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Karlsruhe, im Mai 1973 Karl Breh - Dem Tonabnehmer (andere nenne ihn auch Abtaster) obliegt es, die in den Schallrillen fixierten mechanischen Schwingungen in elektrische zu verwandeln, die dann dem Verstärker zugeführt, in diesem verstärkt und durch die Lautsprecher wieder in mechanische Schwingungen der Luft zurückverwandelt werden.

Alle Funktionen von Laufwerk und Tonarm zielen darauf hin, das Abtasten der Schallrillen durch den Tonabnehmer ohne Störgeräusche optimal zu ermöglichen. Der Diamant folgt den Auslenkungen der durch die Drehung der Schallplatte bewegten Schallrille und versetzt dadurch den Nadelträger, auf dem er befestigt ist, in mechanische Schwingungen gleicher Frequenz.

Zur Umwandlung dieser mechanischen Schwingungen des Nadelträgers in elektrische können verschiedene Wandlerprinzipien angewandt werden.

Stereoschallplatten sind in 45°/45°-Schrift geschnitten. Die Rillenflanken bilden zueinander einen rechten Winkel. Soll nur der linke Kanal moduliert werden, so führt der Schneidstichel nur Schwingungen senkrecht zur inneren Rillenflanke der Schallrille aus. Ist nur der rechte Kanal moduliert, so bewegt sich der Schneidstichel nur senkrecht zur äußeren Rillenflanke.

Auf die Schallrille bezogen, ist das Ergebnis in beiden Fällen eine Kombination aus Tiefen- und Seitenschrift. Der Wandler muß die auf diese Weise in der Schallrille gespeicherte Stereo-Information wieder in zwei Einzelinformationen trennen. Aus diesem Grunde bilden die Arme des Jochs im Kristall-Tonabnehmer einen rechten Winkel zueinander, ebenso die beiden Flächen der Kristallplättchen (Bild 1).

Ist nur der linke Kanal der Schallrille moduliert, bewegt sich nur der rechte Jocharm in Längsrichtung und verursacht eine Verbiegung des rechten Kristall-Plättchens. Der linke Jocharm wird nur senkrecht zu seiner Armachse geringfügig bewegt und übt daher nur eine ganz geringe Kraft auf das linke Kristall-Plättchen aus. In Dezibel ausgedrückt, nennt man die diesem Kräfteunterschied entsprechende Differenz der Polarisationsspannungen Übersprechdämpfung.

Aus qualitativer Sicht überwiegen die Nachteile. Ihr Hauptvorteil liegt darin, daß sie relativ billig sind, und daß sie eine rund lOO mal größere Ausgangsspannung liefern als die noch zu behandelnden Schnelle-Wandler. Deshalb und weil sie aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften die beim Schneiden der Lackfolie erfolgte Verzerrung des Frequenzgangs einigermaßen kompensieren, können sie direkt an den hochpegeligen Eingang eines Verstärkers oder an den Kristall-Eingang eines normalen Rundfunkgerätes angeschlossen werden, ohne daß ein Entzerrer-Vorverstärker erforderlich ist.

Allerdings ist weder der Frequenzgang noch der Übertragungsbereich ideal. Ihr Hauptnachteil besteht jedoch darin, daß sie gerade aufgrund des Wandlerprinzips, das in der Verformung von Kristallen besteht, für die ein bestimmter Kraftaufwand erforderlich ist, ziemlich hohe Auflagekräfte benötigen (2,5 bis 5 p).

Soll trotz Auflagekräften dieser Größe eine plastische Deformation der Rillenflanken und damit eine irreparable Zerstörung der in der Schallrille gespeicherten Modulation vermieden werden, ist dies nur möglich, wenn die Verrundungsradien der Abtastspitze an den Stellen, an denen diese auf den Rillenflanken aufsitzt, so groß sind, daß die Auflagedrücke ein erträgliches Maß nicht überschreiten. Solche Verrundungsradien setzen aber relativ grobe Abtastspitzen voraus, die einem präzisen Abtasten der Schallrillen im Wege stehen.

Aus den genannten Gründen werden heute in der HiFi-Technik, von wenigen Ausnahmen und einigen anderen Wandler-Prinzipien abgesehen, hauptsächlich elektromagnetische Wandler benutzt.

