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"Das System Schallplatte"

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Über die Kräfte und den Verschleiß der Platten

Lange Zeit gab es nur vage Informationen und empirische Untersuchungen über die physikalischen Zusammenhänge der Mechanik, die sich in der Rille abspielen.

Eines sollte auf jeden Fall klar sein : ohne Verschleiß ist eine mechanische Abtastung von in den Rillen von Kunsstoffscheiben eingebetteten Informationen nicht machbar. Es gibt immer einen Verschleiß, entweder des Abtaststiftes (unseres Diamanten) oder der Rillenflanken.

Die Frage, die sich stellt, ist nur, worauf kommt es wirklich an und wieviel Verschleiß muß man beachten bzw. hinnehmen.
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Fangen wir mit der Theorie an:
(1) Wenn die Platte steht ...

Wir stellen das Auflagegewicht unseres Abtasters zum Beispiel auf 2 Pond ein und setzen den Abtaster auf die "stehende" Platte auf. Dann haben wir keinerlei Bewegung und damit auch keine Reibung, aber wir haben 2 Druckstellen.

Die runde Spitze der Abtastnadel berührt die beiden Flanken der v-förmigen Rille an 2 Stellen und drückt dort (senkrecht von oben) auf die beiden 45° schrägen Kunststoff-Flächen, die Flanken der Rille.

Den Pressdruck kann man jetzt ausrechnen (umgerechnet auf einen Flächen-Druck pro Quadratmeter), wenn man die Berührungs-Fläche messen könnte. Man kann auch ausrechnen, wie tief bei welcher Elastizität des verwendeten Kunststoffes die Nadelspitze an diesen Flächen in den Kunstsoff eintaucht bzw. ob die Nadelspitze nur auf die Oberfläche drückt.

Vorweggenommen, es sind (oder wären) Tonnen pro Quadratmeter, weil die beiden Berührungs-Flächen extrem klein geworden ist und die Flächen auch noch 45° abgeschrägt sind. Die Nadelspitze drückt ja senkrecht von oben auf diese schrägen 45° Flächen. Bei einem Verrundungsradius von 15µm ist die Berührungsfläche eines elyptischen Diamanten vielleicht 3µm x 2µm bei einem Druck von oben mit 2 Pond (auf beide Flanken).

Dabei ist auch wichtig, daß diese beiden Flanken jeweils 45° schräg stehen, also die von oben einwirkende Kraft noch größer ist als der einfache Druck auf eine waagrechte Fläche.
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(2) Wenn sich die Platte dann dreht . . . .

Weiter mit der Theorie : Angenommen, wir hätten eine spezielle Schallplatte (zum Beispiel eine 33er Langspielplatte mit 30cm Durchmesser) und einer durchgehenden leeren Rille - also völlig ohne ein Signal. Das sind zum Beispiel auf fast allen Platten die Einlaufrillen ganz vorne und die Auslaufrillen am Ende der Musik ganz innen.

Als Hilfskrücke zum Verstehen kann man durchaus auf das uralte Tefifon Schallband zurückgreifen, welches für unsere Überlegung theoretisch unendlich lang ist und dabei immer geradeaus läuft.

Jetzt kommt also zu dem oben beschriebenen statischen Pressdruck
(einer stehenden Rille) die Reibung durch die Bewegung der Rille hinzu (der Abtaster ist fest montiert). Diese Reibung ist natürlich von der Geschwindigkeit abhängig und die verändert sich mit dem abnehmenden Durchmesser nach innen hin. Die Geschwindigkeit wird immer geringer, weil der in der Rille zurückgelegte Weg pro Umdrehung immer kürzer wird.

Da sich die Abtastnadel in dieser absolut geraden Leer-Rille nicht seitlich oder senkrecht bewegen muß, kommt zu dem statischen Pressdruck nur der Vorgang der Reibung hinzu. Auch hier ist die mathematische Berechnung der Kräfte noch "übersichtlich".
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(3) Und jetzt - mit der Musik - wird es kompliziert und komplex ...

