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High-Fidelity Schallplattenabtastung mit Kristalltonabnehmer
(ein interessanter Artikel über die physikalischen Grundlagen)

ELAC Anzeige 1956

Februar 1955 - RADIO-MAGAZIN Nr. 2 - SCHALLPLATTE und TONBAND

High-Fidelity Plattenabtastung mit Kristalltonabnehmer

Bis vor wenigen Jahren galt der Kristalltonabnehmer im Vergleich zum magnetischen System als weniger hochwertig. Inzwischen ist es aber der einschlägigen Industrie gelungen, die Preiswürdigkeit und die zweifelsfrei vorhandenen technischen Vorzüge des Kristallsystems mit der heute im Zeichen der „High-fidelity-Wiedergabe" notwendigen Qualität zu verbinden. Seit etwa anderthalb Jahren kommen u. a. aus Kiel Kristalltonabnehmer, deren Güte in der Fachwelt berechtigtes Aufsehen erregt.

Wir haben daher den Entwicklungsleiter der ELAC, Herrn Dr. Erhard Ahrens, gebeten, für unsere Leser das „Wie" und „Warum" der neuen Kristallsysteme niederzuschreiben.
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Die Einleitung - Es war Anfang 1955 . . . .

Der bedeutende Fortschritt, den die Schallplattentechnik in den letzten Jahren erreichte, wurde ermöglicht durch die Einführung der Kunststoffplatte (anmerkung : die Vinyl-Scheibe von 1948 und 1949), die eine fast kornfreie und sehr viel gleichmäßigere Oberfläche hat als die alte Schellackplatte.

Dieses neue Schallplattenmaterial ermöglichte es, die Abmessungen der Schallplattenrillen zu verringern und damit auf der gleichen Fläche wesentlich mehr Rillen unterzubringen als auf der alten Schellack-Normalplatte. In Verbindung mit der gleichzeitig verringerten Umlaufgeschwindigkeit von 78 U/min auf 45 bzw. 33 1/3 U/min wurde damit die Langspielplatte (und die 45er RCA Single) geschaffen, deren Spieldauer etwa 3 bis 4 mal größer ist als die der Normalplatten (gemeint sind die 78er) gleichen Durchmessers.

Hand in Hand mit dieser Verlängerung der Abspieldauer wurde die Wiedergabequalität wesentlich verbessert u. a. durch Erweiterung des Frequenzbereiches, Verminderung des Plattenrauschens und Erhöhung der Dynamik.

Diese neue Technik der Schallplatte bringt für die Abtastung eine ganze Reihe von Problemen und Bedingungen mit sich, denen moderne Schallplattenabtaster heute genügen müssen und die wesentlich über die Forderungen hinausgehen, die man früher an Normalplattenabtaster stellen mußte.

Diese Forderungen betreffen teilweise die konstruktiven mechanischen Eigenschaften, wie leichte Umschaltbarkeit von Normal- auf Mikroabtastung, leichte Auswechselbarkeit der Abtastnadel, kleine räumliche Abmessungen und dergleiche.

Teilweise betreffen sie die elektroakustischen Eigenschaften, wie Empfindlichkeit, Frequenzkurve und nichtlineare Verzerrungen; andererseits betreffen sie die mechanischen Wechselwirkungen zwischen Platte und Abtastspitze, die wiederum auf die elektroakustischen Eigenschaften zurückwirken.
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Die Theorie (der Plattenabtastung)

In den folgenden Zeilen wollen wir uns speziell mit den beiden zuletzt genannten Problemen befassen und an Hand der technischen Daten des Elac-Kristallsystems KST8 erörtern, bis zu welchem Grade diese neuen Anforderungen heute mit modernen Kristallsystemen erfüllt werden können.

Die primäre Tatsache für die Abtastung ist die Geometrie der neuen Mikrorille. Bild 1 zeigt in der richtigen relativen Größe die Mikrorille und die Normalrille mit den Abmessungen, die man heute international festgelegt hat.

  • Anmerkung : Wir sind in 1955 immer noch bei der Mikrorille (microgroove) für die Mono Technik, also die ganz normale Seitenschrift.

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Die Rille hat die Form eines Grabens
, dessen seitliche Wände unter annähernd 45° geneigt sind, so daß beide Rillenwände etwa 90° miteinander bilden.

