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標準的磁轉印測量法

  通常磁轉印的測量是在捲在一個軸的直徑為2½吋的輪盤上的一段數呎長的錄音帶上進行的。錄音帶在開始前已經消磁過。其「最差的情況」的頻率可以下面這個公式來計算: f=S÷2πd....................(3)

  這個公式是結合公式(1)(2)而成的; 公式上的字母所代表的意義和前兩個公式的一樣。錄音帶的速率S通常都為高速率(7½或15吋/秒),因此測量前的時間就保持為最短。在軸上繞數圈的錄音帶,然後在此軸轉一圈所需要的時間稍為短的一段時間內將像公式(3)那樣的頻率的信號加上去。並轉上15或20多圈的錄音帶,而且將此程序重複一兩次。接著將錄音帶切斷,將捲在軸上這段錄音帶小心地捲在另一個輪盤的軸上。這樣一來錄音帶離開輪盤時的方向和它最初被錄音時的方向是一樣的。錄進去的信號通常是使用失真1%的正弦波。然後在150°F的溫度下,做四個小時的熱處理,而在測量前將這個被處理過的輪盤冷卻至室溫。從此錄音帶來的信號經過一個帶通濾波器,以便增進其信號對雜音比,並且將這錄音帶按照原來錄音時的速率來放音。濾波器的頻率被調到一個適當的頻率,將濾波器的輸出送至一個記錄器上,記錄器上的記錄只是對數的刻度,且其動態範圍至少要有分貝,才能使所有的信號(包括原信號和第三或第四次後轉印信號),給於同一張記錄紙上。重複的測量結果通常都在±1分貝之內,圖5就這種典型的測量的結果。

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可以看出錄音帶的錢轉印是-42.4分貝(取-42.6與-42.2的平均值),算是普普通通的,而它的後轉印比它少約6分貝。錄音帶的雜訊在記錄紙上看起來就是那些在底限下的上下稍為起伏不定的曲線。

由外來的磁場所造成的磁轉印

  如果錄音帶暴露在一個外加的磁場的話,就會造成比較大的磁轉印。可是幸運得很,要產生這樣的磁轉印信號所需的磁場比能將一捲錄音帶浸沒的磁場要大許多。如果拿和溫度所造成的磁轉印來相比較的話,溫度所造成的磁轉印用的磁化方式叫做熱磁化,而由交流磁場所造成的磁轉印是用磁滯磁化的方式,這也是大部份的音響錄音機所採用的磁化方式,關於這種磁化方式有許多專文在討論它。

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圖六表示轉印是怎麼受到所加的交流磁場的影響的,在這試驗中,儲存錄音帶的時間總共是五分鐘,其中兩分鐘錄音帶是在圖所示的數值的交流磁場中旋轉。這些數值是均方根值,峯值的磁場是這個的兩倍,當磁場達到大約5奧斯特以後,以分貝來表示的轉印信號的大小幾乎是所加的交流磁場的直線函數,而有一個很大的斜率。要造成可以聽出來的磁轉印所需的磁場比一般家庭裡所會有的磁場要大許多。表3列了許多從不同來源的典型的磁場,並且告訴我們只要小心一點就可以避免許多由磁場而來的問題。

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  直流磁場也能造成磁轉印,但是沒有交流磁場那麼嚴重。地球的磁場強度約為半個奧斯特,對於錄音帶來說小到可以忽略掉。若磁場是在空氣中或真空中時,我們要表示磁場的大小時,高斯和奧斯特都可以通用。高斯是磁通量密度的一個單位的名稱而奧斯特則為磁接強度的單位。這兩個名詞在新的國際的單位裡已經不採用了,但在美國的商場上仍被使用。

瞭解轉印效應

  是什麼造成詞轉印呢?這問題真是令人迷惑。大家都知道,將磁性材料加熱超過它的居里溫度(超過這溫度以後,它就不是鐵磁性),並且在磁場中將它冷卻就可以接受磁化。唯一的困難是氧化鐵的居里溫度(Tc)很高,會把錄音帶損壞。我們很早就已經知道許多材料的磁化特性,但是這些並不適用於錄音帶上細小的磁粉。然後在1959年,由通用電氣研究實驗室的兩位研究員發表了一篇有關細磁粉的論文,這篇論文給後人研究的方向提供了極其重要的線索。它們是研究永久磁鐵材料,在論文中並沒有提到錄磁帶轉印的問題,但是漸漸地所有研究錄音的磁學專家便瞭解這就是答案。

