人工智能

Camellia     2021年1月26日

• 观看精彩短片

当黑胶复兴，个性化的小众口味是我们生活的主流。

数字信号与模拟信号

Analogue and Digital

Courtesy of GRADO

当我们广泛使用CD、MP3、iPhone、iPod等播放音乐时，我们都是在聆听数字信号。数字信号是离散的，模拟信号是连续的。正是如此，黑胶（Vinyl）带给我们的是模拟信号。虽然技术的高速发展，现在的数字信号的采样频率已经远远超过人类听觉的辨别能力，但是模拟信号带给我们的是真实和质朴……

黑胶唱片

Vinyl

留声机唱片（Phonograph Record or Gramophone Record）是一种存储声音模拟信号的介质，通常是一张平状圆盘，表面刻有连续的、深度不同的螺旋形沟槽，这种螺旋形沟槽称作纹轨（Spiral Groove）或音槽。纹轨的始端在唱片的边沿处，末端靠近唱片中心。



从1940s开始，唱片通常采用聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride）制造，因此也称作 Vinyl 。由于其颜色通常为黑色，国内也称作黑胶唱片，当然现在彩色唱片的产品也越来越多。

黑胶唱片根据不同的性质可以区分如下：
+ 直径 Diameter：12”；10”；7”。
+ 播放速度 Rotational Speed：8-1/3 rpm；16-2/3 rpm；33-1/3 rpm；45 rpm；78 rpm。
+ 播放时长 Time Capacity （由直径和播放速度共同确定）：LP[Long Playing] with 12” and 33-1/3 rpm；SP [Single Play] with 10” and 78 rpm 或 7” and 45rpm；EP [Extended Play] with 12” and 33-1/3rpm 或 7” and 45rpm。
+ 播放品质 Reproductive Quality or Level of Fidelity：high-fidelity；orthophonic；full-range。
+ 声道 Number of Audio Channels：Mono；Stereo；Quad 等。

制作黑胶唱片

早期的黑胶唱片的制作，采用牛角型声音收集器，并通过管子把声音传递给一个薄膜，使薄膜随着声波发生振动，薄膜带动刻刀针（cutting stylus）振动，在唱片上雕刻不同的沟槽。这种制造方法品质较差。
从1902s开始，工程师们采用麦克风采集声音，使用真空管（vacuum tubes）进行信号放大，并运用放大后的信号驱动电磁记录头在唱片上进行雕刻。记录品质大大提升。

唱片的记录时间 = 纹轨总长度 / 唱片旋转速度

为了保证不串音，相邻螺旋形纹轨之间会有一定的间隔（即唱片上螺旋音槽的密度），纹轨总长度由唱片的半径和纹轨密度等决定。随着技术的提高，纹理密度增大，容量也增大，这就是密纹唱片。
需要注意一个细节，雕刻出的音槽仅是两侧的凹凹凸凸，但是其底部是基本平坦的，底部没有音乐信号，反而积有很多灰尘。

播放黑胶唱片

黑胶唱片放置在转盘上，转盘在电机的驱动下转动。唱头的针尖沿着音槽的轨迹运动，唱头把唱针因音槽侧壁凹凸引起的振动转换为电信号，进而实现了声音的回放，不需要编码、解码，是一种纯物理方式。下文将详细讲述这些部件。



A look at vinyl record grooves at around 1000x magnification. You can see the waveforms of the music itself…
1000倍放大黑胶唱片的音槽，你几乎可以看到音乐的形状。




磁带（cassette）记录的也是模拟信号。



当采用磁带录音时：录音磁头实际上是个蹄形电磁铁，两极相距很近，中间只留个狭缝。录音磁带的带基上涂着一层磁粉，实际上就是许多铁磁性小颗粒。磁带紧贴着录音磁头走过，音频电流使得录音头缝隙处磁场的强弱、方向不断变化，磁带上的磁粉也就被磁化成一个个磁极方向和磁性强弱各不相同的“小磁铁”，声音信号就这样记录在磁带上了。
当对磁带放音时：磁带从放音头的狭缝中走过，磁带上“小磁铁”产生的磁场穿过放音头的线圈。由于“小磁铁”的极性和磁性强弱各不相同，在线圈内产生的磁通量也在不断变化，于是在线圈中产生感应电流，放大后就可以在扬声器中发出声音。

唱机转盘

Turntable

黑胶唱片放置在转盘上，转盘在电机的驱动下，使唱片按照录制时的转速（8-1/3 rpm、16-2/3 rpm、33-1/3 rpm、45 rpm、78 rpm）转动。
严格地说，转盘带上唱片后，负载发生变化，可以采用伺服电机（Servo Motor），通过速度闭环反馈环，保证真正意义上的按照设定转速进行匀速转动。