Der Boden der Rillen hat einen Abrundungsradius
von 25µ bzw. 7,5µ bei 78er Normal- bzw. 33/45er Mikrorillen, die obere Rillenbreite beträgt 150µ bzw. 50µ.

Damit ist die Größe der Abtastspitze
, die bei modernen Abtastern durchweg aus sehr hartem Material, wie Saphir oder Diamant besteht, in engen Grenzen festgelegt. Die Abtastspitze hat die Form eines Rundkegels mit einem Kegelwinkel von etwa 55°, der am unteren Ende kugelförmig abgerundet ist. Nur diese Abrundungskugel ist mit der Platte im Eingriff.

Um eine sichere Auflage und Führung an den Rillenwänden zu garantieren, muß der Abrundungsradius der Abtastspitze wesentlich größer sein als der des Rillengrundes. Andererseits darf die Spitzenverrundung keinesfalls so groß sein, daß die Berührungszone zwischen Spitze und Rillenwand am oberen Rillenrand liegt, da dieser Rand nicht so glatt und störungsfrei ausgebildet sein kann wie die mittlere Zone der Rillenwandung, insbesondere, da alle bei der Handhabung der Platte entstehenden leichten Beschädigungen der Plattenoberfläche sich vorzugsweise am oberen Rillenrand bemerkbar machen, was bei der Abtastung störende Kratz- und Knackgeräusche zur Folge hätte. (Anmerkung : Das war "ein" Satz von Dr. Ahrens.)

Unter Berücksichtigung dieser Grenzen hat man die Abrundungsradien für die Normalabtastspitze mit etwa 65um, für die Mikrospitze mit etwa 25µ festgelegt.
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Hohe Druckbelastung

Bild 3. Schematische Darstellung der Wirkung der Platten-Elastizität

Diese Dimensionierung, die durch die Geometrie der Rille erzwungen wird, führt bei der Mikrorillen- abtastung zu einer außerordentlich großen Druckbelastung auf die Rillenwände der Schallplatte.

Die Berührung zwischen Rillenwand und Abtastspitze erfolgt nicht punktförmig, sondern wegen der elastischen Deformation der Rillenwandung auf einer endlichen, wenn auch sehr kleinen Fläche, die überschlägig etwa 1/1000 bis 2/1000mm² beträgt.

Bei einer Auflagekraft des Tonabnehmers von 10g* ergibt sich hieraus als Flächendruck p in Richtung der Normalen auf die Rillenwand der Mikrorille etwa 7 bis 14 kg*/mm², also eine sehr hohe Druckbelastung.

Diese hohe Flächenbelastung zwingt dazu, die Auflagekraft so gering wie möglich zu wählen. Es hat sich in der Praxis herausgestellt, daß man eine Auflagekraft von max. 10 g* zulassen kann, die jedoch keinesfalls überschritten werden sollte. (g* = g-Kraft - im Gegensatz zu g = g-Masse)

  • Anmerkung : Wir sind immer noch in 1955 und das Auflagegewicht der (bei mir so genannten) Plastikgurken lag deutlich über 10 Gramm.

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Der Flächendruck mit und ohne Modulation

Dieser von der Auflagekraft herrührende Druck wirkt normal zur Rillenwand, wenn sich keine Tonmodulation auf der Rille befindet. Bei der modulierten Rille, also seitlich ausgelenkter Rille, treten zu dieser Kraft weitere Kräfte hinzu.

Die modulierte Rille hat die Aufgabe, der Nadelspitze des Abtastsystems eine horizontal gerichtete hin- und hergehende Bewegung zu erteilen, wobei das Abtastsystem dafür zu sorgen hat, daß die Ausgangsspannung des Abtastsystems der Auslenkgeschwindigkeit der Nadelspitze proportional ist.

Die Proportionalitätskonstante, die Empfindlichkeit, gemessen in mV pro cm/s, ist von der Frequenz abhängig und ihre Darstellung in Abhängigkeit von der Frequenz ergibt den Frequenzverlauf des Tonabnehmersystems.

Da die Nadel im Abtastsystem elastisch befestigt ist und in die Ruhelage zurückfedern will, widersetzt sie sich einer seitlichen Auslenkung mit einer bestimmten Kraft K, die der Auslenkung proportional ist und die wir als Rückstellkraft bezeichnen und deren Größe wir bei einer bestimmten Auslenkung, z. B. 100µ angeben.

