基本概念：黑膠播放發聲原理及唱頭基本構造

 黑膠唱片上的訊號在溝槽的兩側，要經過讀取，等化，放大的過程，最後才由喇叭/耳機發聲。讀取的方式，主要是由唱頭的針尖與溝槽接觸，藉由唱盤轉盤的轉動，使兩者產生相對運動而使針尖振動。極少數例外的情況是用雷射光束，與溝槽無實質接觸。

黑膠唱頭針尖之運動，目的在於遵循溝槽的起伏，來重現當初刻片刀的軌跡。兩者軌跡越接近，失真就越小，傳真度越高。這是反向回溯刻片過程之能量轉換過程，將機械動能轉為電能訊號，再傳遞至下游的唱頭放大器，前後級擴大機等。

機械動能的來源是唱盤，它提供唱頭發電的能量。因為唱頭是被動元件，在唱盤不轉動的靜止狀態時，由於沒有外來能量來源，本身無法發出訊號。唱盤之轉動，提供恆定之能量，使針尖遵循溝槽訊號振動，帶動針桿及發電機構。以能量供應模式來看，唱盤角色類似於後級擴大機。它要提供穩定能量，再讓訊號加諸其上（modulate），傳送至下游器材。因此能量之純淨度，會直接影響訊號品質。首先轉盤的轉速要準確，播放出的訊號頻率才能與原始刻片時相同。而且轉速要穩定，顫抖率（flutter）與飄移率（wow)都要越低越好。唱盤的避震，除震也甚為重要，否則外來震動雜訊會傳遞至播放中的唱片表面，被唱頭唱針拾取而進入訊號中，再傳遞至下游器材。另外還要考慮的是，基於能量不滅定律，唱頭與溝槽接觸摩擦的發電過程，會造成能量損耗，唱盤的轉盤必須補充並維持能量，才能保持轉速平穩。這也是不同驅動方式與扭力高低的唱盤，會造成音質不同的原因之一。而唱盤各種驅動方式各有其先天的優點缺點，以後會再作分析。

唱頭發電，將動能能量轉換為電能的方式，主要有以下幾種。第一大類為傳統電磁方式，運用法拉第定律，線圈與磁鐵相互運動，切割磁力線發電，發電量與針尖移動速率成正比。相互運動的方式又可概略分為：

·       動圈（MC：Moving Coil）：線圈（內部可能還包著鐵芯來加強磁力）固定於針桿後端，播放時兩者連帶一起運動，切割過磁鐵的南北磁極之間形成的磁力線，線圈就會感應出電流。線圈質量必須要很輕，才不會妨礙針桿動，因此線圈繞線數少，故而MC唱頭的輸出一般都相當低。

·       動磁（MM：Moving Magnet）：針桿後端有磁鐵附著，磁鐵與針桿運動時，周遭有幾個線圈會感應出電流。

·       動鐵（MI：Moving Iron）：與MM類似，只是針桿後端附著的是本身不帶磁的鐵質，去感應附近的磁鐵而產生磁力作用。

第二大類為較不常見的非電磁方式：

·       光電（Optical）：以發光LED照射類似太陽能發電的感光元件，針桿運動時藉由固定在針桿上的遮光板，改變投射在感光元件上的光量，進而產生高低不同的發電量產生電能訊號。與一般電磁發電的主要不同處，在於發電量與針尖位移成正比，而非移動速率。因此在放大與等化訊號時，要以不同方式處理。

·       壓電（Piezoelectric），陶瓷（Ceramic）等不常見方式，限於篇幅在此不討論，有興趣瞭解者可以上網搜尋資料。

另外還有像是日本ELP廠以純光學雷射讀取，與唱片溝槽無針尖接觸。由於使用者更稀少，在此也不作討論。

下圖是一個MC唱頭，除了一般容易看見的針尖針桿之外，唱頭內部構造的主要組成部分。磁鐵（magnet）的前後有磁極（poles）將磁力延伸至線圈的前後方，於兩個磁極之間形成磁場，線圈（coil）運動時會切割磁力線而在線圈內發電。阻尼（damper）之功能，在於抑制多餘震動，並且形成槓桿支點，支撐針桿及線圈之運動。阻尼的彈性及軟硬性質，對唱頭運作及其音質有直接且深遠影響，例如循軌能力，播放針壓，順服度，低頻共振頻率，高頻共振頻率，等等。阻尼的材質，多數以橡膠為主要成分，混入其它材質以調節彈性，制動性與剛性軟硬程度等。各唱頭廠牌所用的阻尼都有其獨特的配方，也會形成該廠唱頭的音質個性。

