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Grundsätzliches zum System "Schallplatte" und den Begriffen
Das ist der Entwurf des langen Artikels !!

von Gert Redlich im April/Mai 2017 - Sowohl in den Hifi-Publikationen und anderen fachfremden Publikationen - wie auch hier in den abgebildeten Artikeln aus aller Welt - steht jede Menge Verwirrendes und schwer Verständliches.

Viele der verwendeten Begriffe werden nicht mal erläutert, sondern von den Autoren einfach nur benutzt, um die eigene Kompetenz unzweifelhaft zu dokumentieren. Und immer wieder stolpere ich auf sehr mißverständliche oder gnadenlos falsche Zusammenhänge. Das kann so nicht bleiben.

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Die analoge schwarze Schallplatte und die lange Rille

Das System der analogen Schallplatte spielt sich zu über 90 Prozent (meine Meinung) zwischen der Information in der Rille und der Nadelspitze des Abtastsystems ab.

Alle anderen Komponenten wie Abtaster, Tonarm, Laufwerk und Verstärker (und selbst die Lautsprecher) sind zwar beteiligt, aber nicht in diesen Dimensionen bzw. am Anteil in einer solch wirklich hohen Gewichtung.
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Beginnen wir mit der Schallplatte :

"Die Platte" an sich ist eine dünne runde Scheibe, ursprünglich aus einem Schellack/Stein- Staub Gemisch oder seit etwa 1948 aus Polyvinylchlorid (PVC). Benutzt wurde ganz am Anfang sogar ein Wachsscheibe, dann eine mit Wachs beschichtete Metallscheibe. In diese anfänglich glatte Scheibe (später eine dünne Kunststoffolie) wird, während sie sich dreht, spiralförmig von Außen nach Innen eine einzige lange Rille gekratzt. (Es gab auch mal spezielle Nadel-Ton-Platten für den experimentellen Tonfilm mit der Rille von Innen nach Außen.) In dieser Rille werden die Schall-Informationen gespeichert. Als "Kratzwerkzeug" wird eine Art Stichel, also ein Messer in Form eines Dreiecks benutzt. Über die Größenordnungen dieses Stichels finden Sie mehr bei den Abtastdiamanten.
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Die Schallwelle in der Rille

Schall wird physikalisch in Wellenform übertragen, vom Sender zum Empfänger, darum sprechen wir auch von Schallwellen. Das Aussehen der Rille hat also immer eine Art Wellenform und/oder man spricht auch von Kurven.

Hier rechts im Bild die visuelle Darstellung einer wohlgeformten idealen Welle eines Tones, eines perfekten sogenannten reinen Sinus-Tones - natürlich aus unserem Tongenerator.
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Die Definition von Welle und Kurve

von der Sinus-Kurve "abgeleitet"

Bei Wellen bzw. Kurven gibt es per Definition keine Ecken bzw. nichts Eckiges. Also eine Rechteckwelle oder Rechteckkurve gibt es nicht. Gleiches gilt für "Dreieckkurven" oder "Dreieckwellen", die gibt es auch nicht.
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Es sind entweder Signale oder "mäanderförmige" Auslenkungen. Ich interpretiere den Begriff "Mäander" als eine sich kontinuierlich wiederholende gleichmäßige (welllenähnliche) Ausrichtung von Linien oder Gebilden.
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Daß die Amerikaner "Sine-Wave" und "Square-Wave" in einen Topf werfen spricht nicht für deren Verstehen der Physik und hat sich aus dem typischen laxen Umgang mit der englischen Sprache entwickelt. Es ist aber dennoch definitv falsch.
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Die 3 Arten der Aufzeichnungs-"Schriften"

In diese völlig ebene und glatte Scheibe wird also im Prinzip die Schallwelle als wellenförmige Rille (aus-) "gekratzt" - wir nennen das von jetzt an "geschnitten".

Dafür kannte man 2 (später 3) jeweils patentierte Methoden :

Die Tiefenschrift auf der DHFI 1 Platte
Die Seitenschrift auf der DHFI 1 Platte
  1. die Rille mit "Tiefen-Schrift" (also auf und ab bzw. rauf und runter - mal schmaler, mal breiter, wobei die Rille aber zur Führung der Abtastspitze immer eine Mindest-Tiefe hat - nach Edison)

    und
  2. die Rille mit "Seitenschrift" (also links-rechts und rechts-links - mit einer genau definierten Einstichtiefe - nach Emil Berliner), quasi die Abbildung der gespeicherten Schallwelle als sichbarer "Schlenker der Rille" (und alles natürlich noch Mono).


