leslie
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发表于 2011-04-11 16:59
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唱盘的机械设计与结构˙第一篇(第一、第二、第三章)
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2010/06/07 12:21
第一章唱头 一唱盘的构成 这里有一幅唱盘的照片,我们可以看到它是由三个主要单元构成的: ① 承载唱片的转盘(platter), ② 拾取录存在唱片上声音的唱头(cartridge), ③ 支撑唱头的唱臂(tonearm)。
这三个单元对于声音的再生而言都是必需的,同时还要相互配合,如果有一部分无法正确工作,就不能再生出高品质的声音;现在我们就逐一的讨论这三个单元。 1.唱头 组合式系统的音色和音质往往会因为更动了放大器、扬声器或唱头而有所改变,所以,对一个门外汉讲换一个唱头对音效的影响和换一对扬声器相当,往往会使他困惑良久,这是因为他不能了解唱头的重要性在于它是声音再生的尖兵。 声音的再生是唱针(stylus)循着唱片的音槽循行并把振动变成电子脉冲,完成此一过程有很多不同的方法,但最普遍的是一种采用一组线圈和磁铁的系统,今天最流行的型式则是动磁(Moving Magnet, MM)唱头,几乎所有高品质的唱盘都采用这种唱头。 2.唱臂 没有唱臂,唱头就不能发挥作用,唱臂和唱头的组合便是拾音器(pick-up),而唱臂的设计是要让唱头发挥其最佳特性,所以前面说过,唱盘的三个单元对声音的再生都很重要,而组合式的音响系统也是由几个相互影响的部分组成的,随后会说明这一点。 唱臂的末端是装置唱头的外壳(shell),唱臂的分类是依照其施加针压的方法来区别的,照片中所示的唱臂是静态平衡式(static balance type)的,在今天,大部分的唱臂都是静态平衡式的。 3.转盘 为了能有良好的声音再生,唱片必须稳定而又平顺的转动,这就是转盘的责任了。 要转动转盘,自然要有一个马达,这就是唱盘马达,马达带动转盘的方法有数种。 图24所示的皮带驱动式是标准唱盘最常用到的,我们可以看到,皮带结合了变速轴和转盘,另外一种方法是惰轮(idler)系统,是用一个交轮来传送转动所需动力,同时,也有这两种系统的变体,例如说皮带惰轮综合驱动,及双皮带驱动等。 然而,我们可以说所有的唱盘基本上都是属于上述两种系统之一,唯一的例外是直接驱动式(direct drive)唱盘(转盘直接用马达带动),这在随后的一章中会介绍到。 而在今天,皮带驱动式系统由于能提供更为精确的特性,实际上已经取代了先前颇为流行的惰轮式系统了。 4.唱盘底座 底座是另一个重要单元,如果不能和其他单元配合,则不论其他几个单元的效果如何的好,声音仍然会有失真,在这一方面,我们不能以外表来判断底座,其重量和内部构造对音质尤为重要。 二唱头的构造 今天,大约有500种以上的唱头,价格自20元美金到1000元不等,再生出来的音质也各自不同,但是其基本结构可以分成三种系统。 然而,之所以会有不同特性的表现,宁其说是结构的不同,不如说是所用材料、设计、技术以及与其他单元间的相互作用所致。
1.唱头的构成 图1 所示便是装置于前面那幅照片中唱臂上的MM式唱头的内部构造。 MM式唱头用坏了的唱针能随意的更换,只要把旧的唱针抽出,再把新的插上去就行了,这是因为向MM式之类的磁性唱头,唱针部分是可以和唱头本部分分开的,其他像动圈(moving coil, MC)式唱头等,唱针的替换就没有那么简单了。 MM式唱针如 图2 所示。
2.唱针 唱针由于要和唱片接触,终究会磨损的,唱针的针尖是由钻石、蓝宝石或其他硬质材料所做成的,由于体积很小,所以很难用肉眼看清楚,但是如果用放大镜来看,我们就可以看到每一颗针尖都经过了极为精确的处理。 由于唱针必须循着唱片窄小的音槽循行,所以针尖曲度的半径很小,测量半径的单位必须用到密尔(mil),一个密尔是0.001吋。
