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Das ist das Wissen von 1979 und es ist überholt

Bitte benutzen Sie diese Ausführungen nur zum histroischen Vergleich. Der letzte Stand des Wissens aus dem Erfahrungsbereich der Hifi-Stereophonie steht auf dieser 1983er Test-Jahrbuch-Seite.

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Der Tonabnehmer

Dem Tonabnehmer obliegt es, die in den Schallrillen fixierten mechanischen Schwingungen in elektrische zu verwandeln, die dann dem Verstärker zugeführt, in diesem verstärkt und durch die Lautsprecher wieder in mechanische Schwingungen der Luft zurückverwandelt werden.

Alle Funktionen von Laufwerk und Tonarm zielen darauf hin, das Abtasten der Schallrillen durch den Tonabnehmer ohne Störgeräusche optimal zu ermöglichen.

Der Diamant folgt den Auslenkungen der durch die Drehung der Schallplatte bewegten Schallrille und versetzt dadurch den Nadelträger, auf dem er befestigt ist, in mechanische Schwingungen gleicher Frequenz.

Es sind mechanische Schwingungen

Zur Umwandlung dieser mechanischen Schwingungen des Nadelträgers in elektrische können verschiedene Wandlerprinzipien angewandt werden. Im piezoelektrischen Wandler wirken die Schwingungen des Nadelträgers über ein Joch auf zwei Kristall- oder Keramikplättchen ein, die dadurch im Takte der Schwingungen wechselnden Biegekräften ausgesetzt werden.

Diese Kristalle oder Keramikplättchen haben nun die Eigenschaft, daß, wenn sie auf Biegung beansprucht werden, an ihren Seitenflächen eine Potentialdifferenz auftritt, deren Größe von der Stärke der Biegekraft, das heißt von den Amplituden der mechanischen Schwingungen des Nadelträgers, und damit von denen der Schallrille, abhängt. Deshalb nennt man Kristall- oder Keramiktonabnehmer sowie alle anderen Wandler, bei denen die auftretende Spannung einer Biegekraft proportional ist, Amplitudenwandler.

Stereo-Schallplatten haben eine 45°/45°-Schrift

Stereo-Schallplatten sind in 45°/45°-Schrift geschnitten. Die Rillenflanken bilden zueinander einen rechten Winkel. Soll nur der linke Kanal moduliert werden, so führt der Schneidstichel nur Schwingungen senkrecht zur inneren Rillenflanke der Schallrille aus. Ist nur der rechte Kanal moduliert, so bewegt sich der Schneidstichel nur senkrecht zur äußeren Rillenflanke. Auf die Schallrille bezogen, ist das Ergebnis in beiden Fällen eine Kombination aus Tiefen- und Seitenschrift. Der Wandler muß die auf diese Weise in der Schallrille gespeicherte Stereo-Information wieder in zwei Einzelinformationen trennen.

Die Amplituden-Wandler (Das Kristall-System)

Aus diesem Grunde bilden die Arme des Jochs im Kristall-Tonabnehmer einen rechten Winkel zueinander, ebenso die beiden Flächen der Kristallplättchen (Bild 1).

Ist nur der linke Kanal der Schallrille moduliert, bewegt sich nur der rechte Jocharm in Längsrichtung und verursacht eine Verbiegung des rechten Kristall-Plättchens. Der linke Jocharm wird nur senkrecht zu seiner Armachse geringfügig bewegt und übt daher nur eine ganz geringe Kraft auf das linke Kristall-Plättchen aus. In Dezibel ausgedrückt, nennt man die diesem Kräfteunterschied entsprechende Differenz der Polarisationsspannungen Übersprechdämpfung.

