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DS Audio Master One以科學思維來看光學唱頭

劉漢盛 發表於 2017-10-25 11:13:44 | 顯示全部樓層 |閱讀數: 1077|評論數: 0| |閱讀模式
到底光學唱頭Optical Cartridge是什麼?DS Audio這家公司怎麼會推 出光學唱頭呢?他們推 出的Master One旗艦唱頭與DS-002光學唱頭在最近二年成為黑膠迷的焦點。也因為DS Audio光學唱頭的出現,讓我們可以用科學的態度來面對傳統MM、MC唱頭的先天弱點,而這些先天弱點是以前幾乎沒有人提及的。

DS Audio Master One以科學思維來看光學唱頭

DS Audio Master One以科學思維來看光學唱頭


光學唱頭不是新玩意,早在40年前日本Toshiba與Trio都有做,但很快就消失了。為什麼?因為以前的技術與元件都還未到位,所以無法做出勝過一般傳統電磁唱頭的光學唱頭。但是,現在不一樣的,各種條件都齊備了,剩下的就是黑膠迷到底能不能以科學的態度還看待光學唱頭。

光學唱頭外觀與傳統唱頭一樣,有針桿,有針尖。既然有針桿、針尖,怎麼會稱光學唱頭呢?說到光學唱頭,它並不是什麼新玩意,而是40年前日本就已經推出過的產品,只不過很快就在市場上消失了。當年Toshiba推出 C100P光學唱頭(1969年),Trio(Kenwood)也推出KE9021光學唱頭。為何在四十年前,日本音響界就發展出光學唱頭,準備取代傳統電磁(磁鐵、線圈組成,以磁場感應產生電壓,MM、MI、MC唱頭都是此類)唱頭呢?因為當時的日本音響工程師已經發現電磁型唱頭的先天問題。或許您會奇怪,電磁型唱頭一路發展,到了1970年代也已經有二、三十年了,會有什麼問題,難道工程師不解決嗎?工程師當然知道電磁型唱頭的缺點,但卻無法解決,因為這是電磁型唱頭的先天問題,如果要解決,那就不能採用電磁型,這也是為何日本工程師當年要發展光電型唱頭的原因。

DS Audio Master One以科學思維來看光學唱頭

DS Audio Master One以科學思維來看光學唱頭


話說回頭,到底電磁型型唱頭有什麼先天的缺陷呢?第一、電磁型唱頭的電壓輸出是隨著頻率(振動速度)而升高降低的,換句話說,頻率越高(振動越快),電壓輸出越大;頻率越低(振動越慢),電壓輸出越小。問題是,頻率越高時,音樂並不一定是越強的啊?想像一下,小提琴拉高把位的弱奏時,雖然頻域很高,但是音量是很微弱的,但此時電磁唱頭卻因為頻率越高電壓輸出也越大這種先天特性,而把音樂的弱音變大聲了。反之,當頻率越低時,電磁唱頭的電壓輸出變得越小,而此時真正音樂中的管弦樂低頻卻是澎湃強烈的。如此一來,我們所聽到的音樂強弱都被扭曲了。這一大一小扭曲的幅度可以大到100倍(40dB)。

DS Audio Master One以科學思維來看光學唱頭

DS Audio Master One以科學思維來看光學唱頭


音響工程師當然知道這個問題,所以在設計唱頭放大線路時,除了必須把刻片時的RIAA等化還原補償之外,還必須先把電磁唱頭的這種扭曲特性等化回來。或許您要問:等化能夠100%精確還原嗎?當然不能!只能盡量做到最接近而已。
針對這個問題,光學唱頭的反應又如何呢?光學唱頭的電壓輸出高低並非以振動速度來決定,而是以振動的幅度來決定的,振幅越小,電壓輸出越小,振幅越大,電壓輸出越大,這種特性跟刻在黑膠唱片上的溝槽是一致的。黑膠唱片上的溝槽如果振幅很小,音樂的強度是微弱的;如果溝槽的振幅很大,音樂的強度就是很強的。即便如此,光學唱頭在電壓的最大最小強弱上還是免不了有扭曲的成分,不過比起電磁型唱頭低多了,大概只有4倍左右(12.5dB)。要補償4倍的等化比起補償100倍的等化要容易多了,也精確多了。

