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aus der Funk-Technik Mai 1971 - Aufbau eines Meßplatzes zum Einmessen von Schallplatten-Abspielanlagen

DUAL 1019 - Der Durchbruch der wirklich guten Hifi Plattenspieler ab 1968

von Udo Schmidt (Ing. Udo Schmidt ist Abteilungsleiter für Tontechnik bei der C. Lindström / Electrola GmbH in Köln- Braunsfeld.)

Die in den letzten Jahren erreichte Perfektion bei Schallplatten-Abspielanlagen verlangt zur Einmessung eine ebenso hochwertige Ausrüstung auf der meßtechnischen Seite. (Unter Schallplatten-Abspielanlage soll hier lediglich das Laufwerk mit Tonarm, Abtastsystem und dem gegebenenfalls erforderlichen Wiedergabeentzerrer verstanden werden.)

Die verschiedenen Schallplattenhersteller haben daher in Verbindung mit dem Fachnormenausschuß Elektrotechnik (FNE) eine Reihe von Meßschallplatten auf den Markt gebracht [1], die es in Verbindung mit hochwertigen Meßgeräten erlauben, die Qualitätskriterien von Abspielanlagen meßtechnisch zu erfassen.

Die Eigenschaften des Abtasters mit Tonarm sowie die des Laufwerks bestimmen im wesentlichen die Qualität einer Schallplatten-Abspielanlage. Die Auswahl eines geeigneten Abtastsystems und des passenden Laufwerks setzt zunächst ein eingehendes Studium der physikalischen Zusammenhänge bei der Abtastung von Schallplatten voraus [2, 3].

Um bei allen Messungen übereinstimmende Ergebnisse zu erhalten, soll im folgenden mit Ausnahme der Antiskating-Testplatte nur von der Verwendung der DIN-Meßschallplatten ausgegangen werden. Insgesamt stehen folgende fünf DIN-Meßschallplatten zur Verfügung:
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  1. DIN 45 541 (Frequenz-Meßschallplatte),
  2. DIN 45 542 (Verzerrungs-Meßschallplatte),
  3. DIN 45 543 (Übersprech-Meßschallplatte),
  4. DIN 45 544 (Rumpel-Meßschallplatte) und
  5. DIN 45 545 (Gleichlauf-Meßschallplatte).

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1. Vorbereitung der Messungen

Bild 1. Einstellung der richtigen Auflagekraft (a) und der Antiskatingkraft (b) am Tonarm des Laufwerkes

Bei jeder Messung müssen bestimmte Meßbedingungen erfüllt sein. Dazu gehören vor allem die richtige Auflagekraft und die davon abhängige Antiskatingkraft. Moderne Plattenlaufwerke bieten die Möglichkeit, nach dem Ausbalancieren des Tonarms die richtige Auflagekraft direkt an einer kalibrierten Skala einzustellen (Bild 1). Ist dies am Laufwerk nicht möglich, so muß man dazu eine Federwaage (Bereich 0 ... 10 p) oder eine spezielle Auflagekraftwaage verwenden. Bei dieser Messung ist die Federwaage in Höhe der Abtastnadel anzusetzen, um den richtigen Wert zu ermitteln. Die für ein System erforderliche Auflagekraft, deren Minimal- und Maximalwerte vom Hersteller angegeben werden, richtet sich nach der Compliance und dem Abrundungsradius der Abtastnadel.

Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß man stets an die obere Grenze der angegebenen Auflagekraft gehen sollte. Nach der Auflagekraft und der verwendeten Abtastnadel richtet sich auch die Antiskatingkraft. Ihre Größe läßt sich bei hochwertigen Laufwerken ebenfalls direkt an einer Skala einstellen. Wertvolle Hilfe bei der Einstellung der Antiskatingkraft leistet die von der C. Lindström GmbH herausgebrachte Antiskating-Testplatte. Diese Platte hat eine besonders glatte Oberfläche. Wird die Abtastnadel auf einen mittleren Radius aufgesetzt, dann darf der Tonarm bei sich drehender Platte weder nach außen noch nach innen ausweichen. Dieses Verfahren erlaubt mit einer für die Praxis völlig ausreichenden Genauigkeit die Einstellung der richtigen Antiskatingkraft.

