滚珠轴承式避震脚钉的原理和简史
上世纪九十年代，一个叫作Symposium的美国品牌设计并发售了一种避震脚钉（震动隔离器）。它的设计很特别，即把高精度的滚珠放在两片金属件之间，并允许它自由移动。Symposium声称这是他们的原创设计，并且在美国申请了专利。但市面上似乎仍有不少Symposium的“追随者”制造类似设计的避震脚钉。虽然我没有阅读Symposium的专利，但我花了一些时间查阅了相关信息，自己也产生了一些思考。我想通过本文解释这种避震脚钉的原理并讲述一些它在家用音响领域的发展历史。 普通的避震脚钉大体上是一个圆锥体。多数情况下，锥尖朝向底侧。从侧视图来看，它像是电路中的二极管，而它确实起到类似作用，因而我在此称之为“机械二极管”。它可以隔离一些从下往上传输的振动，并将顶侧的振动朝底侧传输，就像接了地一样，因而我在此称之为“机械接地”。乍一看很不错，但它包含一些缺点。首先，这种结构大致在主声频段呈现较低且平直的振动阻抗，但振动阻抗从极高频开始急剧上升，对高频的传输呈现大振动阻抗且有指数级的波动（具体分析结果视具体情况而定）。同时，由于它只是传输振动而非减少振动，因此不适合用于底侧振动模式较差的情况，例如在一些轻薄的桌子上使用它可能导致不良共振的增加。 用损耗较大的材料作为振动消耗器可能也不是个好选择。例如某些橡胶制的避震胶垫，虽然本身有一些消耗振动的功能，但振动在内部消耗的过程中易于失去规律并回馈到本体，从而增加了噪音的比例。这种情况经常出现，因而这种方法可能也不是较好的选择 滚珠轴承式避震脚钉和上述的两种避震方法都不同。它具备类似“机械二极管”的高刚性，传振效率好，同时接受器材的振动并将其转换为滚珠平移的力，因此，器材较难积聚振动，声音不容易模糊。但另一方面，它会造成更多二维方面的移动，因此，在给数字播放器、功率放大器等设备使用滚珠轴承式避震脚钉可能因其复杂性产生微妙但有规律的变化。 大多数人忽略了滚珠轴承式避震脚钉的一个重要优势。其理想结构其实可看作两个相对的“机械二极管”，因而振动较难传递到接触的底侧，因此，在避震效果差的桌子上将滚珠轴承式避震脚钉垫在音箱下方是一个减少桌子共振的有效方法。此外，由于一般喇叭的振膜基本始终做前后移动，大致上，滚珠将随着音箱做前后移动。对于复杂的音乐情况，它可以被类比为吉他的颤音手法，增加了符合音乐特性的变化，实现了丰富的延音，能带来包括但不限于增大声场、增加生动感、增加立体感、增加丰富感的效果。 如果精度和表面粗糙度不好，滚珠的移动就会被限制，并且摩擦增加噪声，所以它应该有极高的精度和表面粗糙度的要求，Symposium也认为效果主要取决于滚珠的精度。实际上，就我自己的实践来看，使用误差约±0.001mm的316L不锈钢滚珠配合5000目左右的7075铝合金表面作为试验品，在我自己的悬空桌上配合音箱使用时，我感到了前所未有的纯净感，尤其是低音变得快速、清晰，有力量感，我感到很高兴，而这还是在使用了不太理想的古早结构下实现的。后来，我使用表面更光滑的早期版final DARUMA-3II，它不仅很清晰，而且高音更平滑，丰富。看来，滚珠轴承式避震脚钉的潜力非常大。 其实这种思路并不是上世纪九十年代才出现的。在上世纪八十年代甚至更早的时期，音响店为了机器的运输方便会用带滚轮的手推车移动音响器材，此时的人们已经有意识地不将音箱从推车上卸下而是直接将其一并摆在原定的音箱的位置下，不仅仅是为了方便，也考虑到一定的避震或隔震效果。同时期，也有人将重型不锈钢球直接垫在音箱或音箱脚架的下方以寻求避震。当时的人似乎并不太了解它的原理，毕竟当时还有很多人信机器越重避震越好呢。但没有想到的是，即便已经是2023年，仍然很难找到完整解释音响器材用滚珠轴承式避震脚钉原理的人，且从制作这种脚钉的新的厂商的设计看，他们似乎也一知半解。这是我想撰写这篇文章的主要动机之一。 对于商业化的滚珠轴承式避震脚钉，我想主要介绍两个厂商的故事——Symposium和final。我想在此介绍于上世纪九十年代初期的final DARUMA 3避震脚钉。它是目前我可考证的最早的“滚珠轴承式避震脚钉”，远早于Symposium声称申请专利的1997年。其实DARUMA 3严格来说并不是滚珠轴承设计，但原理上是一样的，它将振动转化为滚柱前后移动的力，一维移动，而不是二维，从种种细节还可推测出它是专为音响设计的。再者，日本产的早期版final DARUMA 3II也是上世纪九十年代中叶出现的，仍早于Symposium声明的研究时间。因此，我认为final很可能比Symposium更早了解这类避震脚钉的完整特点。 虽然Symposium描述了大量的相关技术，但是实际有用的信息并不多。而且从他们的旗舰产品来看。相较之下，final的廉价滚珠轴承式避震脚钉有一个特征，即顶侧部件与滚珠的接触面是有弧度的，而底侧部件与滚珠的接触面是平面的，理论上，微观的形变导致了顶部接触面大于底部接触面，因此它仍然包含少许“机械二极管”的特征，同时还允许滚珠内部有较大的损耗。至于为何这么做，可能是权衡了控制成本和实际效果的结果，而不是像Symposium片面地追求性能。反观Symposium的旗舰脚钉，没有顶侧部件的设计让我很担忧垫在它上面的器材底部的形变风险，以及底部的粗糙度或太糟糕导致效果不好。同时，因为这种设计造成了反向“机械二极管”，我还担心有害振动更有可能回传至器材…因此我猜测final在当时可能比Symposium更加掌握这类避震脚钉的设计要点。 顺带一提，还有相当一部分厂商效仿Symposium旗舰脚钉的做法，使用滚珠轴承式避震方法但不使用顶侧部件，因此我认为很多厂商还不清楚这种设计的完整原理。
更新履历：23.04.12 写毕23.04.15 第一次修订，第一回发布23.04.18 第二次修订，第二回发布23.12.11 第三次修订，第三回发布