Es gibt bei Abtaster-Konzepten immer Vor- und Nachteile

Amplituden-Wandler haben Vor- und Nachteile. Aus qualitativer Sicht überwiegen die Nachteile. Ihr Hauptvorteil liegt darin, daß sie relativ billig sind und daß sie eine rund 100mal größere Ausgangsspannung liefern als die noch zu behandelnden Schnelle-Wandler. Deshalb und weil sie aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften die beim Schneiden der Lackfolie erfolgte Verzerrung des Frequenzgangs einigermaßen kompensieren, können sie direkt an den hochpegeligen Eingang eines Verstärkers oder an den Kristall-Eingang eines normalen Rundfunkgerätes angeschlossen werden, ohne daß ein Entzerrer-Vorverstärker erforderlich ist. Allerdings ist weder der Frequenzgang noch der Übertragungsbereich ideal.

Ihr Hauptnachteil besteht jedoch darin, daß sie gerade aufgrund des Wandlerprinzips, das in der Verformung von Kristallen besteht, für die ein bestimmter Kraftaufwand erforderlich ist, ziemlich hohe Auflagekräfte benötigen (2,5 bis 5 p). Soll trotz Auflagekräften dieser Größe eine plastische Deformation der Rillenflanken und damit eine irreparable Zerstörung der in der Schallrille gespeicherten Modulation vermieden werden, ist dies nur möglich, wenn die Verrundungsradien der Abtastspitze an den Stellen, an denen diese auf den Rillenflanken aufsitzt, so groß sind, daß die Auflagedrücke ein erträgliches Maß nicht überschreiten.

Solche Verrundungsradien setzen aber relativ grobe Abtastspitzen voraus, die einem präzisen Abtasten der Schallrillen im Wege stehen. Aus den genannten Gründen werden heute in der HiFi-Technik, von wenigen Ausnahmen und einigen anderen Wandler-Prinzipien abgesehen, hauptsächlich elektromagnetische Wandler benutzt.

Der elektromagnetische Wandler (Das Magnet-System)

Diese lassen sich ihrerseits wieder in die Gruppen der magnetischen und der dynamischen Tonabnehmer unterteilen. Bild 2 zeigt den Aufbau eines modernen magnetischen Tonabnehmers (MM = Moving Magnet = bewegter Magnet)

Wie solch ein Wandler funktioniert

Hinten, auf einem sehr feinen Nadelträger, sitzt ein winziger Dauermagnet, schwingfähig in einem Gummipfropfen gelagert. Die Polschuhe zweier Spulenkerne, von denen jeder ein Spulenpaar durchsetzt, bilden wieder einen rechten Winkel zueinander. Durch die Spulenkerne geleitet, durchfließt jedes Spulenpaar ein magnetischer Fluß. Schwingungen des Dauermagneten führen zu Änderungen gleicher Frequenz des magnetischen Flusses, wodurch in jedem Spulenpaar ein elektrischer Strom induziert (erzeugt) wird, der an den Enden jedes Spulenpaares eine Spannung aufbaut.

Jedes Spulenpaar entspricht einem Kanal. Ist nur der linke Kanal moduliert, ändert sich infolge der Schwingungen des Dauermagneten nur der Fluß im vorderen Spulenpaar, und nur in diesem wird ein Strom induziert. Entsprechendes gilt für das hintere Spulenpaar, an dem die Spannung des rechten Kanals abgegriffen werden kann.

Der Begriff der "Schnelle"

Die Größe der auftretenden Spannung ist der Änderung des magnetischen Flusses proportional, d. h. der Geschwindigkeit, mit der sich der Dauermagnet bewegt, und damit der Geschwindigkeit, mit der sich die Nadelspitze in der Schallrille bewegt.

Diese Geschwindigkeit nennt man Schnelle. Die Spannung, die ein elektromagnetischer Tonabnehmer bei 1 kHz abgibt, wird auf die Schnelle der Schallrille bezogen. Diesen in mVs/cm ausgedrückten Wert nennt man den Übertragungsfaktor des Tonabnehmers.

