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全世界獨一無二的光學唱頭,DS Audio Master One/DS-002

tim 發表於 2017-12-31 15:39:02 |已閱:5788|評論:0| 顯示全部樓層 |閱讀模式
2016年,日本東京音響展時,DS Audio的攤位來了一位老先生,靜靜的坐在位置上聆聽DS Audio的光學唱頭時,聽了很久之後,在座位上開始啜泣,久久不能自己。DS Audio的年輕老闆Tetsuaki Aoyagi趨前問他怎麼了?老先生回答,他是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,當年無法完成的夢想藉著現代科技的進步,終於由DS Audio實現。

「光學」唱頭並不是新東西,Toshiba曾經在1969年推出C100P光學唱頭,Trio(Kenwood)也曾經推出KE9021光學唱頭,也就是說當時的日本音響工程師已經發現電磁型唱頭的先天缺陷。

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電磁唱頭的先天缺陷
電磁唱頭的第一天先天缺陷就是電壓輸出是隨著頻率(振動速度)高低而升高降低的,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?

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)。

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!只能盡量做到接近而已。

第二個先天缺陷是無法完整再生很低的頻域。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。

第三個先天缺陷是受到Lenz's Law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。

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DS Audio的光學唱頭外觀與一般唱頭無異,不過前端刻意設計能夠發光,凸顯它與一般電磁唱頭不同。

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DS Audio Master One的唱頭放大器。

光學唱頭的改良
針對第一個缺陷,光學唱頭的電壓輸出高低並非以振動速度來決定,而是以振動的幅度大小來決定的,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。

第二個缺陷光學唱頭也有,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。

第三個缺陷,則因為光學唱頭基本上不是電磁結構,所以完全不會有這個問題。

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Master One與DS-002光學唱頭的外殼都是採用Ultra Duralumin,這是一種硬鋁合金,強度比一般鋁合金還強,重量比一般鋁合金還輕。

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DS-002的唱頭放大器。

不是用雷射光讀取溝槽
DS Audio是Digital Stream Corporation(DSC)2014年成立的子公司,專門生產光學唱頭(Optical Cartridge)。DSC已經存在25年以上,他們專做檢測CD壓片品質的雷射檢測儀器,做檢測光碟的雷射頭,也做醫學雷射檢測儀器,我們目前慣用的無線滑鼠也是他們跟微軟合作的產品。他們也參與第一代USB介面研發,他們在這方面的市占率是95%,微軟頒給他們傑出工程成就獎,日本政府在2011年也頒給他們300家傑出製造業廠家。

2014年,DS Audio在美國RMAF音響展第一次展出,當時的型號是DS-W1(前端發出紅光,現在已經跟DS-001一樣停產),針桿採用Boron,針尖是柴田針尖。2016年時他們推出目前的旗艦Master One,2017年CES時推出DS-002。在現場,大家都對他家的光學唱頭很感興趣,很多人誤以為他家的光學唱頭是用雷射光來讀取黑膠唱片溝槽中的音樂訊號,但仔細一看,他家的唱頭是有針桿、有針尖的,就跟一般MM/MC唱頭一樣。

光學唱頭原理簡單
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明、暗變化,這就好像光學唱頭內的運作。而光電轉換器接收到這種明、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。

說得更清楚些,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明與暗變化,而這些明與暗的變化透過光電轉換器,就變成音樂訊號輸出。

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這是DS Audio光學唱頭內部的示意圖,由針尖針桿拾取音樂訊號,經由LED光線照射連接在針桿上的遮光板,使得後方的光電轉換器能夠依照明暗的變化產生電壓。

40年前無法解決問題
問題來了,既然光電唱頭是這麼的理想,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所發出的熱遠低於40年前所使用的光源。

40年前的光電唱頭還有一個問題,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。

LED光源與遮光板
DS Audio光電唱頭基本原理與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明、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)。光電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。

不同的唱頭放大器
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。

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,循軌能力遠高於MC唱頭。光是這二個大改善,就讓光電唱頭脫胎換骨,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?唱頭壽命能有多長?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,也不會在40年後投入光學唱頭的研發。

DS Audio的Master One與DS-002光學唱頭的外殼都是採用Ultra Duralumin,這是一種硬鋁合金,強度比一般鋁合金還強,重量比一般鋁合金還輕,所以一個唱頭的重量才8.1克,建議針壓才1.7克。Master One採用藍寶石針桿、Micro Ridge針尖,DS-002採用鋁合金針桿、柴田針尖,這應該就是二個唱頭最大的差異處。

更大的差異來自唱頭放大器,Master One的唱頭放大器重達24公斤,而DS-002的唱頭放大器才4.7公斤。為何重量差那麼多?Master One唱頭放大器有3組獨立電源,3個變壓器,總電容量高達120,000uF。這三組電源分別供應左、右聲道與唱頭。可說頂級中的頂級了。而DS-002其實也不弱,變壓器雖然只有一個,但卻用1.5mm厚的金屬板密封,隔絕干擾。而總電容量也有33,000uF。雖然沒有MasterOne那麼豪華,但跟一般唱頭放大器相比,也很夠分量了。

此外,Master One還有一處與DS-002不同,那就是擁有3種輸出,第一種輸出在30Hz以下每八度衰減6dB,第二種輸出在50Hz以下每八度衰減6dB,30Hz以下每八度衰減3dB。最後一種在50Hz以下每八度衰減6dB,30Hz以下每八度衰減6dB,25Hz以下每八度衰減12dB。到底要選擇哪種輸出?用家自己說了算。