另外在唱頭內部針桿最後端，從圖裡看不見的一個重要組件是懸吊（suspension）。多數是一細小的鋼絲，其主要之功能在於固定/保持針桿角度，並維持線圈與阻尼的相對位置與壓力，且對唱頭音質有微調的效果。有時看到一些唱頭的針桿歪斜或角度太陡/太低，主要就是懸吊鋼絲的張力太緊或太鬆，所導致的後果。

唱頭的各個零組件，製造過程都會有誤差。而將零組件組裝，多數還是由手工達成，使得產生誤差的可能性更多：

·       針尖研磨誤差：目前世界上各廠牌的唱頭針尖，都由少數幾家OEM廠供應。針尖幾乎是鑽石材質，較低價的由鑽石粉末製成，較高價者由整個鑽石去切削，最後都再研磨成各種形狀的針尖。而加工研磨時，必然會有某種程度的誤差，且每個樣本的誤差程度會有些許不同。

·       針尖安裝角度誤差：OEM會根據唱頭廠的要求，將所指定的針尖種類裝在指定的針桿材質。針桿的材質選擇很廣泛，包括有鋁，硼，碳纖維，鑽石等。針尖安裝在針桿上，也會有一些誤差。有三個可能旋轉軸向，分別會影響到azimuth  ，VTA/SRA，與 zenith角度。這些會在後續講到唱頭設定的各種參數時，再進一步討論

·       針桿安裝角度誤差：唱頭製造廠將OEM提供的針尖/針桿組合，安裝至唱頭的發電機構時，多數還是由人工在顯微鏡下操作完成，因此產生誤差的機率相當高。誤差也是有三個可能旋轉軸向，影響到上述的三個角度，爾後會詳細討論。

·       發電機構：各組件包括線圈繞製，磁鐵的製作/安裝角度，以及各組件的相對位置等，都會有誤差。

·       唱頭外殼：頂部安裝面的平整度，安裝螺絲孔位置等，也會有誤差。

因此，在安裝唱頭時必須藉各種工具觀察/測量，在得知有誤差時採取補償措施，之後會有深入的討論。

唱頭還需要安裝於唱臂，才能運作。唱臂所扮演的的角色，是提供讓唱頭得以穩定運作之平台。要注意的一個要點是，唱頭在唱片表面由外至內的移動，其動力來源與刻片頭不同。刻片頭往內的移動是由刻片機所控制，讓溝槽成為逐漸往內的螺旋。而唱頭受溝槽牽引，是被動的受牽引而逐漸往內。這就對唱臂形成了兩種互相矛盾之需求，一方面唱頭針尖/針桿及發電機構在動作時，唱臂必須穩定，避免隨之運動而失去溝槽的訊號內容。另一方面，唱片溝槽帶動唱臂往內漸漸移動的過程，會因中心孔偏移內外擺動，或者唱片表面不平而上下移動，這時又必須靈活對應。因此唱臂的質量不能太小，也不能太大。

唱臂與唱頭搭配，要考慮的因素之一就是兩者加起來的質量與唱頭的順服度（compliance）。一般而言，唱頭順服度低，阻尼硬者，多數需搭配較高質量的唱臂。從直觀角度來看，唱頭阻尼硬的話，唱臂如果太輕，就容易被針桿的運動所帶動。而唱頭順服度高，阻尼軟者，多數需搭配質量較低的臂，唱頭要左右或上下隨唱片溝槽移動時才不會被重質量的臂「拖住」。

從物理/機械學理來看，唱頭與唱臂合起來是一個彈簧/重錘/阻尼系統，本身會有一個自然共振頻率，或稱低頻共振點。這個共振點的頻率高低，主要是由兩者合起來的質量與唱頭本身順服度所決定。這個頻率要控制於8至12Hz之間，以10Hz最理想。共振點太低，例如將阻尼軟的唱頭裝在質量高的唱臂時，就會接近唱片不平或偏心的頻率，可能引發共振而抖動甚至跳針。而且一般而言，還會造成一些高頻音質方面的問題。而將阻尼硬的唱頭裝在輕質量的唱臂，則共振點會太高，接近音樂裡的極低頻訊號，而形成的共振會使低頻顯得肥大渾濁。因此將唱頭安裝於一支唱臂上之前，要先作這方面的考量。至於如何去計算或測量一個唱頭唱臂組合的低頻共振頻率，之後會有詳細的說明。

