Wednesday, June 28, 2023

基本概念:針尖/針桿與唱片溝槽的相對關係

 刻片機將訊號刻到母盤,經過各道工序最後製作成黑膠唱片。在唱片溝槽裡兩側的訊號,會呈現波浪狀內外擺動及/或上下高低起伏。溝槽有兩側,分別是靠唱片中心的內側壁是左聲道,反方向靠外側壁是右聲道,兩者形成一條剖面是V字形的峽谷。如果是mono訊號,兩聲道的訊號是一樣的,溝槽就只有水平向的內外擺動。如果是立體聲訊號,就還會加上垂直方向的高低起伏。圖1是從唱片上方以顯微鏡觀察溝槽,訊號內容是最簡單的mono正弦波訊號。播放這mono訊號時,唱頭針尖隨著波浪形狀內外擺動,帶動針桿及後端的發電機構,產生訊號傳遞至下游器材放大,推動喇叭或耳機而發聲。如果用示波器觀察上述溝槽的訊號,就如圖2上半部的示波器顯示裡,左(綠色線)右(紅色線)聲道的波型,這與從上方看到的溝槽形狀接近一致。當訊號的頻率越高,擺動越快,溝槽裡的波峰波谷擺動之間距離就越狹窄。如果是stereo立體聲訊號的溝槽,兩側溝槽壁就不再是一致內外擺動。針尖在播放時,除了內外方向的運動,還會加上垂直於唱片表面的上下起伏。

唱頭的針尖用肉眼看起來很小,然而實際上還是比唱片溝槽要大很多。即使是最強訊號的溝槽,不論再寬再深,播放的時候,都只有針尖的最尖端一小部分,會進入溝槽裡面,其它大部分的體積都在外面。而實際與溝槽接觸摩擦處,更只有最尖端的一小部分。例如圖3裡的針尖,大約只有它整塊鑽石柱最尖端,佔整個高度不到10分之一的部分,於播放時是真的在溝槽裡。因此針尖尖端的粗細程度,還有與溝槽接觸的截面形狀與大小,都會影響到針尖跟隨溝槽動作的能力。當針尖的尖端比溝槽的波動要來得粗大,或者截面大於波動的寬度,就會發生無法進入狹窄處的狀況,導致部份的訊號內容無法經由針尖感應出來。因此近年來的趨勢是將針尖盡量最小化,而且與溝槽接觸的截面更窄。

特別是在訊號頻率高,而且又接近唱片內圈時,這種情況會更普遍。例如20kHz的正弦波訊號,每秒振動2萬次,而33轉唱片轉一圈大約是1.8秒。在黑膠最外圈的溝槽裡,計算起來其波長差不多在20u1 u 10的負6次方公尺),而波型頂部或底部寬度在10 u左右。但在最內圈溝槽,圓周長度少了一半,同樣的振動次數要在一半的距離內完成,因此波長變成10 u左右,波型頂部只剩約5u寬。以前早期的圓錐針尖,與溝槽接觸部分的圓形直徑大概在10 u,可以想像要進入這種頻率的波型頂部會有困難,無法完整遵循波型移動。近代的針尖,接觸溝槽的截面多數比這小,約是3u左右或更狹小一些,比較可以完整呈現波型。但是如果是比20kHz更高頻的訊號,還是會有困難,失真的情形必然會增加。

圖4,5是典型的圓錐(cone)針尖顯微照片。圖6,7是橢圓(elliptical)針尖。線形接觸(line contact)針尖又可再細分為許多種類,圖8,9是其中兩種。不管針尖整體的形狀為何,最關鍵的是實際播放時,與溝槽接觸部位的截面大小與形狀。如果針尖形狀是圓錐,與溝槽接觸的截面會是圓形。橢圓針尖的接觸截面為橢圓形,線形接觸針尖的接觸截面則是很狹窄的長條狀。

在圖10裡各種黃色標記物,代表的是各種針尖的上方觀點剖面,與溝槽的相對關係。最上方的倒三角形,是刻片機上刻片刀的剖面。第二個圓形代表的是圓錐針尖的剖面,第三個是橢圓針尖,最下方第四個代表的是線型接觸針。而右側紅色標記物是各種針尖與溝槽接觸截面的形狀。圓錐針尖的場合是兩個圓形,橢圓針尖是比圓形狹窄的橢圓形,最下方的則是線型接觸針,更狹窄的兩個條狀。要特別指出的重點是,溝槽是像V字形的峽谷,所以代表接觸截面的這些紅色標記,是在峽谷兩側的溝槽壁的斜坡上。在這些圖例裡,從側面觀察唱頭時,針尖是完全垂直於唱片的表面,所以每一對紅色標記都是互相對齊的。例如最下方的線型接觸針場合的兩個條狀,看起來是─與─。以後會討論到,唱頭若有前傾或後仰,一對紅色標記之間就會有角度,不再是對齊的相對關係。可能會變成比較近似/\,或者\/的樣子。以後在講VTASRA角度時,對這些觀念將有更詳細的說明。

各種針尖形狀在加工製作時的難易程度不同,成本也會有差異。一般來說,形狀越接近對稱的,越容易以自動化的工具處理,成本就較低。例如圖4裡的圓錐針尖,從垂直方向來看是圓形360度對稱,在所有針尖裡算是最容易加工的。圖6裡橢圓接觸面的針尖,一般是將圓錐針尖的前側與後側切/磨去一部份,於是原本的圓形截面縮小,變成橢圓形。接觸截面更窄小的線形接觸針尖,則是將橢圓接觸面再加以研磨,使垂直方向變得更窄而銳利。至於可算是線形接觸針尖其中一種的MRmicro ridge)針尖,是將橢圓接觸面切削掉兩個角落,垂直方向成為一條脊狀。

OEM供應廠根據唱頭廠家的要求,加工鑽石成所要的指定形狀,選定針桿的粗細與材質,組合並固定針尖與針桿。在三度空間裡,從三軸向來觀察,針尖與針桿會形成三個相對角度。由於針尖是嵌入針桿而且/或者以膠質黏著,針尖相對於針桿的這三個角度是固定的,除非有不正常的鬆動,不會因為播放時受力而改變。而唱頭針尖相對於唱片表面,也會形成三個角度。這些角度數值,則是由安裝與調整唱頭所決定,而且角度的改變會直接影響到前面所說,針尖與溝槽接觸截面的角度及大小等,連帶也影響到播放音質。

而在黑膠播放時,針桿相對於唱片表面,從上方,側面與前方觀察都各有一個角度數值。由於針桿後段是以彈性阻尼與懸吊固定,當受到垂直方向的力,像是針壓,就會上下改變一些角度。受到側向力,就會內外改變角度。至於朝前方向的力,像是播放唱片時來自針尖與溝槽摩擦的拉力,由於針桿前後並不能移動,正常情況下也會轉換成上下或內外的角度變化。朝後面方向的力,在正常播放情況不會發生,多數只有歌舞廳製作效果的DJ,用手去反向轉動唱盤的轉盤時才出現。而且他們一定要使用給DJ專用,特殊加強的針尖與針桿,否則一般唱頭很容易就因此損壞。

圖1


圖2

圖3



圖4


圖5




圖6


圖7

圖8


圖9

 

圖10