  以上解釋我們可以做如下的敘述。所有的鐵磁性材料,在它們的一個小體積──我們稱它為磁疇(domain)裡,有它們的磁性的排列法,這些磁疇的大小均非常地小。如果材料被完全磁化的話,磁疇內的所有磁性向量均指向同一個方向,而且是加成性的,如果材料被去磁的話,磁力並沒有除去,只是磁疇的方向變了,使得整個材料中的磁疇的向量和為零。在細粉磁中,由於相當的細,因此有的磁粉只有一個磁疇,這些磁粉我們把它較作單磁疇磁粉。雖然一堆磁疇的磁粉聚在一起的時候可以移去磁,但是一個單磁疇的磁粉不能移去磁。一堆單疇的磁粉能移去磁是因為磁向量的方向被弄亂了,整堆磁粉的磁性向量和變為零,而變成沒有磁性的而其中每一個單磁疇還保有它自己的磁向量。錄音用的磁帶通常採用單磁疇的鐵粉。

  我們在這裡討論溫度時所使用的刻度想使用凱式(°K)溫度,或叫絕對溫度。凱式溫度的每一度的大小和攝氏溫度一樣,但是它的零點是在絕對零度,而將水結冰時的溫度定為273°K(即為0°C),室溫則約為293°K(20°C)左右,凱式溫度和能量之間有如下的關係式存在: 

  E=KT...........................................................(4)

其中的E是能量,T是凱式溫度,而K是波茲曼常數(K=1.38x10⁻¹⁶爾格/度)爾格是一種很小的能單位,要在2000爾格的能量才能將一辨士的銅幣移動一公分,公式(4)定義出一個能量,就是平均每一個氣體分子在溫度T(以K°為單位)時所具有的能量。在固體中,此能量在結晶格子中造成振動; 在液體的懸浮的膠狀粒子中,它能造成粒子的布朗寧運動。在一個電子電路的電阻中,雜音電壓(強森雜音)和KT之間有一個簡單的關係。因此你會發現KT是能量的一個非常基本的量。

  現在回到我們所討論的單磁疇磁粉,每一顆磁粉都具有磁性能量,它很容易就可以算出來,而且它和材料以及磁粉的體積都有關。磁粉越細,磁性能量越小,體積就跟著小,當磁性能量和熱能在同一個範圍時,磁粉的磁性就變成不穩定,而它的磁向量開始變亂。有人說,在磁性能量約為熱能的25倍時會發生這種不穩定變動。如果這些磁粉比變動的大小要大很多的話,它們就會穩定,對施加很小的磁場不會有響應。如果它們比變動的大小要小很多的話,磁向量就會不規則地亂動,而且施加一個小的磁場也只對它們統計上的行為有所影響,在此變動的大小的範圍內,大部份將會隨著施加的一個小磁場而變。如果後來溫度降下來,這些磁疇中的一部份磁粉的磁向量就會和所施加的磁場指向同一方向,而變成安定下來。

  上面最後所講的就是在熱所造成的轉印中所發生的現象,在任何一個平均溫度中,都有一些微量的雜亂的溫度變動。經常有一些磁粉跑到變動範圍內,也經常有一些磁粉跑到變動範圍之外。當施加一個固定的磁場時,隨著時間的延續,不斷地有更多的磁粉的向量的方向和磁場指向同一方向。剛開始時比較多,後來漸漸地少起來。這些比較慢才改變方向的磁粉是由過度的溫度變動所致,它們比最先改變方向的磁粉,距穩定範圍要遠一些,因此就像圖1所繪出的,先造成的轉印比後造成的轉印容易消失。在磁轉印的測試中,故意將平均的溫度升高,使得有較多的磁粉經過變動的範圍,當溫度降下時,這移動的變動範圍所加的磁場所主宰。

  有一點要請各位注意的是,在這個解釋中,我們曾經提到一些物理上的運動,其實是甚少實際的運動發生,只是磁場向量的旋轉──並非磁粉,而且變動範圍也只像磁粉的大小一般──並不是磁帶上磁粉塗敷的體積。

轉印信號的大小

  現在讓我們來看看為什麼信號會是這般的大小。圖7顯示錄音帶所使用的磁粉的大小的典型的分配曲線。

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這種分配圖形的橫坐標是對數的刻劃。而縱作標則為普遍十進位的刻劃,而大部份的細小磁粉無論它們是怎麼製造出來的,它們分配的圖形都是這種樣子。對大多數的氧化物磁粉的平均體積而言。磁粉的長度從10x10⁻⁶吋到40x10⁻⁶吋不等。變動區的實際的寬度非常地小,在任何時間它只能包含極少數的磁粉。當正常的溫度變動時,變動區移動一個較大的區域,但對大多數的材料而言,磁粉被包含在移動的變動區域內所佔之體積僅為總磁粉體積(曲線下的總面積)的1%或更少。一個-40分貝的磁轉印將有1%的磁粉體積被包含在內,而一個-60分貝的磁轉印則只有0.1%的磁粉體積被包含在內。現在很明顯地可以看出,要如何才能製造出低轉印的錄音帶: (1)使用的材料其磁粉的大小分配曲線較窄。(2)除去大部份的小磁粉; (3)使用的材料,其變動區位於越左越好; (4)使用的材料的平均磁粉大小要大些。除了工程上的考慮以外,還要在經濟上加以斟酌。