基本概念：黑膠唱片如何產生

 黑膠唱片上的訊號內容，可能來自於類比盤式母帶播放提供給刻片機，也可來自數位音源或檔案等由播放器轉成類比訊號給刻片機。少數的直刻片（direct-to-disc）則不經中間媒體，在麥克風收音混音後直接進入刻片程序。

刻片機上安裝的刻片頭，如圖1（感謝白金錄音室葉垂青先生提供照片）裡是一個倒置的樣本，是負責刻片的關鍵部分。它的運作是一個能量轉換的過程，運用法拉第定律，將訊號電能藉電磁作用轉為機械動能，大多數在漆盤（lacquer master或稱蠟盤）或較少數場合直接在金屬盤（direct metal master簡稱DMM）上刻入溝槽（grooves），而且溝槽裡會加上擬似（analog to）原始訊號的波型───這是黑膠被稱為「類比」媒體的主要原因。刻片機由刻片師操作，決定溝槽深淺及間隔。所刻出的溝槽經過各種加工程序成為金屬壓模（metal stamper），最後在加熱軟化的膠質原料上壓製形成黑膠唱片。所得到唱片成品的溝槽，會與刻片時的溝槽非常近似。由於種種的考量，訊號進入刻片程序之前，大多會先經過等化的程序，例如RIAA等化，以後會有較詳細的討論。

黑膠唱片上，剖面為90度V形的溝槽，V字兩側可以帶有相同或者不同的訊號。兩側訊號一樣的話是單聲（mono），不同的話就是立體聲（stereo）。立體聲溝槽的內側（靠唱片中心）是左聲道訊號，外側是右聲道。圖2是從上方以顯微鏡觀察左聲道正弦波（sine wave）訊號的溝槽，兩條藍色斜線之間是一道溝槽。可以看到，內側的溝槽是正弦波的波浪狀起伏，外側則是平直的。圖3是右聲道的正弦波訊號溝槽，外側有正弦波的起伏，內側平直。

圖4裡是唱頭在播放這兩種溝槽時，針尖會運動的方式。播放只有左聲道有訊號的溝槽時，針尖會以藍色箭頭的軌跡方向來回運動。只有右聲道有訊號時，以紅色箭頭來回運動。這些與原來刻片頭的刻片刀，在刻入訊號時的運動軌跡一致。

圖5是以顯微鏡觀察mono正弦波的溝槽，內外側正弦波的起伏週期是一起的，紫色斜線之間是一道溝槽。圖6是唱頭在播放這兩種溝槽時，針尖運動的軌跡，顯示只有橫向的內外運動，沒有垂直向的上下動作。圖7與8同樣是mono正弦波的溝槽，但訊號強度逐漸增加。播放時，唱頭針尖內外擺動的幅度也會加大。播放立體聲（stereo）訊號的溝槽時，針尖則會合併橫向與垂直向的動作，運動軌跡會變得複雜許多。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

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20u（1 u 是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/與\，或者\與/的樣子。以後在講VTA與SRA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MR（micro 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

基本概念：黑膠唱頭之針尖與針桿的各種角度參數

 在三度空間裡，必須有X，Y與Z軸三方向的座標來標定物體位置。空間裡任何兩條直線之間的相對關係，在三個方向都要分別去標示，才能正確顯示兩直線在空間裡的角度特性。唱頭的針尖與針桿角度也不例外，相對於任何一基準線或面，各自都有三個角度數值要列入考量。在一個唱頭（少數無針桿者除外）上，針桿相對於唱頭身/外殼的基準線，從上方（或底部），正面及側面觀察會有三個角度數值。針桿相對於唱片表面，也有三個角度值。而針尖相對於針桿，或相對於唱片表面，也各有三個角度。瞭解這些角度的定義與影響，對調整唱頭唱臂的參數，會有比較清晰的概念。

