Friday, July 15, 2022

是否能將唱臂做得和刻片機的動作原理一模一樣?

 與朋友在討論唱臂的設計時,不時會有人說,那將唱臂做得和刻片機的動作原理一模一樣,不就好了嗎?乍聽之下,似乎很有道理。但實際上,問題卻並非那麼單純。

首先要瞭解的基本差異是,刻片機刻片時,從外到內圈的移動,是主動式的運動。也就是說,刻出來的溝槽往內以螺旋轉入,是由刻片師決定以何速率來推進。但在播放唱片時,唱臂是處於被動的狀態。它由外往內的運動,是由溝槽導引唱針,施力於針桿,然後帶動唱臂所致。這時,克服唱臂軸承的摩擦力及移動慣性質量所需的力,就幾乎都由唱針與唱頭來承受。而且,因為唱片在壓製時,一定存在某種程度中心不正的情況,所以唱頭的針尖與針桿,持續地存在內外交互搖擺的運動。因此,如果唱臂的慣性質量較高或移動時的摩擦阻力大,加上唱頭所受的外力隨時都在變更方向,由此可以想見,針尖與針桿受到來回的 stress力度是相當可觀的。

但是,從另一方面來考量,我們要記得,唱頭的發聲,是靠針尖的上下左右振動帶動發電機構產生的。所以,假如唱臂的質量太輕,輕到隨著針尖同時一起同步運動,那唱頭就無法感應到這些振動,失去了溝槽裡的資訊。因此,唱臂在垂直方向要提供適當的針壓,而且水平與垂直方向都要有足夠的慣性質量,來提供一個穩定平台,讓針尖可以忠實地拾取溝槽裡的訊息。此外還要考慮到與唱頭搭配時,低頻共振的問題。如果太高,已經到音樂訊號的低頻範圍,就會造成低頻響應的問題。而太低的話,接近唱片偏心或不平的頻率,又可能引起抖動的問題。

所以要設計一支可以與多數唱頭搭配的好唱臂,需要考量的因素,有相當的複雜程度。而以上這部分的考量,還只是冰山的一角而已。

Monday, July 11, 2022

音響界常見的「過及推論」(Overgeneralization)

 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。

相關討論:https://bingrungtsai.blogspot.com/2022/06/blog-post_30.html

抗滑與側向力基礎概念之0至14表列

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。

在這裡,我會將側向力與抗滑所牽涉到的學理基礎,盡量以淺顯的方式表達出來。希望能促使一些人士開始對黑膠播放的基礎科學有所關注,避免受到種種偏頗觀點誤導。而且在遇到未曾見過的器材或特殊狀況時,能從基本科學層面去思考處理,這樣得到最佳化音質的機率會高很多。

抗滑與側向力基礎概念之0:唱頭阻尼(damper)為最重要關鍵https://bingrungtsai.blogspot.com/2022/07/0_10.html

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
https://bingrungtsai.blogspot.com/2022/07/0.html

抗滑與側向力基礎概念之2:針尖在播放時的運動軌跡


抗滑與側向力基礎概念之3:如何測量/判定側向力的方向與大小


抗滑與側向力基礎概念之4:抗滑不當時側向力對針尖運動軌跡造成之影響


抗滑與側向力基礎概念之5:抗滑不當/側向力所造成的音質影響


抗滑與側向力基礎概念之6:訊號強度並不影響抗滑需求


抗滑與側向力基礎概念之7:唱片內外圈並不影響抗滑需求


抗滑與側向力基礎概念之8:真正會影響抗滑需求之變因


抗滑與側向力基礎概念之9:傳統支點唱臂之抗滑設定原則


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


抗滑與側向力基礎概念之11:唱頭阻尼軟硬差異與唱臂抗滑強度之實際考量


抗滑與側向力基礎概念之12:抗滑與其它參數之相互影響


抗滑與側向力基礎概念之13:特殊器材的抗滑討論


抗滑與側向力基礎概念之14:直線正切臂的側向力討論

抗滑與側向力基礎概念之14:直線正切臂的側向力討論

 在直線支點或直線正切臂的場合,有不少人以為側向力不是問題。事實上,這是錯誤的觀念。在之前的討論裡(參見:https://bingrungtsai.blogspot.com/2022/07/0.html  )就已經指出,1A2類的側向力,因唱頭製作或唱頭安裝於唱臂的些許角度誤差,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。此外還有1B1C類,由於唱片中心孔不正,唱片表面不水平等因素所引發的側向力。與直線支點臂一樣,直線正切臂通常也都沒有抗滑機制,因此處理側向力反而比較麻煩。而且,由於直線正切臂的支點在無限遠處,水平方向的慣性質量必然會比支點臂大,所以更需重視側向力的控制,否則唱頭針尖與阻尼受到的壓力,日久必然會造成針尖磨損或阻尼/懸吊變形老化的問題。