Courtesy of Zhivko Terziivanov

唱机

Phono

唱头 Phono Cartridge
唱头（Phono Cartridge）是再生黑胶（Vinyl）唱片声波的重要设备（pick up）。

Courtesy of GRADO

最常见的唱头有以下几种：
+ 动磁式唱头（Moving Magnet）
+ 动圈式唱头（Moving Coil）
+ 动铁式唱头（Moving Iron）

唱头的结构包括唱头壳（Body）、发电总成（Generator）、针杆（Cantilever）与唱针（Stylus）等四大部分。

唱头壳用来保护发电总成，大部分以塑料材料制成。高级的MC唱头有以木材、玛瑙等制成。也有少数厂商认为唱头壳会影响声音，而舍弃唱头壳，让发电总成裸露在外。
发电总成包括线圈（Coil）、磁铁（Magnet）、阻尼（Rubber）等组件，磁铁作用在产生磁场，线圈则是用来与磁场产生相互运动关系而切割磁场产生电压（法拉第电磁感应定律），阻尼则是抑制针杆过度振动。如果把磁铁固定不动，让线圈振动用以产生电压，就是动圈式。反之，线圈固定不动，让磁铁振动以产生电压，就是动磁式。动铁式则是铁振动，磁铁与线圈不动。



Courtesy of ortofun

*** 动圈式唱头 Moving Coil ***

Courtesy of ortofun

在动圈式唱头中，一个强力磁铁被固定安置在唱头壳里，在磁铁下方有针杆，针杆近末端处绕着一个十字形线圈。由于针杆必须灵活运动，所以线圈的圈数不能绕太多匝，而且线圈的线材也不能太粗太重，否则都将影响针杆正常运动。由于这种的结构只能让动圈唱头输出很小的电压（0.07～0.2mV/5cm per second）；并且循轨能力较差。
0.2mV的输出电压太小，所以必须在前级里另加唱头放大线路，或者外接一个唱头放大器（Pre Pre）或升压器（Setup Transformer）。
循轨能力较差也使得许多调校唱头功力不够者经常听到「分裂」的声音。
动圈式唱头由于缠绕在针杆上的线圈量很少，因此阻抗很低，通常小于10Ω。
由于动圈式唱头的线圈直接绕在针杆上，可以直接感受到音槽的变化，而且电压（音乐信号）直接从线圈传到唱头的四支端子，并通过信号线传输到前级里，所以能够拾取的音乐信号特别丰富，这些都是是动圈式唱头的优势。

*** 动磁式唱头 Moving Magnet ***

Courtesy of ortofun

如果把四个很大的线圈固定在唱头壳里，然后在针杆的末端接上一块很小的磁铁，让磁铁跟随着针杆的振动而摆动，这就是动磁式唱头的结构。动磁式唱头因为线圈匝数很高，虽然磁铁体积很小，但是依然能够产生足够的输出电压（3.5-5 mV），因此动磁式唱头时不需另加额外的放大器。

动磁式唱头的循轨能力好过动圈式唱头，不过由于针杆所连接的是磁铁，线圈无法直接感应到针杆的振动，而是靠感应磁铁的振动产生电压（音乐信号），再把音乐信号传递到唱头的四个端子，因此对于细微的音乐细节再生能力上略逊动圈式唱头。

*** 动铁式唱头 Moving Iron ***

同样把四个线圈固定在唱头里，并且把磁铁固定安装在线圈的后侧，使线圈中心产生磁场。铁芯在线圈的前侧跟随针杆的振动而摆，改变其与线圈中心的距离，进而改变了磁路内部的磁阻，即改变了磁力线的分布量，使线圈上产生变化的感应电压。动铁式唱头的振动轻盈，机械阻抗小，有利于提高电声技术指标。

现实应用中，动磁式唱头可以工业化量产；而动圈式唱头的线圈必须人工绕制，也正因为人工绕制，也如同艺术品一样被注入了制造者的人文品味，这也是动圈唱头昂贵的原因之一。
回到技术层面，动圈式唱头和动磁式唱头都有阻抗与容抗匹配等问题：
+ 由于动圈式唱头自身的阻抗很低，因此其对于阻抗匹配比较敏感；动圈式唱头的负载阻抗如果越高，则高频就会越强调；反之，负载阻抗越低，高频就会衰减。
+ 而动磁式唱头自身的感抗很高，因此其对容抗匹配比较敏感。对于动磁唱头来说，由于唱头内线圈匝数多，与前级耦合后，很容易产生一个电容电感组成的低通共振线路（Low Pass Resonant Circuit），而产生低通滤波效果。因此，当前级的匹配电容值越高时，高频段反而会衰减。反之，高频段就会提升。高频段无论衰减或提升都不够中性。
此外，还有光电式（Photoelectric）唱头，在唱头的针杆上安装一块很薄的遮光片，当唱针在纹轨内振动时，这块位于微型发光管和光敏元件之间的遮光片也随之振动，光通量的变化使光敏元件的输出的电信号也发生改变。