Ein teurer englischer Fixier- Mechansmus mit Stroboskop für 33er Langspielplatten

Mit weiteren Vortests sollten die richtige Drehzahl und der richtige Sitz des Abtastsystems im Tonarm überprüft werden. Die richtige Drehzahl ermittelt man bei der Abtastung einer Schallplatte am Außen- und Innenradius, wobei gleichzeitig eine im Schallplattenhandel erhältliche Stroboskopscheibe aufgelegt ist. Wird diese von einer mit 50Hz- Netzwechsel- spannung gespeisten Glüh- oder Glimmlampe beleuchtet, so läßt sich die richtige Drehzahl am scheinbaren Stillstand der der jeweiligen Drehzahl zugeordneten Segmente schnell und ausreichend genau ermitteln.

Die Drehzahlen bei Abtastung am Außenradius und Innenradius sollten nur geringfügig voneinander abweichen. Ist dies nicht der Fall, so deutet das auf einen unzulässig hohen Schlupf im Antriebssystem hin. Nach DIN 45 500 darf die maximal zulässige Abweichung von der Solldrehzahl -1% ... +1,5% betragen.
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Ermitteln läßt sich diese Abweichung unter Zuhilfenahme einer Stoppuhr nach folgender Formel:
Darin bedeutet a die Drehzahlabweichung in U/min gegenüber der Solldrehzahl der Stroboskopscheibe, b die Anzahl der während der Beobachtungszeit an einer festen Marke vorbei gewanderten schwarzen Sektoren, z die Anzahl der schwarzen Sektoren auf der Stroboskopscheibe und t die Beobachtungszeit in Minuten.

Eine leichte Schiefstellung des Abtastsystems kann zu erheblichen Übersprechwerten führen. Daher sollte bereits vor Beginn der Messungen auf den richtigen Sitz des Systems im Tonarm geachtet werden. Oft werden gerade in dieser Hinsicht schlechte Meßergebnisse dem Abtastsystem zugeschrieben. Leider gibt es noch kein absolut zuverlässiges Verfahren, um die (elektrische!) Senkrechtstellung des Systems zu gewährleisten.

  • Anmerkung: Unterscheiden Sie die mit dem Auge (in etwa) sichtbare Senkrechtstellung von der elektrischen Senkrechtstellung, die eine absolute Gleichbehandlung der beiden Rillenflanken der Meßschallplatte bedeuten würde.


In Studioanlagen erfolgt deshalb oft mit Hilfe einer elektrischen Kompensationsschaltung eine Winkelkorrektur. Wird bei der Messung des Übersprechens festgestellt, daß sich zwar in einem Kanal maximale Übersprechdämpfung erreichen läßt, sich aber im anderen Kanal das Maximum nur durch ein erneutes Verdrehen des Systems erreichen läßt, so deutet das auf ein schlechtes Abtastsystem hin (Nichteinhaltung des 90°-Achsenkreuzes).

Abschließend sollte noch (und das ist besonders bei magnetischen Abtastern zu empfehlen) durch eine einfache Messung mit einem Röhrenvoltmeter am Ausgang des Wiedergabeentzerrers die Fremdspannung kontrolliert werden. Hierbei schaltet man das Laufwerk ein und führt den Tonarm in geringer Höhe langsam über den Plattenteller. Der dabei ermittelte größte Spannungswert ist zu notieren und später zu dem Wert ins Verhältnis zu setzen, der sich beim Abtasten einer Vollpegel-Aufzeichnung ergibt.

Dieses Verhältnis sollte wenigstens 50 dB (1:316) betragen. Alle Messungen müssen bei Belastung mit dem Nennabschlußwiderstand erfolgen. Daß im übrigen bei höchsten Anforderungen die Messungen nach etwa 10 min Einlaufzeit, bei Nennspannung und Nennfrequenz sowie bei einer Raumtemperatur von etwa 20 °C durchgeführt werden sollten, sei am Rande bemerkt.