Diese Wandler lassen sich ihrerseits wieder in die Gruppe der magnetischen und dynamischen Tonabnehmer unterteilen. Bild2 zeigt den Aufbau eines modernen magnetischen Tonabnehmers.

Hinten, auf einem sehr feinen Nadelträger, sitzt ein winziger Dauermagnet, schwingfähig in einem Gummipfropfen gelagert. Die Polschuhe zweier Spulenkerne, von denen jeder ein Spulenpaar durchsetzt, bilden wieder einen rechten Winkel zueinander. Durch die Spulenkerne geleitet, durchfließt jedes Spulenpaar ein magnetischer Fluß. Schwingungen des Dauermagneten führen zu Änderungen gleicher Frequenz des magnetischen Flusses, wodurch in jedem Spulenpaar ein elektrischer Strom induziert wird, der an den Enden jedes Spulenpaars eine Spannung aufbaut.

Jedes Spulenpaar entspricht einem Kanal. Ist nur der linke Kanal moduliert, ändert sich infolge der Schwingungen des Dauermagneten nur der Fluß im vorderen Spulenpaar, und nur in diesem wird ein Strom induziert. Entsprechendes gilt für das hintere Spulenpaar, an dem die Spannung des rechten Kanals abgegriffen werden kann.
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Die Größe der auftretenden Spannung ist der Änderung des magnetischen Flusses, d. h. der Geschwindigkeit proportional, mit der sich der Dauermagnet bewegt, und damit der Geschwindigkeit mit der sich die Nadelspitze in der Schallrille bewegt.

Diese Geschwindigkeit, nennt man Schnelle. Die Spannung, die ein elektromagnetischer Tonabnehmer bei 1 kHz abgibt, wird auf die Schnelle der Schallrille bezogen. Diesen in mVs/cm ausgedrückten Wert nennt man den Übertragungsfaktor des Tonabnehmers.

Bei dynamischen Tonabnehmern sind anstelle des Dauermagneten zwei extrem kleine Spulen oder Spulenpaare am Nadelträger befestigt, die nun ihrerseits im magnetischen Feld eines geeignet und vor allem fest angeordneten, kräftigen, im Systemkörper eingebauten Dauermagneten schwingen. Die Spulenenden müssen mit den Anschlußstiften durch feine Drähtchen verbunden sein, weswegen es bei dynamischen Tonabnehmern nicht möglich ist, den Nadelträger auszutauschen.

Die Übertragungsfaktoren von dynamischen Tonabnehmern sind meist so klein, daß die Spannung unter Vergrößerung des Quellwiderstandes durch einen Transformator an Empfindlichkeit und Widerstand des Entzerrer-Vorverstärker-Eingangs angepaßt werden muß.

Diese Transformatoren sind entweder schon in den Systemkörper eingebaut oder, wenn dies mit Rücksicht auf die Masse des Tonabnehmers vermieden wird, zwischen Plattenspieler-Ausgang und Verstärker-Eingang zu schalten. Sie sind dann mit Kabeln und passenden Steckern versehen.

Auch die von dynamischen Tonabnehmern abgegebene Spannung ist der Schnelle proportional. Beim Schneiden der Schallrillen wird für das Aufzeichnen eines Signals, dessen Frequenz den Bereich von 20 bis 20 000 Hz bei konstantem Pegel durchläuft (gerader Frequenzgang), nicht mit konstanter Schnelle gearbeitet.

Anmerkung : Auch im Jahr 2012 wurden 98% aller Platten beim Schneiden auf 40 bis 15.000 Hz begrenzt. Man wird auch heute kaum Vinyl-Platten finden, auf denen ein 20Hz Ton oder Signal drauf ist.
 
Vielmehr wird die Schnelle nach Maßgabe der Schneidkennlinie verzerrt, und zwar so, daß die tiefen Frequenzen abgesenkt und die hohen angehoben werden (Bild 3).