分砌式放大線路
DS Audio的光學唱頭是連著唱頭放大器一起賣的,如果您打開他家的光學唱頭放大器,就會發現內部沒有用到OP Amp,全部都是分砌式線路,可見DS Audio的工程師認為分砌式線路在聲音表現上好過OP Amp。由於光學唱頭要靠手工、顯微鏡來組裝,還要經過精密的調整,所以每個工作人員一天只能生產二個唱頭,這也是他家光學唱頭無法便宜下來的主因之一。不過,如果以DS-002唱頭加上放大器一套不到二十萬台幣來說,其實已經很便宜了。

二部唱盤三個唱頭比較
劉總編這次在台北柏琦音響,這次現場有TechDAS Air ForceII與Air Force III唱盤,DS Audio的Master One與DS-002唱頭都是裝在Air Force III上,裝Master One的是Thales Simplicity II唱臂,裝DS-002的是Thales Easy唱臂。與之搭配的就是Master One唱頭放大器,以及DS-002唱頭放大器。
當天搭配的當然是DS Audio各自的唱頭放大器,前級則是FM Acoustics 268,後級則是柏琦自己研發的Lageto單聲道後級(每聲道900瓦,用了二套),JBL Everest DD67000(靈敏度96dB)。

我當天也帶了幾張自己的黑膠唱片去,包括Anne Bisson那張「Conversations」、Anne Bisson那張最新的直刻片「Four Seasons in Jazz, Live at Bernie's」、BIS那張「卡門打擊樂」復刻版、柴可夫斯基「第五號交響曲」(穆拉汶斯基1961年版)、「海飛茲、Piatigorsky Concerts」、追龍唱片的「Espana」、Vanessa Fernandez的「Use Me」等。

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當天搭配的當然是DS Audio各自的唱頭放大器,前級則是FM Acoustics 268,後級則是柏琦自己研發的Lageto單聲道後級(每聲道900瓦,用了二套),JBL Everest DD67000(靈敏度96dB)。

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劉總編當天在柏琦音響,DS Audio光學唱頭裝在TechDAS Air Force III唱盤上。

層次清晰
在一個陌生的環境中聽陌生的唱頭,這樣的聽感當然只能當作經驗,而非評論。我先聽了幾張柏琦音響自己常聽的黑膠,再用我自己帶去的幾張黑膠唱片聽過。先說DS Audio的光學唱頭跟一般MC唱頭的比較,我聽到的聲音的確不同,第一是層次感的清晰,第二是低頻的乾淨與質感的真實。用DS Audio的二個光學唱頭聽大型管弦樂時,可以感受到音場的景深更深,一排排的樂器展現得更清楚更自然。

此外,鋼琴的泛音更豐富,大提琴的擦弦冬瓜纖毛更多,更寬鬆。不過,您也會遇到低頻量感不如傳統MC唱頭的可能性,不過這種「量感不如」也有二種可能性,一是正確的低頻表現往往會被誤解為低頻量感比較少。第二個可能性是光學唱頭的機械低頻共振比傳統MC唱頭來得小,所以低頻聽起來乾淨清晰,但量感似乎就少了一點。

聲音寬鬆
如果拿自家Master One與DS-002相比,我可以很明快的說,Master One勝過DS-002,勝在哪裡?第一是音質,第二是聲音寬鬆的程度。我猜,這二款唱頭本身差異其實並不大,因為內部應該完全一樣,只有針桿、針尖不同。真正最大的差異來自唱頭放大器,尤其是電源處理,您從一個是24公斤、一個是4.7公斤中可以窺知端倪。

就是因為唱頭放大器的差異,讓這二個光學唱頭的聲音表現產生差異。如果以絕對值而言,當然要選Master One,但是您必須付出八十幾萬台幣的代價。與之相比,整套不到二十萬台幣的DS-002超高價值就浮現了,與MC唱頭加唱頭放大器相比,真的會讓人心動。

以科學的思維來審視
DS Audio的光學唱頭不是新發明,而是現代科技的優化產物,也是40年前日本工程師的未完成夢想。目前推出才三年,我們不知道未來是否會造成風潮?或者只是MM、MC、MI唱頭之外的另一選擇。不過,如果我們能以科學的思維來審視這二個光學唱頭,說不定某些困擾您很久的黑膠調聲問題可以迎刃而解。(文|劉漢盛)

DS Master One規格:
類型:光學唱頭。推出時間:2016年。輸出電壓:500mV以上(在唱頭放大器輸出端測得)。針壓範圍:1.6-1.8克。聲道分離度:25dB以上(1kHz)。藍寶石針桿、Micro Ridge針尖,唱頭本體Ultra Duralumin。唱頭重量:8.1克。

DS Master One唱頭放大器規格:
阻抗:120歐姆,輸入端子:RCA×1。輸出端子:RCA×3、XLR×3。體積(WHD):436×161×395mm,重量:24公斤。
參考售價:888,000元

DS-002規格:
類型:光學唱頭。推出時間:2017年。輸出電壓:500mV以上(在唱頭放大器輸出端測得)。針壓範圍:1.6-1.8克。聲道分離度:25dB以上(1kHz)。鋁合金針桿、柴田針尖,唱頭本體Ultra Duralumin。唱頭重量:8.1克。

DS-002唱頭放大器規格:
阻抗:120歐姆,輸入端子:RCA一組,輸出端子:RCA二組,體積(WHD):310×92×235mm,重量4.7公斤。
參考售價:198,000元

DS Audio進口代理:先鋒 02-2657-3588
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