調整直線正切臂,讓整個唱盤(尤其轉盤表面)與唱臂在完全水平的狀態極其重要。想要讓唱臂達到水平,一般相當簡單。於氣浮臂的場合,只要調到零針壓,再把臂管調到不會左右移動即可。但要注意的是,這樣不代表唱盤的轉盤表面也是水平的。如果兩者的平面不平行,那播放的時候,就會有來自上坡或下坡而引發的側向力,而且azimuth/HTA VTA/SRA ,甚至針壓,都會隨播放時由外至內產生改變。

而在實際運用時,直線正切臂還要面對的問題是,連接到可動部分的,輸出訊號線或/及供氣管的質量與撓度所造成的干擾。例如圖1ET2的訊號線,與圖2裡的Kuzma氣浮臂的訊號線加上供氣管,不論再細再輕,都會產生一些牽引阻撓而引發側向力,造成一些音質上的不良副作用。因此管線的走向與固定方式,要花一些精神去找到最佳方式。

我用 ET2 氣浮臂時,調整的程序,在此提供各位參考:1)首先用數位水平儀將轉盤表面調至完全水平,2)然後藉由調整唱臂的安裝螺絲,使唱臂移動面達到水平,也就是於零針壓狀態,把臂管調到不動。但重要的是只動唱臂,不去動唱盤以維持轉盤表面水平。3)播放無溝紋的唱片,如果唱臂還會往一個方向移動,就要想法扭轉改變唱頭與唱臂的相對角度,把這種現象消除。如果不能扭轉唱頭,那就只好把整個唱盤的水平略微改變,來達成目的。4)播放一般用來調抗滑的測試唱片,看是否兩聲道的失真接近一致。如果不是,就要再把整個唱盤的水平略微調整。

以上的3)與4)步驟,會因管線的干擾而形成很大的挑戰。例如常見到的,在唱片外圈時,會因管線拉扯而有朝內側向力,而接近內圈時,又會因管線的阻撓產生朝外的側向力,很難找到完全解決的處理方式。也因此,我會建議在這類唱臂上,盡量用順服度高一些,阻尼軟一點的唱頭,才能從容應付殘餘的側向力。

Mono唱頭的場合

近年來黑膠復興,不僅是立體聲錄音的唱片,更早期的單聲mono錄音,也得到相當的關注。除了少數極早期,規格還未統一時的唱片,mono的刻片頭,都只有水平向的運動。因此絕大多數的mono唱片,播放時唱頭的針尖,也只會在平行於唱片表面的方向來回振動。立體聲唱片的場合,播放時則會混有垂直於唱片表面的上下方向的振動。

Mono唱頭的發電原理,基本上與立體聲唱頭相同,主要差別在於將內部的發電機構簡化,因為只需要感應針尖在水平向的運動。如圖3裡,是同一MC唱頭的mono型式與立體聲型式。立體聲的場合,十字形的繞線架與水平呈45度角的X形,而且線圈在X交叉的兩個方向都有。Mono線圈是將繞線架轉正維持十字,而且只有其中一個方向有繞線圈。

用立體聲唱頭播放mono唱片,在技術上完全沒有問題。那為何還要用mono唱頭?有些資深的「專家」說是廠方賺錢的噱頭,有些則信誓旦旦說一定要用mono唱頭才會有最佳音質。從數據方面來看,用標準的1kHz正弦波mono測試訊號,以同型唱頭的立體聲與mono版本分別去測量,mono唱頭的THD失真數據會低很多。另外的好處是,從理論推測與聽感驗證顯示,唱片的表面雜音會比較少。這些效應,都是由於mono唱頭只感應水平向的針尖運動,使得失真與雜音量減低。坊間有些師傅把立體聲唱頭裡頭的線圈串接起來,說是變成mono唱頭。這樣其實除了輸出電壓增加的效果之外,垂直向的針尖運動還是會感應出訊號,因此並沒有以上所說,真正mono唱頭的兩個主要優點。

