Sunday, July 10, 2022

抗滑與側向力基礎概念之10:支點臂抗滑機制分析及其作用力變化之考量

如前文分析指出,同一唱頭安裝於傳統支點臂時,在播放過程,所需的抗滑力接近恆定。

抗滑作用力的主要來源,可歸類為重力,彈力,與磁力,各有其優缺點。傳統支點唱臂的抗滑機制,調整大小範圍必須足夠,且在播放唱片時,力度應該維持穩定,沒有明顯變化。但多數唱臂的抗滑功能,提供的作用力在播放過程有相當大的變異。唱臂提供的抗滑力,在播放唱片內外圈有明顯變化時,調整上應以滿足內圈的抗滑需求為優先。


抗滑作用力來源之一:重力

重力的來源,幾乎都是用某種型式的錘子。但重力的作用方向是朝下,要將作用力改變方向,用在抵抗水平方向的側向力,必然要使用到槓桿或/與滑輪,或/與細線等組合。這樣要面對的一大問題是,雖然錘子本身產生的重力是恆定,經由這些機構轉換作用方向後,卻不容易維持恆定。而許多唱臂設計者共有的錯誤觀念是,認為唱片外圈因為運動速率比較高,所需抗滑力較大,因此他們做出來的抗滑機制多數是基於這理念來運作。事實上如上期的專欄文裡所指出,針尖與溝槽相對運動速率的高低,在一般範圍內並不造成動摩擦力的強弱差異,抗滑需求不會改變。

例如SME30XX系列唱臂,抗滑施力的錘子以細線吊著,通過滑輪將施力方向由垂直轉為水平,再掛在位於唱臂軸承後方的橫桿,所以抗滑施力的方向就是細線的方向。當唱臂由唱片外圈移動至內圈,如圖12顯示,線與橫桿所成的角度會有所不同。線與橫桿成直角90度時,抗滑力會最大。在其它角度,部份的分力會變成平行於橫桿,其餘分力才會垂直於橫桿,這樣使得抗滑作用力比細線垂直於橫桿時要來得小。使用者對應的方式,是在播放過程,讓線與橫桿形成的角度變化減小。其中一個作法,是將細線掛在橫桿的最裡面,也就是槓桿最短,抗滑力最小的位置。這樣的話,播放時線與橫桿的角度變化會縮小。但是這樣一來,抗滑的作用力強弱雖然比較不會改變,在許多唱頭卻會發生抗滑力不足的情形。因此必須將原有的錘子再加重量,來達到所需的強度。不過,這樣要考慮的因素是,雖然錘子本身產生的抗滑力不足將之加重,是可以解決這方面問題。但衍生的其它問題是,唱臂與唱頭的總質量也會變大,連帶造成低頻共振頻率的降低。

有些唱臂,例如英國Nottingham的作法,將錘子掛在一個活動桿,再將桿子轉換角度之後,搭在另外一個固定於唱臂的桿子上,如圖3。錘子的位置越往後推,槓桿越長,抗滑作用力越大。但是唱臂在唱片的內外圈時,活動桿與固定桿的角度都會改變,分力作用產生變化,所產生的抗滑作用力也會改變。還有像是如圖4裡的Immedia RPM唱臂,錘子不是直接吊在線上,而是掛在小直桿再加滑輪,然後連接到細線至臂身,變因就會更多。除了線與唱臂連接處的夾角會改變,造成施力的變化之外,還有小直桿與水平之間的角度,也會變化。只有在直桿呈水平狀態,產生的重力才會全部傳遞到細線。否則一部份的重力會轉為橫向分力施加在滑輪。這些情況的對應方法,要先測試抗滑的作用力,在整個唱片表面由外至內,強弱變化的分佈為何。經常會遇到的情況,是外圈強弱適當時,內圈就會太小。或者是內圈剛好時,外圈會太強。這時就要做出取捨,看是內圈有正確抗滑比較重要,還是外圈。

