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Ein Artikel aus der Funkschau - Schallplatte und Tonband

FUNKSCHAU 1965, Heft 14 - Seite 379 von WERNER SCHULZ

Etwas reißerisch aufgemacht : Bessere Schallplatten mit dem Tracing-Simulator

Verbesserungen setzen voraus, daß Mängel da sind. Selten werden aber die Mängel eines Produktes so gelassen offenbart wie nach ihrer Beseitigung - zweifellos, um den erzielten Fortschritt zu verdeutlichen.

Daß die Schallplatte, insbesondere die Stereoschallplatte, noch gewisse Qualitätsmängel besitzt, ist ein offenes Geheimnis - sie lassen sich an zehn Fingern abzählen.

Der Tracing-Simulator von Telefunken-Teldec (nein - von RCA)

In Zukunft braucht man jedoch (und das ist der Fortschritt) drei oder vier Finger weniger zu diesem Zweck. Dies verdankt man einem neuen Aufnahmeverfahren Tracing-Simulator von Telefunken-Teldec, Berlin.

Der Name deutet bereits auf die angelsächsische Abstammung des neuen Kindes der Übertragungstechnik. Bei der RCA ist das Prinzip vor etwa drei Jahren entstanden [Tracing Distortion Correlator). Hierzulande wurde es von allen einschlägigen Firmen aufmerksam beobachtet. Teldec hat es weiterentwickelt und modifiziert.

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Die Abtastverzerrungen der Schallplatte

ein BRAUN PCS5 aus dieser Zeit

Jeder kritische Hörer wird längst bemerkt haben, daß die nichtlinearen Verzerrungen einer Platte, anfangs kaum wahrnehmbar, in den inneren Rillen stark ansteigen.

Besonders deutlich zeigt sich dieser Effekt bei Musikwerken, die sich zu einem gewaltigen Fortissimo-Schluß steigern, wobei die Einzelheiten der Partitur freilich in ganz werkfremden „Obertönen" untergehen.

Wenn die Datendichte ansteigt, gibt es Verluste

Die Tonarm-Geometrie

Nun ist bei allen Informationsübertragungen eine Verformung oder ein Verlust von Nachrichteninhalt unvermeidbar.

Die schwachen Glieder der (oft zitierten) Kette sind die Wandler, die schwächsten unter ihnen wiederum die elektrisch-mechanischen Wandler, wie Lautsprecher und Mikrofone, Schneiddosen und Rillenabtaster.

Auf die Wandlerfehler der letztgenannten Systeme und auf den Dynamikverlust in den Innenrillen wirkt das neue Verfahren entscheidend ein.
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Der Knackpunkt ist die Geometrie des Abtasters

Der Rillenabtaster vermag wegen seines nicht unterschreitbaren Spitzenradius nicht getreu der Rillenspur zu folgen, weder bei der Tiefenschrift noch bei Seitenschrift - und erst recht nicht bei kombinierter Tiefen- und Seitenschrift, also bei Stereoaufzeichnung.

Das liegt an seiner Geometrie: Die Abtastspitze hat einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt mit einer Spitzenverrundung um 15um; der Schneidstichel dagegen ist auf Dreieckquerschnitt hinterschliffen, damit beim Gravieren Materialquetschungen vermieden werden.

Das Bild 1 zeigt es :

Bild 1. Schallrille in Seitenschrift. Eingezeichnet sind Schneidstichel und Abtaster

In Bild 1 sind eine sinusförmige Schallrille in Seitenschrift und ein Schnitt durch den Schneidstichel zu sehen. Die Rillenkanten haben, senkrecht zur Nulllinie gemessen, stets den gleichen Abstand von der Rillenmitte, dem eigentlichen Abbild der Aussteuerung, sie sind äquidistant.

Ganz anders als der hinterschliffene Schneidstichel liegt aber die runde (konische) Abtastspitze in der Rille. Auch das zeigt Bild 1.

Die Auflagepunkte sind mit A und B bezeichnet. Die Punkte A und B halten zwar als Kreispunkte auch den gleichen Abstand, jedoch steht ihre Verbindungslinie immer senkrecht zur sinusförmigen Aussteuerung, das heißt, ihre Richtung stimmt nur in den Scheitelwerten der Aussteuerung mit der Flankendistanz überein.
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  • Anmerkung : Man sieht auch ganz deutlich, daß es bei konischen Abtastnadeln zwischen den beiden Markierungen A und B, also den beiden Berührungsflächen der Nadelspitze einen Zeitunterschied gibt in Fom von Phasenverschiebungen zwischen den beiden Kanälen.