磁粉所受的強制力

  磁性材料的強制力就是要使材料改變磁性時所需施加磁場的大小。對一個磁粉而言這強制力就是使它的磁性向量從一個方向變到另一個方向(就像用手指將指針從一個方向彈到另一個方向)時所需的磁場。當其他的情況均相同時,磁粉大小越小,所需的強制力就越大,一直到達變動區以前。一些大小與變動區的大小相近的很細的磁粉,只要很小的磁場就能夠影響它,如圖6所示,理論上,比材料的強制力小很多的磁場,將不能改變材料的磁性)。在錄音帶的磁性材料塗敷層上,少量的大磁粉可能被它們的鄰居所影響,因此它們幾乎即將改變磁性向量的方向,只要施加很少的磁場就可以使它們改變方向。如果發生這種情形的話,由磁性所造成的磁轉印將很難被消除,因為較大的磁粉所具有的強制力接近材料的平均數,而且一個小的磁場也不能驅使它回到原來的方位。因為這個影響,而且因為磁場在增加所施的交流磁場強度時,會將磁粉弄得離變動區更遠,當被轉印的錄音帶離開母帶時磁轉印信號也不會消失得很快。

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  圖8-A顯示氧化鐵磁粉的強制力隨著磁粉的大小在變化時有一個峯值出現的情形,圖8-B則顯示當平均磁粉的大小,小於具有峯值強制力的大小時,磁轉印快速上升的情形。

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在此我們使用的長度是平均長度而且在每一情況中磁粉的大小的分佈降至變動區。這些結果以前所說的還要接近些。目前低雜音的錄音帶大部份使用0.3微米的磁粉。廠商要製造出這樣細的ϒ─三氧化二鐵的磁粉,又要儘量避免容易造成磁轉印的話,也真是不簡單的事情。在音響錄音帶裡說磁粉較小的較好,因為慈粉較小的話,背景雜音(意即錄音帶的嘶嘶聲)會較少。

轉印也算是雜音

  對一部好的音響錄音座而言,寬頻帶雜音通常比1%的失真電平低45分貝,或更佳。如果一捲錄音帶保存得很恰當的話,轉印的信號要低55到60分貝左右,這樣的話,在一般的環境是聽不見的。但是,一個大的短暫的信號,在錄音時可以高於1%失真電平10分貝,當沒有其他的信號出現時,它的前轉印信號就可能聽得見。因此錄音時就要使這些較大的短暫的信號不要近錄音帶的飽和電平(比最小的1%失真電平高10到15分貝)。要找到一個適當的錄音電平,因為太低的電平會除去轉印信號,但是嘶嘶聲很大。卡式錄音機的寬頻帶S/N通常比盤式錄音機要小10分貝,但是一部好的卡式錄音座將擁有杜比系統,這樣就可以和盤式機器相抗衡。事實上,杜比系統在卡式機中改善磁轉印的情況的程度和他的改善信號對雜音比差不多。

  各位也許會想到,音響玩家也許會將冰箱騰出一個空位來擺錄音帶。這樣將能夠適當地避免磁轉印,但是會造成其他的問題出來。因為錄音帶的盒子以及輪盤等,不能隨著溫度的變化而有一定比率的尺寸的變化。所以當溫度急遽地變化時,錄音帶捲的情況可能變壞了,盒子可能鬆脫了等等,都對錄音帶不利。

  另外一種可能就是將冷的錄音帶拿到暖房的環境中使用時,濕氣將凝結在錄音帶上。目前的錄音帶對濕氣已經不那麼敏感了,但是會弄髒錄音帶,而且容易發霉。最佳的保存環境是溫度約從60°F到75°F,而相對濕度約從30%到50%。太乾燥的大氣將產生靜電的問題,特別是當錄音帶在捲繞或離開捲盤時。在儲藏時溫度的循環將導致極不良的效果。錄音帶最好是隔一段時間就給它重捲過。

