的相似。另外兩種箔片,一個3毫米的純錫箔及1.5毫米的鋁箔都試過。如果有滿意的效果,則箔片必須軟得能夠讓錄音尖針的細微的運動能在表面刻劃製版,然而卻必須堅韌得能夠保持住這些刻劃,而不致在唱針循軌播放時,被擦掉了。

　　彈性係數(即楊氏係數)是衡量一個元件拉力(變形)所需要的壓迫力(百萬⍦)的方法,而也可以用來描述箔片可以經得其刻劃的數量。鉛的係數為2,錫為6.5,鋁為28.5(註十四),而覆錫的鉛箔大約是3.5。箔片在硬度及密度上也各有不同。鉛為錫的兩倍重,錫又是鋁的兩倍重。鉛比錫軟一點點,然而錫卻比鋁軟得太多了。覆錫鉛箔能夠使用起來快速就使人信服其優越性。它使人感到沉甸甸、柔軟,而「滑滑的」,純錫箔雖也相近,卻沒有那麼重,那麼柔軟。

　　在愛迪生錫箔唱機上所做的所有的測試,圓筒是用手轉動的。如此引起了嚴重的頻率調變──或擺抖。為了測量擺抖,在儘可能穩定地轉動曲柄時,把一個600赫的正弦波錄在錫箔上。移開箔片,然後在箔片上三十個地方測得每英吋循環的數目(在箔片上各自的凹紋),然後加以平均。再算出每分鐘的轉數(推薦的每分鐘60轉相等於每英吋58條溝紋數)。然後,再算出顫抖率在三十個地方和每分鐘60轉相差的百分比。

　　三個沒有經驗和一個有經驗的操作者被試驗以決定是否顫抖率會因熟練而減少。沒有經驗的操作者被要求以他們能舒適地維持的速度來轉動手柄。試了三次之後,兩個沒有經驗的操作者降低了顫抖率約百分之二,另外一位沒有經驗的卻增加了轆聲百分之二。有經驗的操作者比無經驗者低了百分之三或百分之六。由於顫抖聲只是為錄音過程而測量的,因此我認為錄放音之錄聲總數當為兩倍。

　　操作者的心理傾向是在轉動手柄時速度慢下來則加速,而快起來時減速。由於錄音隔板和放音隔板上的圓筒相對,我們發現到速度慢下來時的錄音的高低度會在放音時降下來,在速度快起來時,則會上昇。在錄放音時,皆維持一永恆不變的速度幾乎是不可能的。上述所測驗的四人當中,只有一人能維持同樣的速度。大部份來說,操作者的速度在每分鐘41轉到73轉之間,平均起來,離開廠家所推介的每分鐘60轉還不太遠。

　　錫箔唱機的頻率響應在使用不同的箔片時有些做的改變。(參考圖四)。

為了測量起見,頻率範圍皆錄下來,由此而得的放音則在一台實際的時間頻率分析器上顯現出來。(註十五)。錄放音的頻率響應上的兩個突出的高峯似乎反映出鋼質錄音隔板的共振的特性。當直接測量時,以錄音針切觸箔片的鋼隔板有三個共振: 一個大的高峯在710赫,兩個較小的在1100集2800赫。在710和1100赫的兩個高峯,彼此間非常接近以致於在900赫地方形成一個如圖二所示的廣闊的高峯。

當唱針隔板沒有被箔片阻礙了震動時,這些共振就分別地降到580、710及2,200赫。我們可以用下面的等式,此等式原是描述一個圓周被緊緊固定支持著的圓形隔板的共振響應,來計算主要的共振響應。

　　t是隔板的厚度,a為隔板的半徑,Y是楊氏彈性係數,k是密度,1是波森氏率(註十七)。使用這公式計算,錄音隔板上的共振頻率為788赫茲。第二個共振頻率(不是一個單純的諧音)為基本頻率的3.88倍或為3057赫。所算出來的共振比實際所量的高。因為所加上去的尖針的質量降低了共振。此效果為觸切箔片的唱針所補償,箔片由於增加了強硬度而提高了共振。在1100赫所測得的卻不知其所以然。然而,它卻有加寬唱機頻率的效果──亦即從大約700到大約1200赫。轆聲是加寬高峯的原因。

　　使用不同型式的箔片在頻率響應上有微妙的差。別使用較強硬的箔片,也就是1.5毫米的鋁箔和3.0毫米的錫箔(參看圖二),頻率似乎高了一點。可能是箔片及隔板的硬度加上來而提高了隔板的共振頻率。