另外,像Immedia RPM這種單點軸承唱臂的抗滑機制,在設計執行上是一個很大的挑戰。因為在施加水平向的作用力時,在臂身施力的點與軸承會形成垂直方向的力臂。從正前方觀察,施力乘以力臂形成逆時針方向的力矩,帶動整支唱臂翻動,進而造成azimuth/HTA的角度改變。而抗滑的施力強弱若有變化,azimuth/HTA也會連帶受到影響而有所異動。這支唱臂在設計時就將重心放得很低,在比軸心更下面的位置,來減少翻動現象,所以受到的影響還不至於太大。

Graham 較早期的單點臂型式,也是有類似的問題,抗滑會影響到azimuth/HTA的角度。而且因為整支臂的重心高度是在軸心位置,所以翻動所造成的影響更明顯。直到Phantom系列,採用了磁力穩定的方式,才將這個問題解決。如圖5裡,基本上抗滑力的來源,還是用錘子產生重力,拉動細線經過滑輪,但線不是直接與唱臂主體連結,而是掛在另一個水平向的精密滾珠軸承,抗滑作用力再經由磁力耦合(如圖6)傳遞,而不是以細線直接掛在臂身上面。這樣的好處,是用磁力取代實體線的連結,具有低通(low pass)的效用。滑輪與線提供的抗滑力,會比直接連結要更接近恆定。唱臂在播放過程,如果唱頭在唱片表面狀況發生瞬間的變化,也不會立刻由實體細線直接傳遞至臂身,而與抗滑力的產生機制互相干擾。這個磁力機制也穩定了azimuth/HTA角度,使臂身不像一般單點臂在施加抗滑作用力時會翻動。此外,藉此還提供了精細的azimuth/HTA調整功能,在市面上眾多唱臂裡非常難得見到。還有它的滑輪及細線組合,及細線至次要軸承的連結角度,也有些巧妙的安排,讓抗滑力維持相當穩定的強度,不會隨著播放內外圈而有顯著增減。

價格極其高昂的SAT唱臂,雖然在設計者的概念有一些我無法認同之處,例如他在說明書裡說,任何唱頭只要針壓值相同,需要的抗滑強度就一樣,顯現出對不同唱頭的差異性欠缺瞭解,在此就不予置評。但在抗滑機制部分,有其獨特的巧思,值得借鏡。基本上也是用錘子的重力來產生抗滑力,透過滑輪及細線組合來傳遞至臂身。但它的線,在連結到臂身前,比一般多了一個水平向的滑輪。這與Kuzma其中一型唱臂的概念類似,如圖7。這樣的話,作用力的方向,與臂身結合處的角度會維持固定,不因播放內外圈而改變。只不過Kuzma的這個機制,錘子是掛在橫桿,所以橫桿角度變化也會改變作用力強弱。


抗滑作用力來源之二:彈力

彈力的來源,主要是各種型式的彈簧,比較常見的有來自一般繞成小圈的條狀彈簧產生的直向拉力,或者捲成平面螺旋狀鐘錶彈簧的旋轉力。在播放的過程,彈簧的作用力要能維持穩定不變,也是需要一些設計上的巧思。因為彈簧的作用力,是與變形的程度有正比關係。被拉得越長,壓縮得越多,產生的力就越大。例如TechnicsSME VLinn唱臂是用彈簧,詳細的內部運作,從外觀無法看見。如果是條狀彈簧提提供拉力,與臂身連結的夾角,也有可能會因為唱臂的位置而改變。如果像是FRBreuer,在內部用鐘錶彈簧的旋轉力直接作用在唱臂軸心,雖然避免了角度的問題,但也要考慮到彈簧被捲得越緊,產生的回復力越大。若要維持作用力不會有太大強弱變化,就必須讓彈簧在比較寬鬆的狀態下運作。

