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Aus der Funk-Technik Heft Nr. 07-1974

von K. P. EFFENBERGER - Klaus Peter Effenberger ist Mitarbeiter des Shure Verbindungsbüros Europa, Bad Soden (Taunus). (überarbeitet im Mai 2012)

1974 - Meßmethoden zur Ermittlung der Abtastfähigkeit von Tonabnehmern

Abtastverzerrungen und ihre übliche Messung
Während der Entwicklungsphase des Tonabnehmersystems von nahezu einem Jahrhundert sind Arbeitsprozesse und Materialien derart verfeinert worden, daß man heute fähig ist, Tonabnehmer mit ausgezeichneten Übertragungseigenschaften herzustellen.

Was versteht man nun unter einem Ideal-Tonabnehmer?

Das Tonabnehmersystem sollte exakt ein - den Rillenauslenkungen der Schallplatte - analoges elektrisches Signal erzeugen.
Das heißt, die Auslenkungen des Diamanten in der Plattenrille werden mechanisch - je nach Arbeitsprinzip - auf (1) einen Kristall, (2) eine Spule oder (3) einen Magneten übertragen.

Die kleinste Größenordnung

Ein Tonabnehmer stellt also einen elektromechanischen Wandler kleinster Größenordnung dar. Jedoch erweist es sich in der Praxis oft als recht schwierig, den festen Kontakt zwischen dem Abtastdiamanten und der Schallplattenrille aufrechtzuerhalten, und das bei möglichst minimaler Auflagekraft, um den Diamanten und auch das Programmmaterial soweit wie möglich vor allzu schnellem Verschleiß zu schützen.

Bereits geringe Abweichungen des Abtaststiftes von der durch die Schallplatte vorgegebenen Information wird die Übertragung der gesamten Wiedergabekette beeinträchtigen. Was das Tonabnehmersystem falsch aus den Rillenauslenkungen „erfühlt", kann kein nachfolgendes Glied der Übertragungskette jemals zurückbringen.

Kleine Hindernisse

Diese Übertragungseigenschaften werden hauptsächlich in zwei Frequenzbereichen beeinträchtigt: nämlich bei tiefen Frequenzen, (wo?) bei denen die mechanische Compliance des dynamischen Tonabnehmers den Rillenauslenkungen Grenzen setzt, und im hohen Frequenzbereich, bei denen nachweisliche Verzerrungen - begünstigt durch Rillendeformation und durch allzu hohe Amplitudenbeschleunigungen - die für den mechanischen Aufbau des nach dem dynamischen Prinzip arbeitenden Systems beträchtliche Hindernisse darstellen.

Von diesen zwei Frequenzbereichen ist der zweite, also der Bereich hoher Frequenzen, der schwerwiegendste. Tatsächlich galten die mit hohen Frequenzen verbundenen Probleme für lange Zeit als unüberwindlich und wurden generell als kinematische Rillenverzerrungen abgetan.
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Sinustöne reichen nicht

Bild 1. Schwingungsformen ver- schiedener Instrumente; a) Glocken,
Bild 1. b) Cembalo,
Bild 1. c) Orchesterglocken,
Bild 1. d) 10-kHz-Testsignal bei 5 cm/s (Testschallplatte STR 100)

In den letzten sieben Jahren (wir schreiben 1974) konnte der dynamische Tonabnehmer jedoch wesentlich verbessert werden, das sich hauptsächlich im Abtastverhalten bei hohen Frequenzen bemerkbar macht. Besonders prägnante hochfrequente Schwingungen treten häufig bei instrumentalen Programmaterialien auf.

Verschiedene Instrumente wie zum Beispiel Glocken, Cembali und Becken
beinhalten ebenso wie Zischlaute der menschlichen Stimme eine Vielzahl von hochfrequenten Oberwellen (sogenannten Formanten), die den eigentlichen Klangcharakter festsetzen.

Bild 1 stellt einige Oszillogramme, die von derartigen Informationen auf handelsüblichen Schallplatten aufgenommen wurden, im Vergleich zum 10kHz Ton einer Testschallplatte dar.