周圍的磁場

  如果將錄音帶存放在最沒磁場的環境的話,問題比較少。各位還記得若是交流磁場少於5奧斯特的話,就不會帶來什麼麻煩,而直流磁場帶來的困擾也比交流磁場輕,此可從表3看出來。在我的實驗室和家裡,有一些儀器和設備經測量出來,有雜散的磁場,這些大部份都是60赫的交流磁場,最討厭的就是實驗室中的那部B-H表(剩磁曲線繪製儀)。這部用來測量磁性材料的儀器有一個用12號線繞6000圈的線圈,這線圈沒有屏蔽,重量超過100磅1亨利的電感值。這個磁場極近似於一個純雙極磁場。這個傢伙能夠干擾數呎之外的電子儀器以及錄音機電路,所以當它在使用時,我就不能做其他的測試,可是我的昂貴的標準測試錄音帶卻放在只離它10呎遠的地方,而從不會發生什麼問題。大的錄音帶消磁器也沒有屏蔽的,它有兩個直徑約14吋的線圈,用C形鐵心連接著,它的橫斷面是4x4吋,重650磅,在間隙中的磁場高達6000奧斯特。

   和B-H表以及錄音帶消磁器比起來,期他的東西就微不足道了。說真的,要產生一個足已造成惱人的磁轉印的磁場還不是那麼簡單的事。所以各位以前或許曾經聽說地板打蠟和吸塵器對錄音帶所造成的磁轉印的問題,都是無稽之談。雖然未經實際測量這些機器我也可以斷言它們不會發射大到足以造成麻煩的磁場來。因為任何一個磁場可以看成是由一群雙極磁場、四極磁場、八極磁場等等組合而成的。當距磁場的起源距離增加時,極數越多的磁場,消失得越快。只有簡單的幾何關係,譬如螺旋線圈,可以產生一個雙極磁場。其他的磁源均產生較高極數的磁場,這些磁場也就不能伸張到很遠。有一個例外的情況就是由一條電線產生的磁場在兩邊的方向延伸到無限遠。它就環繞著電線產生一個圓柱狀的磁場,靠近直電線的地方,這個圓柱形相當地端正。如果兩條電線所流過的電流方向相反,例如電力線,那麼它們所產生的磁場會互相抵銷,只有在兩條電線之間的磁場不能抵消掉。

  表3中的最後的一項是用圓柱形磁場的近似方法計算而得,並非由測量所得的結果。其中的電流是由百科全書查出來的,距離閃電30吋是非常非常近,而且磁場也很強; 將會把大多數塗氧化物的錄音帶消音掉,整個磁場的衰減只和距離成反比,(距離加倍時,磁場減半),雙極磁場是隨著距離的立方而反比地衰減,而四極磁場則隨著距離的五次方而反比地衰減。這樣說,閃電豈不將帶給錄音帶很大的危害?其實這是不太可能的,不過有時如果它吃錯藥,偏偏從你的天線架下來,經過你的錄音帶儲存櫃的一邊時,那災情就慘重了。

材料的不同會有什麼影響

  塗在錄音帶上的各種不同的磁粉之間有很大的差異。市面的錄音帶使用的磁粉,對磁轉印效應而言; 含鈷的ϒ-三氧化二鐵的磁粉要算是最差的,用磁鐵礦和含鐵的材料製成的錄音帶比較好,標準的ϒ-三氧化鐵的錄音帶從一般的產品到非常好的產品都有。大多數的二氧化鉻的錄音帶是具有較窄的磁粉大小分佈圖形,所以品質都很好。金屬粉磁帶通常是很優秀的,但是因為它的變動區位於磁粉大小分佈圖上太尾巴的位置,所以不適合做音響錄音之用。經過測試的結果,一般低轉印的錄音帶大都是名廠的產品。

接觸錄音法

  用熱磁法和無剩磁法,來做接觸錄音,可能可以複製錄音帶,不過最近有人指出這些方法都太老了,而他們有更新的方法。

  Camras和Herr首先將利用接觸來複製錄音帶的方法介紹到商業界來做錄音帶的複製。他們都是利用無剩磁的複印方法,即當母帶(有信號)和空白帶,接觸時施加一個高頻的交流磁場。這種方法複製出來的錄音帶在商場上會失敗,有幾個原因一是轉印的效率很差(轉印上來的信號,比在母帶上的原信號要弱很多),在長波長和短波長時,轉印效果不好(如圖3)而且信號對雜音比也並不好。所幸在當時,複製的錄音帶市場也並不廣。效率不能提高的困難在於兩條錄音帶都是相同的型式。任何一個想用來磁化空白帶的磁場都會將母帶消磁,我們希望的是,母帶具有較高的強制力,而空白帶具較低的強制力。