之前專欄文的討論裡說到,要播放強度足夠的mono測試訊號,經由觀察/聆聽左右聲道的失真差異,來判定側向力的方向,藉以設定正確抗滑。如果右聲道失真較大,顯示針尖受內側溝槽壓迫,抗滑不足。左聲道失真較大,則反之。在調整到左右聲道都沒有失真或失真大小接近一致,抗滑就接近正確。但是,如果用mono唱頭,左右聲道播出的訊號無論如何都是一致的,那該依據什麼去調整?

首先,要用光滑表面的唱片或LD片,來大致判定側向力的方向與強度。如果播放時,針尖一接觸到表面就快速地朝內側移動,就表示要將抗滑調大。先將抗滑調到使針尖朝內移動的速率變慢,大約從外至內要數秒鐘的時間。這時開始用標準的正弦波mono測試訊號,藉由儀器觀察THD失真的絕對值(兩聲道的值會一致),然後嘗試加大或減少抗滑,看數值變化的趨勢走向,來決定是該增加或減少抗滑。當抗滑強度適當時,失真值會是最低。而抗滑太大或太小,失真都會比這個最佳點要高。如果不用儀器就要靠聽覺判斷,代表失真的「滋」聲高低變化。並且要注意左右聲道「滋」聲響度不會有差別,所以目標是將整體失真調到最小。

圖1



圖2


圖3


Sunday, July 10, 2022

抗滑與側向力基礎概念之13:特殊器材的抗滑討論

 搖擺唱頭蓋

367372期音響論壇我發表過評論的,韓國Nasotec Swing Headshell搖擺唱頭蓋,以彈簧來吸收側向力,效果上類似將唱頭的順服度提高。當時測試的結果顯示,它並不會減少一個唱頭所需的抗滑力,而所造成的副作用,是循軌誤差。在唱頭安裝設定正確的狀況下,位於幾何零點(null points)時,唱頭應該處於沒有循軌誤差的正切狀態。但這時若因各種因素而發生側向力,搖擺唱頭蓋的反應就會使唱頭偏離正切,造成誤差。而除了零點之外,其它位置也會有不可預期的角度改變,可能使循軌誤差增加或減少。換句話說,搖擺唱頭蓋等於是在側向力與循軌角度之間做了取捨,犧牲可預測的循軌誤差來換得側向力的減少。這與我在339期評論過,沒有補償角的Vid Lab Rigid Float直線短臂的設計出發點有點類似,都將減低側向力的重要性擺在循軌精確度之前。音質上所付出的代價,主要是透明度會有所犧牲。

正切支點臂

即使是號稱正切,但這類支點臂只要在唱頭安裝處,存在有補償角,抗滑還是必須的,這在之前的專欄文已經討論過。國內用家不少的Thales唱臂,抗滑強度無法調整,因此選擇搭配的唱頭時,最好採用原廠已經測試過的型號。其它的支點正切臂,我還沒有足夠的安裝使用經驗可以分享,等以後適當時機再作報告。

直線支點臂

近年來出現一些直線支點臂,安裝唱頭處沒有補償角,因此唱頭針尖與溝槽產生的摩擦力,「理論上」會正對著唱臂軸心,播放時不會產生側向力。然而實際上,唱頭針桿的角度仍會存在唱頭製作與安裝時的微小誤差,不可能完美,側向力也隨之發生。這現象在Viv Lab Rigid Float超短直線臂上,我都驗證過。由於這類唱臂幾乎都不提供抗滑機制,如果想完全處理側向力,就要靠自力救濟,例如將唱頭稍微反方向扭轉,讓針桿完全對正唱臂軸心。

抗滑與側向力基礎概念之12:抗滑與其它參數之相互影響

 Azimuth/HTA是最敏感的參數,這在之前就已經數次強調過。抗滑設定不對而側向力存在時,影響針尖運動的軌跡,自然會影響到azimuth/HTA的測試結果。如圖1裡,是Audio Technica ATVM95SH裝在SME V上,將抗滑分別調在00.82.9的刻度,所得到的3列分離度數據。由於SME Vazimuth角度是無法調整的,這些數據是控制變因,單純改變抗滑所引起的變化。從圖裡串音的數值可以看到,最上方是抗滑完全關掉至0,兩聲道串音差為3dB左右。而抗滑逐漸加強,差異也隨之降到2dB左右。而ATVM95SH還是阻尼軟順服度高的唱頭,如果是阻尼硬低順服的唱頭,抗滑造成的影響將會更明顯。

