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Aus der Funkschau 1978 Heft Nr. 03

Der von H.P.S geschriebene oder übersetzte Artikel stammt vermutlich bereits aus 1977, als die analoge Quadrophonie von der Platte noch nicht zu den Akten gelegt war.

Neue Preßmassen für CD-4-Schallplatten

RCA hatte sich von 1972 bis 1978 sehr für die analoge CD-4 Quadrophonie eingesetzt
Rimsky-Korsakows Scheherazade
eine Platte aus dem neuen Material

Untersuchungen an CD-4-Schallplatten haben gezeigt, daß die bisher zur Herstellung von Stereo-Schallplatten verwendeten Polyvinyl-Preßmassen den dabei gestellten Anforderungen nicht genügen.

Diese relativ weichen Materialien sind zu kratzempfindlich und zeigen im Zusammenhang mit den bei der CD-4-Technik erhöhten Bandbreite-Anforderungen (kürzere Aufzeichnungs- Wellenlänge) hohen Verschleiß beim Abspielen.

„QuadraDisc Compound"

Bei der amerikanischen Firma RCA hat man deshalb umfangreiche Versuche mit neuen Mischungen durchgeführt. Als Ergebnis steht jetzt ein neues Schallplatten-Material zur Verfügung, das unter der Bezeichnung „QuadraDisc Compound" auf den Markt kommt.

Aus ihm hergestellte CD-4-Platten zeigen selbst nach 100-maligem Abspielen mit einer Shibata-Nadel keine merkliche Qualitätsverminderung. Dabei ist allerdings zu beachten, daß derartig günstige Ergebnisse mit konischen Nadeln beim derzeitigen Stand der Technik nicht zu erreichen sind.
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Technische Voraussetzungen

Eine Quadrotechnik, die sich heute behaupten will, muß mit Zweikanal-Wiedergabeanlagen kompatibel sein. Das heißt, solche Vierkanal-Aufnahmen müssen auf einer Zweikanal-Anlage mit der gleichen Qualität wiederzugeben sein wie herkömmliche Zweikanal-Stereoaufnahmen.

Diese Forderung wird bei der von RCA und der Firma JVC-Nivico entwickelten CD-4-Technik erfüllt, wobei sich dieses System auch durch vorzügliche Trennung der vier Ubertragungskanäle Lv (links vorn). Lh (links hinten), Rv (rechts vorn) und Rh (rechts hinten) auszeichnet.

Um die Zweikanal-Kompatibilität zu gewährleisten, werden beim CD-4-Verfahren zunächst die beiden Flanken der Tonrille mit je einem Nf-Signal bespielt, von denen das eine der Information Lv + Lh, das andere der Information Rv + Rh entspricht. Beim Abspielen mit einem normalen Zweikanal-Stereotonabnehmer erhält man also - wie bei einer herkömmlichen Stereoschallplatte - die kompletten Links- und Rechts-Informationen.

2 weitere Kanäle

Zusätzlich zu diesen beiden „Basis"-Signalen tragen die beiden Tonrillenflanken einer CD-4-Schallplatte aber noch je ein weiteres Signal, nämlich einen mit den zusätzlichen Informationen Lv-Lh beziehungsweise Rv-Rh frequenz- modulierten Hilfsträger von 30kHz.

Ein CD-4-Tonabnehmer muß deshalb nicht nur die niederfrequenten Basis-Signale, sondern auch die Trägerfrequenzsignale mit ihrer zusätzlichen Frequenzmodulation einwandfrei wiedergeben. Nur dann läßt sich das ganze Signalgemisch in einem CD-4-Decoder demodulieren und man kann - ähnlich wie beim Stereo-Rundfunk - durch Addition und Subtraktion nach dem Schema

  • (Lv+Lh) + (Lv - Lh)=2Lv
  • (Lv+Lh) - (Lv -Lh) =2Lh
  • (Rv+Rh) + (Rv - Rh) =2Rv
  • (Rv+Rh) - (Rv -Rh) =2 Rh


die vier diskreten Signale Lv, LH, Rv und Rh zurückgewinnen.