图3 所示是两种典型的唱针型式,这是10种唱针基本型式中最为普遍的两种。 图(a)是整体式的钻石唱针尖,通常我们会认为钻石的价格极其高昂,但是用来做唱针的钻石是工业级的钻石,和珠宝级的钻石完全不同,工业钻石的色彩和亮度毫不重要,所以可以用较低的价格买到。 然而,整体市的钻石唱针还是比接合式钻石唱针要贵得多,(b)图就是接合式唱针尖。 接合式唱针是把钻石针尖和金属本体用黏着剂接合,这种型式较便宜,但是不太适合高品质的唱头,因为本体过重,就整体式和接合式价格上的差异而言,较贵的未必一定最好,大多数的人们都会认为东西愈贵愈好,但事实上未必如此,我们不能说整体式一定比接合式好,因为某些接面式的钻石唱针也能呈现优异的特性,盖重要的不是所用的材料,而是材料背后的技术问题。 把唱针尖附着在唱针连杆(cantilever)的技术极为困难,要减少振动系统的质量,系统中各单元的体积就要减少,然而,要减少体积,制作就得要精细,比如说,一个椭圆形的针尖附着在连杆上的角度不太对,在音槽中循行时,左右两边的平衡也就不太对了,自然再生出来的声音也会失真的,这在音响器材的设计中是一个困难却又耐人寻味的局面。 现在,我们再回到针尖曲度的半径的问题上去。
密尔可以换算成0.001吋或0.025cm,由这种数值我们可以想像到唱针尖是怎么一个尖法,以致我们会认为针尖能落到音槽的底部,但是由 图4 我们可以看出这种想法未必正确,针尖不是在音槽底部循行,而是沿着音槽两边循行的,绝不会接触到音槽底部,V型音槽的左右两壁分别录制了左右声道的声音,这是两声道唱片的录制方法,针尖曲度的半径过大会使唱针循行不良,导致声音的失真和损失,反过来说,曲度半径太小时,会使针尖接触到音槽底部,因而产生杂音。 所以,曲度的半径既不能太大也不能太小,对大多数的立体唱头而言,标准的针尖半径是0.5mil,而上述数值只适用于曲度半径固定的圆形针尖。 较高品质的唱头用的不是圆形针尖,而是椭圆形的唱针,椭圆形唱针和音槽两壁接触点的曲度半径,要比其他部分小,但这是肉眼所无法看出来的。
由 图5 我们可以看到,椭圆形唱针和曲度半径0.5mil的圆形唱针差异很大,椭圆形唱针曲度由0.2到0.3mil,明显的能减少失真和循轨误差,同时,由于垂直音槽方向测得的曲度半径比0.5mil要大,更能有效的防止和音槽底部的接触。
图6 是圆形和椭圆形唱针循轨模式的差异,我们可以看出来椭圆唱针的形状几乎和刻录唱片用唱针相同,这正是椭圆唱针的主要特色,稍后我们会详述这和信号音槽的关系。 ⓑ 唱针连杆 唱头末梢黏附唱针尖的就是唱针连杆,它把唱针在音槽循行的微小振动传送到磁铁或线圈上,也就是唱头动力的来源。 唱针连杆的后半部无法看到,因为它是支持在极片(pole piece)中的,在MM式唱头中,唱针连杆的后端附着有一块磁铁,如图2所示,中间部分的阻尼尖有杠杆作用的支持点、以及唱针连杆动作的控制点两种作用,上述各单元的组合就成为唱头的振动系统了。 线圈和极片 现在,我们来看一看唱头本体的内在和线圈部份:当唱针部分插入唱头本体以后,磁铁和极片接近,并因为线圈感应到的磁通而通电,而磁铁的振动导致磁场变化,会在线圈上感应一个电压。 除了少数的例外,这种原理几乎是所有唱头的基本原理,并且由上述解说,我们可轻易的了解到为什么要叫做动磁式(MM)了。 MM式唱头是从唱片再生信号最普遍的系统,它的系统是一种发电系统,这意味着唱头能把唱针在循行时所生振动转变成电子信号,不管体积如何,唱头是有能力完成此一工作的。 任何元件只要能完成这种作用就是一个能量转换器(transducer),拿扬声器做这例子,扬声器就是一种能量转换器,能把电子信号转变成振膜的振动,换句话说,扬声器的功用正好和唱头相反。 本体外壳和隔离 大多数的本体外壳是由塑胶做成的,以前,唱头是由金属做成的,因而外型笨拙同时很难照设计图做成,唱头的重量随不同的型式而有所不同,但是如果超过20克,就会使针压调整困难,同时使唱臂的动作迟钝,塑胶质的外壳较轻,同时比金属外壳的颜色多,因此较易受欢迎。 使用胶质外壳的一个问题是无法保护内部的线圈使之不受唱盘马达和放大器所生磁通的影响,如果唱盘的接地线不接到放大器上去,哼声就会产生,同时如果唱头没有隔离,哼声同样也会产生。 MM式唱头的好处之一是唱针更换简单,但是有某些型式的唱头,唱针握柄只能松松的附在唱头本体上,这对音质有影响,为了避免这种现象,唱头本体的宽容度应当制作得很精确。 端子插梢 端子插梢是用来做讯号输出端子用的,除了少数例外,立体声唱头有四个端子插梢(分别是左右声道的正负端),经由著色的导线和唱头壳的端子相连接,某些唱头为了便于识别起见,是连这些端子也予以着色的,你把唱头壳反转过来,就可以看到红、绿、白及蓝色的导线,这是为了正确的识别用的,不只是好看而已。 2.唱片的音槽 为了产生声音,唱针要循着唱片的音槽(grooves)滑动,这个原理从一百多年以前爱迪生发明的留声机开始就不曾改变过,爱迪生的留声机是一种能直接发声的唱机,用的是一个巨大的号角型喇叭,而今日的唱机则以电力发声的,要用电力带动唱盘并使声音放大,起初,要有良好的声音再生,就要用高转速(78转/分,rpm),但是随着技术的改进,已经进步到今天33rpm的程度,这种唱片是比老式的78转好太多了,稍后一章里,我们会详细介绍这些音响单元的历史。 而在这节唱头的研究里,我们需要知道一点唱片音槽的特性。
