Das Nadeltonverfahren ist grundsätzlich das älteste Verfahren zur Schallspeicherung. Als Tonträger verwendet man nach den Walzen jetzt preisgünstig herzustellende runde Kunststoffscheiben (erst aus Schellack, jetzt aus PVC).

Beim Aufzeichnungsvorgang ritzt ein vom Schallsignal über einen Wandler (Trichter-Membrane oder Mikrofon) gesteuerter Stichel die Toninformation in das Trägermaterial (Abb.).

Zum Abhören der Schallplatte tastet eine elastisch aufgehängte "Nadel" die Rille ab und überträgt die entstehenden Schwingungen wieder auf ein geeignetes Wandlersystem (Abb.).

• Anmerkung : Hier ist eine Bezeichnung für Historiker mißverständlich und unglücklich gewählt. Das sogenannte Nadeltonverfahren war beim Kinofilm in den Anfängen des Tonfilms der Vorläufer des Lichttonverfahrens und des Magenttonverfahrens. Darum ist diese Überschrift zumindest unglücklich. Ein Leser blickt fast nicht mehr durch.

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Die beim Aufzeichnen entstehende Masterfolie wird als Urform für die in mehreren Arbeitsgängen herzustellenden Preßmatrizen zur Vervielfältigung der Schallplatten verwendet.

Schicken wir zum Stichel jetzt einen Sinus-Ton bzw. zeichnen wir einen Test-Ton von fs = 1 kHz auf, so bedeutet das eine Wellenlänge yH = 0,4 mm am Anfang und X2 = 0,25 mm am Ende der Platte.

Zur „Gleichgeschwindigkeit" vh des Stichels durch die konstante Plattenrotation addiert sich jetzt noch eine wechselnde Geschwindigkeitskomponente vs (die Schnelle) durch diese Modulation hinzu.
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Für das Herstellungsverfahren der Schallplatte (nicht nur das Schneiden) wäre es sinnvoll, wenn die physikalisch bedingte maximale "Schnelle" für alle aufzuzeichnenden Frequenzen konstant bleibt. Dies bedeutet aber, daß tiefe Frequenzen mit großer Amplitude (Auslenkung) und hohe Frequenzen mit kleiner Amplitude aufgezeichnet werden müssten (Abb. 6).

Damit benötigen einerseits tieffrequente Signale sehr viel Speicherraum (Platz = Rillenbreite) der Platte und andererseits wird bei Signalen mit hoher Frequenz die Amplitude so klein, daß sie im Rauschen, hervorgerufen durch die Körnigkeit des Plattenmaterials Vinyl, untergehen kann.

Um diese beiden Grenzen zu umgehen, dürfte also nicht mit konstanter Schnelle, sondern müßte vielmehr mit konstanter Amplitude geschnitten werden.
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Man hat sich international auf einen Kompromiß geeinigt, und die in der Abb. dargestellte sogenannte "Schneidkennlinie" festgelegt.

Man senkt also die Amplituden (und damit die Auslenkung) der tiefen Frequenzen etwas ab (Platzersparnis) und hebt gleichzeitig die Amplituden der hohen Frequenzen an (Verbesserung des Störabstandes).

Die DIN Schneidkennlinie ist durch die drei Punkte bzw. Frequenzen definiert :
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1. I (50 Hz, -17 dB),
2. II (500 Hz, -3 dB) und
3. III (2120 Hz, +3 dB)

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Beim Aufzeichnen (Schneiden der Folie bzw. des Rohlings) werden die Amplitude und die Schnelle verändert. Diese gewollten "Ver-"zerrungen (das ist nicht der Klirrfaktor) werden beim Abspielen vom Abtastsystem und dem nachfolgenden Entzerrer-Vorverstärkersystem wieder rückgängig gemacht (Entzerrung).
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Der "Plattenspieler" hat die Aufgabe, die Schallplatte mit konstanter Drehzahl rotieren zu lassen. Als Antrieb verwendet man verschiedene Kleinmotoren, die über ein Reibrad, einen Riemenantrieb oder direkt den Plattenteller in Bewegung versetzen. In allen Fällen fordern wir eine lastunabhängige konstante Drehzahl, ohne kurzzeitige Schwankungen (Gleichlauffehler).

Trittschallstörungen aus der Umgebung, Eigen- schwingungen des Antriebs und der Mechanikteile dürfen nicht an das Abtastsystem gelangen. Durch verwindungssteife und schwingungsarme Konstruktion des Tonarms und des Chassis sorgt man dafür, daß die Rumpelstörungen die originalgetreue Wiedergabe möglichst wenig beeinflussen.