廠方製作唱頭時，大多數由手工安裝組合各個零件。在MC動圈式唱頭的場合，像是圖1的例子，發電線圈（coil）會安裝於針桿中後段位置，之後有類似橡皮的彈性阻尼（damper），然後阻尼會靠在後方磁極（pole piece）上。針桿後段會穿過後方磁極上的小孔，最末端由懸吊鋼絲（少數為其它材質）拉住，固定在唱頭內部後側的小螺絲。這樣組裝好之後，藉由調整懸吊鋼絲及阻尼，會決定針桿的初始角度。由於懸吊與阻尼都是有彈性的，在播放唱片時，針桿角度會因受力而有些許改變。唱頭所處環境的溫度濕度等條件改變時，阻尼的軟硬程度與懸吊的張力都會發生變化，也會對針桿角度有所影響。由於MC唱頭針桿上有線圈，線圈又有4條輸出導線附著，加上針桿後端懸吊鋼絲拉住，更換針尖針桿時需將整個唱頭拆解，才能處理。近年來重新出現的光電唱頭，線圈部分由遮光罩取代，磁鐵磁極由發光二極體與感光元件取代，其它機械部分與MC唱頭大致類似。至於MM/MI唱頭，如果針尖/針桿是使用者可自己拆卸安裝的，阻尼是跟著針桿一起位於可拆下的部分，針桿末端就沒有鋼絲。有些MM/MI唱頭，則不能讓用家自行拆卸針尖針桿，可能在針桿末端有用了鋼絲做懸吊。

而唱頭製作時，絕大多數的情況，針尖與針桿的部分都是由從事寶石加工的OEM廠商所供應。唱頭廠方會要求用何種鑽石材質，例如比較低價的可能是由鑽石粉加工成形，中價位的可能是針尖最前端是鑽石原石，然後黏著在後段的其它材質上。比較高價的則是整個針尖是由鑽石裸鑽（nude diamond）所構成。播放時針尖與溝槽接觸的部分是兩個截面，截面大小與形狀會因針尖的形狀，以及唱頭調整角度而有所不同，在後面會有比較詳細的討論。

黑膠播放所使用的器材裡，唱頭的零件數或許最少，但些許製造或組裝誤差，都會造成相當大的影響，故而需要各種工具及精細的眼手協調技能來達成。即使人員處於最佳狀態完全沒有出錯，在顯微鏡下的作業，也很難將每個成品維持在恆定的水準。因此即使是同一廠牌同一型號的唱頭，不同的樣本之間，也一定會存在某種程度的差異。而誤差的來源，主要有1）針尖本身加工研磨時的誤差，2）針尖安裝於針桿的誤差，3）針桿安裝於唱頭的誤差，4）唱頭內部組件如線圈，磁鐵，阻尼等等的性質與安裝角度之誤差。其中1）與2）是OEM提供給唱頭廠家時就會存在，尤其2）的誤差範圍在各個方向可能到正負2度到甚至5度都有。唱頭廠家收到後，遇到針尖歪斜的情況，如果沒超過合約上規定的範圍，是無法退貨回給OEM的。這時唱頭廠家的處理方式，有些會將之淘汰不用，但這樣會增加許多成本。有些會想法自己將針尖角度修正，但技術上並不容易。有些則硬著頭皮還是將之組裝成唱頭出售，認為反正一般消費者也看/聽不出來。3）的狀況，除了唱頭組裝時的人為誤差之外，還有可能是在出廠時是正的，但放置一段時間後，由於溫度濕度等因素，使得阻尼/懸吊等產生變異，而使針桿變歪。至於4）的誤差，不容易以視覺判定，要靠播放測試訊號，用儀器測量數據來間接觀察。

消費者在收到新唱頭時，最好以顯微鏡觀察唱頭，對上述1），2）與3）的誤差，可以得到大致的概念，在後續的調整過程，可以作為參考指引。例如相當常見的，唱頭正面針尖角度誤差，如圖2中明顯的可以看出針尖有逆時針方向的偏差，會對azimuth/HTA的調整造成相當的影響。這時觀察到偏斜的方向及角度，就可以作為調整時的方向與角度多寡的依據，比較不用花太多時間尋找最佳點。

側面的角度誤差會影響到VTA/SRA，如果在這時能如圖3先測量針尖與溝槽接觸處及針桿之間夾角，裝到唱臂上之後，就可以從觀察針桿與唱片平面的角度，推算出SRA的角度是多少。在這個例子，線/桿夾角是114度，那針桿就要與唱片平面成24度，SRA才是90度。

至於底部的zenith（有人稱之為天頂角），一般來說偏離的情況算比較少些。但如圖4，5裡，定價7千美金以上的唱頭，就明顯的有歪斜的狀況。用唱頭的針桿來對準尺規，而不用唱頭外殼為準，是許多「專家」會堅持的。但在這兩個情況要思考的是，如果用針桿來對準調整，顯然不會得到最佳設定。而在這兩個唱頭，製作者似乎知道有這個誤差的情況，而將針桿安裝偏一點角度來補償，而非平行於唱頭外殼。所以如果看到一個新唱頭的針桿不太正，或許是有其背後道理的。因此在唱頭安裝前，有了這樣的認知，在用尺規調整時，才能決定怎樣處理比較好。