Musik besteht aus Impusspitzen

Es ist offensichtlich, daß hochfrequentes, mit großen Schnellenwerten geschnittenes Programmaterial recht häufig anzutreffen ist. Dabei handelt es sich um relativ kurzzeitige, aufeinanderfolgende Impulsspitzen von insgesamt ein oder zwei Sekunden Dauer, die jedoch eine hochkomplizierte Struktur aufweisen.

Werden nun diese Signale durch Fehlabtastung verzerrt, dann klingen sie „rauh", „schrill" und „scheppernd". Mit anderen Worten: Sind Störsignale tiefer oder mittlerer Frequenzen in der Information enthalten, dann wird der gesamte Klangcharakter verändert, ja geradezu „degradiert".
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Bild 2. Terzfilteranalyse von Orchesterglocken (durchgezogene Kurve) und Fehlabtastung (unterbrochene Kurve) infolge Herabsetzen der Tonarm-Auflagekraft unter den empfohlenen Wert

Dieses Hinzutreten von Störinformationen, analysiert durch ein Terzfilter, ist im Bild 2 bei Orchesterglocken (ähnlich Bild 1c) dargestellt.

Die durchgezeichnete Kurve im Bild 2 zeigt deutlich die Grundfrequenz  fo von 1,8kHz, eine dritte Harmonische bei 5,4kHz und eine sehr starke fünfte Harmonische bei 9kHz.

Tritt nun Fehlabtastung auf, zum Beispiel hervorgerufen durch Herabsetzen der Auflagekraft unter den empfohlenen Minimalwert, dann wird ein völlig anderer Frequenzverlauf sichtbar (dargestellt durch den durchbrochenen Kurvenverlauf).

Die fundamentale Struktur der Grund- und Oberwellen ist zwar noch sichtbar, aber diese scheinen nur noch Inseln in einem Meer von Störgeräuschen zu sein.

Die Platten-Schneidemaschinen müssten es können . . .

Schallplatten-Schneidvorrichtungen (Cutter) sind sehr wohl imstande, derartige Schwingungen aufzuzeichnen, da die Impulsdauer sehr kurz ist. Diese Signale sind zwar intensiv, treten aber nur für extrem kurze Zeiträume auf und können somit die Durchschnittsleistung der Schneidapparatur kaum anheben. Ein ständig auftretendes Signal dieser Größenordnung würde allerdings zweifellos zur Überhitzung des Cutters führen.

Nachdem nun meßtechnisch ermittelt werden konnte, wie häufig diese hohen Frequenzanteile auf herkömmlichen Schallplatten vertreten sind, war natürlich eine Meßmethode der Abtastfähigkeit (Trackability) von Tonabnehmern im hohen Frequenzbereich notwendig geworden.

Drei Meßmöglichkeiten

Bis dahin existierten folgende drei Meßmöglichkeiten:

a) durch subjektive Hörvergleiche,
b) durch Klirrfaktormessungen,
c) durch das Differenztonverfahren.

Hörtests, die von gewöhnlichen Instrumentalaufnahmen ausgehen, können zwar für grobe Vergleiche dienen, lassen aber immer der subjektiven Urteilskraft einen relativ großen Spielraum, denn das (gehörte und gesehene) Signal kann kaum definiert und charakterisiert werden.

Klirrfaktormessungen werden durch die Oberwellenstruktur eines Signals stark beeinflußt. Man geht hier von der Tatsache aus, daß an einer nichtlinearen Kennlinie neben der zugeführten Frequenz fo weitere Frequenzen als ganzzahlige Vielfache von fo entstehen. Je nach Art der Verzerrung, ob symmetrisch oder unsymmetrisch, treten ungeradzahlige oder geradzahlige Teilschwingungen auf.

Die Auswertung kostet Zeit

Diese Meßmethode weist jedoch den entscheidenden Nachteil auf, daß die Auswertung Zeit kostet, da der prozentuale Anteil der Verzerrungen nicht direkt meßbar ist.

Bild 3. a) Oszillogramme nach dem Differenztonverfahren; hier die einwandfreie Abtastung,
Bild 3. b) hier die fehlerhafte Abtastung der Platte

Das Differenztonverfahren, das von zwei hohen Frequenzen gleicher Intensität ausgeht (zum Beispiel Verzerrungsmeßschallplatte DIN 45 542) hat den Vorteil, daß Frequenz-Intermodulationsverzerrungen (FIM) durch Bestimmung der Frequenzmodulation von f2 mit fx direkt (zum Beispiel mit einem Tonhöhenschwankungsmesser nach DIN 45 507) ermittelt werden können.