使用彈簧的常見問題是,如果抗滑力調到最大,對某些唱頭仍然不足的時候,就沒辦法處理。像是SME V唱臂,如果用了懸吊硬的MC唱頭,幾乎都會遇到抗滑不足的問題,而且無法補救。Moerch的作法,是結合了鐘錶彈簧與細線,如圖8。這樣雖然會有播放時作用力角度改變的問題,卻可以將彈簧的位置放在用家可觸及之處。在抗滑力的強弱不能達到需求時,可藉調整彈簧的鬆緊來對應。作用力不足時,就把固定彈簧的螺絲轉鬆,將彈簧捲緊一些。太強的時候,就讓彈簧鬆一點。這樣一來,作用力的涵蓋範圍就相當廣泛。

採用彈簧的另一考量,是時間久了可能會有彈性疲乏的問題。有些數十年前出廠的SME V,如果不回原廠檢修,抗滑(還有其動態平衡產生針壓)的機制,常有力量衰減的情形。因此建議,在不使用的時候,盡量將刻度調到最小,讓彈簧減少受力。


抗滑作用力來源之三:磁力

用磁鐵相吸或互斥的原理來產生抗滑作用,也被採用在一些唱臂。其調整大小的方式,是藉著改變兩個磁鐵之間的距離來達成。磁力的好處,是如前文討論的Graham Phantom的例子,作用力並不依賴細線等介質傳遞,因此本身有低通濾波作用,對臂身施力比較不會有暫態變化。然而磁力作用是與距離成平方反比關係,因此磁鐵間的距離改變時,磁力強弱變化會很明顯。如果要維持恆定的作用力,設計者往往要用一些特殊方式來處理。至於磁力是否在一段時間後會衰退,目前我還沒有經驗,所以無法討論。

AMG12JT在唱臂軸承主體,兩側各有調整用的小內六角螺絲,如圖9。抗滑的強弱,是將螺絲位置推高或低,移動內部的磁鐵來調整。但是可調整的範圍不大,有些唱頭會有抗滑不足的問題,而且無法另外再加強補正。

ThalesSimplicity唱臂,在國內有不少人使用,但幾乎沒有人知道它有抗滑,而且是用磁力互斥的方式。有許多人說,因為它是正切臂就不會有抗滑的問題,其實是錯誤的觀念。只要唱頭安裝的部位,與臂管有補償角存在,播放時就會產生向內的側向力。而且由於它的補償角在播放期間一直改變,抗滑力的需求也隨之變化。這在348期的專欄文,就已經討論過。如圖10顯示,它的抗滑力是用了同極互斥的磁鐵,固定在唱臂軸心點後側,位於重錘之前的兩個臂管之間。當受到向內側向力時,兩臂管之間的間隙變小,磁鐵的互斥力會增加,來抵銷側向力。這個設計算相當巧妙,但抗滑力的大小不能調整。用過幾個不同的唱頭實際測試,顯示有些唱頭會抗滑太強,有些唱頭則會不足的情況。我曾直接與設計者用電子郵件討論過,他同意有些唱頭會有抗滑強度不匹配的問題,但在種種其它因素的考量之下,仍不願意改變設計提供調整機制。


小結論

眾多唱臂的抗滑機制,在仔細觀察分析後,或多或少都有其缺點。最常見的是在播放內外圈時,抗滑作用力的強弱差異,讓使用者很難調整精確。如果唱頭的阻尼/懸吊較軟,可以吸收較多側向偏壓,就不會是太大的問題。但在多數硬質阻尼的MC唱頭,就成為一個挑戰。遇到這樣的情況,基本的考慮原則是,由於同樣的音樂資訊量要擠入相對短的距離之內,造成唱片內圈的先天音質條件肯定比外圈差,因此盡量以滿足內圈的抗滑需求為優先。一般而言,這樣的調整方式,會使內圈失真大幅減低,聽感上比起外圈也不致有明顯惡化。


圖1



圖2



圖3



圖4



圖5


圖6


圖7



圖8



圖9



圖10