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Wenn die Abtastspitze "klemmt" ......

Bei den Nulldurchgängen stellt sich der Abtastspitze der Rillenquerschnitt erheblich enger dar - sie klemmt und muß nach oben ausweichen.

Dieser Klemmeffekt erzeugt unter anderem die sogenannten Spurverzerrungen. Bei Zweikomponentenschrift und entsprechenden Abtastern treten Spurverzerrungen zwangsläufig in beiden Richtungen auf, als Tiefen- und Seitenkomponenten mit charakteristischem Oberwellenspektrum.

Sie überlagern sich in unschöner Weise dem Programm. Die mathematische Abhängigkeit des Oberwellenspektrums von der Aussteuerung, dem Radius der Abtastspitze, von der Laufgeschwindigkeit der Rille, der Frequenz usw. ist bekannt und wird später noch kurz gestreift. Es genügt die Kenntnis der quadratischen und kubischen Klirranteile.
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Der horizontale Spurfehlwinkel

Der Schneidstichel wird bekanntlich von einer Geradführung über der Folie gehalten, der Abtaster hingegen um ein Auflager außerhalb des Plattentellers geschwenkt. Die Längsachse des Abtasters bildet somit nicht immer (wie es sein sollte) die Tangente an der Rillenspur.

So entsteht der horizontale Spurfehlwinkel, dem die Hersteller durch geeignete Lagerpunkte und durch geschicktes Abwinkeln des Tonarms zu begegnen suchen. Dieser Fehlwinkel sei hier vernachlässigt.

Der vertikale Spurfehlwinkel

Bild 2. Abtastung in vertikaler Richtung mit Tiefen- schrift. Entstehung des vertikalen Spurfehlwinkels

Doch damit nicht genug. Die Zweikomponentenabtastung reagiert auch auf den vertikalen Spurfehlwinkel (Bild 2).

Soll die Nadel auch den Tiefenauslenkungen folgen, so muß sie um einen Befestigungspunkt schwenken, der (innerhalb des Tonkopfes) notwendigerweise über der Plattenoberfläche liegt.

Das bedeutet: Die Bewegung der Abtastnadel geht nicht senkrecht zur Plattenoberfläche vonstatten, sondern auf einem geneigten Kreisbogen. Verzerrungen sind die unliebsame Folge.

Diesen Verzerrungen durch den vertikalen Spurfehlwinkel, denen auch die Fehler durch die Elastizität des Plattenmaterials zugeordnet werden können, widmet sich der "Tracing Simulator" ebenfalls.

Das Prinzip des Tracing-Simulators

Zunächst sei eine kurze Abschweifung auf das Gebiet der Optik erlaubt. Schon immer gehörte es zu den Wunschträumen vieler Fotoliebhaber, aus alten unscharfen Bildern durch irgendeinen Prozeß wieder klare Konturen hervorzuzaubern.

Dieser Wunsch wird immer unerfüllt bleiben. Was man jedoch tun kann; man kompensiert die Unschärfe am Ort ihres Entstehens dadurch, daß man mehrere Glaslinsen mit „gegenphasigen" Abbildungsfehlern zu einem korrigierten scharf zeichnenden Objektiv vereinigt.

Wenn man ermittelt hat, welcher Art die Aberration (Anmerkung : optische Verzerrung) eines Lichtstrahls beim Durchdringen eines Glaskörpers ist, lassen sich andere Glassorten finden und hinzufügen, die diese Aberration gerade wieder aufheben.
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Was macht der Tracing-Simulator ?

Ähnliches gestattet auch der Tracing-Simulator. Er kann zwar nicht aus einer hoffnungslos verzerrten historischen Tonaufnahme, von Caruso etwa oder von Wilhelm II, ein klangreines Hi-Fi-Wunder herausdestillieren.

Er kann aber die Fehler, die beim Schneid- und Abtastvorgang sich einschleichen, erkennen, sie in einer Analogschaltung simulieren und sie mit kompensierendem Vorzeichen dem Programm noch vor dem Gravieren (Schneiden) beimischen.

Damit läßt sich der Restfehler auf ein praktisch unhörbares Maß herabdrücken. Das Programm wird also mit einer genau dosierten Vorverzerrung versehen, die so ausgelegt ist, daß sie durch den tatsächlichen Abtastvorgang wieder beseitigt wird. Dabei ist aber zu beachten, daß es sich um eine nichtlineare Vorverzerrung handelt (zweite und dritte Harmonische des Programms)!