今天的LP(长播放时间)唱片上每一公分有40~100道音槽,所以我们单凭裸眼是无法看清楚的, 图7 所示是放大后的唱片截面图,唱片右声壁间所成的角度是90度,右声道的声音刻录在右边的音壁上,左声道则刻录在左边。 在图7所示的例子里,右音壁(即右声道)所刻录的是低音,而左边是高音,图7所示的只是一层音槽而已,事实上一面唱片只有一道音槽,循着唱片的圆周向圆心螺旋转进,这样唱针才能毫无阻碍的前进;在录制响而低沉的声音时,音槽表面的起伏变大,此时要注意防止音槽的边缘和前后相接,因为这样会使附近的音槽受到影响。 换句话说,要灌录的信号其音量有个限制,因此,为配合充沛的音量电平,音槽间的距离要加宽,但是距离加宽后能灌录的时间也减少了,为了解决这个问题,发展出了一种变幅刻录的系统,在录响而低沉的声音时,使间距加宽,而在中等音量时恢复成正常距离。 如果你靠近去看一张唱片,并用灯光从某个角度照射,你就可以看到白色和黑色的部分,这就是音槽间距不同的现象,这样做你已实际读出了录存在这唱片的音乐。 用乙烯氯化物压制唱片的过程就像是压制陶土制品一样,首先,把录存在母带上的音乐刻录在漆盘(Iacquered disc)上,在这个过程中,变成音槽形式的声音实际上是刻录在主盘(master disc)上了,早在电子麦克风还没发明以前,演唱者要对一个大喇叭唱歌,这就是『灌唱片』一词的起源,而唱片公司的刻片部门在那些日子里,被人称做雕刻部门。
图8 所示是用来在漆盘上刻录音槽的刻片针,由上面看下去,刻片针是三角形的,椭圆形唱针和刻片针相似,圆形唱针则否,是以椭圆形唱针的声音再生能力较优。 由刻片头的侧面看过去时,可以看到刻片针不是和漆盘垂直的,而是和转动方向成斜角的接触,这可防止因漆盘的弹性而使音槽太接近,这个角度就是『有效垂直刻录角』。
同样的,唱针和唱片间也是成 图9 所示的斜角,这个角度就是『有效垂直循轨角』,如果唱臂不是水平支撑的,或是沿着唱片的内缘发生循行误差,失真和循轨误差(tracking error)就产生了。 音槽外缘的半径和靠近圆心仪面的半径不同,所以唱片等速转动的时候,外缘的速度比内缘快,这可造成循轨或循行失真,故而这一点很重要,要记住,即内层音槽的情况和外层的不同。 三唱头的工作原理和特性 现在,我们来看一看唱头的工作原理和性能,在这一节里所讲的大多数是基本原理。 唱头的工作原理实际上毫无改变,然而性能上却有了大幅的改进,今天的唱头就算和10年前的比起来就大为不同,其改进多是由于唱片生产技术的进步所使然。 首先,由于录音技术的长足进步,使得频率响应和动态范围更宽,为了再生这种较好的声音,带动了唱头做同样的改进,因此,今日唱头的材料,形状和组件都已有极高的水准。 唱头的任务是接收唱针在音槽上所拾取的细微振动,并使之变成电子信号,如果唱头是用于最高品质的唱片上,唱头本身也要相当优秀,才能将录存的声音忠实的再生。 1.振动系统的结构和工作原理
图10 是简化了的振动系统在音槽中循行的示意图。 振动系统在音槽中循行时,会上下左右移动,由于就算是小小一节音乐再音槽中也有成千的变化,所以唱针在唱片上循行时,简直是在跳舞。 唱针和右音壁及左音壁的接触成90度,这种唱针和音槽的接触,导致了聆赏者和音乐的接触;有些人会认为唱针是在V型音槽的底部循行的,这是不正确的。 唱针的振动经由连杆传到磁铁,有时候,唱针会因为过响的鼓声或钢琴发出的音符而受到损害,或是在复杂的或高音的小节中无法正常循行,这两种情形都会导致失真。 唱头的循行能力是振动系统的顺服度(compliance)来决定的,顺服度是有关振动系统的柔顺性及移动的数字,由振动系统的机械阻抗、弹性和质量所决定。 阻抗也可视作『阻力』,马达没有润滑的话,就会由所摩擦的阻力,即机械阻抗增加而无法平顺转动。 至于唱头的振动系统,机械阻抗愈低唱针连杆的移动愈平顺,因而唱头得以在宽幅的音槽中循行。 我们可以把东西提起而概略的估出其重量,而某市场的鱼贩和果贩这种能力更敏锐,往往能以极小的误差估出货物的重量,但是除非重量的变化5公克以上,否则很难分辨出来,事实上我们很难分辨出1200公克和1205公克重的东西间有何差异。 