圖2與3是同一唱頭唱臂組合,低頻自然共振頻率的測量數據。前者是抗滑調至最精確的2.9,兩聲道的共振頻率都是9Hz。後者是抗滑刻度為0.8,右聲道的共振頻率變成10Hz。雖然數據上看來,只是右聲道1Hz的差別,但造成音質的變化很明顯。尤其是IMD互調失真,與低頻共振頻率之間有著很密切的連帶關係,而IMD的高低對聽感有很大的影響。

概括來說,抗滑的改變必然會影響其它參數。但反之除了針壓之外,其它參數例如azimuth/HTAVTA/SRA的改變,並不會造成抗滑需求的變化。因此就調整設定唱頭唱臂的順序來說,概念上,抗滑的調整要在針壓之後,VTA/SRAazimuth之前。


圖1



圖2



圖3


抗滑與側向力基礎概念之11:唱頭阻尼軟硬差異與唱臂抗滑強度之實際考量

 有些「專家」在網頁或其它場合發表言論,說他將抗滑調到最大或完全關掉,都聽不出差別。沒有錯,在使用一些阻尼較軟的唱頭,而且不仔細去聆聽音場深淺及對稱性的情況,這是很有可能發生的。然而從這個經驗進而下結論說所有唱頭都如此,就犯了相當嚴重的過及推論邏輯謬誤。此外值得深究的還有,唱臂本身提供的抗滑力是否涵蓋足夠的範圍。也許他們使用的唱臂,所提供的作用力範圍其實很小,調整時無法造成可分辨的差異。

如同之前專欄文曾經分析過,阻尼軟的唱頭,能吸收的作用力較大,即使受到相當程度的「直流」模式側向力,於某方向持續的偏壓狀態,阻尼仍有彈性餘裕。來自音樂訊號本身的「交流」模式側向力還是能被阻尼所吸收,針尖仍大致可自由地活動,不因為受明顯阻撓而導致可聽見的失真。即使如此,在「直流」模式側向力持續作用的情況下,針尖的正常運動軌跡必然會受到影響。即使不出現循軌失真或破聲現象,針尖朝內與朝外運動的難易會有所不同,左右音場的深淺程度會不一致。若要讓唱頭性能正常地發揮,藉精確的抗滑調整來將有害的「直流」模式側向力減至最低,還是必須的。

以我裝在實驗室裡的幾個唱頭為例,Audio Technica ATVM95SHSH代表柴田針尖)與AT95EE代表橢圓針尖)是中高順服度(兩者規格皆為20cu1cu10的─6次方cm/dyne),阻尼軟的唱頭。Denon 103R(圓錐針尖)屬於低順服度(小於10cu),阻尼硬的唱頭。這幾個唱頭,分別裝在實驗室裡3支可以隨時來回調整抗滑強度的唱臂上:SME VTechnics SL-1200G所附的臂,與Linn Akito

ATVM95SH裝在SME V唱臂上,2克左右的針壓,抗滑刻度調到0.8,不論播放什麼唱片都完全聽不到失真破聲。從測試數據來看,播放到90-micron強度的測試訊號,兩聲道波型也都看不出明顯差異或失真。直到100-micron最強的訊號,才稍稍看到右聲道波型比較尖與缺角的情況如圖1,下半部的頻譜分析也可以看到,右聲道多出許多高次的諧波失真成分。這顯示針尖還是受到內側溝槽的偏壓,使得外側阻尼受到一些持續壓迫而阻撓針尖朝外的運動。將SME V抗滑刻度調到2.9,接近3.0最大值了,才將右聲道較多的失真降至與左聲道平衡,如圖2。圖裡下半部的頻譜也顯示,高次的諧波失真成分大幅減少。換句話說,在這個唱頭唱臂組合,如果用低於100-micron的訊號強度,從0.82.9的廣泛抗滑設定範圍,數據上都不會觀察到差別。由此可以想像,在順服度相近或更高的唱頭,用一般強度的音樂訊號,只依賴聽覺,多數人是無法辨別出抗滑強弱造成的差異。但如先前幾期的專欄文裡指出,在抗滑不夠阻尼受到偏壓的情況下,針尖播放立體聲訊號,軌跡會有所扭曲。仔細去聽左右音場的深淺程度,必然會有不對稱的情況。

