Friday, July 8, 2022

抗滑與側向力基礎概念之1:側向力之來源與唱頭受力分析

 


在此要鄭重感謝多年的同學/友人,陳明東(Tony Chen)先生。他對抗滑的初始研究,啟發了我在這方面開始深入的分析思考。他所撰寫的抗滑之力學理論分析,也是這篇論述的主要參考。

得過諾貝爾獎的英國哲學家羅素(Bertrand Russell)曾經說過,世界上最大的問題之一,是愚昧無知的人總是鐵口直斷,自信滿滿,而真正有智慧的人,時常會懷疑自己是否正確。這種現象,在音響界可說層出不窮。當一個人的知識領域範圍很小的時候,往往會自以為什麼都懂,而且在這小範圍內,藉由過去經驗要推導出結論,相當容易且快速。例如以用餐為例,只吃過3家餐廳,而且認定這涵蓋所有該吃餐廳的範圍,當然要說其中哪一家最好,極其容易。反之如果吃過成千上百家,要說出哪一家最好,往往就必須思考一下。而且說的時候還要界定清楚,哪一家是哪方面最好。

音響的世界,知識極其深廣,自認為通達者,幾乎沒有例外,其實對自己那個部分真的懂而哪個部分不懂,都還搞不清楚。音響玩家不論資歷深淺,若光是依賴經驗,憑藉自己聽覺與直覺下判斷,欠缺基本科學常識或理性的制約,就不時會推導出一些適用範圍狹隘,或違反基本科學定律的結論。以我過去幾年在研究的黑膠播放來說,光是唱頭的特性就差異甚大,不能靠著用過區區數個唱頭的經驗,推論到所有唱頭。否則就如同盲人摸象,每個人得出的結論,在一個小範圍內也許反映了實際經驗,但出了那範圍,就不再適用。這裡要講的側向力與抗滑,就是一個典型例子。

不少資深「專家」說抗滑不重要,甚至有的說完全不用抗滑聲音才會好。很可能他們接觸過的唱頭,阻尼/懸吊軟,對抗滑的調整的確不敏感,即使完全不做側向力處理,也不會聽出有失真或破聲現象。這類唱頭的確存在(大部份是MM唱頭)而且數量不少,但如果硬要說所有的唱頭都如此,就明顯犯了過及推論的錯誤。至於對播放音質的影響,我們將會討論到,在破聲失真之外,聽感上主要是音場的左右與深度之對稱性。這對一般人來說,除非認真仔細去分析自己所聽到的現象,並不容易立刻察覺。甚至長久下來,不對稱的音場就習以為常,甚至以之為「正確」「好聽」的標準。而真正低失真的黑膠播放,除非搭配正確調整的系統,不見得每個人都會認為是好聽。

在網頁上不時會見到,有黑膠新手上路,說唱頭在播放時會有破聲/失真的現象。然後許多專家名人就會提出一些似是而非的建議,最常見的就是,「如果針壓已經正確,那一定是AB點沒調好。」所謂AB點,就是裝唱頭時的alignment循軌設定。事實上,如果設定不精確,牽涉到的主要是播放時的諧波失真(THD),尤其是二次諧波會比較高,影響到整體透明度的呈現,但不會造成明顯失真破聲的現象。這方面,我曾經做過實驗來驗證,將來會擇期詳細地寫出來分享。

作用在唱頭的側向力,從唱頭前方觀察,其作用的方向與唱片的表面接近平行,而與唱頭正面垂直。側向力向內時朝唱片中心作用,向外時朝唱片外緣。黑膠播放時,如果針壓已經設定在正確範圍,循軌失真/破聲的最主要原因,是側向力造成唱頭阻尼於某方向負載過度,失去彈性空間而「觸底」,阻撓針桿/針尖往該方向運動,造成訊號無法完整呈現而失真。極少數的情況,是溝槽訊號強度已經超出唱頭本身的循軌能力,這通常出現於唱頭阻尼已經有問題,或者是阻尼很硬的情況。至於來自唱臂或其它因素而造成的失真問題,是有其可能性但實際上很少發生。

側向力的來源,可以分為二大類,第一類是在1/20秒(也就是多數唱頭/唱臂組合的低頻共振頻率之下)或更長的期間,不會改變作用方向。另一類則是在1/20秒或更短的期間內,持續來回變更方向。第一類的側向力來源有:

1A)針尖兩側與溝槽壁摩擦,摩擦力牽引的方向會與針桿同方向。如果針桿不正對唱臂軸心,就會產生將唱臂向內或外拉動之力矩(torque):

1A1)支點式唱臂(包含支點式正切臂)存在補償角的情況:如文頭圖所標示,在一般支點臂由於補償角的關係,針桿的延長線(圖裡紅線)與唱臂軸心之間的直線距離形成力臂(圖中藍線)。針桿受到針尖摩擦力牽引,牽動產生使整個唱臂向內側旋轉之力矩。

1A─2)直線正切/非正切臂的情況:雖然沒有補償角,但如果因唱頭製作或安裝於唱臂的角度誤差,也會使得針桿延長線不完全對正唱臂軸心,有些許向內或外歪斜。針桿受到針尖摩擦力牽引,會引發唱臂向內或向外移動或轉動。

1B)唱片中心孔不正,播放時會帶動唱頭唱臂內外來回擺動,在約1.8秒(33轉唱片的情況,45轉會較短)期間產生朝內側向力與朝外側向力的交互變化。

1C)唱片表面不平,則形成唱頭播放時有爬坡或下坡效應,會在超過數分鐘長的期間造成持續向內或外的側向力。

第二類側向力來源:

2A)唱針與溝槽摩擦時,兩側受摩擦力拉扯不均引發對針尖扭力。如圖1中是圓錐形針尖的底部視角,藍色箭頭代表內側(左聲道側)受到的摩擦力,紅色是外側(右聲道側)。這兩個力的大小若不一樣,就會對針尖產生順時針或逆時針的扭轉,進而向上傳遞至針桿及阻尼懸吊等部位。這兩側摩擦力不均的情況,隨著唱片溝槽內訊號的變化而快速產生,消失,或者改變方向,屬於暫態的現象,期間上多在1/20秒或更短。多數唱頭的阻尼,都可以將這些短暫的側向力予以吸收,不會牽動到唱臂。

2B)播放時,針尖隨訊號每秒數十到數萬次不停來回擺動,所產生的瞬間側向力,週期更是短暫,也幾乎都會被阻尼所吸收。

在多數情況,這兩大類的側向力都會同時存在,其中(1A)為最大宗來源, (1B)與(1C)的側向力幅度比A)小很多。第二類的力度小,且作用期間短暫。用電學來比擬的話,第一類的側向力相當於加諸於放大線路的DC直流偏壓(bias),而第二類是交流AC模式。如果存在相當程度的直流偏壓,將會影響放大線路的工作點,訊號在那個方向稍有強度就容易引發削峰失真(clipping)現象。交流模式輸入,則不會造成偏壓問題。

因此第一類側向力是討論的重點,而(1A),(1B)與(1C)之間可能會是相加或相減的關係。由於(1A)最普遍且力度最大,影響也最明顯,我們主要會專注於這部分的討論。

唱頭內部阻尼/懸吊之重要角色

在討論側向力會造成的影響之前,我們要先大致瞭解唱頭內部的主要構造。如圖2的唱頭顯示,絕大多數的MC動圈唱頭,除了針尖針桿之外,主要發電組件,是由前與後磁極(pole pieces),線圈(coil)所組成。而夾在線圈與後磁極之間,會有彈性阻尼物(damper)。圖345則是將另外幾個唱頭的阻尼部分放大的例子。其它的MMMI唱頭甚至光電唱頭等,在發電構造上雖有不同,但阻尼部分的作用方式,差異不大。唱頭阻尼的主要功能:1)抑制/衰減針尖,針桿線圈等組件之多餘震動。2)支撐針桿,線圈等之運動形成槓桿支點,並提供針桿運動時的緩衝作用,使針桿在快速振動時維持穩定狀態,可以即時停止或快速轉變方向。3)吸收部分各種來源之側向力。尤其多數幅度小且方向來回更動頻率高的側向力,會被阻尼有效地吸收。

阻尼材質多數以橡膠為主要成分,混入其它材質來調節彈性,制動性與剛性。 如果阻尼太軟,產生的問題是針桿運動會缺乏制約。該停的時候停不下來,該改變方向時,則會有延遲。而且越軟的阻尼所儲存的能量越多,當釋放出來時會造成不良後果。反之如果阻尼效應太硬,就不能發揮緩衝作用或吸收側向力,不但會使循軌能力不佳,而且有可能造成針尖受力過多而損壞。

然後在圖裡看不見的,針桿的最末端,還會有懸吊機構。懸吊之功能在於固定/保持針桿角度,並配合阻尼特性來達成音質微調。 懸吊的組成,近年來鋼絲為主流。 整體來說,阻尼與懸吊對音質有直接且深遠影響,範圍包含了循軌能力,針壓,順服度,低頻共振頻率,高頻共振頻率,等等。

側向力與唱頭運作的關係

唱片在運轉中,如果是在無溝紋光滑表面,側向力若不處理:

        有補償角之唱臂,摩擦力引發向內旋轉力矩,加上臂身之慣性質量,會帶動唱頭,快速向內側移動。

        無補償角之直線唱臂,視唱頭針桿相對於臂管角度,可能會向內或外移動。

而在正常有溝槽唱片時,側向力若不處理,針尖會受到溝槽壁阻擋止住移動,轉而對針尖產生側向壓力:

        有補償角唱臂,形成(1A1)的側向力,帶動唱臂向內轉動,使得針尖內側從內側之左聲道溝槽壁受力,如圖6裡針尖左側紫色箭頭所示。經由針桿傳遞,擠壓唱頭內部阻尼之外側(如圖6線圈右側紫色箭頭所示),使針尖針桿在播放訊號,朝外方運動時受阻撓,亦即影響到阻尼吸收第二類側向力的能力。

        無補償角之直線唱臂,(1A2)的狀況,取決於針桿相對於唱臂管方向是偏內或外,針尖受到溝槽壓力可能是內或外側,唱頭阻尼分別會是外側或內側受壓。

側向力持續作用在阻尼的一側,當針尖針桿隨著溝槽內訊號來回運動時,在某個方向某個幅度以上,會因為阻尼失去彈性空間造成阻撓干擾,於是不時會有失真「破聲」等現象。這就像是放大線路受到直流偏壓時,訊號強度不大就會提早產生削峰(clipping)的現象。

從另一方面來說,唱頭的阻尼如果越軟的話彈性空間越大,可以吸收越多外力,即使受到較高程度的側向力,針桿針尖的活動也不易受干擾。因此,懸吊軟的唱頭,循軌能力普遍都會比較好,處理側向力或抗滑也比硬者要來得容易。但如前文所提到,阻尼軟也要付出音質方面的代價。

圖1


圖2




圖3


圖4


圖5


圖6