《顛峰時間》創刊號2006年第一期 <擺頻說>

patrick

擺頻說
此文刊登於《顛峰時間》創刊號2006年第一期
夜已深，剛下過一場暴雨的城市消退了前幾天燥熱的感覺，我喜歡這樣的夜晚，寧靜可以思遠。打開電腦，泡一壺上好的鐵觀音。這種夜是適合玩表的，也適合聆聽手腕上隱約傳出的滴答聲。想起為《顛峰時間》撰稿的事情，談些什麼呢？其實腕表所涉及的領域太過廣泛而自己所知道的又確實甚少，總是擔心自己的文字中會暴露出太多的捉襟見肘，好在有很多的資料可以查詢，也給自己落筆鋪墊了些許安慰。
選題是自己心中早已定下的，腕表不同於其他的玩物，需要佩帶者介入的東西實在太少，只需每天置於腕上便可。而既然是玩物，終歸吸引我們想要深入地去瞭解更多，所以自然而然，技術性的問題變得越來越能引起了自己的關注。很多人都很關心自己的表走得怎麼樣，也有太多的人經常問及是什麼導致了自己手上的腕表誤差。這裡我想簡單談一下擺頻和腕表精準度方面的關係。
先說說擺頻，在整個20世紀的前半段時間內，鐘錶的頻率被製作成標準的5bps，也就是擺輪1個小時擺動18800次。縱觀當時的環境和客觀條件，例如：大尺寸的懷表擺輪，游絲的張力以及用作潤滑的表油等因素，這一頻率似乎是不二的選擇。而今天，我們還可以看到更多的諸如6bps節拍（21600中頻擺），8bps節拍（28800高頻擺）甚至於 10bps（36000超高頻擺）的機芯。提高擺頻的目的是什麼呢？從物理學和控制理論學上來說是可以讓腕表機芯走時更為精準。為什麼？讓我們繼續往下看。
一塊機芯中最重要的部分就是擒縱系統，從純技術層面上來說，擒縱系統是一個——由推動力驅動的帶有輕微衰減的二階擺動系統。擺輪和游絲的組合是整個擒縱系統中的震盪單元，每擺動一次就會有少量的能量被釋放，而所釋放的能量正好被擒縱輪的輪齒所吸收。這個能量守恆的過程由擒縱叉上的寶石所產生的一個角動量的推量傳遞給擒縱輪完成。在一個所謂完美的擒縱系統中，擺輪游絲的組合應該有一個永恆不變的擺動幅度，而且該系統不應該受到外部的任何機械頻率干擾。但我們都知道，除非腕表被禁錮在一個完全不受干擾的封閉環境中，否則任何日常佩戴的腕表都會多多少少的受到外部力量的干擾，而任何干擾都會讓擒縱系統做出反應，這些反應具體如何表現？有多少是過於激烈的？是否因為這些反應導致了腕表的走時不准呢？要瞭解清楚這些我們還需要再看一些關於頻譜的內容。
腕表在實際佩戴中總是隨著佩帶者的運動而間接運動，這樣的運動會造成一些機械的外力而影響到腕表本身的運作，最主要的是影響擒縱系統。就位置而言，表面朝上，表冠朝下是2個最重要的位置。如果腕表總是被表面朝上的放置，那麼任何問題都不太可能發生——甚至於寶璣先生的陀飛輪裝置都意義不大了。但事實上並非如此，我們總是在不停地運動，而腕表所處的位置也因為我們的運動而變得不盡相同。可以做這麼一個實驗：把腕表平面放置，隨後緩慢勻速的左右移動，表面始終朝上。我們會發現這樣的運動對於腕表本身而言毫無傷害——擺輪系統對於勻速直線運動有足夠的免疫能力。然後，我們開始頻繁的做加速運動，在專門的機器測試下我們會發現由於短時間不同方向的加速運動，導致擺輪擺幅有不定期的增加或者減弱——干擾開始了。或許你會覺得這樣的擺幅微弱改變——注意這裡是「微弱」，似乎到了可以忽略不計的地步——不會有什麼大事。但是，要知道腕表是每天24小時不停運行的，微弱的擺幅變動最終累計成為了時間上的誤差。
說了這些後讓我們正式聯繫到頻譜的問題上來。日常的佩帶者手臂的運動可以看成無數複雜的直線加速運動和擺動的集合。這些運動又都有各自的頻率，構成了許許多多不同數量級別的頻率成分，這些頻率的集合影響了擺輪在原本不受任何干擾情況下的擺動幅度。而這些頻率本身的集合就行程了一個頻率分佈，或者稱之為「頻譜」，來自於佩帶者日常不經意間運動導致的頻譜。
稍做休息，喝上一口清茶。窗外依舊有斷斷續續的水滴聲，應該是窗台或者樹葉上滴落的雨水殘餘。可能以上的這些內容感覺有些晦澀，技術上的東西總不如直接看漂亮的打磨讓人來得愉悅，於己來說同樣如此。但玩表的時間越長就越發現這些技術讓自己驚歎。方寸之間凝結的是大師和工匠們的創意和靈感。可以說，現代腕表的很多技術是建立在工程學的基礎上而又已經遠遠超出了工程學本身的內涵。瞭解更多便會讓自己驚歎更多，而所謂「把玩」不就是要一種這樣的感覺麼？