Da die von elektromagnetischen Wandlern abgegebene Spannung der Schnelle (Anmerkung : direkt und linear) proportional ist, muß diese Spannung, bevor sie dem Verstärker zugeführt werden kann, gemäß einer (normierten) Kennlinie (Erklärung weiter unten), die zur Schneidkennlinie spiegelbildlich verläuft, wieder entzerrt und wegen der kleinen Übertragungsfaktoren auch noch vorverstärkt werden. Dies geschieht in den Entzerrer-Vorverstärkern, die in allen HiFi-Verstärkern eingebaut sind, welche über Eingänge für magnetische Tonabnehmer verfügen.

Früher verwendeten die verschiedenen Schallplattenproduzenten unterschiedliche Schneidkennlinien. Entsprechend unterschiedlich waren die Entzerrungskennlinien der Verstärker, was oft eine Quelle großer Unsicherheit war.

Heute wird ganz allgemein nach der RIAA-Kennlinie mit den Zeitkonstanten 3180, 318 und 75 us geschnitten. Sie ist identisch mit der deutschen Norm DIN 45 541, die heute allen Entzerrungs-Kennlinien von HiFi-Verstärkern zugrunde liegt.

Warum dieser Umweg des Verzerrens beim Überspielen vom Tonband auf die Lackfolie und des Entzerrens im Verstärker bei der Wiedergabe? Die Erfahrung lehrt, daß in der Musik nicht alle Frequenzanteile gleich stark vertreten sind. Mittlere und tiefe Frequenzen kommen häufiger vor als hohe.

Da die Frequenz sich zur Schnelle proportional und zur Amplitude umgekehrt proportional verhält, würden beim Schneiden mit konstanter Schnelle die Amplituden der Bässe so groß werden, daß der Nadelträger des Tonabnehmers Schwierigkeiten hätte, diesen zu folgen.

Außerdem würden diese großen Amplituden zu stark verbreiterten Schallrillen führen, von denen nur eine geringere Anzahl auf einer Plattenseite unterzubringen wäre, d. h. die Spieldauer einer Schallplatte würde kleiner werden.

Hingegen sind die Amplituden der hohen Frequenzanteile in der Musik kleiner als die der tieffrequenten Frequenzanteile (man sieht das an der Amplituden-Statistik). Man kann es sich daher leisten, beim Überspielen die Schnelle und die Amplituden der hohen Frequenzen anzuheben, ohne daß sich beim Abtasten Schwierigkeiten ergeben. Durch dieses Anheben der Höhen beim Schneiden und das nachfolgende Absenken bei der Wiedergabe wird außerdem der Rauschpegel bis zur Unhörbarkeit unterdrückt.

Der einzige Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß infolge der Baßanhebung im Entzerrer-Vorverstärker eventuell vorhandene Rumpel- oder Brummgeräusche (teilweise sehr stark) mitverstärkt werden. Deswegen haben die bei vielen HiFi-Verstärkern vorhandenen Rumpel-Filter durchaus ihre Berechtigung.

Die wichtigsten Qualitätskriterien von Tonabnehmern sind: Frequenzgang, Übereinstimmung der Frequenzgänge in beiden Kanälen, Übersprechdämpfung, Frequenzintermodulation, Nadelnachgiebigkeit und Abtastverhalten. Alle diese Eigenschaften werden in unseren Tests untersucht. Zur Abrundung des Urteils über Tonabnehmer gehört in jedem Falle auch der vergleichende Musik-Hörtest.

Frequenzgang und Übersprechdämpfung von einem Kanal zum anderen werden mit Hilfe der Meßschallplatte QR 2009 und dem Pegelschreiber 2305 von Brüel und Kjaer gemessen und auf Schrieben registriert.

Die Frequenzgänge von magnetischen Tonabnehmern sind im Bereich zwischen 50 und 8000 Hz, bei manchen auch noch weiter zu hohen Frequenzen hin, absolut geradlinig. Im Bereich der Höhen oberhalb 8, 10 oder 12 kHz beobachtet man eine mehr oder weniger ausgeprägte Anhebung, die von der Eigenresonanz des Nadelträgers herrührt.

Unterhalb von 50 Hz tritt gelegentlich eine leichte Anhebung der Bässe auf. Meist ist diese auf eine Resonanz zurückzuführen, die durch das Zusammenwirken von Nadelnachgiebigkeit und träger Masse des Tonarms zustandekommt.