　　在先天本質的雜音上,這三個箔片都有戲劇性的不同。(參看圖二)。覆錫的鉛箔片是最安靜的,而鋁箔片則是雜音最多的。最大的訊號雜音比(不含唱針經過箔片重疊處所產生的拍答聲),在覆錫的鉛箔片來講為29分貝,錫箔為28分貝,鋁箔為24分貝。由箔片重疊處所產生的拍答聲,對較厚的錫箔片來講(25分貝強的雜音),比起薄的鋁(17分貝),或覆錫的鉛箔(15分貝)都要大。把拍答聲加在訊號雜音比的音譜反應上就減少了此比率。(參看圖四)。拍答聲在大約900赫的地方引起訊號雜音比的大幅下降。

　　訊號雜音比可以說是等於唱機的動態範圍,因為訊號是基於百分之百的調變上,也就是說尖端的最大的6毫米的循軌深度被溝紋、唱針及箔片的物理特性所限制著。(參看圖一)。箔片裡尖峯的循軌,動態範圍和在一個單獨頻率的效率; 其彼此的關係都表示在圖三。

　　在錄音號角入口處的輸入訊號在覆錫鉛箔來講,必須大於116分貝,才能超出雜音水平。輸入必須達到146分貝才能達到最大的訊號雜音比。如此高的聲音水平,結果所產生的輸出,在以每分鐘39.4英吋的轉速時,僅獲得76分貝,等於失去了70分貝的功率,也就是只有百分之0.00001的效率。

　　我們用觸切箔片最深的切程,即尖峯至尖峯為4毫米,來防止唱針從溝紋由於任何的不能成一直線前進或溝紋的任何不規則而跳出。在這樣的測試下,雜音則視為失真的一部分(註十八)。從大約650赫到大約1400赫,失真為小於百分之一,然而超出這範圍則突然昇高(如圖四)雖然我沒再用覆錫鉛箔或錫箔來測試,然而兩者的失真應該比鋁箔片低一點才對,因為在先天本質上,兩者的雜音較少。覆錫的鉛箔片在780赫時的一個正弦波及方形波都顯示在圖五及圖六。

這是我所能捕捉以表達此唱機的潛能的最好圖形了。這方形波每秒大約上昇0.3公尺之倍數。有些振幅是明顯的,表示出唱針在牢繫固定方面尚未達理想。

　　我仍然覺得困惑的是不知為何錄音隔板上用的是一支短號角,而播放用的隔板上用的是一支較長的號角,特別是兩支號角的末端孔徑的大小都一樣。這可能是克魯西先生及愛迪生先生的美學上的觀點吧。

　　每一次的放音,都降低了同一個錄音的重播的品質。放音的唱針把箔片弄縐,甚而刮破,惡化了訊號的音質,增加了雜音。(參看圖七),

在十次的放音之後,不論你用的是什麼箔片,訊號雜音比只剩下了2至2.5分貝(在百分之百的調變時,此值大約為4分貝或高些)。最堅硬的鋁箔,最能保持訊號,然而每次放音,其雜音都增加。錫箔及覆錫鉛箔的雜音都能保持比鋁箔的低,可是訊號卻迅速地惡化,尤其是覆錫的鉛箔片。

　　大部份以鋁箔片為媒體,而經過150次錄音針尖幾乎沒有任何磨損。在大約四百五十次的放音(每錄音一次就放音三次)以後,放音用的唱針有相當的磨損。我想,使用柔軟的覆錫的鉛箔時,大概可以使用五百次。因此,我建議在放音用的唱針使用了四小時之後,應該更換。

三人試聽小組

　　我召集了一個三人為一組的試聽小組。其中有一個人在聽的方面不能達到最理想,因為他必須轉動那曲柄。我們把一個漏斗加在錄音號角上以增加錄音隔板上的聲壓水平,愛迪生氏在示範操作給科學界的美國人期刊的編輯們看時,也是使用各種的漏斗(註七)。在試聽小組之前,我把愛迪生氏所使用的幾個辭句對漏斗大聲叫喊──比如「瑪麗有一隻小羔羊」,「我是一架留聲機」。雖然在試聽小組中有些微的爭論,因為從唱機中所發出來的聲音,很難辨識出是不是向唱機說進去的那些話。後來我請試聽小組離開房間,然後再對唱機大聲叫喊了一些生疏的詞句和字眼,試聽確實無法辨別出放音時大部份的話。