2. Erforderliche Meßgeräte (Anmerkung: in 1971 hypermodern)

Es wurde bereits erwähnt, daß die Einrichtung eines hochwertigen Meßplatzes einen erheblichen Meßgeräteaufwand erforderlich macht. An einem Musterplatz soll daher gezeigt werden, welche Meßgeräte zur Überprüfung einer Schallplatten-Abspielanlage im Laborbetrieb eingesetzt werden.

Bild 2 zeigt einen derartigen Meßplatz, der mit einem Pegelschreiber (2), Röhrenvoltmeter (3), Impedanzwandler (4) nur zur Messung von hochohmigen Abtastsystemen beziehungsweise bei niederohmigen Meßgeräteeingängen erforderlich), Rumpelmeßgerät (5), Tonhöhen- schwankungsmesser (6) und Klirranalysator (7) ausgerüstet ist.

Bild 2. Ansicht eines Labor-Meßplatzes zur Messung von Schallplatten-Abspielgeräten (1=Prüfling, 2=Pegelschreiber, 3=Röhrenvoltmeter, 4=Impedanzwandler, 5=Rumpelmeßgerät RUMS 66, 6=Tonhöhenschwankungsmesser, 7=Klirranalysator

3. Durchführung der Messungen

3.1. Frequenzgangmessungen

Die wohl wichtigste, aber auch mit geringstem Meßgeräteaufwand durchzuführende Messung ist die Frequenzgangmessung. Sie erfordert im einfachsten Fall neben der DIN-Frequenz-Meßschallplatte lediglich ein Röhrenvoltmeter mit einem Eingangswiderstand von wenigstens 500 kOhm. Das Röhrenvoltmeter wird bei magnetischen Abtastern an den Ausgang des Wiedergabeentzerrers und bei piezoelektrischen Abtastern an deren Ausgang gelegt. Hierbei muß auf den richtigen Abschlußwiderstand geachtet werden. Er sollte zusammen mit dem Eingangswiderstand des Röhrenvoltmeters > 470 kOhm sein (Normwert). Abgetastet werden der Pegeltonteil und der Festfrequenzteil der A- beziehungsweise B-Seite, je nachdem, ob es sich um eine Stereo- oder Mono-Messung handelt. Zu beachten ist, daß der linke und der rechte Kanal abwechselnd moduliert sind.

In der Praxis wird man zunächst den linken und danach den rechten Kanal messen. Die Bezugspegel beider Kanäle sollten nur um maximal 2 dB voneinander abweichen. Die bei jeder Frequenz ermittelten Pegelwerte werden notiert und später auf logarithmischem Millimeterpapier als Frequenzkurve dargestellt (Bild 3). Nach DIN 45 500 sind Abweichungen von maximal ±2 dB im Bereich 63,5 ... 8000 Hz zulässig. (Anmerkung: das ist eine sehr bescheidene Vorgabe, um ja Niemandem weh zu tun.) Der gesamte Übertragungsbereich sollte von 40 bis 14.000 Hz reichen, wobei bei den Eckfrequenzen ±4 dB zugelassen werden können.

Bild 3. Beispiel für die Darstellung der gemessenen Pegelwerte als Frequenzkurve

(Anmerkung: ebenfalls sehr bescheiden, diese Begrenzung) Auf der Ordinate (Pegelmaßstab) werden üblicherweise alle Werte in dB eingetragen, und zwar sollten 2dB 1cm entsprechen. Der logarithmische Frequenzmaßstab muß vier Dekaden umfassen, um den Bereich von 30 bis 16.000 Hz unterbringen zu können. Wegen der abwechselnden Modulation des linken und rechten Kanals im Festfrequenzteil der Meßschallplatte kann man gleichzeitig auch das Übersprechen ermitteln.

Allerdings setzt dies die Zwischenschaltung eines auf die jeweilige Meßfrequenz abgestimmten Filters voraus, da sonst die durch Rauschen, Rumpeln und Knistergeräusche verursachten Instrumentenausschläge das Übersprechen verdecken. Eine elegantere, aber auch aufwendigere Methode ist die Frequenzgangmessung mittels Pegelschreibers. Er registriert die Meßwerte auf einem Papierstreifen, der eine direkte Ablesung der Werte in dB erlaubt (Bild 4).