Enorme Pressdrücke (oder Kontakt-Kräfte)

Naturgemäß erfordert eine solche CD-4 Aufzeichnung eine wesentlich größere Gesamt-Bandbreite als eine normale Stereoaufnahme, nämlich etwa das Dreifache. Entsprechend größer sind auch die Kräfte, die bei der Abtastung von der Nadel auf das Plattenmaterial ausgeübt werden.

Die derzeit zum Einsatz kommenden Abtastsysteme lassen sich in bezug auf die Plattenbelastung grob in vier Kategorien einteilen:

  1. Konische Abtastnadeln mit hohem Auflagegewicht (um 45mN =4,5p),
  2. Konische Abtastnadeln mit niedrigem Auflagegewicht (um 20mN = 2p),
  3. Elliptische Abtastnadeln mit niedrigem Auflagegewicht (um 12mN = 1,25p) und
  4. Abtastnadeln mit Shibata-Schliff (Quadrahedral, Obata, Pramanik usw.) und niedrigem Auflagegewicht (um 20mN = 2p).

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Vergleiche der Nadeln

Konische Abtastnadeln mit ihrem heute üblichen Spitzenradius zwischen etwa 15um und 18um weisen gegenüber den Tonrillenflanken die geringsten Kontaktflächen und damit den höchsten Kontaktdruck auf; der Kontaktdruck steigt noch mit der Größe des Auflagegewichts. Entsprechend stark ist bei konischen Nadeln der Plattenverschleiß.

Günstigere Verhältnisse ergeben sich bei elliptischem Nadelschliff von etwa 8um x 18um. Die besten zur Zeit erreichbaren Bedingungen bieten Shibata-Nadeln mit ihren Abtastradien zwischen etwa 5um und 8um bei tragenden Vertikalradien von der Größenordnung 75um. Sie zeigen verhältnismäßig große Kontaktflächen mit den Tonrillenflanken und entsprechend geringe Kontaktdrücke, ermöglichen das Arbeiten mit niedrigen Auflagegewichten und zeigen deshalb den geringsten Plattenverschleiß.

Mit den derzeit verwendeten konischen Abtastnadeln wird kaum eine zufriedenstellende Quadrowiedergabe zu erreichen sein: Ihre Nadelradien sind zu groß, um den extrem feinen Auslenkungen einer CD-4-Tonrille folgen zu können. In dieser Beziehung sind die Shibata-Nadeln weit überlegen. Von einer brauchbaren CD-4-Platte sollte man aber erwarten, daß sie beim Abspielen mit einer guten konischen Nadel nicht soweit zerstört wird, daß hinterher eine befriedigende Quadrowiedergabe mit Hilfe einer Shibata-Nadel unmöglich ist.

Die Zielsetzung dieser RCA Untersuchung

Im Rahmen der bei RCA durchgeführten Arbeiten sollte ein Platten-Material gefunden werden, welches nach Verarbeitung zu CD-4-Platten mindestens 25 Abspielungen, möglichst aber mehr als 100 Abspielungen ohne merkliche Qualitätseinbuße zuläßt. Dabei war man sich darüber im klaren, daß diese Forderung unter Verwendung von konischen Abtastnadeln mit hohem Auflagegewicht kaum zu erfüllen sein dürfte. Das gesuchte Material sollte außerdem allen fertigungstechnischen Anforderungen in bezug auf Verarbeitbarkeit. Fließ verhalten, Preis usw. entsprechen.

Versuchsbedingungen

Wesentliche Voraussetzung für die Beurteilung der zu untersuchenden Materialien ist zum einen eine genaue Festlegung der Abspielbedingungen, zum anderen aber auch eine akzeptable Definition der jeweils erreichten Wiedergabequalität.

Von jedem in Betracht kommenden Material wurden zunächst Testplatten gepreßt und einer ersten Abhörprobe unterzogen. Eine weiterzuprüfende Platte mußte weitgehend frei sein von Zisch-, Knack-, Prassel- und sonstigen Störgeräuschen, wobei man vier Bewertungsstufen unterschied:

  • A = Hervorragende Qualität ohne bemerkbare Störgeräusche,
  • B = Gerade bemerkbare, aber zu vernachlässigende Störgeräusche,
  • C = Deutliche, aber noch vertretbare Störgeräusche und
  • D = Nicht mehr vertretbare Störgeräusche: Testplatte unbrauchbar.