Die seit längerem bekannte und praktizierte lineare Vorverzerrung, etwa die Amplituden-Anhebung hoher Tonbereiche zur Rauschunterdrückung, wird hiervon nicht berührt. Die nichtlineare Preemphasis ist eben das Besondere und Neuartige.
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Die "Funktionsgeber" zur Ableitung der Korrektursignale

Wie erreicht man, daß die Nadel bei Sinusaussteuerung sinusförmig ausgelenkt wird? Dadurch daß die Rille nicht sinusförmig geschnitten ist! Sie ist sorgfältig verzerrt.

Das geschieht mit Hilfe der Funktionsgeber, getrennt für Horizontal- und Vertikalauslenkung. Bei der Seitenschrift wird (vgl. Bild 1) die Auslenkung im Scheitelpunkt erhöht, im Nulldurchgang dagegen belassen. Bei der Tiefenschrift ist es umgekehrt.

Als Beispiel sei die zweite Harmonische eines Grundtones der Frequenz f betrachtet, die infolge des Klemmeffektes entsteht. Sie zeigt folgende vereinfachte Abhängigkeit vom Radius "r" der Abtastspitze, von der Aufzeichnungsschnelle (d. h. der Aussteuerung) "s" und der Rillenlaufgeschwindigkeit "v":

Die Formel Nummer 1

Es gilt also, in einer Analogschaltung die Störgrößen r, f, s und v so nachzubilden und zu verknüpfen, daß an ihrem Ausgang die zweite Harmonische nach Gleichung 1 entnommen werden kann. Das ist die Aufgabe des Funktionsgebers.

Zunächst wird in einer ersten Stufe die nötige Quadrierung der Schnelle s besorgt, und zwar durch einen Mischer. In der Mischstufe wird auch die doppelte Frequenz erzeugt.

Dann wird das so gewonnene Signal differenziert, das heißt, um 90° in der Phase verschoben, was dem Faktor -n (pi) entspricht.

Ein Potentiometer, von der Rillenlaufgeschwindigkeit v quadratisch (über den Abspieldurchmesser) gesteuert, gibt den Faktor 1:v2 ein. Der Nadelradius r schließlich, vorgegeben und konstant, wird über ein Festpotentiometer berücksichtigt. Die Abhängigkeit von der Frequenz f entsteht beim Differenzieren.

Es gibt vier solcher Funktionsgeber

Im Tracing-Simulator sind vier solcher Funktionsgeber vorhanden, je zwei für die quadratischen und kubischen Klirranteile der diversen Verzerrungen und ihre verschiedene Richtung. Die Ableitung der kubischen Anteile geschieht ähnlich wie die bereits geschilderte der quadratischen. Dabei wird auch die Phasenverschiebung zwischen beiden berücksichtigt.

Die zweite Harmonische der Spurfehlwinkelverzerrungen gehorcht einer ähnlichen Funktion wie die beschriebene der Spurverzerrung:
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Die Formel Nummer 2

Darin sind "lamda" der eigentliche Spurfehlwinkel, s die Schnelle der Aussteuerung und v wiederum die Rillenlaufgeschwindigkeit.

Aus dieser Formel läßt sich sehr gut erkennen, warum die Verzerrung der Platte in den Innenrillen zunimmt: wegen der abnehmenden Laufgeschwindigkeit v (d. h. 1:v nimmt zu). Außerdem muß die Dynamik sehr stark herabgesetzt werden, denn die Aussteuerung s geht quadratisch ein.

Ist das nicht recht durchzuführen - bei den erwähnten lauten Musikwerken - steigen die Verzerrungen eben stark an. Die Spurfehlwinkelverzerrungen werden in ganz ähnlichen Schaltungen kompensiert wie die Klemmeffektverzerrungen.

Einige Ergebnisse

Bild 3a. Quadratische Anteile des Klirrfaktors infolge der Spurver- zerrungen, dargestellt in Abhängig- keit von der Aufzeichnungsschnelle (Aussteuerung)
Bild 3b. ..... und in Abhängigkeit der Frequenz

Die Ergebnisse des Tracing-Simulator-Verfahrens gehen wohl sehr anschaulich aus den Bildern 3 bis 5 hervor, welche die Klirranteile vor und nach der Kompensation zeigen.