Bei einfachen Geräten (Abb.) verwendet man ein federnd aufgehängtes Chassis, auf dem der Motor, der Abtaster und der Plattenteller montiert sind. Da das Chassis von außen erreichbar ist, können z.B. durch das Berühren der Bedienungselemente Erschütterungen übertragen werden, die im schlimmsten Fall ein Springen des Abtastsystems zur Folge haben.
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Bei hochwertigen Abspielgeräten wird eine Konstruktion mit einem sogenannten Subchassis verwendet (Abb.). Hier ist das Hauptchassis, das alle Bedienungselemente trägt, fest mit dem Montageboden verbunden. Alle rumpelgefährdeten Teile sind auf einem elastisch aufgehängten, abgedeckten Unterchassis montiert. Ist der Motor fest mit dem Hauptchassis oder Montageboden verbunden, so muß ein Riemenantrieb verwendet werden.

Um die Rumpelstörungen gering zu halten, wird der Motor schwingungsgedämpft über Gummi- oder Federelemente am Chassis befestigt. Jedoch überträgt das starre Getriebe immer noch so viele Rumpelstörungen, daß hohe Ansprüche kaum erfüllt werden können. Als Maß für die Rumpel- störungen wird nach DIN 45539 der Rumpel-Fremdspannungs- abstand und der Rumpel-Geräusch- spannungsabstand gemessen.

• Bei der Messung der Rumpelgeräuschspannung wird die subjektive Ohrempfindlichkeit berücksichtigt (vgl. 1.6).

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Zur Drehzahlumschaltung wird das Reibrad an verschiedene Durchmesser der Motorstufenachse gelegt. Um die fertigungsbedingten Drehzahltoleranzen der Asynchronmotoren auf den nach DIN 45.500 geforderten Wert von +1,5% bis -1% zu reduzieren, muß eine stufenlose Geschwindigkeitseinstellung in den einzelnen Drehzahlbereichen vorgesehen werden. Am einfachsten läßt sich das mit einer konischen Stufenachse gemäß Abb. erreichen. Das Reibrad kann durch einen Drehknopf verschoben und so immer auf den richtigen Antriebsdurchmesser gelegt werden. Der Einstellbereich der Geschwindigkeit soll mindestens ±3% betragen. Das entspricht einem Halbton in der Musik.

Zum Überprüfen der Ist-Drehzahl verwendet man Stroboskopscheiben (Abb. 4) oder eine entsprechende Hell-Dunkel-Teilung am Rand des Plattentellers. Beleuchtet man diese Teilung mit einer vom Wechselspannungsnetz gespeisten Glühlampe, so erscheint je nach Drehzahl ein stehendes Bild der zugehörigen Teilung. Driftet das Bild, so liegt eine Abweichung von der Ist-Drehzahl vor. Die Teilungen sind so dimensioniert, daß bei einer Driftgeschwindigkeit von 1 Teilung/Sekunde eine Drehzahlabweichung von 1% vorliegt.

Der Plattenteller hat die Aufgabe, die Schallplatte möglichst plan und ohne Schwingungen beim Abtasten zu tragen. Im einfachsten Fall wird der Teller, er besteht meist aus Aluminiumdruckguß, mit einer schwingungsdämpfenden Gummimatte belegt. Andere Konstruktionen bevorzugen plangedrehte Stahlscheiben als Unterlage für die Schallplatte. Durch die Adhäsisonskräfte haftet die Platte fest auf dem Teller. Magnetische Störfelder des Antriebsmotors werden vom Abtastsystem ferngehalten.

Beim Riemenantrieb ist der Motor fest mit dem Montageboden verbunden. Ein
geschliffener Flachriemen überträgt die Bewegung auf den Plattenteller. Da der elastische Riemen keine Schwingungen auf das Chassis oder Subchassis übertragen kann, erzielt man mit diesem System hervorragende Rumpelmeßwerte.

Etwas problematisch ist hier die Drehzahlumschaltung und Feineinstellung. Da die Motordrehzahl bei konstanter Betriebsfrequenz nicht geändert werden kann, muß der Riemen auf verschiedene Antriebsscheiben gelegt werden.

Zur Drehzahlfeinregulierung verwendet man entweder Antriebsscheiben, die in Segmente eingeteilt, von einem Konus im Durchmesser verändert werden können (Abb. 1), oder eine Wirbelstrombremse (Abb. 2).

Durch eine hohe Polzahl beim Synchronmotor erniedrigt sich die Drehzahl und damit verringern sich die Rumpelstörungen.