Die Bilder habe ich mit einem modernen Makro Objektiv
in praller Sonne von der uralten DHFI Test-Schallplatte von 1968 gemacht. Mehr darüber steht hier.

Auf dem oberen Bild sieht man ganz deutlich, daß die Bewegung des Schneidstichels nur rauf und runter gesteuert wurde. Auf dem nächsten Bild sieht man wiederum ganz deutlich, es sind gleichbleibend tiefe Rillen-Schlenker mit (von rechts nach links) steigender Auslenkung.
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Die Flankenschrift auf der DHFI 1 Platte

Die dritte "Schrift" :
Um aber 2 getrennte Informationen (Stereo) in dieser einen Rille unterzubringen,
hat ein kluger Kopf (Blumlein 1932) diese beiden "Schriftarten" zu der 3. Schriftart (der sogenannten "Flankenschrift") kombiniert - zu einer Stereo-Schrift mit jetzt 4 Bewegungsrichtungen, die 45°-Stereo- Aufzeichnung. Mehr darüber steht in diesem Artikel und auch hier auf den historischen Seiten von Walter Bruch.
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Ein Neumann-Schneidkopf
klicken Sie auf das Bild

Der Schneidstichel und die Abtast-"Nadel"

Der Schneidstichel ist ein "mechanisch schwingendes System", bei dem an einem Anker-Röhrchen oder Halter ein scharfkantig dreieckig geschliffener Rubin - der Stichel - angebracht ist.

Der eigentliche Stichel ist die ganz ganz kleine "schwarze Spitze" an der Spitze des roten Pfeils. Dieser Stichel taucht in die Oberfläche des sich bereits drehenden Schallplatten-Rohlings ein (anfänglich eine Wachsplatte, dann die sogenannten Schneidfolie, die schon lange keine Folie mehr ist, sondern eine glatte Kunststoff-Platte) und dieser Stichel wird elektrisch exakt nach der angelieferten "elektrischen Information" (also nicht unbedingt nur nach einer Schallwelle) bewegt.

Rein theoretisch könnte der Schneidstichel annähernd rechteckige Signale verarbeiten und auch eine hinreichend recheckige Rille schneiden. Wie wir noch sehen werden, kann aber kein System eine rechteckig geformte Rille abtasten. Aber bestimmte dreieckige Signale werden so zu Prüfzwecken geschnitten.
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Ein Blick auf den roten Rubin

Diese sensiblen Diamanten kosten nahezu ein Vermögen und auch das Nachschleifen ist anspruchvoll und teuer. Diese kleine rote Spitze wird mit echten 2 x 250 Watt Sinus angesteuert und die beiden Spulen bzw. der gesamte große Schneidkopf werden mit dem Gas Helium "gekühlt" (besser gesagt, das Helium dient der Wärmeableitung an die äußeren Kühlflächen), sonst weiß die Hitze der Antriebsspulen nicht wohin.

Durch das "kleine" Röhrchen hinter dem Rubin wird der lange Span (inzwischen ein Kneul) abgesaugt, damit der kein Unheil anrichtet.
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Herr Brüggemann zeigt mir den "Span" einer geschnittenen 33er Langspielplatte.
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mit dem SME 3009 prüfen

Sofort hören - das war damals super :

Diese soeben geschnittene Rille kann man jetzt sofort mit einem Abtaster abtasten, wobei der wiederum auch ein "schwingendes System" ist, bestehend aus einer an einem Halte-Röhrchen befestigen Diamant-Spitze (und einem Magneten oder einer Spule) und der jetzt die Bewegung der Nadel (zurück) in elektrische Signale wandelt.
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Die Physik des "mechanischen schwingenden Systems"

Das beste Beispiel - ein Pendel

Warum ich immer wieder den Begriff des mechanischen !!! "schwingenden Systems" benutze, hat folgenden Grund :

Ein mechanisches schwingendes System hat immer eine Masse und die ist immer größer als "Nichts" !!!.

Selbst wenn sich diese Masse im Milli- oder Mikrogramm- Bereich bewegt, ist die Masse größer als "0". Das ist extrem wichtig, denn man kann das "Geschehen" auf dem Papier ausrechnen (quasi in mathematischen Formeln darstellen).