Bild 4. Meßstreifen eines Pegelschreibers

Der zeitliche Ablauf auf der Frequenz-Meßschallplatte ist so gewählt, daß bei Verwendung von Frequenzpapier ein Vorschub von 3mm/s einen synchronen Ablauf ergibt. Der Vorteil dieses Meßverfahrens liegt in der genauen Registrierung aller Zwischenwerte bei der Abtastung der gleitenden Frequenzgangteile der Meßschallplatte. Auf diese Weise lassen sich alle Resonanzstellen frequenz- und pegelmäßig erfassen, die zum Beispiel infolge Resonanz der Abtastnadel in Verbindung mit der Schallplattenmasse entstehen.

Zur Ermittlung tieffrequenter Resonanzstellen (beispielsweise Tonarmresonanzen) enthält die Meßschallplatte auf der B-Seite außerdem einen mit gleicher Schneidkennlinie geschnittenen Gleitfrequenzteil von 5 bis 125 Hz. Voraussetzung ist dabei natürlich eine Rückentzerrung bis zu 5 Hz herab.

3.2. Verzerrungs- und Spurwinkelmessungen

Eine weitere wesentliche Komponente in der Reihe der Qualitätsparameter sind die bei der Abtastung entstehenden Verzerrungen (Abtastverzerrungen). Werden zwei oder mehr Frequenzen gleichzeitig abgetastet, so können infolge Intermodulation zusätzliche Frequenzen entstehen. Die dabei gebildeten Seitenbänder werden überwiegend durch Phasenmodulation hervorgerufen.

Während man sich früher auf die Erfassung aller Oberwellen einer Grundtonaufzeichnung beschränkte (Klirrfaktormessung), wendet man heute das Verfahren der FIM-Messung (Frequenz-Intermodulationsmessung) an, für das jedoch ein größerer Meßgeräteaufwand erforderlich ist. Zur Bestimmung des IM- bzw. FIM-Faktors kann entweder ein Klirranalysator oder ein Gleichlaufmeßgerät herangezogen werden. Zu beachten ist, daß dabei Schnellewandler (magnetische Systeme) ohne Entzerrer-Vorverstärker mit 47kOhm und Amplitudenwandler (piezoelektrische Systeme) mit einem Widerstand von 3 bis 5kOhm abzuschließen sind.

Zunächst wird der Klirranalysator an den Ausgang des zu messenden Abtasters gelegt und die jeweilige Amplitude der aufgezeichneten Trägerfrequenz f2 (4.000 Hz bei 45 U/min und 3.000 Hz bei 33 1/3 U/min) gemessen. Da die IM-Werte stark amplitudenabhängig sind, wurden je Kanal sieben verschiedene Pegel zwischen —12dB und 0dB aufgezeichnet. Danach werden die Pegel der Seitenbänder 1. Ordnung gemessen, die sich aus der Summe beziehungsweise der Differenz von Träger- und Modulationsfrequenz ergeben.

Diese sind bei 45 U/min

und bei 33 1/3 U/min


Aus den gefundenen Werten läßt sich dann nach der Formel

der Intermodulationsfaktor (in %) berechnen. Interessant ist in diesem Zusammenhang, daß bei 33 1/3 U/min die Messung der Intermodulationsverzerrungen durch Bestimmung der Frequenzmodulation von f2 mit f± auch mittels eines Gleichlaufschwankungsmessers möglich ist. Dabei muß allerdings die durch Gleichlaufschwankungen entstehende Frequenzmodulation mittels eines einfachen RC-Hochpaßfilters mit einer Zeitkonstante von r = 1ms herausgefiltert werden. Der auf diese Weise erhaltene Wert beträgt etwa 10% des Wertes nach der Frequenzanalyse. Sollte der abgegebene Pegel für die Messung nicht ausreichen, so muß ein verzerrungsarmer Verstärker mit geradlinigem Frequenzgang nachgeschaltet werden. Der FIM-Faktor darf nach DIN 45 500 beim Abtasten des -6dB-Pegels den Wert 1% nicht überschreiten.