而振动系统的整体也很小,因而我们拿在手上也无法感觉出重量来,然而其质量非常重要,由于支持唱针连杆的阻尼有桡执性,所以就算是用精密的天平也无法测出振动系统的质量,但是由于振动系统的一部分会移动,故而阻尼的桡执性也当计入振动系统的质量中,一般说来,振动系统愈轻,循行愈精确。 大多数情形下,你可以借着使振动系统的振动平顺而改善循行能力,有高顺服度的唱头其杰出的特性就是在于其优越的循行能力。 唱针连杆和唱臂的移动最好能借着和跷跷板的比较而加以说明。 当两个单元都静止时,两端间没有差别,一旦开始移动了,一端就比另一端要重,因此要在较轻的一端加较大的力量才能使这一端停下来。 假设这个跷跷板的之点就是唱针连杆的阻尼和重量,则唱针和磁铁就是板子两端的重量。 而振动系统是在唱片音槽中振动,必须对音槽中最细微的变化都能有反应,同时要在信号停止时很快的停下来。 前面说过,通常振动单元的质量愈轻,系统的性能就愈好。 跷跷板的支点就好比唱头的阻尼,而跷跷板无论如何的轻,都不能没有外力而移动,同时无法瞬间停下来,要改善这种性能,可以在支点处上油或用轴承,但这样的对跷跷板有用,唱头又如何呢? 小质量和敏锐的反应对振动系统而言是很重要的,另外还有一个重要的因素,那就是要自金属质的唱针连杆上消除过量的振动。 要消除这种振动并不太困难,如果我们穿着手套鼓掌,声音会很低微,同样的道理,如果连杆的支点是橡胶质的,唱针连杆的移动会较平顺些,而过量的振动也得以消除。 动磁式唱头之所以会流行的原因之一是因为其顺服度及输出电压都比动圈式的要高,在动磁式唱头中,磁铁取代了动圈式的线圈,重量因而减轻,这在稍后数章里还会讨论到。 2.唱头的频率响应 有关一套音响系统性能的测试有很多,最重要之一就是频率响应了,人耳可闻的频率范围大约是20到20.000Hz,而可录存声音的频率范围也大略如此,但是如果要从一张CD-4的唱片上再生出适当的声音,并不致在整个频率范围内有高峰或低落,因而有一个令人满意的响应,唱头的频率范围必须要延伸到40~50KHz才行,这种延伸后的高频响应正代表着音响技术的显著进步。图11 所示就是人声和乐器的频率范围。
但是尽管频率响应很宽,如果其曲线是弯弯曲曲的,效果也会很差,由于振动系统的小等价质量能拓宽频率响应,我们就一直致力做出更细的唱针连杆,更细微的唱针、以及更轻的磁铁,但是频率响应的改进不能单单从这一方面着手。 一个大钟就算质料及形状和小钟相似,所发出来的声音还是不同的,钟愈柔软,音调愈低,这是因为谐振点改变了,打钟时,声音是由谐振所生,而每一样东西都有其本身的谐振。 唱针连杆都很小,是由铝做成的,如果敲打它,会发出音调很高的声音,然而人耳却听不见。 唱针连杆的谐振会替唱头频率响应的高音范围带来问题,因为其所生的高音对全面平直的频率响应有妨碍。 要减低这个谐振,而用了橡胶质阻尼,这种阻尼有两个功用,其一是提供较平顺的振动,其二为阻碍唱针连杆的谐振。 高音谐振受到阻碍以后,频率响应和机械阻抗的特性都有所改善,结果使得循行比先前所叙述的还要好。 一般说来,我们可以说振动系统的质量愈轻,性能愈好,减低振动系统的质量有很多好处,只有少数坏处,坏处之一是唱针连杆较细会变得较脆弱,而中频有低落的趋势,另一个坏处是输出电压较低。 早先我们提过,最近几年以来,唱头的性能有了显著的改进,但是这些改进也引出了新的问题,解决的方法端在采用新而较好的材料,以及改变唱头各元件的形状,因此只会看一看唱针连杆的材料和形状,我们就可以看出制造的进步和所费的心血了。 第二章唱臂 一唱臂的结构 唱头的颜色和形状是形形色色的不同,如果把几个唱头散置在桌上,乍看过去倒像是昆虫们开大会,而从某个方面来说,它们正像是产生声音的小昆虫!而另一方面,大多数的唱臂都很相似,然而仔细看一看,你会发现唱臂管的曲线,以及轴承附近或有或无的机构等,差别仍是存在的。 唱必能支撑唱头,精确的和敏锐的唱臂移动是由任何唱头获致最佳性能的重要因素。
本节所附照片正式今日音响市场上典型的唱臂之一,现在我们概要的看一看组成唱臂的不同元件。 1.转轴 唱臂必须能在水平及垂直的方向平顺的移动,水平移动是由唱针在唱片上的位置来决定,而垂直的移动是由唱片弯曲的情形来决定。 转轴最重要的特性是它的初期感度,能决定其反应如何,这个数值正说明了唱臂的感度。