Mehr darüber steht hier samt der zugehörigen Formeln. Und wenn in solch einer komplexen mathematischen Formel die Masse einfließt, ist es sehr wichtig, ob sie gleich "Null" ist oder größer als "Null". Der Mathematiker erlaubt z.B. keine Division durch "Null" und auch nur ganz selten Multiplikationen mit "0". Das Ergebnis wäre zum Beispiel entweder Unsinn oder unendlich groß oder diese Formel ergibt überhaupt kein Resultat und damit keinen Sinn.
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Ein Beispiel bezüglich der Erkenntnisse aus der Mathematik

Ein Fese- Super-Orthicon
der Elektronenvervielfacher

Herr Professor Hausdörfer, Leiter der Produkt-Vorent-wicklung und Digitaltechnik der ehemals sehr renomierten Robert Bosch Fernseh GmbH in Darmstadt schuf sich 1964 gleich zu Beginn seiner Mitarbeit keine Freunde, als er behauptete, die Funktion des Orthicons und auch des Super-Orthicons könne man mathematisch in einer Formel darstellen. Der junge Doktor, der eben erst seine Physik-Promotion in Halbleitertechnik abgeschlossen hatte, stieß bei den beiden (ur)alten Chefs mit deren empirischem Vorkriegeswissen auf heftigsten Widerstand.

Das Problem war aber so simpel und einfach
, daß man sich später (ohne Gesichtsverlust natürlich) entschuldigte. Diese analoge Fernsehaufnahmeröhre krankte an der mangelnden Lichtempfindlichkeit im Bereich "rot". Die Bühnen- bzw. Szenenbeleuchtung mußte extrem hell sein, damit die Kamera ein einigermaßen rauschfreies Studio-Bild ablieferte. Die alten Herren entwickelten die vordergründig geniale Idee des sogenanten "Elektronen-Vervielfachers" mit 6 Vervielfacher-Stufen. Und Dr. Hausdörfer rechnete noch während der Entwicklung vor, daß selbstverständlich das Grundrauschen der Elektronen auch mit vervielfacht werden würde, was aber heftigst abgestritten wurde.

Leider war es aber so, das Signal war zwar deutlich stärker - aber mit genau dem gleichen sichtbaren Rauschanteil wie vorher. Und so begann unser bundesdeutsches Farbfernsehen - es war damals richtig peinlich - mit holländischen Philips LDK3 Farbkameras, weil den alten Herren erst sehr spät die Einsicht kam.

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ein Signal mit Rechteck- Form mit Dach und Anstiegs- und Abstiegs-Flanken
ein Signal mit Dreieck-Form

Bereits die Theorie sagt : Ein solches System kann sich nur auf Kurven bewegen . . .

und Kurven kennen keine Ecken (per Definition). Ich könnte also mit dem Schneidstichel theoretisch eine perfekt rechteckig geformte Rille oder eine theoretisch perfekt geformte Dreiecks-Rille schneiden.

Doch das trügt. Auch der Schneid-Stichel kann seine Bewegungs- richtung nicht abrupt ändern. Und die Platte dreht sich ja bereits. Also Rechteck-Modulationen gibt es so nicht, es wären im theoretisch günstigsten Falle Rauten.

Auch bei einer elektrisch angesteuerten Dreiecksform ist die erzwungene Umsteuerung der Bewegungsrichtung des Stichels nur theoretisch eine scharfkantige "Ecke". Oberflächlich sieht die Rille vielleicht wie eine perfekte Zick-Zack Rille aus, doch unter dem Mikroskop sieht man bestimmt, daß die "Ecken" am Ende doch rund sind. (Bilder kommen noch)
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Der begriffliche Unsinn mit den "Rechteck-Schwingungen"

Hier reflektiere ich auf hunderte von Abtaster-"Tests", die ich gefunden habe und die mit (dargestellten fotographischen) Rechtecksignalen protzen, es aber nicht (oder höchst selten) erklären, wie diese abfotografierten Rechtecksignale erzeugt werden bzw. wie man sie darstellt.

Also grundsätzlich kann man auf Schallplatten keine rechteckförmige Rille abtasten. Das geht mechanisch nicht. Weiterhin könnte ein magnetischer Abtaster solche Rillen-Signale auch gar nicht korrekt in adequate oder funktionsgleiche elektrische Signale umwandlen, denn der magnetische Abtaster erzeugt immer nur dann eine Spannung (z.B. ein Audio-Signal), wenn das schwingende System bewegt wird (nur eine Ausnahme = das Piezo-/Kristallsystem).
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Es gibt aber einen Trick speziell für diese magnetischen Abtaster. Der Ingenieur schneidet ein (theoretisch) dreieckförmiges Signal auf die Platte, wohl wissend, daß auch hier die mechanische Abtastung enorme Probleme bereitet.