Bei der Demodulation können jedoch Abtastverzerrungen (Phasenmodulation) falsch bewertet werden. Bei der visuellen Auswertung ist aber die sofortige Beurteilung der Abtastfähigkeit eines Tonabnehmers möglich.

Werden die X- und Y-Achsen eines Oszillografen durch die beiden Einzel-Informationen des Stereo-Signals abgelenkt, dann entstehen - je nach Abtastung - Oszillogramme, wie sie im Bild 3 dargestellt sind.

Diese Art der Erfassung der Abtastfähigkeit wird von der Firma Shure im Rahmen eines Phono-Prüfprogramms ausgenutzt. Dieses Verfahren weist zwar ein wesentlich besseres Verhältnis von Spitzenwerten zum mittleren Signalpegel auf als eine einzelne Sinusinformation. Es ist jedoch für eine stetige, hochpegelige Aufzeichnung auf Schallplatten nicht praktikabel. Alle die bisher beschriebenen Meßmöglichkeiten weisen Nachteile auf.

Die Tonburst-Meßmethode

Bild 4. Erzeugung des Testsignals nach der Tonburst-Methode

Die Berücksichtigung dieser Probleme ließ den einzigen Schluß zu, ein Signal zu benutzen, das selbst einen Spitzenimpuls darstellt, obgleich es in regelmäßigem Rhythmus vorkommen sollte.

Dieses Signal basiert auf Impulspaketen, sogenannten Tonbursts, deren Aufbereitung im Bild 4 dargestellt ist. Das von einem Oszillator erzeugte Signal der Frequenz fo passiert einen synchron laufenden Nullspannungsschalter (Tonburstgenerator), der das Oszillatorsignal in Schwingungspakete zerlegt.
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Bild 5. Impulspakete (Tonbursts) der Frequenz fo und der Folgefrequenz ff
Bild 6. Analyse der (Rechteck-) lmpulspakete

Für die Dauer von acht Sekunden öffnet er und sperrt dann für 32 Sekunden. Dieser Schaltvorgang ist notwendig, um ein Signal nach Bild 5 zu erzeugen.



Das Spektrum eines solchen Signals ist reich an Harmonischen der Impulsfolgefrequenz ft, die 1/40 der Oszillatorfrequenz fo ausmacht (Bild 6).

Dieses Testsignal hat einen erheblichen Anteil an tiefen Frequenzen. Passiert es jedoch ein Terzfilter mit einer Mittenfrequenz von fo, dann werden alle Anteile bis auf die der Oszillatorfrequenz und der unmittelbar benachbarten Frequenzen ausgeblendet.

 

Bild 7. Analyse der gefilterten Testsignale
Bild 8. Analyse des verzerrten Testsignals
Bild 9 (unten). Zeichnerische Analyse eines verzerrten Testsignals

Dadurch werden die Impulspakete so verformt, wie aus Bild 7 hervorgeht. Die relativ geringe Impulsdauer dieses Signals (etwa 25%) gestattet derzeitigen Schneidvorrichtungen auch die Aufzeichnung von hohen Spitzenpegeln.



Wird dieses Signal bei der Abtastung verzerrt, und zwar so, daß die positiven wie auch die negativen Anteile ungleich werden, erscheinen wieder niederfrequente Komponenten, dargestellt im Bild 8. Hier sind die Impulse durch unsymmetrische Verzerrungen stark angestiegen.



Eine einleuchtende Erklärung des Wiedererscheinens der Impulsfolgekomponenten gibt Bild 9. Das verzerrte Impulssignal mag von einem unverzerrten Impulspaket herrühren, das mit einem weiteren Impuls gleicher Frequenz überlagert ist, der eine Anzahl von Harmonischen mit sich bringt.

Beide Signale, das Testsignal wie auch hochfrequente Impulsstöße auf herkömmlichem Programmmaterial, reagieren völlig gleich, wenn sie verzerrt werden; beide erzeugen eine Vielzahl von Frequenzen, die relativ leicht ausgewertet werden können.