转轴以宝石或滚珠轴承做枢轴,如 图13 所示,以期减少磨擦,两点式的支撑是最常见的,一般说来,轴承是用来做水平移动用的,而宝石则用来做垂直移动,其他型式的支撑及其特性如下: 单点式: 如图13(a)所示,是最简单的型式,所用的轴承较少,然而磨擦很低,必须做水平方向的平衡,因为会斜向的移动,同时会在和唱臂轴线垂直的平面上转动,要有复杂的调整和操作才能获致极端精确的移动,这种型式的唱臂只有在顶尖品质的唱盘上才会出现。 平衡环(Gimbals)式: 如图13(b)所示,这种型式用两组枢轴来做水平和垂直的移动,唱臂管伸进双环(平衡环)中,外环水平的支撑唱臂,而内环垂直的支撑唱臂。 刀锋(knife edge)式: 如图13(c)所示,这种型式是用V型的沟槽支持住刀锋似的边缘,沟槽的直线可以视做一点式枢轴的延伸,水平方向的移动则由一个轴承负责。 由于刀锋是在V形的沟槽中栖止,只由其本身的重量支持,唱臂提起时,刀锋上移;双刀锋式是这种型式的变化,能以双锋向上下边施压力而消除后座力。
2.唱臂管的形状 唱臂的分类是以针压系统及其形状而定,然而,一般说来依形状的分类较常用到。图12 是各种型式的唱臂,曲线像S的金属唱臂(今天,几乎所有的唱臂都是金属质的了)称做S形唱臂,另一种流行的唱臂在尾端稍有弯曲,称做J形唱臂。 直线形唱臂的唱头斜向安装,而S及J形的唱臂依其曲线特性而与唱头成某种角度,这是很重要的一点,故而我们来看一看其原因。 ⓐ 唱臂的水平循轨角
唱片的音槽是由刻片机所刻录的,刻片针由边缘向中心直线前进,如 图14 所示理想情形下,唱盘的唱针也当依同一直线前进,然而这是不可能的,因为唱臂会使唱针超出刻片针的直线而成一弧线移动,换句话说,唱片播放时的情形和刻录时不同,这种因素可以造成和曲面镜类似的失真。 为了校正这种差异,要用循轨角来补偿刻片针直线移动而唱臂弧线移动所生差异。 ⓑ 唱臂超距(over hang)
如图14所示为唱针通过转盘中心轴的轨迹,超距如 图15 所示。 唱骗上的音槽靠近唱片的中心时内缘变小,因此内层音槽的失真较大,为了补偿这点,唱臂的循轨角必须指向唱片的中心,这就是所谓的超距,市用来把失真降到可以接受的水平,而刻片针和唱针移动间的差异称做『循轨误差』。 补偿角是用来缩小这个差异的,循轨误差可以因采用不同补偿角和超距的组合而减至最小,没有唱臂说只有一个补偿角和超距的,今天,唱臂简直就是补偿的意思。 ⓒ 有效长度 唱臂也有依长度分类的,通常有两类:14吋(35公分)以及16吋(40公分),其长度的测量是由前至后沿直线所测得者,并不表示其全长,由于唱臂弯曲的形状,全长自然会比用上述法子测出者长。 由水平轴承的中心量到唱针尖的距离称做『有效长度』,图14所示就是唱臂可以像圆规一般画一个弧出来,这段弧线会超出刻片针行经的轨迹,其间的差异就是循轨误差,补偿角和唱臂是用来减少这种误差的,唱臂的长度亦然,唱臂愈长,循轨误差愈低,如果唱臂可以延伸到1米或2米长,循轨误差就可以忽略掉了。 但是这种唱臂就算是实验室中也不存在的,由其他观点看来也是不切实际的,因为感度会降低而谐振也会增加到无法接受的程度。 前面提过,今天的唱臂几乎全都是14吋落16吋的,14吋的较为普遍,因为质量低且易于控制,而16吋的唱臂则几乎纯为吹毛求疵的音响狂热者或是广播电台所采用。 前面提过,1米长的唱臂循轨误差可以忽略,但是巧妙的选择补偿价角和超距却可以使短唱臂的实效加倍。 3.唱头壳 一个人进入音响器材的世界愈深,他所收集的唱头通常也愈多,稍早时我们提过,只要换个唱头,声音就会有显著的不同,由于唱头和扬声器及扩大机比起来是小事,计求严格的音响玩家往往有好几个唱头,同时由于唱头的选择要比扬声器复杂,所以我们常常可以由一个人对唱头的认识来判断他对音响系统懂多少。 能容纳不同唱头的唱臂称做『通用』型唱臂,而有些唱臂式广播电台或其他专业用者所专用的,只能采用特殊的唱头,这种特殊的唱臂称之为『整合型』唱臂,由于整合型及半整合型的唱臂的唱臂只能容纳特殊型式的唱头,所以相当少见。 今天几乎所有家用音响系统的唱臂都是通用型的, 图16 所示则是『通用型』的唱头壳。
通用型唱臂的唱头壳可以随意装卸,更使唱头的置换容易,通常只要旋转唱臂末端的闭锁螺帽就可以卸下唱头壳了。 唱头壳和唱臂的连接依照EIA(电子工业协会)标准的规定是统一的,只有少数例外,用来连接唱头和唱头壳的导线如 图17 所示。