Die Maximalaussteuerung beträgt etwa 10cm/sec. Die dabei zu erwartenden Klirrfaktoren belegen eindeutig, warum und in welchem Maße der Nutzpegel der Aufzeichnung abgesenkt werden muß, natürlich zugunsten des störenden Rauschens.

Bei dem neuen Verfahren sind aber (Bild 4 - weiter unten) selbst bei Pegeln von -3dB (0dB wäre Vollaussteuerung) noch gute Höreindrücke zu erzielen.

Bild 5 (weiter unten) zeigt den Klirrfaktorverlauf über den Abspieldurchmesser der Platte hin, einmal mit, einmal ohne Tracing-Simulator. Auch die Intermodularionsverzerrungen gehen sehr stark zurück.
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  • Anmerkung : Beachten Sie die Skalierung der Diagramme insbesondere die Bilder 3a und 3b. Die Pofis wußten also damals bereits, daß bei Stereoplatten zum Ende zu Klirrfaktoren bis über 20% !!!! vorkommen.

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Eine Vorführung in der Technischen Hochschule München

Bei einer Vorführung in der Technischen Hochschule in München hatte H. Redlich (Anmerkung : Horst Redlich von TELDEC) zwei Demonstrationsplatten in neutralen weißen Tüten bei sich. Auch ohne Aufdruck, allein nach dem Gehör, konnte man entscheiden, welche der beiden Aufnahmen einer recht diffizilen Opernarie nach dem herkömmlichen und welche nach dem neuen Verfahren geschnitten war.
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Es ist aber weder trivial noch unproblematisch

Bild 4. Klirrfaktor mit und ohne Tracing-Simulator in Abhängigkeit von der Aussteuerung (Vollaussteuerung = 0 dB)
Bild 5. Klirrfaktorvergleich bei verschiedenen Abspielradien. Vollaussteuerung bei f = 3250 Hz

Der Qualitätsgewinn auf der einen Seite bringt aber einige Schwierigkeiten auf der anderen Seite mit sich. Davon ist bekanntlich keine technische Entwicklung frei.

Hier sind es die gestiegenen Ansprüche an die Präzision der Schneid- und Abtastwerkzeuge. Es ist eigens ein neuer Schreiber entwickelt worden, dessen Frequenzgang nach den hohen Frequenzen hin um das Dreifache erweitert wurde.

  • Anmerkung :
    Das wären dann ca. 60 kHz !!!!)


Die genaue Einhaltung der Phasenbeziehungen innerhalb des aufgezeichneten Spektrums zwingt dazu. Er ist mechanisch sehr starr ausgeführt und so neigbar, daß der genormte vertikale Spurwinkel von 15° unabhängig von den Elastik-Eigenschaften des Folienmaterials sicher eingehalten werden kann.
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Weiterhin exakte Einhaltung des Spurwinkels von 15°

Auch auf der Abspielseite müssen einige Voraussetzungen getroffen werden, damit das neue Verfahren alle seine Vorzüge entfalten kann. Dazu gehört in erster Linie die exakte Einhaltung des Spurwinkels von 15°, denn damit steht und fällt die Wirkung auf den Hörer. Bei Abweichungen von diesem Normwinkel um einige Grad (mehr als ±5°) läßt die Kompensation der Winkelverzerrungen nach.

Außer dieser Vorausetzung gibt es noch eine extrem wichtige Eigenschaft :

Der wesentliche Knackpunkt ist die sphärische Nadelform ...

Gerade hier sind aber noch Verbesserungen der Tonabnehmersysteme am Platze, denn, wie Horst Redlich berichtete, zeigen selbst hochwertige und gerühmte Fabrikate erhebliche Abweichungen von diesem Wert.

Am besten lagen nach diesen Messungen die Systeme SNM 106 von Elac und M44 von Shure. Ferner ist eine Spitzenverrundung der Abtastspitze von 15um unbedingt vorausgesetzt. Auch hier wirken sich die gemessenen Streuungen (um ±3um) nachteilig auf die Kompensation der Verzerrungen aus.
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Aussicht in die Zukunft .....

Der Tracing-Simulator scheint ein wirklich epochemachender Fortschritt auf dem etwas stagnierenden Gebiet der Schallplattentechnik zu sein - durchaus vergleichbar mit der Einführung der Kunststoffschallplatte in der heute gewohnten Dynamik.

Das Prinzip könnte aber auch, wenn es sich durchsetzt, auf das gesamte Gebiet der Nachrichtenwandler und die Beherrschung ihrer Nichtlinearitäten entscheidend einwirken.
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