理想上,在調整抗滑的時候,在從低至高,一開始找到兩聲道失真平衡後,記錄下抗滑數值。然後再繼續調高到右聲道失真變低,而左聲道出現較高失真,這代表抗滑已經過大,再次紀錄抗滑數值。而最佳抗滑設定值,就會在兩個數值之間。但很不幸許多唱臂的抗滑機制,並不能調到足夠強度來明確彰顯這個區間。例如許多唱頭(包括這裡的ATVM95SH)裝在SME V上,就無法調整到讓左聲道出現較高失真,來界定出上限。這時就要仔細觀察比對數據的細微差異之處(像是前面所說的圖12),才能找出最佳抗滑值。

將同樣型式的ATVM95SH唱頭裝在Technics SL-1200G唱盤的唱臂,測試結果與SME V類似,也是要調到接近抗滑刻度最大的3,才得到失真平衡。顯示這兩支唱臂來自內部彈簧的抗滑作用強度相當接近。

同是Audio Technica 出品,算是AT-VM95SH前身的AT95E,標示的順服度兩者相同。裝在Technics SL-1200G的唱臂,得到的測試結果與ATVM95SH十分類似,符合兩者順服度的規格數字。而將之裝在Linn Akito唱臂上,針壓在標準值,抗滑調至0.5左右,在90-micron強度測試就看到失真平衡了。這時再換到100-micron強度測試,右聲道就觀察到較高失真,需要調到1.7左右,才開始看到平衡。而在這訊號強度,繼續調高抗滑到1.8以上時,左聲道就明顯出現較高失真,代表抗滑過大。由此得知,最佳的抗滑設定,應該在1.71.8之間。對照前面的例子,顯示Linn Akito唱臂的抗滑強度範圍,比起SME VTechnics SL-1200G要寬廣許多,在設計執行上肯定是比較正確的作法。這也代表,裝在Linn Akito唱臂而可得到正確音質表現的唱頭種類,會比其它兩者來得多。

而低順服度的Denon 103R裝在Technics SL-1200G本身的唱臂,以標準2.5克針壓,將抗滑刻度調到2.5,在還不到80-micron強度的測試,右聲道就有明顯有失真現象,代表抗滑不足。調到最大的390-micron強度的測試訊號雖然可以得到失真平衡,但100-micron最強的訊號時,右聲道還是出現可觀察到的失真,代表還是有側向力偏壓的存在,然而這唱臂卻無法再增加抗滑作用力來補償。因此這個唱頭與唱臂的組合搭配,不是很裡想。如果裝在Linn Akito唱臂,應該會得到比較好的效果。

從上述的例子可以得知:

1)阻尼軟而順服度高的唱頭,對側向力的容許度高,一般播放時很少會有失真出現。要觀察到側向力的作用,並且精確地調整出適正的抗滑,必須用最強的測試訊號。這類唱頭在失真平衡時的抗滑設定,會有一個高低容許範圍,而真正的最佳設定,落在這兩個高低值之間。

2)阻尼硬順服度低的唱頭,在側向力存在時比較容易出現失真,也需要比較高的抗滑力來讓唱頭正確地運作。調整抗滑時,失真平衡的高低容許範圍會比較狹窄。這類唱頭,在許多唱臂都無法調到正確的抗滑狀態。

3)由於不同唱頭的特性差異甚大,唱臂上的抗滑刻度數值,本身幾乎沒有意義,只能用作相對強弱的參考,不能直接用來與針壓作對應。

另外要再次提醒大家,順服度較高的唱頭,對於側向力的容許程度高,在受到持續偏壓下雖然比較不會有循軌失真,但不代表音質不受到影響。精確設定最佳抗滑,才能讓針尖針桿活動時不受阻撓,也得到最對稱的音場表現。此外還要注意,唱頭的橫向與垂直向,兩方的順服度是否明顯不同。如果兩方向的數值有相當的差異,則調整設定要以低順服的方向為優先。例如Decca系列唱頭,橫向是中順服度,但垂直向是低順服度。所以要以縱向測試,也就是用反相的正弦波訊號來觀察失真,才能得到最佳設定。