　　子音方面要比起母音方面難以辨別些。像「ship」和「slip」這樣的字眼,當一次又一次地覆誦時,幾乎無法加以區別。低音和高音都沒有。似乎是女性的聲音錄下來的效果要比男士們的好。歌唱及吹口哨錄下再播放時可以辨別得出。小提琴和吉他則無法成功地錄下來──可能是這些樂器無法創造出足夠的聲壓水平來超過放音時的雜音水平。雖然我們沒有試銅管樂器,然而我相信會比弦樂器成功才對。

　　覆錫的鉛箔比起錫箔要安靜一點。然而鋁箔片的背景雜音則幾乎令人不能忍受,聽起來就像是用一支針在砂紙表面上磨擦一樣。錫箔比覆錫的鉛箔在聲音上比較明亮。兩者也不用說比鋁箔清晰。錫箔的所以比較明亮,可能是在1000赫的地方比覆錫的鉛箔有更大的輸出,而仍然保持相當好的訊號雜音比。

　　最成功的錄音是以一個有經驗的操作者穩定地轉動曲柄,使用覆錫的鉛箔,讓錄音尖針及放音的唱針有剛好完美匹配的針壓。假設說話的人其音量夠大的話。那麼,所放出來的錄音是可以辨識的。在有一個場合裡,一位試聽者宣稱在十五英呎遠的地方能清楚地聽到我所錄下的「瑪麗有一隻小羔羊」這樣的字眼。

　　由於好奇,我用放音隔板來試錄,而驚奇地發現在品質上有顯著的改進。因為放音隔板是用雲母而非鋼做的,因此比較順服,以致於不必需要很大的聲壓就可以刻製版在箔片上。當錄放音時只用一支同樣的尖針,如此則唱針的直線循軌的問題就消滅了。此外,雲母隔板比起鋼質隔板來有比較低的共振頻率(大約兩百到三百赫),這可能是支持著錄音尖針的彈簧的關係。結果是,頻率響應可以伸展到更低的頻率。雖然廠家可能不想推介使用唱機的放音部份來錄音,我發現結果比起來卻滿意得多了。

　　愛迪生錫箔唱機固然證實了聲音可以錄下而又重播出來的原理,然而除此之外,我沒有理由可以相信這樣的一件音響器材會被用來做正經而嚴肅的聲音錄製上。如果您想錄下您的話來保存,或傳給後代,最好是寫在紙上。我聽說愛迪生研究所正在從事此機的改良以便生產。如果是真的話,那我推薦您等待此新的機種。

　　彼得●希爾曼博士

　　紐約州,伊薩卡市,康乃爾大學

　　農業工程系研究員,郵政區號 14853

廠家的話(註十九):

　　我們正從事於愛迪生錫箔唱機的改良機種的生產工作,將於1978年春天可以上市。錄音及放音使用同一個隔板,其效果最為優良。在我們新的機種上將使用只以雲母隔板來作錄音及放音之用。務請大家諒解的是,由於我們急於發表此唱機,並儘快地向專利局提出專利申請,因此竟沒有時間可以在改良工作上下功夫(註二十)。因此新的改良機種將和原先的機種之間有顯著的改變。

　　除了採用單一的隔板之外,尚有許多的改良。加上一個飛輪以減少轆聲。吹口和隔板的組件將可以旋轉下來以求能比原機種有更大的距離,也可以由此而使包繞箔片在圓筒上成為方便容易了許多。同時也加上了一道狹縫於圓筒上,以便裝上箔片的兩端,一個楔狀物可以將箔片兩端定位安置好。也附上了隔板組件的側面螺絲的調整。錄放音針不再是牢固在雲母隔板上了,而是把一支橡膠小管放在音針和雲母隔板之間以減少金屬性的雜音,音針的形狀已做了改變以改善音量及明亮度。雲母隔板可做變通性的阻隔,藉強硬度來減少共振高峯,提高頻率響應。吹口上也加上了幾道狹縫,最後,我們還加上了一個漏斗以大大地增加放音的音量。

　　我們相信此機是有用處的,特別是新的改良機種。我們預言它可以用於寫信、聽寫、盲人用書、教育、音樂、錄製偉人的遺言,及當音樂盒、玩具、鬧鐘......用途,以上只是大概列舉其中之一而已(註二十一)。

愛迪生錄話唱機公司謹啟