Eine solche Bewertung ist zwar subjektiv, liefert aber auch beim Einsatz mehrerer Versuchspersonen reproduzierbare Ergebnisse. Es stellte sich heraus, daß Fehler bei der Erstabspielung im allgemeinen nicht auf das zu prüfende Material, sondern meist auf Unachtsamkeiten bei der Pressung zurückzuführen waren.

Deutlich höhere Anforderung an die Pressung

Die bei einer CD-4-Pressung an die Preßwerkzeuge zu stellenden Anforderungen sind wesentlich höher als bei normalen Zweikanal-Stereopressungen, und eine Beurteilung der Materialien ist ohne Verwendung höchstwertiger, in geeigneten Abständen genau kontrollierter Preßwerkzeuge unmöglich.

Hatte eine Testplatte den ersten Abhörtest bestanden (Bewertung mindestens C), dann erfolgte entsprechend dem Prüfschema in Bild 1 eine erste Messung des Hilfsträgerpegels bei verschiedenen Tonrillendurchmessern.

Referenzmessungen ohne RIAA Entzerrung

Zu diesem Zweck verwendete man einen Spezial-Plattenspieler mit besonders ausgesuchter Shibata-Nadel und nur 10mN (also etwa 1p) Auflagegewicht. Die von ihm gelieferten Signale wurden zunächst ohne RIAA-Entzerrung linear um 20 dB verstärkt und dann einem Hochpaßfilter mit 30 kHz Grenzfrequenz und 24 dB/Oktave Flankensteilheit zugeführt. Dieses Filter ließ nur die Hilfsträgersignale durch, und unterdrückte das Basisband völlig. Als Referenz diente der erste Teil der A-Seite einer RCA-Prüfplatte 12-5-114.

Nach der Messung des Hilfsträgerpegels wurde das Rauschspektrum der Testplatte aufgenommen. Zu diesem Zwecke führte man die Ausgangssignale eines modifizierten CD-4 Demodulators einem Spektrum-Analysator HP 8054A zu, und die Meßergebnisse wurden auf einem XY-Schreiber festgehalten. Man konnte sowohl die Rauschspektren der Nf-Basiskanäle allein, die des demodulierten Hilfsträgers ohne ANRS sowie die des kompletten CD-4-Signals ermitteln.

Die Messungen erfolgten an nicht bespielten Stellen der Testplatte. Als Referenz für die Rauschpegel der Nf-Basiskanäle und der Hilfsträgermodulation diente der erste Abschnitt der A-Seite der RCA-Prüfplatte 12-5-114 mit seinen (amerikanischen) Standardwerten für QuadraDisc-Aufzeichnungen.

Grobauswahl der zu messenden Platten

Der eigentliche, auf diese Untersuchungen folgende Verschleißtest geschah auf automatischen Plattenwechslern, von denen einer mit einer Shibata-Nadel bei 20mN (etwa 2p) Auflagegewicht, der andere mit einer konischen Nadel bei 45mN (etwa 4,5p) Auflagegewicht bestückt war. Die Testplatten, die mit der Shibata-Nadel abgespielt wurden, mußten nach je 25 Abspielzyklen eine Hilfsträger-Pegelmessung und einen Hörtest durchlaufen, bei den mit konischer Nadel abgetasteten Platten erfolgte nach den ersten 10 Abspielzyklen eine zusätzliche Prüfung.

Als „ausgefallen" wurde jede Testplatte bewertet, bei deren Abspielung der CD-4-Demodulator wegen zu niedrigen Trägersignalpegels abschaltete oder deren Abhörtest nicht wenigstens die Beurteilung C erhielt.

Nach dem Ausfall einer Testplatte oder - bei guten Materialien - nach dem 100. Abspielzyklus erfolgte eine erneute Messung des Rauschspektrums. Der beim Abspielen am stärksten beanspruchte Teil jeder Schallplatte sind die innersten Rillen. Deshalb stanzte man zum Schluß aus allen Testplatten, die den Verschleißtest durchlaufen hatten, den innersten Rillenring von etwa 12 mm Breite heraus und untersuchte ihn mit dem Rasterelektronenmikroskop.