唱頭THD數值先天不平衡

用儀器測量側向力時,除了觀察THD失真數值之外,還要注意到左右聲道波型的對稱。如果一個聲道失真缺角/扭曲,另一聲道也要接近同樣形狀,才算是達到平衡。這是因為,許多唱頭的THD失真率,先天上就不平衡,其中一個聲道較高。如果只看THD數值來調整,將會導致錯誤的結果。像AnalogMagik軟體的抗滑調整,缺點就是只顯示THD數值,而沒有提供波型的資訊。如果遇到唱頭右聲道THD數值本來就比較高,完全按照該軟體指引,會想一直增加抗滑去使之與左聲道平衡,造成抗滑太強的後果。


圖1


圖2


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



抗滑與側向力基礎概念之9:傳統支點唱臂之抗滑設定原則

 唱臂的抗滑調整,並不需要將所有的阻尼/懸吊受力完全抵銷,目標在於讓針尖在播放各種強度訊號時,還可隨溝槽完全自由活動,不受干擾阻撓即可。而重點在於,要以什麼方式來判定,針尖運動是否受到干擾。光是靠聽音樂訊號來判定,也許不會失真破聲,但如上期的文裡所說,音場會不對稱。有人用mono唱片來聽,是否左右聲道平衡,但實驗顯示,抗滑力大小對mono平衡的影響很微小,對串音(crosstalk)的影響還比較大。將來這會在關於azimuth/HTA的討論中分析說明。

也有一些人士會用播放光滑面,例如LD片或無溝槽唱片,看唱臂被帶動的方向來調整。但事實上,這是用唱針尖端與光滑面產生的摩擦力,與播放訊號時,針尖兩側真正接觸溝槽處有所不同。例如圖1裡的針尖,它的最尖端(亮點處)是加工成為類似小圓錐,而真正與溝槽接觸摩擦處,是在尖端向外延伸的兩側銳利稜線。所以用這方法,是可以得到側向力作用方向的概念,但無法得到正確的抗滑設定。據我測試過上百個不同唱頭的經驗,如果唱頭是用類似上述線性接觸類的針尖,用這方式調整的抗滑會不足。如果是圓錐針尖,則常會得到太強的抗滑設定。

先前我們已經說過,唱頭針尖/針桿與內部阻尼受側向力之狀況,無法直接得知,必須播放測試訊號來間接觀察。幾個主要原則:

·       播放標準測試訊號如300315Hzmono正弦波,從觀察左右聲道波型是否失真,與兩聲道THD(總諧波失真)數值是否接近,藉以得知針尖左右運動時,是否受到阻撓。以下為抗滑不足的指標:1)示波器顯示右聲道(紅色)波型有缺陷,左聲道(綠色)完整,如圖22)兩聲道波型都有缺陷,代表訊號強度已經超出唱頭本身的循軌能力。但右聲道相對較嚴重,如圖33)通常這會在測試訊號強度不夠高的時候發生:兩聲道都沒有明顯缺陷,但右聲道的THD值較高,而且頻譜分析顯示右聲道高頻失真較多,如圖4。但這時最好以高強度的訊號,再測試確認。

·       反之,抗滑過度的指標,就是將上述的左右聲道行為對調。

·       抗滑正確的指標為:在播放高強度(+16dB90 micron以上)的訊號時,1)兩聲道波型都完整,且THD數值接近,如圖52)兩聲道波型都有缺陷,代表訊號強度已經超出唱頭本身的循軌能力。但若缺陷形狀接近對稱,且THD數值接近(這個測試的唱頭,先天上右聲道THD稍高)如圖6,則代表抗滑設定適中。

·       如果不用儀器測量,則以聽覺來判斷兩聲道失真大小是否接近。測試訊號本身聽起來是「嗚」的聲音,而失真是「滋」的較高頻率。重點在於調整抗滑,使兩聲道的失真聽起來響度接近一致。需注意:訊號強度要達到或超過唱頭循軌能力的極限,可聽見的失真才會出現,也才有足夠鑑別度。