Beim Direktantrieb treibt ein geregelter Gleichstrommotor den Plattenteller ohne Zwischengetriebe an. Das bedeutet, der Motor muß direkt die Nenndrehzahlen 33 1/3 /min oder 45/min einhalten. Da kein Untersetzungsgetriebe mehr vorhanden ist, müssen Motoren mit großem Drehmoment verwendet werden. Auch muß besonderes Augenmerk auf die Drehzahlregelung gelegt werden, da sich ja die kleinste Drehzahlabweichung des Motors direkt auf den Plattenteller auswirkt.

Der Schallplattenabtaster besteht aus dem Tonarm und dem Abtastsystem.
Der Abtaster hat die Aufgabe, die Abtastnadel so in der Plattenrille zu führen, daß sie dieselben Bewegungen wie ehemals der Schneidstichel ausführt.

In der Praxis läßt sich diese Forderung nicht ganz erfüllen. Um ein Optimum zu erhalten, muß der Abtaster ganz bestimmte geometrische und dynamische Anforderungen erfüllen.

Der Schneidstichel hat die Form eines scharfkantigen Meißels mit dreieckigem Querschnitt (Abb. "a" rechts). Beim Schneiden wird er durch eine Vorschubeinrichtung radial vom äußeren Plattenrand nach innen bewegt. Die horizontale Auslenkung (Seitenschrift) durch die Modulation verläuft also stets senkrecht zur Richtung der Rillentangente (Abb. 4b). Um später eine einfachere Konstruktion des Abtasters zu ermöglichen, ist die vertikale Auslenkung des Stichels (Tiefenschrift) um 20° gegen die Plattennormale geneigt (Abb. "b" rechts).

Für eine originalgetreue Abtastung müsste die Abtastnadel (erstens) ebenso aussehen, wie der (scharfkantige) Schneidstichel. Sie müßte (zweitens) außerdem auch radial geführt werden. Der Tonarm liegt dann tangential an der Rille.

Die erste Forderung ist nicht einzuhalten, da bei einem scharfkantigen Diamanten der Plattenverschleiß viel zu groß wäre.

Im zweiten Fall ist bei Verwendung eines sogenannten Tangentialtonarms ein enormer mechanischer Aufwand nötig, so daß sich solche Abspielgeräte nicht in großem Stil durchsetzen konnten.

In der nebenstehenden Abbildung sind die heute verwendeten Abtastspitzen verschiedener Nadelformen und ihre Lage in der Plattenrille dargestellt.

Die sphärisch, also kugelig oder rund geschliffene Nadel wird am häufigsten verwendet (Anmerkung : Das war vielleicht der Stand von 1970 aber nicht mehr von 1980). Elliptisch geschliffene Nadeln kommen zwar der Schneidstichelform am nächsten, sie dürfen jedoch wegen der geringeren Kontaktfläche zur Platte nur in Abtastern mit kleinen Auflagekräften verwendet werden.

Durch die unterschiedliche Geometrie von Schneidstichel und Abtastspitze kommt es zu Spurverzerrungen und Klemmverzerrungen.

Wie Abb. zeigt, tastet der Mittelpunkt der kugeligen Abtastspitze in Seitenschrift und Tiefenschrift eine andere Bahn ab, als der Schneidstichel in die Urfolie eingegraben hat.

Hierdurch wird ein systembedingter Klirrfaktor erzeugt.

Als horizontalen Spurfehlwinkel bezeichnet man den Winkel zwischen Rillentangente T und Längsachse L des Tonabnehmers.

Würde man das Tonabnehmersystem in Richtung des Tonarms montieren, so nähme der Spurfehlwinkel und der damit entstehende Klirrfaktor unzulässig hohe Werte an (Abb.). Eine kostengünstige Lösung bietet der gekröpfte Tonarm.

Durch "richtige" Dimensionierung von Tonarmlänge, Überhang und Kröpfungswinkel läßt sich ein um den Wert Null pendelnder Spurfehlwinkel erreichen. Bei modernen Tonarmen liegt der Maximalwert zwischen 1° und 2°. Abb. zeigt den Verlauf des horizontalen Spurfehlwinkels.

Durch die Kröpfung des Tonarms tritt beim Abtastvorgang ein Drehmoment auf, das den Tonarm zum Plattenmittelpunkt dreht. Hervorgerufen wird dieses Drehmoment durch die Reibung zwischen Abtastnadel und Platte. Sie ist daher abhängig von der Auflagekraft und von der Nadelform.

Da das Abtastsystem auch in vertikaler Richtung auf einem Kreisbogen geführt wird, muß das Vertikallager des Tonarms möglichst in der Plattenebene liegen, um Gleichlauffehler durch den Höhenschlag welliger Schallplatten zu vermeiden.