有些唱头为了避免导线交叉而过,接线端子的位置会反过来,这样容易导致不正确的连接(左右声道反转),要看看连接是否正确,装上后可以放一张管弦乐团的演奏,如果小提琴会在左声道大声的响起,连接就是正确的。 4.平衡锤(counterweight) 没有适当的针压,唱针无法在唱片音槽上精确的循行,反过来说;过量的压力会损害唱片。 平衡锤就是用来调整并维持针压在适当的程度。 唱臂是设计成如精确的天平般,可以自由移动的,要维持平衡有两种基本系统,一种是静态平衡系统,借着反向移动平衡锤来控制针压,另一种则是应用弹簧力的动态平衡系统,两种平衡系统如 图18 所示。
大多数家用音响系统的唱臂是静态平衡系统的,这是因为大多数的唱头都只需要1克到2克的针压,而静态平衡系统在这种针压要求下较能精确的在音槽中循行。而另一方面,动态式唱臂较适用于播放弯曲唱片,或是精密程度不太要求的唱盘。 这两种系统各有其利也各有其弊,而所有的音响组件莫不如此,前面我们并未试图判断出孰高孰下,这完全要看使用人本身的特殊要求而定,任一种型式如果设计得当,都能有相当的性能。 5.内滑力抵消装置 转轴的动承、唱臂管、唱头壳以及平衡锤是通用型唱臂的基本元件,有些通用唱臂还有其他特殊装置,这些装置及其外形,同样的也会在音响迷中引起何者最好的讨论。
图19 中,转轴顶端伸出一支有刻划的连杆,连杆末端的细绳上系有一个小锤,这就是内滑力抵消装置,又称抗滑装置(anti-skating),很早就在音响迷中流行起来。
抗滑装置的起因及原理如下述:稍早我们提过,水平循轨误差可以用补偿角来补偿,但是其本身又引出另一个问题,如 图20 所示,唱片顺时针方向转动时,在(A)的方向产生一个力量,有将唱头往那个方向拉的趋势,在这种情形下力量(A)没有任何影响,但是在补偿的唱臂时,力量(A)可分成力量(B )及(C),如图中(B)及(C)所示,(C)会将唱臂拉向唱片中心,这种向内滑的力量会使唱针对左侧的音槽施加较多的压力(大约多上1.2倍)。 为了补正这种现象,唱臂上应当加入反向而等量的压力,这样才能抵消其他的压力,以维持完美的平衡,这就是内滑力抵消装置的功用。 也有一种能直接转动调整的凸轮式抗滑装置,两种都能用来依唱头的针压而调整内滑力的影响。 然而不适当的调整反而会使失真恶化,因而有些人声称把针压增加10%也有同样效果,所以某些唱臂没有抗内滑装置,关于这一点,音响玩家们的争论也很激烈。 我们不能一口咬定没有抗滑装置的唱臂就不完全,抗滑装置理论上可以改善性能是不错的,但是由使用不当反而会导致失真,我们不打算向那些音响设备知识不完整或经验不够的人推荐抗滑装置。 有时候就算是经验丰富的玩家在操作这种装置时也有问题,同时有些唱臂,因设计不同,内滑力根本不成问题,加上抵消装置反而是画蛇添足,因此,你不能从抗滑装置的有无来判断一支唱臂的品质。 6.侧向平衡装置
图21 显示在抗内滑装置的对面也有一个平衡锤,这个平衡锤,能左右移动,就是侧面平衡装置。 在内滑力将唱臂向唱片中心拉的同时,还有一个力量会使唱臂侧向移动。 一支平衡的唱臂可以做跷跷板,由于平衡锤一端的长度比唱头壳端要短,故而要比较重才能保持平衡。 对装有平衡锤的S型和J型唱臂而言,平衡锤端重心并不和转轴及唱针间直线一致,这使得唱盘不是完全水平时,唱臂会失却侧向平衡,会如 图22 所示般左右滑动。
鉴于地板或音响架的情形,通常很难使唱盘完全水平的放置,这就是何以要有侧向平衡的装置了。 侧向平衡装置是借减少补偿臂中心线和平衡锤端重心的距离来消除侧向或水平的滑动。 和抗滑装置一样,关于侧向平衡装置的必要性也有一些争论,无论如何,只要使用恰当总会使性能有某种程度的改善,设计良好的S唱臂全然不需侧向平衡装置,而其他的型式如果唱盘能完全水平的放置,也不需要的。 今天,音响工业在完美的声音再生系统的理论上进展很大,许多这种进展,诸如内滑力抵消装置和侧向平衡装置,也不过刚刚打进市场四、五年而以对很多使用者而言可能不是绝对必需的。 大多数音响器材的选择都是基于价格、技术以及使用者的特殊需要而定的,因此,很多唱盘不一定装有侧向平衡及抗内滑等装置,而有的则包括了所有的装置。 第三章唱盘马达 愈是狂热的爱好者愈爱使用一些只有少数同好了解的术语和行话,一个人对这些词语的精通正好是说明了其兴之所在,音响尤其如此。 他们管扬声器叫『喇叭』,录音带叫『带子』,而香港人称唱片为『碟』。 我们可以在唱片上看到刻得细窄的音槽,而录存在这音槽的声音振动,则是由唱臂上的唱头『读』出来的。 现在,我们就来看一看带动这些『碟』的装置。 一转盘的构成 和唱头及唱臂等辅助机构的外形比起来,唱盘转盘的外型是相当简单的,至于设计上的差异,好比开关的配置以及测速的安排等,则是相当小的。 你找到唱盘马达以后,很容易就看出转盘的心脏是什么了。 1.唱盘马达 马达在我们生活的周遭几乎到处可以看得见,好比说:电车是由马达带动的,电梯也是,至于家里的洗衣机、冰箱、吸尘器、果汁机等无一不用到马达。 但是唱盘的马达和家电用品马达有所不同,唱盘马达无需高功率或高转速,但是要静而精确的转动,现在我们来看一看怎么样的马达才适合做唱盘用。 ⓐ 感应马达(Induction motor) 唱盘马达是转盘动力的来源,可以概分做三类,其中感应马达的结构最简单,先看看如何工作:
如 图23 所示,将一块磁铁尽可能的靠近一片薄铜盘,然后沿着铜盘边缘转动磁铁,你会看到铜盘也慢慢开始转动,由于同不是铁磁性物质,这种转动不是磁铁的吸力所致。 那为什么会转动呢?磁铁会产生磁力线,把磁铁放在铁屑上可以看出来,铁屑会被吸成漩涡的排列,这些磁力线可以穿过铜盘,而磁铁转动时,穿过铜盘的磁力线也跟着转动,因此铜盘中产生一种涡电流(eddy current),由于涡流有反对磁场转动的趋势,故而当磁铁继续转动时,其反作用力使得铜盘也转动了。 这就是感应马达的基本原理,会让我们想起小学或初中时我们所做的实验,因此你可以看出音响器材所应用的原理未必都很深奥,很多元件都是应用我们在学校学过的基本原理;由于操作简便、经济、具变通性,感应马达广泛的应用于家电制品中,但是由于有震动、颤抖、漏磁以及转动不稳定的缺点,同时转数还会受到电压波动的影响,感应马达很少用于唱盘中,如果要用感应马达的话,要用有电容器来使转速平顺的改良型式。 ⓑ 磁滞同步马达 名称说起来很绕口,但是磁滞同步马达(hysterisis-synchronous motor)却是用得最多的唱盘马达,可以用特定频率的交流电直接供电。 在台湾,频率是60Hz,而由于磁滞同步马达的转动和电源频率同步,其转数不会随负载或电压的变动而有所变化,由于这种磁滞系统的特殊性能,故能有平顺的转动,因而尽管磁滞同步马达的转矩低,但却有上述优点,适于用来做唱盘的马达。 ⓒ 伺服马达 伺服(servo)马达不是因为其功用或结构而有这种命名的,就算是极为优秀的伺服马达,其转动仍要依赖其他的外在条件而定,伺服马达是发展来提供精确的转动,有一个转数检测机构能在太快和太慢时核正转数,因此伺服马达有一别名为『自动监视转速马达』。 中等价格的唱盘通常都采用磁滞同步马达,而高级唱盘大多采用伺服系统。 2.转盘的驱动系统 不管马达的性能如何优秀,如没有稳固的驱动机构,还是无法获致满意的再生,直接驱动系统,正如其名称的暗示,是使马达和转盘间做直接连接,而其他的系统则需要一个动力传输机构,就好像汽车也要一种传输机构来把引擎所生动力传送到轮胎上去一样。 我们知道,唱片的转数要求是每分钟33 ⅓ 或45转,多年以前的SP(标准播放时间)唱片是78转,而有时候为了加长播放时间,LP(长播放时间)唱片的转速可以慢到每分钟16转。 而在今天,LP唱片是以33rpm播放,而EP(加长播放时间)唱片(或SP)则是45rpm,某些老式的唱盘还是包括78rpm再内的三速的,但大多数的音响玩家都认为SP唱片只能用电唱机播放,然而,今天我们很少有机会听到SP唱片的,因而几乎所有的唱盘只有两速:33 ⅓ 和45rpm。 现在回到正题:马达。 由于唱盘马达的转动比唱片所要求的要快上50或60倍,因此把唱盘马达所生转动力传送到转盘的传输系统应当有减速装置,转速减低时转矩增加,因而唱盘马达无需有高转矩的输出,而直接驱动系统的唱盘马达要和唱片所要求的转数一样,因而其转速的设计和其他的马达比起来,显得相当低。 ⓐ 皮带驱动
今天大多数的唱盘都是皮带驱动系统, 图24 所示便是一个基本的皮带驱动系统。 这种系统的关键所在就是皮带的质料以及精确程度,来自马达的动力必须要平顺的传送到转盘,那么,哪一种材料最适于拿来做皮带呢?用丝或棉编成的索带如何,或是用化学织品的肠线?这些都可以用,事实上,就有一些玩家们采用特殊的索带,但是使用时间久了索带会延伸,因而要重复的采取张力调整措施,因此不适于一般人使用。 除此而外,由于滑轮的转滑现象,转盘开始时要用手带动,为了解决延伸和转滑的问题,我们可以考虑采用连锁驱动系统,在马达滑轮和转盘的边缘装上凸齿,其效果很显著,但是由于齿轮所生机械噪音而未能全然实用,这种系统一度曾用于广播电台,但是要用到大容量的马达以及齿轮减速装置,同时这种马达的转矩大,可以自行起动,在这方面广播电台是不容有差错出现的。 但是,其性能实是令人向往,既然索带和连锁都不能令人满意,到底什么才是皮带的最好材料材料呢?