【黑胶党】唱盘的机械设计与结构（上）
本帖最后由 泽森音响 于 2019-4-23 14:09 编辑第一章 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,就不能再生出高质量的声音;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,几乎所有高质量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。 皮带驱动式是标准唱盘最常用到的,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,整体式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,但是不太适合高质量的唱头,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象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。较高质量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),经由着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象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平。 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质量的唱片上,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,而某市场的鱼贩和菓贩这种能力更敏锐,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,你可以藉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藉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。
文章转载自：http://subig1957.pixnet.net/blog/post/17151370-%E2%97%8F%E6%AF%8F%E6%9C%88%E5%B0%88%E8%BC%89%E2%97%8F%E5%94%B1%E7%9B%A4%E7%9A%84%E6%A9%9F%E6%A2%B0%E8%A8%AD%E8%A8%88%E8%88%87%E7%B5%90%E6%A7%8B%CB%99%E7%AC%AC%E4%B8%80%E7%AF%87(
页:
[1]