·       測試訊號必須達到足夠強度,才能讓針尖針桿有足夠的振動幅度,顯現出阻尼受力狀況是否平均。例如HiFi News測試唱片,至少要用到+16dB強度,最好能用到+18dB。如果是Ortofon或ClearAudio測試片,則至少要用到90 micron強度,最好可以用到100 micron

·       測試時要涵蓋外,中及內圈位置。雖然抗滑的需求,不因訊號強度或內外圈而改變,但許多唱臂的抗滑作用力的強弱,卻會隨內外圈位置而明顯變化。若在內與外圈得出不同的最佳抗滑設定,建議以內圈優先。這是因為黑膠唱片的內圈,同樣的訊號量,比起外圈要刻入縮短一半左右的距離內,先天條件較差。所以任何循軌失真都更容易顯現出來, 讓耳朵察覺。


圖1


圖2


圖3


圖4


圖5


圖6





 

抗滑與側向力基礎概念之8:真正會影響抗滑需求之變因

 以下幾個重要因素,會影響到抗滑力需求:

        針壓:直接影響針尖與溝槽相互運動時,產生的摩擦力大小。同一個唱頭,針壓較高,形成的摩擦力大。針壓較低,摩擦力小。

        針尖的形狀:針尖摩擦溝槽壁產生的摩擦力大小,因針尖的形狀而不同。例如在同樣針壓值,同等其它條件下,圓錐針尖產生的摩擦力會比橢圓及線型接觸針要小。  

        唱頭阻尼效應軟或硬:軟的話會吸收較多外力,彈性空間較大。即使唱頭受到某些程度的側向力持續作用,針桿針尖的活動也比較不會受阻撓。因此,多數阻尼軟的唱頭,所需抗滑力要比硬者要來得低。但要注意,有些唱頭的橫向阻尼係數與縱向明顯不同,這些特例,將來會更深入討論。

        唱臂加唱頭的質量及抗滑機構運作方式等:例如輕臂與重臂,移動時的慣性質量不同,對唱頭阻尼施加的壓力也會不同。

因此,抗滑力的大小不能單純地根據針壓來設定,必須兼顧到不同唱臂及唱頭的特性,不能籠統地只依照針壓數值,來判定所需抗滑作用力的大小。有些唱臂所提供的抗滑刻度,也僅能作為大致參考而已。

抗滑與側向力基礎概念之7:唱片內外圈並不影響抗滑需求

注意:以下實驗的先決條件是,唱臂的抗滑機構調好之後,施力必須接近恆定,不能隨唱臂移動至內/外圈明顯變化。這裡採用的是Technics SL-1200G唱盤所附的唱臂,經多次測試,抗滑設定於固定數值,產生的作用力穩定,不隨唱臂角度改變。有不少唱臂,在唱臂移動到唱片表面不同位置時,抗滑施力大小的改變很大。這些情況,會在以後另外討論。

播放唱片內與外圈,所需抗滑大小,是否有差異?從循軌角度誤差來看,如果裝唱頭時,超距/角度正確,其實整面唱片播放下來,偏離正切的誤差角度最多只有1點多度,不可能造成抗滑需求的不同。另一方面,從針尖與溝槽的相對運動速率來看,外圈時速率較高,接近內圈時的二倍。那這樣是否會產生比較大的摩擦力,因而使得播放外圈時,抗滑需求較大?

 我們要記得,針尖與溝槽的摩擦,是「動」摩擦力。在中學物理課,就曾提到,在推動一個物體時,一開始不動的狀態,這時的「靜」摩擦力等於所施加的外力。而當物體開始移動,瞬間摩擦力會降低,開始成為「動」摩擦力。而在開始移動後,在相當大的速率範圍,摩擦力的大小幾乎是恆定的。以黑膠與針尖來說,兩者的相對運動速率,從外到內圈雖然減低了一半左右,但速率的絕對值還是相當低,因此所產生的摩擦力,可說是恆定的。

 已經先將抗滑調到在最強訊號時,Orsonic指針也在接近中央的位置。然後播放HiFi News測試唱片B面,外中與內圈三軌強度相同的訊號,指針位置幾乎沒有改變,如圖1,2與3。用播放訊號測試,也得到相同的結果。顯示不管播放至唱片表面的什麼位置,抗滑的需求並沒有改變。


圖1


圖2


圖3