Die Frequenz dieser Eigenresonanz liegt um so höher, je kleiner die Nadelnachgiebigkeit des Tonabnehmers und je kleiner die träge Masse des Tonarms ist, und um so tiefer je größer diese beiden Charakteristika sind.

Die Nadelnachgiebigkeit (im Englischen Compliance) wird in cm/dyn ausgedrückt. Sie hat den Charakter des Kehrwerts einer Federkonstante, denn sie beschreibt mit welcher Auslenkung der Nadelträger auf eine bestimmte Kraft reagiert. Je größer die Nadelnachgiebigkeit, desto bereitwilliger folgt der Nadelträger den Auslenkungen der Schallrille und desto kleiner kann die Auflagekraft des Tonabnehmers gewählt werden.

Die hochwertigsten magnetischen Tonabnehmer haben heute Nadelnachgiebigkeiten bis zu 40 x 10~6 cm/dyn und können an entsprechenden Tonarmen mit Auflagekräften bis herab zu 0,3p betrieben werden.

Derart kleine Auflagekräfte sind nicht etwa Selbstzweck, sondern werden im Interesse - man kann schon fast sagen - absoluter Plattenschonung angestrebt.

Die Stärke der Höhenresonanz hängt nämlich ab von der schwingenden Masse des Nadelträgers. In diese geht voll die Masse des Diamanten ein. Daher will man diesen so klein wie möglich halten und dessen Spitze, aus Gründen präziser Abtastung, elliptisch verrunden. Durch kleine Verrundungsradien erhöht sich der Druck auf die Rillenflanken, den man nur dadurch unter dem kritischen Wert halten kann, daß man die Auflagekraft reduziert.

Aus dem bisher Gesagten folgt, daß ein Tonabnehmer einen um so leichteren Tonarm benötigt, je größer seine Nadelnachgiebigkeit ist, sonst verlagert sich die Eigenresonanz des schwingenden Systems, das durch Tonabnehmer und Tonarm gebildet wird, unterhalb 10Hz.

Bei einer so tiefen Eigenresonanz können tieffrequente Störungen der Schallplattenoberfläche zur Unterbrechung des Kontakts zwischen Nadel und Rillenflanken und damit zu Abtastschwierigkeiten führen. Diese Eigenresonanz sollte zwischen 12 und 18 Hz, aber nicht darüber liegen, weil sie dann den Frequenzgang des Tonabnehmers verändern würde. Oft ist zu beobachten, daß die Eigenresonanz einer Tonabnehmer-Tonarmkombination nur schwach ausgeprägt und dabei noch stark bedämpft ist. In solchen Fällen kann aber die Eigenresonanz auch unter 10Hz liegen.

Die Übersprechdämpfung soll nach DIN 45 500 bei 1 kHz über 20dB liegen. Nur bei wenigen Typen wird dieser Wert unterschritten. Bei manchen beträgt die Übersprechdämpfung bis zu 30dB und darüber. Wichtig ist, daß die Übersprechdämpfung von links nach rechts und von rechts nach links etwa gleich groß ist. Treten in dieser Hinsicht große Unterschiede auf, so liegt der Verdacht nahe, daß der Taumelwinkel des Tonabnehmers nicht stimmt, d. h. daß die Nadel von vorne betrachtet, nicht senkrecht in der Rille steht.

Die Übereinstimmung zwischen den Kanälen soll nach DIN 45 500 besser sein als 2 dB. Diese Forderung wird im allgemeinen eingehalten.

Ein Maß für die nichtlinearen Verzerrungen eines Tonabnehmers ist die Frequenzintermodulation. Sie wird mit Hilfe der DIN-Meßplatte 45 542 und einem Tonhöhenschwankungsmesser nach DIN 45 507 (EMT 420A) für das Frequenzpaar 300Hz/3000Hz gemessen.

Das Meßergebnis hängt von der Auflagekraft des Tonabnehmers und von der Aussteuerung der Modulation ab. Für die optimale Auflagekraft ergibt sich der kleinste Wert der Frequenzintermodulation (FIM). DIN 45 500, in dieser Beziehung sehr streng, fordert einen Wert von maximal 1%. Es gibt eine ganze Reihe sehr hochwertiger Tonabnehmer, deren FIM für Vollaussteuerung und bei optimaler Auflagekraft über 1% liegt.