Wenn die Rille nicht (akustisch) "leer" ist, sondern "moduliert" ist, also ganz wilde Schlenker (oder Auslenkungen) nach rechts und links und nach unten und wieder nach oben macht, wird das mathematische Gebilde der jetzt auftretenden Kräfte komplex.

Jetzt kommt nämlich der Begriff der "Schnelle" ins Spiel. - Zu der Kraft und der Reibung durch die Drehbewegung der Platte (besser - Vorwärtsbewegung der Rille) kommt eine sich stetig verändernde dynamische Kraft der Rillenbewegung hinzu. Und die ist sowohl frequenzabhängig wie auch amplitudenabhängig. Eine Erklärung dazu :

Beispiel : Ein tiefer gezupfter oder gestrichener elektrischer oder akustischer Kontrabass kann nämlich laut oder auch leise "in der Rille" enthalten sein. Die Frequenzen bewegen sich oft im Bereich unter 200Hz bis 50Hz herunter, doch die tieffrequenten großen Auslenkungen der Rille sind jetzt erheblich von der Lautstärke, dem Pegel, abhängig.

Ein anderes Beispiel : Ein agressiv geblasenes Jaz-Saxophon oder die extrem markante und laute Stimme von Milva (oder anderen "rauchigen Kehlen") oder die angerissene Gitarre von Mark Knopfler von Dire Straits bewegen sich im Frequenzbereich zwischen 1000 und 6000 Hz und bringen in diesen Lautstärken manchen Mitteltöner zum deutlichen Verzerren, so auch meine super tollen JBL L90 Boxen. Dort kommen also erhebliche Pegel in diesem hohen Frequenzbereich vor.

Und damit sind auf der Platte (in der Rille) in diesem Beispiel zum einen recht hohe (und damit schnelle) Frequenzen enthalten und dazu noch mit verhältnismässig großen Auslenkungen.
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Die Nadel wird hin und her "geschleudert".

Die Abtastnadel soll nicht nur, sie "muß" diesen Schlenkern theoretisch "widerstandslos" folgen (können). Damit treten jetzt komplexe sich stetig verändernde Kräfte auf, die man nicht so einfach mathematisch abbilden kann.
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Jetzt ist die Anzahl der Variablen (also der "Werte" oder sogar der "Unbekannten") in dieser mathematischen Gleichung zur Ermittlung der Kräfte ziemlich groß geworden.

Die Abtastnadel wird von der Rille in eine Seitwärtsbewegung (sowie eine Auf- und Ab-Bewegung) gezwungen und dann mit Gewalt in die entgegengesetzte Richtung "geschleudert". Sie erreicht dann auf der Geraden die maximale Geschwindigkeit (das ist die sogenannte "Schnelle") und wird entgegen dem inzwischen "getankten Schwung" (das ist die populäre Bezeichnung für die kinetische Energie) schon wieder in die entgegengesetzte Richtung gequält, nämlich brutal herumgerissen.

Die Umkehr der Bewegungsrichtung
erzeugt enorme Druck-Kräfte auf diese beiden kleinen Berührungsflächen, mal links mal rechts, je nach Kurbvenrichtung, auf jeden Fall deutlich größere Kräfte als die Reibungskräfte in der oben beschrieben (geradeaus) Leer-Rille.

Dazu kommt bei der Flankenschrift (also Stereo) auch noch die Auf- und Ab-Bewegung, die von der Nadelaufhängung auch noch verarbeitet und dennoch bedämpft werden muß. Der Kontakt mit der Rille darf um keinen Preis verloren gehen.

Und wir sind erstmal nur bei der mathematischen Beschreibung / Darstellung der Bewegung, noch nicht bei der Masse der Nadel und der Masse und der Stabilität des Nadelträgers (Röhrchens) sowie der notwendigen Dämpfung und der Rückstellkraft durch den Gummi- oder Silikon-Block.

Es fehlt auch noch die Beschreibung des Wandlers von Bewegung in elektrische Spannung.
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Die Zielfrage nach der Optimierung des Verschleißes ....