Die Auswertung

Wird ein solches Testsignal auf Platten aufgenommen und zur Prüfung von Tonabnehmer- systemen herangezogen, dann können die Resultate auf drei verschiedenen Wegen ausgewertet werden:

  • 1) In Hörtests durch Feststellung der Veränderungen von Impulsfolgekomponenten und Intensität des Signals;
  • 2) durch Beobachtung des Ausgangs -Signals mit einem Oszillografen;
  • 3) durch Filter- oder Spektrumanalysen.


Hörtests wie auch visuelle Auswertungen sind immer noch recht subjektiv, da ausschließlich Tonveränderungen und sichtbare Verzerrungen auf dem Schirm des Oszillografen bemerkbar sind, die von starker Fehlabtastung stammen.

Werden jedoch beide Methoden gleichzeitig angewandt, dann kann der Beobachter beide Ergebnisse miteinander verknüpfen und so zu einer besseren Auswertung kommen.

Die weitaus größte Bedeutung dieses Testsignals kommt aber der Analyse des Frequenzspektrums zu. Tiefe Frequenzen erscheinen, wenn der Tonabnehmer nahe der maximalen Schnelle der Impulsspitze unsauber abtastet. Dieses Phänomen gestattet eine einwandfreie Definition der Verzerrungen. So können Abtastverzerrungen auf einfache Weise nach Gleichung (1) errechnet werden :

Bild 10. Verzerrungscharakteristik des „V-15/III" in Abhängigkeit von der Schnelle v und bei verschiedenen Tonarm-Auflagekräften

(k = Abtastverzerrungen in %; Uimp = Impuls- spannung bei fo/40, gemessen mit einem Schwingungsanalysator bei 3dB Bandbreite; Ufo = Spannung der Oszillatorfrequenz fo, gemessen mit einem Schwingungsanalysator bei 3 dB Bandbreite).

Werden die Abtastverzerrungen gegenüber der Modulationsschnelle aufgetragen, dann kann der Einsatz (= der Beginn) der Fehlabtastung leicht ermittelt werden.

Im Bild 10 ist eine Reihe solcher Kurven aufgezeichnet. Hier sind Tonbursts von 10,8kHz bei verschiedenen Schnellenwerten v (19 - 23,5 - 29cm/s) aufgenommen. Jede der drei Kurven gibt die Abtastverzerrungen k des Tonabnehmers für eine bestimmte Auflagekraft an.

Beurteilung der Kurven

Man kann diese Kurven in drei grundlegende Bereiche einteilen :

  • 1. Einwandfreie Abtastung
    Der Tonabnehmer behält einen einwandfreien Kontakt zu den Rillenwänden. Die Impulsform und das Spektrum sind ähnlich Bild 7. Die trotzdem gemessenen Abtastverzerrungen sind hier abhängig von restlichen, beim Aufnahmeprozeß entstandenen Verzerrungen. Dieser Zustand wird durch Punkt A gekennzeichnet.
  • 2. Grenzwert einwandfreier Abtastung
    Das Bild 11 (weiter unten rechts) zeigt das bei Punkt B, Bild 10, analysierte Signal. Dieser Zustand ist instabil, und Oszillogramme wie auch spektrale Auswertungen schwanken, als ob die Auflagekraft durch Plattenschlag ständig verändert würde. Die Abtastschnelle wird also durch die Instabilität des Signals charakterisiert. Die durchschnittlichen Verzerrungen sind gegenüber der einwandfreien Abtastung etwas angehoben.
  • 3. Fehlabtastung
    Bei Punkt C tastet der Tonabnehmer äußerst unsauber ab. Hier würde der starke Verzerrungsanteil auch der visuellen Auswertung des Oszillogramms wenig Zweifel an der Fehlabtastung zulassen. Die Höhe der Verzerrungsmeßwerte ist vergleichsweise hoch.