電磁型唱頭的第二個問題是無法再生很低的頻域。多低?大約50Hz左右就開始每八度衰減6dB。為什麼會這樣?前面說過,電磁型唱頭的電壓輸出會因為振動的速度而改變,當頻率越低時,代表唱針的振動越慢,此時原本音樂該有的音量強度就會被扭曲降低,因此低頻會衰減得比較快。

DS Audio Master One以科學思維來看光學唱頭

DS Audio Master One以科學思維來看光學唱頭



而光學唱頭在這方面也有問題,雖然理論上光學唱頭可以下探到1Hz,但是因為唱頭與唱臂結合之後的共振頻率通常都控制在8-13Hz之間,換句話說,20Hz以下的頻域充滿了共振的可能,如果光學唱頭忠實的把這些共振再生出來,20Hz以下極低頻的共振可能會傷及擴大機或喇叭。所以,光學唱頭會刻意從35Hz開始,每八度衰減6dB,以避免遇上唱頭唱臂結合之後的共振頻率。既然光學唱頭在35Hz以下也開始等化,意謂著電磁唱頭與光學唱頭在低頻表現上的差異就在於35Hz與50Hz這之間的頻域,這段頻域裡光學唱頭的表現會比電磁唱頭來得傳真。

電磁唱頭的第三個問題是受到Lenz’sLaw楞次定律的制約。電磁唱頭能夠產生電流電壓,是因為磁鐵與線圈交互動作時磁力線的切割所致,也就是法拉第定律。而無論是線圈固定磁鐵振動(MM)或磁鐵固定線圈振動(MC),都會在磁場中產生一股阻力,這就是楞次定律。這股阻力會影響針尖循軌能力,讓電磁型唱頭無法100%精確循軌。而光學唱頭呢?由於光學唱頭基本上不是電磁結構,所以也就不會有這個問題。
基於上述那些電磁唱頭的先天缺點,所以早在1960年代,日本幾家大廠就開始著手研究光學唱頭,因為唯有完全去除磁鐵與線圈,才能避開電磁唱頭的先天問題。於是聰明的工程師們就想出用光學的方式來產生音樂訊號,這方面的產品以Toshiba為代表。到底光學唱頭是什麼複雜的結構呢?剛好相反,原理很簡單,結構也很簡單。光學唱頭一樣有鑽石針尖,一樣有針桿,但是沒有線圈與磁鐵,而是多了一個發光體、一個光電轉換器(Photodiode),還有一片鑲在針桿上的遮光板(稱為Shutter或Screen)。

請想像一下,您左手拿著手電筒,往牆上照射,在手電筒與牆之間,你的右手手掌快速的在手電筒前振動,此時牆上就會顯出快速的亮、暗變化,這就好像光電唱頭內的運作。而光電轉換器接收到這種亮、暗變化後,就會把光轉換為電壓輸出,這就是光學唱頭的基本原理。
實際光學唱頭的運作是這樣的:當針桿帶動遮光板振動時,在遮光板前面的發光體會因為針桿振動的速度(頻率)與振幅(音量大小)的不同,而在遮光板後面留下不同的亮與暗變化,而這些亮與暗的變化透過光電轉換器,就變成音樂訊號輸出。

問題來了,既然光學唱頭是這麼的理想,為何40年前就陣亡了呢?第一個問題是熱。要知道當年沒有LED,發光體只能用很小的白熱發光體,這個發光體本身會發熱,當光電唱頭唱了大約一個鐘頭後,累積在唱頭內的熱度逐漸升高,使得針桿的熱度高達攝氏80-90度。我們不要忘了,無論是MM唱頭、MC唱頭、MI唱頭或光電唱頭,只要有針桿,就一定會有一個固定針桿的橡皮,以及拉住針桿的鋼絲。固定針桿的橡皮受不了針桿傳來的高熱,很快就變質,劣化了針尖循軌能力,這是當年無法解決的問題。40年後,我們已經有LED,而LED的熱遠低於40年前所使用的光源。
40年前的光學唱頭還有一個問題,那就是需要強光,光線越強,所獲得的輸出電壓就越高。問題是,當時的光電轉換器對光的波長感知並非線性的,而是對某些波長比較敏感,某些則不敏感,這導致照射在光電轉換器上的光必須很強,否則光電轉換效率不高,造成訊噪比不佳的問題。在這方面,DS Audio反而不是問題了,因為他們以製造雷射檢驗器材起家,對雷射光的研究超越一般,因此研發出高效率的光電轉換器,解決了訊噪比的問題。您知道嗎?當年Toshiba的光學唱頭外觀做成圓弧形,那並不是為了美觀,而是為了散熱與聚光作用。