Diese Kraft, die die Rillenwand in horizontaler Richtung auf die Nadelspitze ausübt, läßt sich vektoriell zerlegen und wirkt unter Berücksichtigung der 45°-Neigung der Rillenwand genau so, als ob auf die Nadelspitze eine Komponente in Richtung der Normalen zur Rillenwand von der Größe K x (Wurzel aus 2) und eine nach oben gerichtete Vertikalkraft von der Größe K, die der Auflagekraft entgegengerichtet ist, einwirkt.

Man kann diese Kräfte berechnen

Beträgt z. B. die Rückstellkraftkonstante R = 8g*/100µ und die Auslenkung A = 80µ, so würde die der Auflagekraft entgegenwirkende vertikale Komponente


betragen. Würde in diesem Beispiel die Auflagekraft nur 6g* betragen, so wäre die durch die Auslenkung bewirkte nach oben gerichtete Komponente größer als die nach unten wirkende Auflagekraft, d. h. die Nadelspitze würde nicht mehr fest auf den Rillenwänden ruhen, sondern bei jeder Auslenkung längs der Rillenwände aufwärts rutschen und vielleicht ganz aus der Rille springen; die sichere Führung der Nadel in der Rille wäre vorbei.

Als Minimalforderung ergibt sich also die Regel, daß die Auflagekraft größer sein muß als das Produkt: Maximalauslenkung x Rückstellkraftkonstante.

Erfahrungsgemäß erweist es sich als nützlich, die Auflagekraft 2 bis 3 mal größer zu wählen, als es diesem Minimalwert entspricht, um in allen Fällen eine sichere Führung in der Rille zu gewährleisten.

Statische und dynamische Rückstellkraft (Bild 4)

Die bisherigen Betrachtungen sind zunächst auf das Gebiet der tiefen Frequenzen beschränkt, etwa auf den Bereich unterhalb 500 Hz.

Bei hohen Frequenzen, besonders im oberen Bereich des hörbaren Spektrums von 2000 bis 10.000 Hz, ist diese „statische" Rückstellkraft nur noch von geringer Größe, da sie der Auslenkung auf der Schallplattenrille proportional ist und diese Auslenkung mit steigender Frequenz rasch abnimmt.

In diesem Frequenzbereich sind jedoch die Massenträgheitskräfte, die daher rühren, daß die Masse der Nadelspitze und die mit ihr verbundenen Massenteile etwa 10.000 mal pro Sekunde hin-und hergeschleudert werden, von entscheidender Bedeutung. Die Rückstellkraft ist hier vorwiegend dynamisch, d. h. durch diese Beschleunigungskräfte bestimmt.
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  • zu Bild 4 : Frequenzverlauf des Betrages der dynamischen Rückstellkraft, bezogen auf 1µ Rillenauslenkung, unter Berücksichtigung der Plattenelastizität. A = Rillenauslenkung (=1µ); C1 = Elastizität zwischen Nadelspitze und Abtastsystem (= 30µ/1g*); m = effektive Masse der Nadelspitze (=6mg); C2 = Elastizität der Rillenwand (= 0,22µ/g²). Unten: Bewegung X der Nadelspitze bei konstanter Rillenauslenkung unter Berücksichtigung der Plattenelastizität

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Ein Zahlenbeispiel möge dies erläutern:

Es sei z. B. die Frequenz f = 10.000Hz, die Rillenauslenkung A = 1µ, die effektive Nadelmasse m = 10mg.

Bei einer sinusförmigen Auslenkung ist dann die dynamische Rückstellkraft hier

was einer Rückstellkraftkonstante R = 400g*/100µ entspricht.

Diese ist also wesentlich größer als die vorher betrachtete statische Rückstellkraftkonstante. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß in diesem Frequenzbereich um 10.000Hz die auf der Platte aufgezeichneten Auslenkungen weit unter 100µ liegen und maximal etwa 1µ betragen werden.

Auch diese von der seitlichen hin- und hergehenden Beschleunigung der Nadelmasse herrührende dynamische Rückstellkraft läßt sich in eine normal zur Rillenwand gerichtete und eine vertikale Komponente zerlegen und hat die Tendenz, mit ihrer Vertikalkomponente der Auflagekraft entgegenzuwirken.