Bereits die geschnittene Rille ist nicht absolut "dreieckförmig", sondern nur hinreichend "eckig". Denn die Ecken sind alle leicht oder ganz wenig abgerundet.
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Wofür brauche ich eigentlich ein Rechtecksignal ?

Signal am Eingang
Signale am Ausgang

Zuerst nochmal zurück zum Rechteck : Mit einem elektronischen Signalgenerator kann ich ein rechteckförmiges ideales eckiges Signal erzeugen, weil ich hier keine Masse bewegen muß. Dieses Signal kann ich in einen Verstärker einspeisen und dort das Ausgangssignal betrachten. Auch wenn das eingespeiste Signal auf dem Oszilloscope optisch perfekt rechteckig aussieht, wird aus dem Verstärker fast immer ein abgewandeltes bzw. verändertes Signal herauskommen. An der jeweiligen Veränderung ersehe ich, wie gut der Verstärker die ganz hohen und die ganz niedrigen Frequenzen verstärken kann. Wie das im Einzelnen geht und warum, steht an anderer Stelle - bei den Verstärkern.

Kritisch ist nämlich der Richtungswechsel der Signalspannung des Rechtecksignales, also wenn die Signal-Flanke abrupt von der Nullinie nach oben oder nach unten springt (siehe Bild rechts).

Dann muß die Elektronik einen sehr hohen Frequenzbereich verstärken können, weil es sehr schnell (theoretisch unendlich schnell) gehen muß. Kann der Verstärker diese hohen Frequenzen aber nicht mit gleichem Pegel verstärken, werden die "Dächer" schräg und die ehemals perfekten "Ecken" gerundet bzw. rundlich.

Diese zuerst einmal recht grobe optische Erkennung der höchsten abzutastenden Frequenzen möchte man auch bei den Schallplatten benutzen. Doch erstens kann eine Nadel nicht frontal gegen eine Rillenwand knallen und zweitens wird während des Dachs des theoretischen Rechtecksignales (siehe Bild) keine Spannung bzw. kein Strom erzeugt. Das dann auf dem Oszilloscope angezeigte Bild würde die Bewegung der Nadel bzw. dieses Signal überhaupt nicht mehr sinnvoll nachbilden bzw. abbilden.
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Die Dreiecks-Modulation schneiden und dann abtasten

bitte auf das Bild klicken

Wegen der mechanischen Probleme bei der unmöglichen Abtastung eines Rechtecks weicht man auf ein hinreichend optimales Dreiecks-Signal aus. Der Schneidstichel bekommt ein perfektes Dreiecksignal zugeführt und müsste jetzt eine perfekte dreieckige Rille schneiden (können).

Doch aufgrund der oben beschriebenen Masse des Stichels kann er das nicht. Es ergibt auch nur eine "hinreichend" genaue Dreieckmodulation. Für eine perfekte Dreieckrille müsste der Stichel - und sei er noch so leicht - mit einer unendlich großen Kraft angetrieben werden. Denn die Masse ist eben nicht "0" - wie beim elektronischen Signalgenerator.
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Die mathematische Formel für die perfekte Laufrichtungsumkehr selbst einer Dreieck-Rille (also noch nicht mal einer Rechteck-Rille) ist sehr komplex. Diese Formel enthält die Komponenten (Größen) unter anderen der "Masse des Stichels", des "Widerstandes des zu schneidenden Kunststoff-Materials" und der aktuellen Bewegungsfrequenz. Ist die Masse des Stichels nicht "absolut" Null (und das kann sie nie werden), so muß die verfügbare Kraft des Antriebes "absolut" unendlich groß sein, sonst funktioniert schon die (mathematische) Theorie nicht. Der Stichel müsste damit nämlich unendlich schnell die Bewegungsrichtung umkehren (können).
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Schon die Meßschallplatte hat ihre physikalischen Grenzen