  在熱的處理下磁化時也會發生這種問題。如果兩條錄音帶都用同一型式的話,效率將會非常地差,用ϒ-三氧化二鐵的錄音帶時,若要達到足堪使用的效率的話溫度將高到使錄音帶損壞了,即使耐高溫的錄音帶,將變動區提升到正常的曲線的大的部份(見圖7),也將破壞母帶的磁性。1959年發現一個觀念,就是空白帶選用二氧化鉻的錄音帶,因為這種材料的居里溫度僅稍高於水的沸點,這是目前大多數的錄音帶都耐得住的溫度,如果母帶(氧化鐵的)和空白帶(二氧化鉻的)接觸在一、兩者一起加溫到二氧化鉻的居里溫度以上,然後一起冷卻到室溫(冷卻的過程兩者仍接觸在一起)母帶上的信號就會印在空白帶上。由這種過程所轉印的效率可以超過100%;使空白帶的信號變成比母帶的還要強。

  當1960年代二氧化鉻的錄音帶問世以來,這種用熱處理的程序便被許多廠商所採用。就在這個同時,用含鈷的ϒ-三氧化二鐵做磁粉的高強制力的錄音帶也問世了,使得現在有些廠家仍然使用無剩磁的方法。這些接觸錄音的方法中,沒有一種是用來複製音響錄音帶的。複製音響錄音帶是用一部母帶放音機,它們的速率都是120吋/秒,這種複製的方是最可靠效果也比較理想。而上述接觸複製法及其設備,則被用來複製各種不同型式的電視影像錄音帶。令人驚奇的是影像錄音帶所使用的頻帶寬,不必像音響音帶那樣寬,標準的音響頻帶從20赫到20,000赫,有十的四次方寬的頻率,而最高級的影像錄影機卻只有十的一次方寬。如此即使在長波長和短波長的地方損耗,也很容易將視頻信號安排在一個區域,使它的損耗很小,而因想錄音卻沒有辦法做到這一點。影像錄音帶上的控制(或伺服)信號以及音響的音軌都是以通常的方法錄製,只有影像的信號是用接觸複製法來轉印。這種既昂貴又複雜的方法為什麼仍為影像錄影帶的複製者所樂於採用呢?因為用機器來複製的話所花的費用又更高,而且還費時,影像錄影在操作時一定要使用標準的速率,不能像音響音帶複製機那樣使用比正常速率快數倍的速率。

網播中結論

  經過上面的說明,鉻位就可以明白,為什麼有時放在汽車裡,在大太陽下曬了數小時的匣式八音軌錄音帶,或比較薄的卡式錄音帶,會發生些微的令人討厭的磁轉印。其中有部份原因要歸咎於錄音帶盒,錄音帶捲的鬆緊程度很有影響,在炙熱的汽車裡情況最糟,況且還振動得很厲害呢!當正在轉印的錄音帶,滑動它的相對的位置以後,轉印過程會重新開始,當錄音帶隨著汽車奔波時經常發生這種滑動的現象,其效果和錄音帶重捲過一樣。在家庭裡所使用的卡式和匣式的錄音帶,就沒有像在汽車裡那樣暴露於較高的溫度下,因此比較不容易發生問題,不過對於車內的錄音帶卻不可不謹慎。

  有一些情況可以用來緩和卡式和匣式錄音帶的磁轉印,例如我們前面提到過的杜比系統對於磁轉印信號的壓制效果,因為它會把轉印信號當作雜響來處理。另外在汽車裡的動態範圍受到很大的限制,因此轉印信號消失在背景雜音中,而且由於A式捲法,在卡式和匣式錄音帶中,後轉印會較嚴重。最後因為後回音的激勵比前回音少,所以在許多情況下將聽不到。

  現在我們可以來解釋那場歌劇廣播中所發生的現象原因了。那個時期的錄音帶式1.4密爾厚,速率是15吋/秒。這仍是目前廣為使用的標準,在這種速率時Southland小姐的高音調正好在磁轉印的峯值範圍之內,而且前轉印比較嚴重,因此經常會有回音出現。樂器的音調範圍和這相同的,也有同樣的現象。至於低音樂器以及男歌手的音域不在這範圍之內,所以沒有轉印的情形發生,因為這是一種錄音帶的面對背的轉印,並非面對面的轉印,而影像的信號因為波長太短而不能轉印,以及FM影像系統對它們一點也不敏感。有了以上的瞭解,對於這些現象也就不覺得神妙了。

 

轉載音響技術第27期 MAR. 1978 惱人的磁轉印問題(下)/弘 發 譯自 AUDIO SEP. 1977

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