Vorwort zu den Messergebnissen

Bild 2a. Tonrille einer QuadraDisc-Schallplatte nach 100 Abspielzyklen mit einer Shibata-Nadel (links) bei 20mN Auflagegewicht und
Bild 2b. mit einer konischen Nadel (rechts) bei 45mN Auflagegewicht
Bild 3. Tonrille nach 25 Abspielzyklen mit konischer Nadel bei 45mN Auflagegewicht: Ungeeignetes Plattenmaterial

Dabei entstanden Aufnahmen wie die in den Bildern 2 bis 6 gezeigten; sie lieferten wichtige Aufschlüsse über das Materialverhalten.

Die beiden beim Verschleißtest verwendeten Nadeltypen stellen hinsichtlich der mechanischen Plattenbelastung etwa die derzeit zu erwartenden Extremwerte dar.

Um auch die zwischen diesen beiden Extremen geltenden Verhältnisse zu erfassen, spielte man alle Testplatten, die den Verschleißtest erfolgreich durchlaufen hatten, zusätzlich noch mit einer konischen Nadel bei 20mN (etwa 2p) Auflagegewicht und mit einer elliptischen Nadel bei 12mN (1,25 p) Auflagegewicht ab.

In keinem Fall ergaben sich dabei unerwartete Ergebnisse.
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Fortwährende Messung und Kalibireung der Nadeln

Selbstverständlich mußte man die beim Verschleißtest verwendeten Nadeln immer wieder sorgfältig kontrollieren. Nach jeweils 100 Abspielzyklen wurden sie einer genauen mikroskopischen Untersuchung unterzogen. Konische und elliptische Nadeln wurden ausgewechselt, sobald sich an ihren Flanken Abschliffstellen bemerkbar machten.

Mit Shibata-Nadeln führte man zusätzliche Probeabspielungen auf einem Referenz-Tonkopf durch. Als Prüfplatte diente dabei eine RCA RL-1850. Sie enthält an ihrem Ende (ab etwa 127 mm Durchmesser) einen Abschnitt, bei dem beide Rillenflanken ein mit konstantem Schneidstrom geschnittenes 30-kHz-Signal tragen.

Eine neue Shibata-Nadel darf bei 10mN (1p) Auflagegewicht zwischen Anfang und Ende dieses Intervalls keinen größeren Abfall des 30kHz Signals als 3 dB zeigen. Sobald eine im Verschleißtest benutzte Shibata-Nadel bei diesem Test mehr als 6 dB Abfall zeigte, wurde sie ausgewechselt.

Verschleißtests

Bild 4. QuadraDisc-Material ohne Antistatikum: Nach 100 Abspiel- zyklen mit einer Shibata- Nadel bei 20mN Auflagegewicht ist die Tonrille durch Materialpartikel verschmutzt
Bild 5a. Ungeeignetes Material: Nach 25 Abspielzyklen mit einer Shibata-Nadel (links) bei 20mN Auflagegewicht oder
Bild 5b. nach erst 10 Abspielzyklen mit einer konischen Nadel (rechts) mit 45mN Auflagegewicht ist bereits starker Verschleiß festzustellen

Bei den für die Verschleißtests verwendeten Plattenwechslern waren Bürsten angebracht, welche beim Zurückschwingen des Tonarms die Abtastnadeln von Staub befreiten. Die Testplatten selbst wurden weder vor noch während oder nach den einzelnen Abspiel-
zyklen gereinigt; die an ihnen durchgeführten Messungen erfolgten also ohne vorherige Säuberung.

Während für manche älteren Preßmassen zwischen zwei Abspielungen eine Erholzeit von bis zu 24 Stunden gefordert wird, hatte man für das neue Material als zusätzliches Entwicklungsziel eine Erholzeit von höchstens 10 Minuten angestrebt.