In der Praxis ist der 2 x 250 Watt Sinus Verstärker der Neumann VMS 80 Schneide- maschine eben nur 2 x 250 Watt stark - und eben nicht 2 x 100.000 Watt oder noch mehr.
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Und bei der Wiedergabe kann der Abtastdiamant die Bewegungsrichtung auch nicht abrupt, also unendlich schnell ändern. Er müsste auch fast rechtwinklig um die Ecke rasen. Aber zum Glück ist die "Ecke" einer solchen Dreiecks-Rille sowieso leicht rund und zweitens erfolgt die Richtungsänderung in Richtung der abgeschrägten Flanke.
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Um also eine solche Meßschallplatte mal auf die überhaupt machbare Qualität hin zu untersuchen, wäre natürlich der Laser-Plattenspieler ideal. Solche Laser-Abtaster gibt es bereits, die kosten aber eine richtige Stange Geld. Alleine damit kann man die beiden Rillenflanken absolut trägheitslos (ideal) abtasten und somit alle Schwächen und Probleme, die mit der - auch noch so kleinen - Masse der Diamantnadel verbunden sind, umgehen.
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Die Grenzen des Abtasters

Betrachten wir diese Dreieckrille mal etwas genauer. Bei niedrigen Frequenzen des Dreiecksignals (unterhalb von 1kHz) ist der "Winkel im Knick" - also an dem Punkt der Bewegungsrichtungsumkehr - noch moderat - irgendwo zwischen 160" bis 175°. Mit jeder weiteren Steigerung der Frequenz wird der "Knickwinkel" schärfer und irgendwann hat er die 90° Marke erreicht, bei der der Abtastdiamant quasi an die Wand knallen würde. Bei der maximal möglichen Frequenz gibt es daher recht simple verständliche Grenzwerte. Die allermeisten Meßschallplatten mit solchen Dreiecksrillen arbeiten maximal mit einer 1 kHz Frequenz.

Auch ist der "Knickwinkel" von der Rillen-Position des Abtasters abhängig, also auf den äußeren Rillen oder in der Mitte oder bereits ganz innen kurz vor der Auslafrille.

Je weiter die Rille nach innen läuft, desto kürzer wird die Rillenlänge für diese Dreieckform und damit steigt - bei nachwievor gleicher Amplitude (Auslenkung) der "Knickwinkel" in Richtung der kritischen 90 Grad. Wie weiter oben gesagt, ein richtiger Knick ist es nicht. Dennoch muß die Abtastspitze einiges aushalten.
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Um mal ein Gefühl für die Kräfte zu bekommen, ein Beispiel :

(1) Sie fahren mit dem Fahhrad auf dem Fahrradweg und ein KFZ biegt abrupt ab und schneidet Sie ganz leicht. Winkelgröße bzw. Aufprallwinkel etwa 10 Grad. Das fangen Sie durch ein deutliches Schlinkern gerade noch ab, vielleicht sogar ohne zu stürzen.

(2) Nehmen wir an, der Autofahrer biegt deutlich schärfer ab, also etwa mit einer Winkelgröße bzw. einem Aufprallwinkel von etwa 30 Grad, dann wirft es sie bereits vom Fahrrad. Sie landen leicht verletzt im Rinnstein

(3) Nehmen wir an, der Autofahrer reißt das Lenkrad brutal rum und schneidet Sie mit einer Winkelgröße bzw. einem Aufprallwinkel von etwa 60 Grad, dann knallen sie bereits voll in die Beifahrertür rein und fliegen hochkant über das KFZ rüber, sie können überhaupt nicht mehr ausweichen.

(4) Nehmen wir zuletzt an, theoretisch, der Autofahrer mißachtet die "Rechts vor Links Regel" und steht auf einmal direkt vor Ihnen, dann knallen Sie "rechtwinklig", also mit einer Winkelgröße bzw. einem Aufprallwinkel von 90 Grad auf das KFZ ohne jede Chance, das irgendwie abzufangen. Sie knallen mit der vollen kinetischen Energie der jeweiligen Geschwindigkeit (umgangssprachlich : mit woller Wucht) auf das Hindernis. Ergebnis: Totalausfall. Die Abtastnadel würde abbrechen bzw. Sie als Radfahrer sind jetzt tot.
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Sicher hinkt der Vergleich ein wenig . . .

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Jetzt leuchtet es ein, wie steil die Winkel in dieser Dreickrille maximal sein dürfen, damit die Nadel das mechanisch überhaupt aushält. Weiterhin darf natürlich auch die Rille an sich nicht abrasiert werden bzw. ausgeschlagen werden.
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Merkwürdig, es sind keine SHURE Testplatten aufzutreiben

Ich möchte jetzt die Rillen mit diesen Dreiecksformen fotografieren. Auf einmal hat niemand diese SHURE TR101 und TR111 und TR114 Platten mehr, selbst die mir bekannten Experten suchen vergeblich.
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Achtung : die Seite ist noch nicht fertig . . . .

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