Wird sie zu groß im Verhältnis zur vertikalen Auflegekraft, so bewirkt sie ebenso wie eine zu große statische Rückstellkraft ein Herausheben der Nadelspitze aus der Rille und damit eine Störung der Abtastung.
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Bei Frequenzen oberhalb 10.000 Hz

Bei noch höheren Frequenzen, vorwiegend im Frequenzbereich oberhalb 10.000 Hz, werden die Massenträgheitskräfte der Nadelspitze so groß, daß sich die Elastizität der Schallplatte, insbesondere der Kunststoffplatte, bemerkbar macht und die Rillenwände nicht mehr als starr angesehen werden können.

Die Elastizität der Rillenwände wirkt wie eine kleine zwischen Nadelspitze und Rillenwand liegende Feder, wie es Bild 3 veranschaulicht.

M stellt die sehr große Masse des Tonarmkopfes dar, die infolge ihrer großen Trägheit in Ruhe bleibt. C1 stellt die die Elastizität zwischen Abtastspitze und Tonabnehmersystem dar, die für die statische Rückstellkraft verantwortlich ist; m sei die effektive Masse der Nadelspitze und C2 die Elastizität der Rillenwand.

Die Auslenkung der Rillenwand sei A, die wirkliche Bewegung der Nadelspitze x. Unter Berücksichtigung der Plattenelastizität ergibt die Berechnung der Anordnung nach Bild 3 für die dynamische Rückstellkraft


wobei die stets vorhandene Dämpfung zunächst vernachlässigt ist. Für die tatsächliche Bewegung der Nadelspitze, die für die Ausgangsspannung des Abtasters maßgebend ist, ergibt sich


Bild 4 zeigt oben entsprechend Gleichung (1) den Frequenzverlauf des Betrages der dynamischen Rückstellkraft im ganzen Frequenzbereich. Darunter ist entsprechend Gleichung (2) die Bewegung der Nadelspitze bei konstanter Rillenauslenkung dargestellt, die bei der Frequenz w2 = l/Wurzel aus mC² ein Maximum hat, das von der Elastizität der Platte herrührt. Oberhalb dieser „Plattenresonanz" sinkt die Amplitude und damit die Empfindlichkeit auf Null ab. Die punktierten Linien zeigen den Verlauf bei Anwesenheit einer Dämpfung.

Charakteristische Daten eines Abtasters

Zur Ermittlung der charakteristischen Daten eines Abtasters und der Platte kann man experimentell so verfahren, daß man unter Verwendung einer Meßschallplatte mit reinen Sinustönen mit bekannten Amplituden die Auflagekraft des Abtasters, von größeren Werten beginnend, stetig absenkt bei gleichzeitiger oszillographischer Beobachtung der Ausgangsspannung des Abtasters.

Solange die Auflagekraft bei der jeweiligen Meßfrequenz genügend groß ist, wird man eine rein sinusförmige Ausgangsspannung beobachten. Sobald jedoch bei weiter verminderter Auflagekraft die Grenze erreicht wird, bei der die Vertikalkomponente der statischen oder dynamischen Rückstellkräfte gleich der jeweils eingestellten Auflagekraft wird, entsteht im Oszillografenbild eine charakteristische Verzerrung, die das beginnende Rutschen der Nadelspitze längs der Rillenwandung anzeigt.
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Bild 5. 4000-Hz-Ausgangsspannung des Elac-Kristallsystems KST 8d bei mittlerer und höchster Aussteuerung und bei Abtastung der Intermodulations- Meßschallplatte DGG 68 450 A. 400 und 4.000 Hz, Amplitudenverhältnis 12db, links bei 9,6cm/s, rechts bei 24,3cm/s

Diese kritische minimale Auflagekraft erlaubt also eine Beurteilung der effektiv wirksamen dynamischen Rückstellkraft. Dividiert man diese kritische minimale Auflagekraft durch die jeweilige Amplitude A der Schallplatte, reduziert man sie also auf 1µ Auslenkung und trägt man sie als Funktion der Frequenz auf, so erhält man für alle Abtaster einen einheitlichen charakteristischen Verlauf entsprechend der in Bild 4 oben dargestellten Kurve. Unterhalb 500 Hz, also im Bereich der statischen Rückstellkraft, verläuft die minimale Auflagekraft horizontal.