Eine auf der A-Seite der Verzerrungs-Meßschallplatte befindliche Doppeltonaufzeichnung in Tiefenschrift erlaubt die Bestimmung des Spurwinkels. Es sind jeweils die Frequenzpaare 370 und 630 Hz sowie 1850 und 3150 Hz aufgesprochen. Der Summenton von 1000 beziehungsweise 5000 Hz wird als Indikator benutzt und mit dem Klirranalysator selektiv ausgefiltert. Es korrespondiert derjenige Winkel des abgetasteten Ringes mit dem Spurwinkel des Abtasters, der den kleinsten Pegel ergibt. Zur Messung der Stereo-Kanäle sind beide Kanäle gegenphasig zusammenzuschalten. An Stelle des Klirranalysators kann hierbei auch ein einfaches Terzfilter mit Röhrenvoltmeter zur Messung herangezogen werden. Hinsichtlich des widerstandsmäßigen Abschlusses der Systeme gilt das für die Verzerrungsmessungen Gesagte.

3.3. Übersprechmessungen

Für die Messung des Übersprechens wurde die Meßschallplatte DIN 45 543 herausgebracht. Sie enthält neben einer 1kHz- Aufzeichnung im linken und rechten Kanal Frequenzen zwischen 60 und 16.000 Hz. Die Frequenzen zwischen 1.000 und 16.000 Hz sind mit konstanter Schnelle geschnitten, während die übrigen Frequenzen der Schneidkennlinie folgen. Es wurde bereits erwähnt, daß eine schlechte Übersprechdämpfung oft auf falschen Sitz des Tonabnehmersystems im Tonarm zurückzuführen ist. Um diese Kontrolle zu erleichtern, sieht die Norm eine 1kHz Aufzeichnung mit einer Winkelvariation von ±3° vor. Leider enthalten die zur Zeit auf dem Markt befindlichen Übersprech-Meßschallplatten diese Aufzeichnung noch nicht. Die Messung selbst erfolgt (wie die Frequenzgangmessung) entweder mit einem Röhrenvoltmeter oder mittels Pegelschreibers. Das Übersprechen muß sich jeweils deutlich vom Grundgeräusch abheben.

Ist dies zum Beispiel wegen eines zu stark rumpelnden Laufwerks nicht gewährleistet, so muß ein möglichst schmalbandiges Filter (Terzfilter) zwischen geschaltet werden, das auf die jeweilige Meßfrequenz eingestellt wird. In den meisten Fällen dürfte jedoch ein Röhren-Voltmeter allein genügen. Für den Abschluß der Systeme gelten die gleichen Bedingungen wie für die Frequenzgangmessung. Nach DIN 45 500 soll die minimale Übersprechdämpfung > 20dB bei 1 kHz und > 15dB im Bereich 500 ... 6.300 Hz sein. In der Praxis sollten jedoch höhere Werte, zum Beispiel zwischen 500 und 6.300 Hz mindestens 20dB und unterhalb 500 Hz beziehungsweise oberhalb 6300 Hz mindestens 15dB, angestrebt werden. Bei exakter Kompensation sind Werte um 40 dB bei 1 kHz durchaus möglich.

3.4. Rumpel-Störspannungsmessungen

Bei der Messung der Rumpel-Störspannung [3] eines Laufwerkes muß man unterscheiden zwischen Rumpel-Fremdspannung beziehungsweise Rumpel-Fremdspannungsabstand und Rumpel-Geräuschspannung beziehungsweise Rumpel-Geräuschspannungsabstand. Während die Rumpel-Fremdspannung zwischen 10 und 315 Hz (unterhalb 10 Hz mit 6 dB/Oktave Abfall) geradlinig gemessen wird, erfolgt bei der Rumpel-Geräuschspannungsmessung eine gehörmäßige Bewertung des Meßergebnisses durch ein Filter mit 12 dB/Oktave Flankensteilheit. Oberhalb von 315 Hz fallen beide Kurven mit 12 dB/Oktave ab, um das Meßergebnis durch Rauschanteile nicht zu verfälschen (Bild 5).