怎么样才能有平顺寂静又精确的转动呢? 实际上,我们是用橡胶质的皮带来传送动力的,橡胶自然能防止转滑和噪音的发生,同时弹性和持久自然也是很重要的,这样才能精确的工作,而皮带上绝对不能有缝隙,厚度的精密程度必得要在±0.01mm之间,厚度必须在1.99至2.01mm之间,在各种型式的橡胶中,精确度很优秀的聚酯类(polyurethane)产品已广为选用来作为皮带的材料,但是,为了维持最佳性能,我们建议你每年换一次皮带,在此作为你的参考。 ⓑ 惰轮驱动 惰轮驱动(idler drive)系统有时称做边缘驱动(rim-drive)系统,因为橡胶质惰轮的转动力是传送到转盘的内缘的。 惰轮的精确度必须要相当高,如果惰轮不是相当圆,或是有了变形,或是中心不正,都会使唱盘性能变差。 过去,大多数的唱盘用的都是惰轮系统来驱动,但是今天所有较高品质的唱盘,都是皮带驱动或直接驱动系统的天下。 惰轮传动如 图25 所示。
一般说来,要使转数在33 ⅓ 和45rpm间变换时,直接驱动或伺服马达系统的唱盘其马达转述的变化是电子控制的,而速度固定的机种,其转速的变化是机械控制的,有一变速机构能使皮带在一个两段滑轮间变换接触。 在皮带驱动系统里,直径较小的滑轮是供33 ⅓ 转用的,而直径较大者是45转的,有少数唱盘的这种变换要亲自动手去将皮带换过不同的滑轮,但是今天这种机型已经少见了。 大多数的情况下,皮带是用一个U形的金属带动而变换滑轮的,转数选择开关扳动以后,这个U形的金属片将皮带由直径较大的滑轮转移到直径较小者,或是反向行之。 如果你仔细的检视一下马达的滑轮,可以看到中间部分像皮酒桶一般的隆起,这是为了防止皮带滑脱,或是当马达倾斜时皮带会出轨。图26 所示是皮带的转移机构。
至于惰轮系统中,马达的滑轮也是两段的,而随着变速杠杆的位置惰轮本身会上下移动,其变化转数的法子和皮带驱动式相同,即直径较小的一段是33 ⅓ 转的,较大者则是45转的。
3.转盘和橡皮垫 尽管我们的周遭有很多圆的事物,但实际上很少是全然浑圆的,试以烟灰缸为例,看起来是圆的,但是如果你仔细看一看,你会发现实际上有点椭圆,或者其边缘不够均衡,烟灰缸的设计是圆的,但是功能上不因其是圆是方而有所影响,然而,转盘是必须全然浑圆的,说起来你会吓一跳,转盘浑圆的程度要比汽车的车轮还要精确很多很多(即精确度的误差要在±0.001以内)。 转盘通常是用铝模铸成的,直径为30~31公分以和LP唱片配合,而中心轴要垂直安置于转盘的正中心,这一点相当重要,否则转盘的转动会不均衡,我们之所以一再的强调转盘组件的工作精确性,是因为工作精确性对全盘性能的影响极大。 橡皮垫放在转盘上可以防止唱片擦伤,但是更重要的是橡皮垫可以防止唱片滑动,你可以发现橡皮垫的表面有很多种型式,其目的在于把持住唱片,是以型式并不是单独由外形所决定的。
图27 所示为30公分LP唱片的剖面图,我们可以看出一张看起来简简单单的黑唱片,实际上是依照相当详细标准而压制的,中间较厚的部分用来张贴标签,而边缘的凸出部分是避免唱片放在封套里面时受到损害,或是对音槽施加压力,17公分的SP唱片边缘没有凸出部分,请注意音槽的厚度愈近中心愈厚。 唱片绝不会完全平直的,大约距中心12公分以外开始变薄,因此,如果橡皮垫完全平直反而无法稳固的支持住LP唱片。 我们可以注意到就算是一张简单的橡皮垫其设计也是相当的仔细的,以期使其外形能适合唱片来吸收震动。
转盘组件的设计要相当仔细,以免震动传到唱片上。 在所有组件中,马达和电源变压器是震动的最大来源,虽然说唱盘马达无须太大功率,但是仍有极低的震动,如果马达是直接装置在机座上的,则就算是极其微小的震动也会传到整个转盘上去,因此,装置唱盘马达时要用到橡胶垫或海绵等阻尼材料来吸收震动,除了避震橡胶以外,胶质驱动皮带也有助于防止将震动传送到转盘去,这也是皮带驱动系统的优点之一,而惰轮驱动系统用的是硬橡胶,就没有这种避震效果。 震动必须消除和吸收的原因是转盘的转动必须宁静和精确,我们也不必太过注意转盘的避震措施,嘎声和太大的噪音使不可能的,但是转盘上就算有极其微小的噪音也是无法接受的,盖一旦放大以后就可以听出来了,音槽钟的声音为唱头拾取以后,在变成音乐出现在扬声器前,要经扩大机做高达100.000倍之多的放大。图28 是马达的避震措施。
转载音响技术第61期JAN. 1981 每月专载/唱盘的机械设计与结构-第一篇/苏天豪译
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