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Bild 11. Analyse eines Tonabnehmers

Man kann nun den gesamten Test noch besser unterteilen, wenn die Abspielgeschwindigkeit der Testplatte geändert wird. Zum Beispiel wird eine Schallplatte, die bei 16 1/3 U/min Schnellenwerte von 5,5 bis 11cm/s bei 4kHz liefert, bei 33 1/3 U/min Schnellenwerte von 11 bis 22cm/s bei 8kHz und bei 45 U/min gar Schnellenwerte von 15 bis 30cm/s bei 10,8kHz erzeugen. Somit kann die Abtastfähigkeit ohne allzu große Toleranzen ermittelt werden.

Dieses Verfahren erweist sich als recht vorteilhaft
, wenn zwei Tonabnehmer getestet werden sollen, die enorme Unterschiede in der Abtastfähigkeit aufweisen. Außerdem könnten Verzerrungen, hervorgerufen durch Fehlabtastung, direkt meßtechnisch ermittelt werden.

Interessante Details

Bild 12. Verzerrungscharakteristik bei Verwendung eines abgenutzten konischen (/), eines abgenutzten biradialen (2), eines neuen konischen (3) und eines neuen biradialen (4) Abtaststiftes (aufgenommen bei 45U/min mit 10,8kHz Ton-bursts der Testplatte TTR 103)

Nun liefert der Bereich knapp unterhalb der Abtastgrenze einige weitere interessante Informationen.

Bild 12 zeigt dazu die Kurven von vier Systemeinschüben, die eine ähnliche Konzeption aufweisen und alle im Bereich der einwandfreien Abtastung arbeiten. Es ist interessant festzustellen, daß Abtastverzerrungen nicht nur von der Auflagekraft und der Skating-Kompensation, sondern auch vom Abnutzungsgrad des Abtaststiftes und von seiner Form beeinflußt werden. Die geringsten Abtastverzerrungen sind mit einem biradialen Diamanten zu erreichen.

Nachzutragen wäre, daß alle Meßergebnisse, die hier besprochen wurden, auf einem frequenzlinearen Verstärker basieren (also ohne Vorverstärker samt E´ntzerrungskurve). Wäre nämlich ein Entzerrervorverstärker mit RIAA-Charakteristik benutzt worden, dann wären die Resultate ähnlich, nur die prozentuale Angabe der Abtastverzerrungen wäre etwa 10 mal größer. So könnten diese Tests natürlich auch im Wohnzimmer mit der vorhandenen Hi-Fi-Anlage gemacht werden.

Was Sie nicht machen sollten

An dieser Stelle sei eindringlich davor gewarnt, einen Tonabnehmer oberhalb der empfohlenen maximalen Auflagekraft zu betreiben, da hierbei unweigerlich der Testplatte die Eigenresonanzen des Tonabnehmers durch „Sekundär-Prägung" [1] aufgeprägt werden würde.

Entsprechende Schäden trägt die Platte auch bei zu geringer Auflagekraft davon. Werden Testplatten mit den hier beschriebenen Impulspaketen benutzt, so steht zum ersten Mal eine objektive Meßmethode der Abtastfähigkeit von Tonabnehmern bei hohen Frequenzen zur Verfügung, deren Resultate meßtechnisch ausgewertet werden können.

Außerdem gestattet diese Methode Einsicht in Zusammenhänge zwischen Abtastverhalten und Form sowie Abnutzungsgrad des Diamanten. Auf Grund dieser Betrachtungen und den hier beschriebenen Versuchen entstand die Shure-Testplatte TTR103, die bereits von vielen unabhängigen Testinstituten zur Ermittlung der Abtastfähigkeit im Bereich hoher Frequenzen herangezogen wird.

Schrifttum

Arbeitsgrundlage zu diesem Referat war der Vortrag von R. Anderson und P. Jenrick, beide bei Shure Brothers Inc., anläßlich der 41. Convention of the Audio Engineering Society in New York.

[1] Jacobs, B.W.: Frequenzganganalysen von Tonabnehmersystemen mit Hilfe von Meß-Schallplatten. FUNK-TECHNIK Bd. 25 (1970) Nr. 22, S. 883-885, 888

Das war ein Artikel von 1974 aus dem Hause Shure.

Shure war bei Tonabnehmersystemen der weltweite Marktführer zur damaligen Zeit. Mehr über die Firma Shure und deren Produkte kommt auf der Hersteller-Seite.


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