Bild 5. Bewertungskurven für die Messung der Rumpel-Fremd- und Rumpel-Geräuschspannung


Die Messung erfolgt labormäßig mit dem speziell für diesen Zweck entwickelten Rumpel-Störspannungsmeßgerät „RUMS 66" von Neumann. Die Norm sieht als Anzeigeinstrument einen Effektiv- oder Mittelwertmesser, vorzugsweise jedoch das Standard-VU-Meter nach ASA-Norm vor. Für vergleichende Messungen kann auch ein Röhrenvoltmeter mit zwischen geschaltetem Filter nach Bild 5 verwendet werden.

Der beim Abtasten des Leerrillenteils gemessene Pegelwert wird zunächst ins Verhältnis gesetzt zu dem Nutzpegel, der sich aus der Pegeltonaufzeichnung am Anfang der Meßplatte ergibt, und daraus dann nach der Formel

der Rumpel- Fremd- beziehungsweise Rumpel-Geräuschspannungsabstand (in dB) berechnet. Der Pegelton ist in jeder Aufzeichnungsrichtung (linke Flanke, rechte Flanke, Tiefenschrift und Seitenschrift) mit einer Spitzenschnelle von v = 5,42cm/s geschnitten. Der Wert 5,42cm/s ergibt sich durch Umrechnung nach der Schneidkennlinie aus der Bezugsschnelle von 10cm/s bei 1000 Hz. Wird der Rumpelwert bei einer der beiden Stereo-Informationen gemessen, so ist zu beachten, daß dieser um etwa 2dB günstiger liegt, da die Normschnelle bei Stereo-Schallplatten nur 8cm/s beträgt. Nach DIN 45 500 ist bei Hi-Fi Abspielanlagen für den Rumpel-Fremdspannungsabstand ein Wert von mindestens 35 dB und für den Rumpel-Geräuschspannungsabstand von mindestens 55 dB erforderlich.

3.5. Gleichlaufmessungen

Zur Untersuchung der Gleichlaufeigenschaften des Laufwerkes dient die Gleichlauf-Meßschallplatte DIN 45 545. Sie enthält neben einer 3.150Hz Aufzeichnung in Seitenschrift eine konzentrische Justierrille bei einem Durchmesser von 294 beziehungsweise 170mm, mit deren Hilfe die Schallplatte so justiert wird, daß der Mittelpunkt der Rillenspirale mit dem Mittelpunkt des Plattentellerzapfens zusammenfällt. Mit der 3.150Hz Aufzeichnung werden dann in Verbindung mit einem Gleichlauf-Meßgerät die Gleichlaufabweichungen ermittelt. Auch hier ist wieder eine bewertete und eine unbewertete Messung möglich. Die mit dem Bewertungsfilter ermittelten Werte dürfen nach DIN maximal ±0,15% betragen. Der Gleichlauf-Eigenfehler der Meßschallplatte liegt bewertet bei maximal ±0,06% und unbewertet bei maximal ±0,12%. Da bei der Messung der Gleichlaufschwankungen lediglich die Frequenzmodulation erfaßt wird, spielen sowohl die Rückentzerrung als auch der Abschlußwiderstand eine untergeordnete Rolle.

Schrifttum
[1] Schmidt, U.: Meß- und Hörtestschallplatten für Hi-Fi-Stereo-Anlagen. Funk-Techn. Bd. 25 (1970) Nr. 16, S. 593 bis 595, u. Nr. 17, S. 669

[2] Schmidt, U.: Die Vorgänge bei der Abtastung von Schallplatten. Funk-Techn. Bd. 19 (1964) Nr. 23, S. 848 bis 850, u. Nr. 24, S. 887—890

[3] Glasenapp, D., u. Schmidt, U.: Rumpelstörungen an Schallplattenlaufwerken und ihre Messung. Funk-Techn. Bd. 18 (1963) Nr. 17, S. 634, 636, u. Nr. 18, S. 683—684

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