Wie Abb. zeigt, würde bei zu hoch angeordnetem vertikalem Lagerpunkt eine Vor-Rückbewegung der Abtastnadel beim Abspielen welliger Schallplatten den Gleichlauf beeinflussen. Der beim Schneiden der Platte eingehaltene vertikale Spurwinkel von 20° muß also durch die Bewegungsrichtung der Abtastnadel kompensiert werden (Abb. 1). Hierdurch wird eine unkomplizierte Lagerung der Abtastnadel ermöglicht.

• Horizontaler und vertikaler Spurfehlwinkel werden durch die Geometrie des Schallplattenabtasters hervorgerufen. Sie werden bestimmt durch Tonarmlänge, Überhang, Kröpfung und Auflagewinkel der Abtastnadel.

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Wir müssen nun noch die dynamischen Eigenschaften des Abtasters berücksichtigen. Die Abtastspitze soll in der Plattenrille sicher geführt werden, ohne daß einseitige oder äußere Kräfte den Abtastvorgang stören. Das bedeutet, wir müssen den Tonarm so ausbalancieren, daß sein Schwerpunkt möglichst genau im Schnittpunkt der horizontalen und vertikalen Lagerachse liegt. Dies wird durch Anbringen von verschiebbaren Gegengewichten erreicht. Um störende Resonanzerscheinungen zu vermeiden, werden diese Gewichte schwingungsgedämpft montiert (Abb.).

Damit eine Abtastung der Rille überhaupt möglich ist, muß die Nadel so elastisch aufgehängt sein, daß sie von der Rillenmodulation ausgelenkt (bewegt) und von der dabei entstehenden Rückstellkraft wieder zurückgeführt werden kann.

Umgekehrt darf die Nachgiebigkeit der Nadel nicht zu groß sein, da sie ja den Tonarm noch über die Platte führen und die dafür nötige Kraft übertragen muß.

Bei der Beschreibung des Wandlersystems im Schallplattenabtaster beschränken wir uns auf Stereosysteme.

Die Abtastnadel wird von der Plattenrille in zwei überlagerten Bewegungskomponenten geführt (Flankenschrift, vgl. 4.1.1). Jede Bewegungskomponente muß nun vom Wandler in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt werden. Um eine möglichst hohe Übersprechdämpfung zwischen den beiden Stereokanälen zu erhalten, sollte das Wandlersystem so aufgebaut und justiert sein, daß im Links-System möglichst nur die Links-Bewegungs-komponente Spannungen erzeugt. Dasselbe gilt für das Rechts-System.

Nach DIN 45.500 wird für die Übersprechdämpfung ein Mindestwert von 20dB bei 1kHz gefordert. Der Übertragungsbereich ist in Abb. dargestellt. Kanalunterschiede bis max. 2dB sind "zulässig".
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Zur Umwandlung der Nadelbewegung in elektrische Spannung wird bei einfacheren Systemen der Piezoeffekt angewendet. Die Abb. zeigt den Aufbau eines solchen Keramik-Tonabnehmersystems. Wir erkennen die beiden Wandlerstäbe (1) die über das Kopplungssystem (2) von der Abtastnadel in Biegeschwingungen versetzt werden. Damit sich keine unerwünschten Resonanzen ausbilden, wird über die Wandlerstäbe ein Dämpfungselement (3) geschoben. Keramikschwinger wandeln Amplitudenschwankungen in elektrische Spannungen um.

Eine Entzerrung der Schneidkennlinie läßt sich durch die Formgebung und die Füllung des Systems mit elastischem Dämpfungsmaterial erreichen. Da die Nachgiebigkeit der Keramiktonabnehmer relativ gering ist, muß mit hohen Auflagekräften gearbeitet werden (meist über 30mN ~ etwa 3 Pond). HiFi-Anforderungen sind deshalb nur schwer zu erreichen. Vorteil dieser Tonabnehmer ist jedoch, daß sie Ausgangsspannungen zwischen 0,5V und 2V abgeben und so normale Verstärker direkt angesteuert werden können.

Beim MC-System sitzt das Spulenpaar auf dem Nadelträger. Der Magnet ist also fest angeordnet (Abb.). Auch hier wird eine Spannung proportional der Bewegungsgeschwindigkeit der Abtastnadel induziert.

Wegen der leichten Spule erreicht man eine geringere effektive Nadelmasse und eine höhere Nachgiebigkeit. Insgesamt wird dadurch die Abtastfähigkeit bei hohen Frequenzen verbessert.

Der Nachteil des MC-Systems ist die um etwa 20dB geringere !! Ausgangsspannung gegenüber dem MM-System und der geringe Innenwiderstand von Ri ~ 20 Ohm. Um eine Anpassung an den verwendeten Entzerrerverstärker zu erhalten, muß entweder ein Anpassungsübertrager oder ein zusätzlicher "Vorvor"-verstärker verwendet werden.