Am Ende möchte der Konstrukteur eines Abtasters eine mathematische Gleichung haben, die ihm je nach den angebotenen (eingefütterten) (Eck-) Werten, den Verschleiß der beteiligten Materialien ausrechnet, immer unter dem Aspekt der optimalen Gesamt-Abtastqualität. Denn nur mit einer genauen mathematischen Simulation der Gesamtheit aller Funktionen kann solch ein Abtaster (oder aber das Plattenmaterial - ist aber reine Theorie) optimiert werden.

Dazu liegt uns eine Dissertation aus 1969 von der TH Karlsruhe vor, in der damals solche Berechnungen mit allen notwendigen bzw. vorkommenden Parametern "hergeleitet" bzw. entwickelt wurden. Eine Schlüssel-Information ist die Ermittlung der sogenannten "mechanischen Impedanz".

Aus dieser Dissertation können wir im Jahr 2019 gerade noch die Denk-Ansätze und physikalischen Vorgaben sowie die vielen unterschiedlichen Parameter (Werte) entnehmen. Die Fortentwicklung der Computertechnik mit neuen genialen Simulationsprogrammen (und der modernen Hardware) in den vergangenen 50 Jahren bietet inzwischen ganz andere "Vorhersage- Möglichkeiten". Bei der Simulation von wirklich absolut resonanzfreien Lautsprechergehäusen bei der Lautsprecherfirma Canton im Taunus war ich zu Gast und hatte nur noch gestaunt, was alles möglich ist.
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Deshalb konzentrieren wir uns auf die vielen aufgezeigten Parameter und die Denkansätze und deren Ergebnisse von damals.
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Schlussfolgerungen : Welches ist die optimale Auflagekraft ?

Als bekannt gilt auch heute noch, die Reibung ist da, so der so.

Welche (eventuell abweichende) Auflagekraft hat welchen Effekt auf den Verschleiß - entweder des Diamanten oder der Vinyl-Rille ?

Kann man diese Reibung erheblich verringern ? Welche Nebeneffekte treten dann auf ?

Es treten natürlich weitere Fragen auf :

Die neuen Dimensionen der "microgroove" Stereo-Rille von 1958 sind um 1960 in etwa per DIN Norm festgelegt worden - und ganz wichtig zum Verstehen - die Stereo-Rille wurde normiert, nicht die Abmessungen der Abtaster und Abtaststifte !!!.

Da die Glanzzeit der Schallplatte vorbei ist und sich nur noch relativ wenige "Spezialisten" für diese Technik "erwärmen" können, könnte man doch die DIN Norm anpassen oder gar ganz weglassen.

Jedes noch verbliebene Schneidstudio würde dann seine Rillen so "optimal" scneiden - wie es will. Der Kunde soll halt mehrere Abtaster für seinen 6.000 Euro Dreher verfügbar halten (oder gleich mehrere 6.000 Euro Dreher aufstellen).

Die wenigen inzwischen verbleibenen Gurus (andere sprechen von Religionslehrern) streiten sich über die Eigenschaften von Tonarmen, schwer oder leicht, oder lang oder kurz, oder gestreckt oder geköpft, oder gar S-förmig. Wenige kommen zurück auf den Tangentialtonarm.

Gleiches gilt für die Abtastsysteme, ob bewegter Magnet oder bewegtes Eisen oder die bewegte Spule. Andere Experten haben einen beweglichen Kondensator gebaut und wieder andere tasten oder "leuchten" die Rille genial aber extrem aufwendig mit einem Laserstrahl ab - sehr ähnlich zu der CD/DVD.

Bei den Diamantnadeln werden auch Philosophien wie Religionen "gehandelt".
Von "nur" elyptisch bis Shibata und Matsushita und van den Hul ist alles dabei und vor allem, "jeder" hat Recht und will (kann?) es auch beweisen.

Inzwischen hat die Religion auch die Plattenteller-Achse, also das senkrechte Lager der Achse erreicht. Da soll es gewaltige klangverbessernde Unterschiede geben, behaupten diese Spezialisten.