Nicht unwichtig ist auch der vertikale Spurwinkel. Darunter versteht man den Winkel zwischen der Tangente an den Kreisbogen, den die schwingende Nadelspitze beschreibt, und der Vertikalen auf der Plattenoberfläche.

Bild 4 ist zu entnehmen, daß dieser Winkel gleich demjenigen zwischen der Verbindungslinie von Nadelträgerdrehpunkt und Nadelspitze und Plattenoberfläche ist. Dieser Winkel sollte mit demjenigen übereinstimmen, der beim Schneiden der Lackfolie vorhanden ist. Deshalb wurde er auf 15° ±5° normiert. Unter anderem wird die FIM verschlechtert, wenn dieser Winkel von 15° abweicht.

Nadelnachgiebigkeit und Abtastverhalten hängen eng zusammen. Im allgemeinen darf man sagen, daß das Abtastverhalten für tiefe Frequenzen und große Amplituden um so besser ist, je größer die Nadelnachgiebigkeit des Tonabnehmers ist. Für das Abtastverhalten im Bereich der Höhen sind u. a. die träge Masse und die Eigenschaften des Lagers des Nadelträgers maßgebend, dieselben Dinge also, die auch die Höhenresonanz beeinflussen.

Selbstverständlich wird das Abtastverhalten auch durch die Eigenschaften des Tonarms bestimmt, von dessen Reibungsfreiheit, dessen träger Masse, der Kompensation der Skating-Kraft usw.

Im Test wird daher mit Hilfe geeigneter Modulationen geprüft, welche Amplituden in müh (1u = 10 hoch-3 mm) bei welcher Auflagekraft an welchem Tonarm von dem zu untersuchenden Tonabnehmer sauber abgetastet werden.

Diese Prüfung erfolgt getrennt für tiefe (dhfi-Schallplatte Nr. 2) und für hohe Frequenzen (Shure-Testplatte TTR-101). Vom Test der ADC-Tonabnehmer (vgl. S. 30) an, bedienen wir uns zur Bestimmung der Abtastfähigkeit in den Höhen einer Meßmethode, die zu quantitativen Ergebnissen führt.

Die US-Firma "Shure Brothers" hat unter der Bestellnummer TTR-103 eine Meßplatte herausgebracht, die bei einer Impulsfolgefrequenz von 270 Hz Impulspakete von 10,8-kHz-Schwingungen enthält, die über ein Terzfilter von 10,8 kHz Mittenfrequenz gegeben worden sind. Das Spektrum eines solchen Signals erweist sich als sehr empfindlich gegen jede Veränderung des Signals, z. B. hervorgerufen durch unsauberes Abtasten der 10,8-kHz-Schwingungen.

Analysiert man nun das abgetastete Signal mittels eines Bandpaßfilters, das bei ausreichender Flankensteilheit Schwingungen der Frequenz 10,8 kHz durchläßt und eines weiteren, dessen Durchlaßfrequenz bei 270 Hz liegt, teilt man die zuerst genannte Signalspannung durch die zweite und multipliziert man diesen Quotienten mit 100, so erhält man ein in Prozent ausgedrücktes Maß für die Abtastverzerrungen bei 10,8 kHz (vgl. ausführliche Darstellung der Meßmethode in Heft 12/72 der Zeitschrift HiFi-Stereophonie).

Ein hochwertiger Tonabnehmer kann nur an einem hochwertigen Tonarm zu optimalen Ergebnissen führen. Tonarme mittlerer Qualität sollten mit Tonabnehmern ausgestattet werden, die keine allzu hohe Nadelnachgiebigkeit aufweisen. In dieser Hinsicht ist es besonders ratsam, sich an die Ergebnisse unserer Tests zu halten, wenn man keine Enttäuschung erleben will. Selbstverständlich gibt es noch andere Wandler-Prinzipien als die hier beschriebenen.


Karlsruhe, Artikel vom Mai 1973 von Dipl. Phys. Karl Breh
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