Bei den Verschleißtests erfolgte das automatische Aufsetzen der Nadel bei einem Durchmesser von 254 mm, was einer Abspiel-beziehungsweise Wiederholungszeit von etwa 10 min entspricht. Materialien mit längerer Erholzeit schieden bei den Versuchen also von selbst aus. Außerdem hatte man dabei den Vorteil, daß der äußerste Teil der Platte dabei ungespielt blieb und für spätere Vergleichsmessungen zur Verfügung stand.

Versuchsergebnisse

Als Ergebnis der durchgeführten Arbeit konnte eine neue Preßmasse entwickelt werden, die nach 100maligem Abspielen mit einer Shibata-Nadel bei 20mN (2p) Auflagegewicht praktisch weder mikroskopisch sichtbare noch hörbare Qualitätseinbußen zeigt.

Bild 2a ist die Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer derartig häufig abgespielten Testplatte aus dem neuen Material.

Gleichhäufiges Abspielen mit einer konischen Nadel bei 45mN (4,5p) Auflagegewicht liefert eine im Rasterelektronenmikroskop deutlich sichtbare Verschleißspur (Bild 2b). Diese Spur ist aber schmal und durch keinerlei Bruchstücke verschmutzt, so daß sich beim darauffolgenden Abspielen einer derartig „malträtierten" Platte mit einer Shibata-Nadel praktisch keine Qualitätseinbuße ergibt: Die breite Kontaktfläche der Shibata-Nadel überbrückt" die Abriebfurche.

Die unbrauchbare Masse im Bild 3 dagegen zeigt bereits nach nur 25 Abspielzyklen mit einer komischen Nadel bei 45mN (4,5p) Auflagegewicht derartige Zerstörungen, daß selbst eine Shibata-Nadel daraus kein brauchbares Signal mehr gewinnen kann.

Bild 6a. Eine Tonrille in einem Plattenmaterial, welches nach 100 Abspielzyklen mit einer Shibata-Nadel (links) bei 20mN Auflagegewicht keinen merklichen Verschleiß zeigt.
Bild 6b. Eine Tonrille, die nach nur 25 Abspielungen mit konischer Nadel (rechts) bei 45mN Auflagegewicht jedoch schon weitgehend zerstört ist.

Bild 4 veranschaulicht das Verhalten einer QuadraDisc-Masse ohne Antistatikum.

Nach 100maligem Abspielen mit einer Shibata-Nadel bei 20mN (2p) Auflagegewicht ist die Tonrille durch herausgebrochene Materialpartikel verschmutzt, was die Wiedergabe beeinträchtigt.

Das im Bild 5 gezeigte Material zeigt nach nur 25 Abspielzyklen mit einer Shibata-Nadel bei 20mN (2p) Auflagegewicht oder nach sogar nur 10 Abspielungen mit einer konischen Nadel bei 45mN (4,5p) Auflagegewicht starke Verschleißerscheinungen mit Bruchpartikeln in der Tonrille.

Wie verschiedenartig sich die Abtastbedingungen auswirken können, ist im Bild 6 zu erkennen: Bei diesem Material ergab eine 100malige Abtastung mit einer Shibata-Nadel bei 20mN (2p) Auflagegewicht keinen erkennbaren Verschleiß (Bild 6a).

Während sich nach nur 25 Abspielungen mit einer konischen Nadel bei 45mN (4,5p) Auflagegewicht bereits starke Verschmierungen zeigten (Bild 6b).

Spezifikation der neuen Pressmasse

Die neue Preßmasse hat eine Zusammensetzung von etwa 75,5...80,0% Primärharz. 20,8...16,3% Sekundärharz, 0,2% Kohlenschwarz, 2,0% Stabilisator, 1,2% Antistatikum, 0,5% Modifizierer (EPO) und 0,4% Gleitmittel. Diese Zusammensetzung wurde der chemischen Industrie bekanntgegeben, soweit sie Preßmassen für die Schallplattenherstellung fertigt.

Von den Firmen Keysor-Century und Tenneco Chemical wurden bereits Mischungen nach diesem Rezept hergestellt, die in ihren Eigenschaften praktisch der von RCA entwickelten entsprechen. H.P.S

Literatur

Bogantz, G.A., und Khanna, S. K.: Development of Compound for quadradiscs. RCA Technical Communications RE-21-5-3, 1976.
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