Auch der 6 Watt Antriebsmotor für den 60 Kilo Plattenteller wird mit einem 100 Watt Netzteil gespeist, bei dem alle (hochfrequenten) Störfrequenzen aus dem Hausnetz auch nochmal doppelt gefiltert werden.
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... und noch viel mehr Fragen tun sich auf .....

Braucht der Abtaster eine hohe Nadelnachgiebigkeit oder kann die Nadelaufhängung durchaus auch "stramm" (weniger elastisch) sein ?

Sollte der Hersteller bzw. der Konstrukteur eine echte Mindestauflagekraft für ein bestimmtes Modell als zwingend vorgeben ?

Wie schwer darf ein solches Abtastsystem insgesamt sein ? Ist das Gewicht des Abtasters oder die Auflagekraft (in Newton) bzw. das Auflagegewicht (in Pond) überhaupt ein Kriterium bezüglich der Abtastfähigkeit und des Nadel- und/oder des Platten- Verschleißes ?

Welche höchste Frequenz muß ein Stereo-Abtaster "können" ?

Kann ich die Unterschiede bei der Reibung und damit beim Veschleiß von trocken und naß abgespielten Platten überhaupt vergleichend und hinreichend genau messen oder sogar berechnen ?

Sind die schweren oder die leichten Tonarme die "besseren" ?

Resume :

Die Physik der Platte spielt heutzutage keine große Rolle mehr.

Bereits 1945/46 haben sich die amerikanischen Schellack Experten intensive Gedanken über die maximale Informationsdichte bei 30cm Patten gemacht und das Maximum mal ausgerechnet, also für die (lange) Rille ganz außen und die (kurze) Rille ganz innen. Damals drehten die Platten noch mit 78 U/min. Und sie haben Schreckliches herausgefunden.

Die Informationsdichte (hier steht mehr darüber) sinke ab der Mitte (halber Radius) der 78er Platte erheblich ab und der Klirrfaktor würde auf fast 10% steigen. Diese Aussagen sind aber relativ, weil es sich um konische Saphire gehandelt hatte und keine Angaben über die Meßfrequenzen gemacht wurden. Auch konnte die Schellackplatte (oder die damaligen Schneidköpfe) maximal 7.000 Hz vertragen. Die 33er LP sollte aber bis 18.000 Hz einwandfrei arbeiten.

Später (etwa um 1960 oder 1965) hatten die Grundig Ingenieure die mögliche Qualität der (inzwischen) Stereo-Platte untersucht und nach wie vor sehr Ähnliches herausgefunden. Bei der LP-Platte mit nur noch 33 U/min steigt der Klirrfaktar ab der Hälfte des Radius erheblich an. Wie viel blieb im Nebel hängen - es sei erheblich.

Wesentlich aussagekräftiger und glaubwürdiger waren die Gespräche mit dem Chef des letzten Frankfurter Schneid-Studios, Herrn Brüggemann. Er war über 20 Jahre beim Hessischen Rundfunk in der Ton-Meßtechnik und danach noch über 25 Jahre lang mit seinem Schneidstudio selbständig. In dieser Zeit hatte er mehrere sogenannte "Neumänner" sein Eigen genannt, zuletzt zwei der allerletzten VM86.

Und er hatte als einer der ganz wenigen nichtreligiösen Fachleute die Expertise, die Fortentwicklung der Neumann-Schneidapparaturen über Jahrzehnte hautnah (natürlich aus Eigeninteresse) mitzuverfolgen.

Von einem amerikanischen Patrioten (Ted Langdell) hatte ich bei seinem Besuch hier bei uns in 2012 die Aussage bekommen, ja, die "Neumänner" seien besser als die von RCA und Westrex und die anderen Schneidmaschinen von anderen kleineren US-Herstellern.
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Ein Blick über den Tellerrand ....

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  • Der Artikel aus 1969 über die Dissertation von Dr. Schwartz ist sehr sehr lang und ausführlich und hochwissenschaftlich - und ohne mathematische Vorkenntnisse teilweise schwer zu verstehen.
  • Leichter zu verstehen ist dieser  Artikel des schweizer Autors Alastair Gurtner Dipl. El.-Ing. ETH aus 1976.

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