Saturday, March 4, 2023

何謂唱臂側向平衡及其影響



唱臂的縱向平衡(longitudinal balance)就是一般看到的,用唱臂軸心後方重錘來平衡軸心前方,包括唱頭在內的負載,來得到合適的針壓。而側向平衡(lateral balance)所指的,是從正前方觀察唱臂,在其軸心點的內外側,整體的受力是否相等。一般支點臂,由於唱頭安裝處有補償角的存在,因此唱頭質量形成的負載,很有可能在唱臂軸心兩側會不一致。唱臂軸心的內外側,受力不平均,會造成什麼後果?概括來說,受力不均,必然會造成軸承轉動時,在不同角度位置,受到的阻力大小不平均。至於所造成的實際影響,這就要看是哪一種軸承設計,要各自分開來討論。

一般傳統滾珠軸承,在動作方向的平面轉動時,內部的滾珠會隨著滾動。滾珠與它們滾動接觸表面的面積很小,換算成壓力就很大,所以兩者的材料都要有相當硬度,才不會產生變形凹陷,並且使轉動時的阻力減至最低。當軸承受到外力負載時,滾珠與接觸面在規格內的承載下,用肉眼觀察是不會有變形出現。但是如果用微觀角度去看,還是會有極微小的形狀變異。這也是負載越大,軸承運作時遭遇的阻力會越大的原因。如果軸承所受到的負載不平均,就會造成朝其中一個方向轉動時的阻力較大,反方向較小。當唱臂在上下擺動時,會傾向於朝摩擦力大的那個方向轉動偏移過去。唱臂的設計製作,一般來說主體本身的質量分佈都是平均的,所以軸承負載應該也是均勻。只有在安裝唱頭之後,才可能會產生負載不均。在近年來為主流的J型唱臂的場合,如果唱頭安裝的位置不會偏離臂管中心線很多,即使裝了質量大的唱頭,中心線兩側的負載還是會接近平衡。圖1Linn Akito唱臂,它的唱頭安裝處,中央差不多對準了唱臂軸心,理論上唱頭的輕重不會影響側向平衡。如果J字的補償角彎曲部分,完全落在中心線的內側,就會造成軸承內側的負載較高,應該要在中心線外側加上適當質量來平衡。而除了日本出產之外較少見的S型唱臂,軸心後方掛重錘處,是偏向反向外側的角度。如果前方安裝的唱頭質量大,為了取得縱向平衡得到適當針壓,後方重錘一定也會往後調整,連帶也往S字尾端的外側移出去,因此理論上側向平衡可以維持不變。圖2Technics SL-1200GS型唱臂,沒有提供側向平衡的調整機能。圖3FR64也是屬於S型,但有側向平衡的調整裝置。

單點軸承的唱臂,如果沒有另外的穩定裝置,側向平衡會直接反應在唱頭的azimuth/HTA角度。如果有一側的負載受力較多,就會像是天秤一樣,朝該側傾斜。如圖4Immedia RPM唱臂,用重錘兩側的平衡錘,左右移動來調整到所要的azimuth/HTA角度。由於單點軸承的尖端通常都很小,除非整支唱臂調整到很歪的地步,軸承內外側受力的差別不會很大。但另外要考慮到的是,沒有其它穩定裝置的單點臂抗滑機構,作用時也會影響到側向平衡及azimuth/HTA角度。在絕大多數的單點軸承唱臂,抗滑力的施力點都與軸承之間會形成縱向的力臂,施加抗滑力時就必然造成唱頭/唱臂(從正面觀察)順時針或逆時針的旋轉,改變azimuth/HTA角度。因此許多單點臂在設計時會將質心/重心盡量壓低,來減少這種效應的產生。但是由於唱片的中心孔位置都或多或少有偏差,播放時還是會形成來回搖擺的情況。

加上輔助穩定的單點軸承臂,一般稱為「類單點」。由於有加了穩定裝置,唱臂在運作時,azimuth/HTA角度比較不會受到影響。但是如果沒有達到側向平衡,雖然唱臂看起來不至於歪斜,卻會使這穩定裝置受到不平均的負載作用力。而當唱臂在播放唱片,順著溝槽帶動到不同迴旋角度時,穩定裝置受力不一致所造成的問題就會出現。Graham Phantom屬於此類,在這有比較詳細的討論:https://bingrungtsai.blogspot.com/2022/03/graham-phantom.html

刀式軸承的場合,一般唱臂設計都是用它作為垂直方向上下擺動的軸心,橫向轉動還是用傳統滾珠軸承,SME30XX系列與日本SAEC的唱臂算是典型的代表。刀式軸承的兩個刀鋒分別在唱臂軸心點內外兩側,跨在V型軸承架(如SME)或另一刀鋒(SAEC)上。如前面所提到,這些唱臂因為唱頭蓋所在處的補償角而形成是J型臂,兩側的刀式軸承與下方的滾珠軸承,先天上所受負載都會有些不均勻。而且刀鋒接觸面很窄小,任何負載的差異都會被放大成為很大的壓力/摩擦力差異。因此這類型唱臂,幾乎都有側向平衡的調整機制。圖5SME 3010R,顯示它的側向平衡調整機構,除了內外側移動之外,還可將上面重錘前後移動來調整針壓。

直線正切臂的場合,由於唱頭安裝處沒有補償角,不會因為來自唱頭質量而引發側向負載不平均的問題。但由於軸承橫方向的寬度較大,因而容易發生兩端負載不一致的情形。而且橫向移動時的慣性質量,會比一般支點臂要大很多。因此若沒達到側向平衡,負面的影響會更嚴重。如果是氣浮臂,在氣浮軸承的兩端,任何微小的負載不均,都會使唱臂朝一個方向移動,對唱頭施加側向壓力,這與唱臂未完全水平的效應是一樣的。至於滾輪式的正切臂(例如Clearaudio出品的),幾個滑輪所受的負載若不平均,也會形成與軌道摩擦力不一致的情形而影響到運作。至於來自輸出導線與氣浮供氣管的影響,主要是在側向力方面,與軸承負載的關連性不大,之前在側向力與抗滑一系列文裡已經討論過,不再重複。

支點正切臂(例如Thales出的)的機械結構相當複雜,唱臂上有多個不同作用的軸承。側向平衡與否,所造成的影響很難分析。一般來說,建議不要裝質量太重的唱頭,而且最好是原廠有測試過,動作起來確認沒問題的品牌型號。這樣即使側向平衡無法調整,也不會有太嚴重的後果。

直線支點臂(例如Viv Lab的),由於唱頭安裝處沒有補償角,也不像直線正切臂軸承橫向的寬度大,因此只要唱盤的水平夠精準,側向平衡的問題比較不用考慮。