立体声（Stereophonic Sound）能带给我们更贴近自然的声音感受。
在黑胶唱片中，立体声的左、右声道被分别记录到音槽的内（唱片圆周方向的内侧）、外（唱片圆周方向的外侧）两个侧面（each wall face moving at 45 degrees to the plane of the record surface in correspondence with the signal level of that channel）。
录制时，左（L）、右（R）两个声道的声音电流分别输入驱动刻针的相应的L、R两个电磁线圈，左、右声道声音的不同部分在变为电磁振动时使得刻针驱动幅度相加或相减，合成的电磁振动幅度驱动刻针刻成 L+R 的矢量和纹轨。通常，纹轨（音槽）的内侧面记录左声道的声音，外侧面记录右声道的声音。


播放立体声唱片时，唱头的唱针不仅在音槽内垂直振动，还发生水平振动。唱头中采用2组线圈，分别对应纹轨的内、外侧面。唱头的唱针的运动实质上是垂直振动和水平振动的矢量和（vector sum and difference）。纹轨内侧引起的唱针振动被反映在一组线圈中，该线圈连接到左声道；纹轨外侧引起的唱针振动被反映在另一组线圈，该线圈连接到右声道。

唱针（Stylus）
Courtesy of GRADO


唱针通常采用钻石原料制作，体积比一粒芝麻粒还要小。
针尖的形状分为球面形（spherical）、椭圆形（ellipitcal）等几种。
Courtesy of ilovemusic.edu.in

+ 球面形 Spherical : 针尖是一个圆锥体，与纹轨侧壁的接触面最小，最耐磨。
+ 椭圆形 Elliptical : 接触面较大，可以更加精确地追踪纹轨侧壁的变化，提高音乐播放的品质，但是易磨损。
+ 超椭圆形 Hyper-elliptical : 适用于密纹唱片，可以获得更高品质的播放音效，加工精度高，价格昂贵。
+ 精致边沿形 Micro-ridge : 采用电脑精密加工，可以完美地与纹轨贴合，最高程度地再现黑胶制作时的原纹，循轨效果最佳，实现音乐的完美播放，价格超级昂贵，使用成本非常高。

前置放大器 Phono preamp



与数字播放器相比较，来自唱头（Phono Cartridge）的信号通常只有前者的千分之一，因此为了能在扬声器或立体声音箱上播放黑胶唱片传来的声音，需要放大（boost）该信号，这就需要另一个关键设备——前置放大器（Phono Preamp or Phono Stage）。
Courtesy of ilovemusic.edu.in

+ 唱机内置式前置放大器 Turntables with built-in Phono Preamps
当你把唱机的唱头输出直接与扬声器或立体声音箱相连时，并且播放出的音乐良好没有失真，那么你的唱机已经含有了内置式前置放大器。
Courtesy of ilovemusic.edu.in

+ 音箱内置式前置放大器 Receivers or amplifiers with built-in phono preamps
一些老式（vintage）音箱内部集成了前置放大器。通常在这种音箱的左、右声道输入口旁，还有一个接地端子柱（ground screw）。此时，应当保证把来自唱机的接地线芯与该接地端子柱相连接。
但是通常内置式放大器性能较低，满足不了音乐发烧友的需要。
Courtesy of ilovemusic.edu.in

+ 挑选正确的前置放大器
由于有动磁式和动圈式两种唱头，因此也有两种前置放大器。如上文所述，动圈式唱头的输出信号比动磁式的要小，因此动圈式唱头需要较大功率的前置放大器。实际中的一些独立前置放大器产品，可以同时应用于动圈式唱头和动磁式唱头，仅需要切换其上面的选择开关即可
此外，不要将独立的前置放大器与CD等音频播放器或是含有内置前置放大器的唱机相连接。

音频电缆

Audio Cable

RCA 莲花接头
RCA 的名称来自于1940年的 Radio Corporation of America， 是第一家专注开发制作电子接头的公司。
RCA 端子采用同轴传输信号的方式，其中，中轴用来传输信号，外沿的接触层用来接地，可以用来传输数字信号和模拟信号。RCA 音频端子一般成对地用不同颜色标注：左声道用红色，右声道用黑色或白色。有的时候，中置和环绕声道连接线会用其他的颜色标注来方便接线时区分。

3.5mm 接头 plug
3.5mm插头是指直径为3.5mm的同轴音频插头。
最常见的立体声分三层，也有两层的。从端部到根部依次是左声道、右声道、地线，其中左声道常用红色线皮，右声道常用白色的。

音乐智能

Artifical Intelligence

小小的一块 Camellia Mini 芯片，使黑胶唱机智能化。
通过物联网技术，实现远程音乐播放。
通过伺服电机控制，精准微调播放速度，满足不同听众的个性化收听。
通过机器学习技术，让智能唱机熟悉不同听众和不同环境，记忆对象的个性，根据环境噪音和对象的心情，自动智能播放，给听众最佳的听觉体验。

Music, after all, is something that brings joy to our lives. Vinyl gives us a way to increase the joy factor and explore music in an exciting ways. That joy is the essence of the vinyl revival. It’s why people are gleefully purchasing records again.