Bei hohen Frequenzen oberhalb 3000Hz bis etwa 10.000Hz steigt sie annähernd quadratisch an, da sie hier im wesentlichen durch die wirksame Masse der Nadelspitze und der mit ihr verbundenen schwingenden Teile bestimmt wird.

In diesem Bereich gilt also Kmin = mA x w2, wobei der Faktor m = 2 die effektive schwingende Masse der Abtastspitze ergibt. Die in die Kurve eingezeichneten Punkte stellen die experimentell ermittelten Werte der kritischen minimalen Auflagekraft des Elac-Kristallsystems KST8d dar, aus denen man den günstigen Verlauf der dynamischen Rückstellkraft dieses Systems erkennen kann.
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Frequenzkurve

Diese Ausführungen betreffen die Wechselwirkung zwischen Platte und Abtaster und lassen die Probleme erkennen, die bei der Ausdehnung des Frequenzbereiches oberhalb 10.000 Hz auftreten. Die High-fidelity-Abtastung setzt nun weiter voraus, daß die der Nadelspitze erteilten Bewegungen im Abtaster, der einen elektroakustischen Wandler darstellt, naturgetreu in elektrische Spannungen umgewandelt werden. In welchem Maße dies bei einem modernen Kristallabtastsystem erreicht wird, zeigt Bild 2, das die Frequenzkurve des Elac-Kristallsystems KST 8d wiedergibt.
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Kurve A stellt die Schneidkurve dar, die angibt, mit welchen relativen Schnelle-Amplituden die Schwingungen einer Schallquelle auf der Schallplatte aufgezeichnet werden würden, wenn diese im gesamten Frequenzspektrum einen konstanten Schalldruck erzeugen würde. Der Schalldruck wirklicher Schallquellen, - Sprache oder Musik -, fällt sowohl nach den tiefen Frequenzen als auch nach den hohen Frequenzen stark ab.

Kurve B stellt die Ausgangsspannung des KST-8-Systems dar bei Erregung mit konstanter Geschwindigkeit der Auslenkung. Der entsprechend der Schneidkurve (A) mit der Frequenz stark schwankende Amplitudenverlauf der Schallplatte erfordert eine Korrektur dieses Frequenzverlaufes durch ein Entzerrungsglied. Nach Einschaltung eines solchen einfachen RC-Entzerrungsgliedes (Bild 2) ergibt sich die KST-8-Ausgangsspannung nach Kurve C, die einen völlig ausgeglichenen Frequenzverlauf von 20Hz bis etwa 15.000Hz aufweist und damit die Voraussetzung für eine gleichmäßige Wiedergabe bis zu den höchsten Frequenzen des Hörspektrums erfüllt.

Das KST-8-System zeichnet sich ferner durch sehr geringe nichtlineare Verzerrungen aus. Die nichtlinearen Verzerrungen beurteilt man am besten an Hand des Intermodulationsverhaltens. Intermodulation nennt man die unerwünschte gegenseitige Beeinflussung zweier oder mehrerer gleichzeitig auf der Schallplatte aufgezeichneter Frequenzen.

Die Wiedergabe der oszillografischen Aufzeichnung in Bild 5 zeigt, daß der Intermodulationsgrad selbst bei den höchsten Aussteuerungen, die auf der Schallplatte gelegentlich vorkommen, nur wenige Prozent beträgt und damit eine hochwertige verzerrungsarme Abtastung im ganzen Dynamikbereich gewährleistet ist.

Die moderne Vinyl-Schallplatte und ihr Abtaster haben in den letzten Jahren einen hohen technischen Stand erreicht (Anmerkung : Wir befinden uns immer noch in 1955 !), der weit über die Technik der früheren Jahre hinausgeht, so daß nunmehr auch an die anderen Bauteile der elektroakustischen Kette, z. B. die Lautsprecher, die in vielen Fällen die Wiedergabegüte begrenzen, hohe Anforderungen zu stellen sind, wenn man alle Möglichkeiten der neuen Schallplattentechnik ausschöpfen will.

(Mitteilung aus dem Laboratorium der Electroacustic GmbH.)

Ein Artikel aus RADIO-MAGAZIN Nr. 2 Februar 1955

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