Thursday, March 23, 2023

氣浮正切臂的先天優/缺點考量及性能最佳化原則之2:慣性質量

 在與朋友在討論唱臂的設計時,不時會有人說,那將正切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側向力度是相當可觀的。

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。

一般支點臂,重錘位於槓桿之後,因此在橫向移動時,整個移動部分的質心,距離軸心支點不遠,所需的力並不大───像是 Graham Phantom唱臂的設計,質心就非常接近支點。而直線正切臂(包括氣浮與滑輪式在內)的先天問題,在於整個槓桿的支點,等於在無限遠之處,而所有移動部分包括重錘等,都在支點之前,所以橫向移動時的慣性質量,會比多數的支點臂高出甚多。在唱針要帶動整個唱臂往內或外移動時,負擔會比較重,且在反應上也會略慢一些。因此,多數直線正切臂的設計者,會盡量用輕而短的臂管,來減少這種負面效應。但是,輕的臂管,與懸吊硬的唱頭,在搭配上就可能有些問題會產生。而短的臂管,也要面臨對唱片起伏不平特別敏感的問題。而前面也提到過,質量太輕的臂,又可能無法提供讓唱頭穩定發聲的依靠。

另外一個要考慮的情況是,如果將質量大的直線正切臂裝在軟式懸吊的唱盤,它的可動部分移動時,由於質量高,將會造成重心位置的變化。像Linn LP12唱盤,本身的彈簧懸吊很軟,直線正切臂在播放唱片外圈與內圈時,會使懸吊起來的轉盤與唱臂部分朝一個方向稍微傾斜,引發側向力的顯著變化。因此,質量大的直線正切臂並不適合安裝在這類唱盤。

與唱頭的搭配也需要一些特別考量。假如是用一般中等順服度的唱頭,由於直線正切臂的橫向質量大,橫向的低頻共振點就會比理想的10 Hz低,會到7以下。如果是順服度再高一些的唱頭例如20單位,共振點甚至會到5Hz或更低。這樣造成的問題,是如果唱片有中心孔不正的情況,就可能發生震盪現象而會跳針。即使沒有跳針,這些緩慢的來回擺動在某些場合也可能會引起些許頻率飄移。所以從這角度來看,直線正切臂應該要搭配順服度低的唱頭,來提高整體低頻共振頻率而避開問題。但是唱頭順服度很低,又可能會造成縱向的共振點過高,對低頻訊號的再生不利。

如前面所說,由於橫向的慣性質量高,對唱頭針尖可能造成的壓力,會比平常的支點臂來得大很多。近年來我幫許多朋友檢查唱頭,發現到針尖兩側磨損不均勻的情況,大多數是使用直線正切臂。尤其是有些氣浮臂使用者,喜歡將氣壓調得比規格所需還低,認為可以得到較厚實的聲音表現。在某種程度上,這會把橫向慣性質量變得更高,的確有利於低頻的再生。不過當來自某些原因,例如水平歪斜或唱片中心孔不正等,而形成側向壓力時,唱頭針尖及阻尼等部位就受到非常大的壓迫,日久很可能形成唱頭損壞。