patrick

瞭解了頻譜後讓我們重新把注意力集中到擒縱系統上來。文章的開始談到了擺頻，我們可以發現自己的運動所造成的震動頻率很容易地就接近了每秒5次到每秒6次這個節拍段，也就是2.5赫茲擺輪（5bps，18800低頻擺）或者3赫茲擺輪（6bps，21600中頻擺）的自然擺動頻率。從共振效應上來說，一旦我們手腕上的振動正好達到和擺輪自然擺動頻率一樣的時候，擺輪會表現出非常極端的情況——在它的極限位置卡住。在專業測試中，機器代替我們的手做不斷提高頻率的擺動，結果表明：擺輪在受到和自身擺動頻率一致的干擾下瞬間嚴重地喪失擺幅，同時在外界干擾頻率進一步上升並且逐漸高於擺輪自身擺動頻率後慢慢恢復。如果把擺輪應對外界頻率干擾所做出反應畫成圖表的話，可以看到一條帶有明顯峰值（外界干擾頻率等於自然擺頻），並且在峰值2邊又有明顯下降的函數曲線。我們把這種圖表稱之為：擒縱機構的錄放頻幅響應。也可以簡單的理解為擺輪連同整個擒縱機構對於外部機械產生的頻率干擾的反應。
結論可以產生了：正是由於擺輪會受到外界機械干擾而產生共振效應，而同時日常佩帶者所能夠產生的頻譜集中在比較低的區間段，所以高節拍——4赫茲（8bps，28800高頻擺），5赫茲（10bps，36000超高頻擺）能夠抵禦絕大多數由於日常不經意間所產生的干擾。
話至此，我們似乎找到了讓擒縱系統更穩定工作的最簡單的方法：只要不斷的提高擺頻，就可以不斷的避開低頻譜的外界干擾。但任何事物都有相互制約的因素，我想任何一位鐘錶大師或者工匠都明白之前所說的那麼多理論，也知道可以通過提高擺頻來讓擒縱運行的更穩定，但為什麼直到現在依舊只使用4赫茲（8bps，28800高頻擺）作為普通高頻機芯的擺動頻率呢？還是回到剛開始提到的那些因素：大尺寸的懷表擺輪，游絲的張力以及用作潤滑的表油。現代腕表的擺輪可以做的更小一些，但游絲的張力不可能無限制提高，還有就是表油。驅動機芯運動的能量大約是擺輪節拍的平方，這裡說「大約」是因為摩擦力造成的能量損失和空氣阻力事實上並非線性的。同時更高的擺頻意味著更大的磨損，也就需要更為完美的表油。高頻機芯運作的時候所消耗的表油比低頻（諸如2.5赫茲，5bps，18000低頻擺）機芯多得多。曾經看到過相關報道稱Rolex（勞力士）所使用的是一種特製的由鉍化合物製成的干潤滑劑，用來滿足 28800高頻擺的長時間精準運作。
寫到這裡似乎可以稍稍收筆了。需要補充一些的是：影響腕表精準的因素是多種多樣的，並不是說擺輪的穩定運行就可以直接讓自己的腕表更精準。畢竟機芯是一個整體，而擒縱只是其中的一部分，其他諸如裝配和調教，溫差，齒輪組的相互摩擦都會讓機芯的表現有所差異。另外，針對擺頻高低還會有2個問題被問及，其一是為何當時使用18800擺頻的機芯同樣通過了COSC？其二是為何今天很多大品牌的頂級產品依舊使用18800的低頻擺？對於第一個問題我想那些精準的機芯每一塊都離不開大師和工匠對於腕表機芯的精心調試。而第二個問題似乎更簡單一些：真正頂級表的賣點早已不再是精準。
我自己有2塊表，分別是21600擺頻和28800擺頻，事實上我並沒有在日常的使用中感覺到中頻擺相對於高頻擺有什麼明顯的劣勢。其中28800擺頻的 OMEGA（歐米茄）海馬表曾經遭受過一次嚴重的撞擊——重重地撞在了電梯的門上。導致的結果是快慢針的位移。後來經過一位修表的朋友的調試後又重新恢復了COSC的精準度。可能在撞擊的一剎那，擺輪的擺幅會受到影響，但畢竟這只是一次生活中的巧遇，而並非實驗室的測試。所以無法捕捉這一瞬間的數據和其真實的內部對應外界振動頻率干擾的情況。不管怎樣，腕表是需要被愛護的，有如所有其他玩物一樣。
拉開窗簾，外面小路上的濕已經被風吹乾，而樹上依舊殘留著些許雨水，偶爾滴落在樹根旁的草地上。夜，早已寂靜，很多夢也早已開始。拿出自己的兩塊表，放在耳朵邊仔細聆聽，清晰可辨滴答聲的快慢。不論頻率高低，運行確都鏗鏘有力。惟有這滴答聲，彷彿是表在告訴它的主人——即使機械，也是一種生命的延續。
Patrick 12/14/2009