了解了光學唱頭與電磁唱頭的基本原理之後,我們可以來看看今天的DS Audio光學唱頭是怎麼做的?基本原理與40年前一樣,不同的是優化了。優化哪裡?第一是發光體改為LED,高熱的問題獲得解決。第二是連結在針桿上的遮光板改為更輕更薄更小,遮光板的厚度只有50um,也就是百萬分之50公尺,如此一來提升了唱針的循軌能力。第三是把LED光源擺在離遮光板與光電轉換器更近之處,這樣可以讓光電轉換器所接受到的亮、暗變化更精確,降低光影暈開所產生的不精確。還有,那就是改良拉住針桿的那根鋼絲與固定螺絲,讓針桿更為穩固,提升針桿循軌的精確度。至於針尖是柴田或Micro Ridge、針桿是鋁合金或藍寶石,那都是附加價值而已。

既然光學唱頭與電磁唱頭是二種不一樣的東西,光學唱頭能夠使用電磁唱頭的放大器嗎?不能!必須使用自家專用的唱頭放大器。前面說過,光學唱頭有LED,有光電轉換器,這二者都需要提供電源,否則無法工作,所以,光學唱頭放大器必須提供電源給光電唱頭。怎麼提供?利用一般電磁唱頭的二個地線端子,也就是藍端與綠端(紅端與白端是左右聲道訊號端子)。光學唱頭使用的唱臂與電磁唱頭相同,但利用藍端與綠端那二條線傳遞5V工作電壓給唱頭,這5V工作電壓就由光學唱頭放大器提供。

再來,前面說過光學唱頭是振幅型唱頭,不是速度型唱頭,所以等化方式也要與電磁唱頭不同,所以光學唱頭放大器內部的等化線路與電磁唱頭放大器不同,不能通用。至於RIAA等化線路,因為那是刻片時所賦予的,光學唱頭與電磁唱頭都必須還原,所以光學唱頭放大器內也有跟電磁唱頭放大器一樣的RIAA等化線路。

今天的DS Audio光學唱頭完全去除了電磁效應會產生的問題,也因為針桿上沒有磁鐵或線圈,大幅提升針桿循軌的靈活性,光是這二個大改善,就讓光學唱頭脫胎換骨,能夠唱出與電磁唱頭不一樣的聲音。或許,您應該懷疑,光學唱頭雖然沒有電磁效應引起的問題,針桿的循軌性也高於電磁唱頭,但是誰知道光學唱頭的光接受度精確到什麼程度?它的光電轉換沒有失真嗎?好問題,不過這也就是DS Audio要努力做好的部分。為何他們能夠做好?就因為他們是雷射光的專家啊!如果他們不是雷射光的專家,DS Audio也不會在40年後投入光學唱頭的研發。

您知道嗎?2016年,日本東京音響展時,DS Audio的攤位來了一位老先生,當他看到光學唱頭時,當場老淚縱橫,不能自己。DS Audio的年輕老闆Tetsuaki (Aki) Aoyagi(DSC創辦人的兒子,2017年30歲)趨前問他為何哭?老人回答,他就是40年前Toshiba光學唱頭的研發工程師,看到竟然有人還不死心在研發光學唱頭,完成他當年的夢想,不禁感動得哭了。

您想看,除了上述的那些與MM、MC唱頭不同處之外,光學唱頭因為針桿上沒有線圈、沒有磁鐵,所以負荷很輕,循軌能力遠高於MC唱頭,這又是光學唱頭的另一優點。時間已經進入21世紀,黑膠正在復興,有很多黑膠的調整、觀察工具、軟體也變得便宜、可行,現在該使我們以科學的態度來比較光學唱頭與一般電磁唱頭不同的時候了。DS Audio的光學唱頭貴嗎?如果以Master One旗艦來說,唱頭連放大器是相當貴的,要價台幣八十幾萬。但是,如果是DS-002,唱頭連放大器不到20萬台幣。您可以想想,光是買一個夠水準的唱頭放大器就要多少錢?所以20萬台幣整套真的是佛心價。或許您要問,Master One與DS-002會差很多嗎?光學唱頭的原理就是那一套,想要把它故意做差是不可能的,不過在豪華程度上一定會有差。假若您習慣以科學的態度來玩音響,可以跟台灣先鋒聯絡,他們很樂意提供各項資料給您。
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