Der dynamischer Wandler (Das Moving-Coil System)

Bei dynamischen Tonabnehmern sind anstelle des Dauermagneten zwei extrem kleine Spulen oder Spulenpaare am Nadelträger befestigt; daher die Bezeichnung MC = Moving Coil = bewegte Spule), die nun ihrerseits im magnetischen Feld eines geeignet angeordneten, kräftigen, im Systemkörper fest eingebauten Dauermagneten schwingen.

Die Spulenenden müssen mit den Anschlußstiften durch feine Drähtchen verbunden sein, weswegen es bei dynamischen Tonabnehmern nicht immer möglich ist, den Nadelträger auszutauschen. Neuerdings gibt es dynamische Tonabnehmer, bei denen die Spulen nicht auf dem Nadelträger selbst befestigt sind, sondern auf einem Joch, das durch den Nadelträger bewegt wird. Daher sind bei solchen dynamischen Tonabnehmern die Nadelträger ebenso leicht auswechselbar wie bei magnetischen Tonabnehmern.
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Hier braucht man einen Vor-Vorverstärker oder Übertrager

Die Übertragungsfaktoren von dynamischen Tonabnehmern sind meist so klein, daß die Spannung unter Vergrößerung des Quellwiderstandes durch einen Transformator an Empfindlichkeit und Widerstand des Entzerrer-Vorverstärker-Eingangs angepaßt werden muß.

Diese Transformatoren sind entweder schon in den Systemkörper eingebaut oder, wenn dies mit Rücksicht auf die Masse des Tonabnehmers vermieden wird, zwischen Plattenspieler-Ausgang und Verstärker-Eingang zu schalten. Sie sind dann mit Kabeln und passenden Steckern versehen.

Neuerdings werden immer mehr integrierte Verstärker angeboten, die schon mit Eingängen für MC-Tonabnehmer ausgestattet sind.

Die Schneidkennlinie

Auch die von dynamischen Tonabnehmern abgegebene Spannung ist der Schnelle proportional. Beim Schneiden der Schallrillen wird für das Aufzeichnen eines Signals, dessen Frequenz den Bereich von 20 bis 20.000 Hz bei konstantem Pegel durchläuft (gerader Frequenzgang), nicht mit konstanter Schnelle gearbeitet.

Vielmehr wird die Schnelle nach Maßgabe einer sogenannten Schneidkennlinie verzerrt, und zwar so, daß die tiefen Frequenzen abgesenkt und die hohen angehoben werden (Bild 3).

Es sind zwei spiegelbildliche Kennlinien

Da die von elektromagnetischen Wandlern abgegebene Spannung der Schnelle proportional ist, muß diese Spannung, bevor sie dem Verstärker zugeführt werden kann, gemäß einer zweiten Kennlinie, die zur Schneidkennlinie exakt spiegelbildlich verläuft, wieder entzerrt und wegen der kleinen Übertragungsfaktoren auch noch vorverstärkt werden.

Dies geschieht in den Entzerrer-Vorverstärkern, die in fast allen HiFi-Verstärkern eingebaut sind, welche über Eingänge für magnetische Tonabnehmer verfügen. Früher (vor 1958) verwendeten die verschiedenen Schallplattenproduzenten unterschiedliche Schneidkennlinien. Entsprechend unterschiedlich waren die Entzerrungskennlinien der Verstärker, was oft eine Quelle großer Unsicherheit war. Heute wird ganz allgemein nach der RIAA-Kennlinie mit den Zeitkonstanten 3180, 318 und 75us geschnitten. Sie ist identisch mit der deutschen Norm DIN 45.541, die heute allen Entzerrungs-Kennlinien der Phono-Eingänge von HiFi-Verstärkern zugrunde liegt.

Warum der Frequenzgang verbogen werden muß :

Warum dieser Umweg des Verzerrens beim Überspielen vom Tonband auf die Lackfolie und des Entzerrens im Verstärker bei der Wiedergabe? Die Erfahrung lehrt, daß in der Musik nicht alle Frequenzanteile gleich stark vertreten sind. Mittlere und tiefe Frequenzen kommen häufiger vor als hohe. Da die Frequenz sich zur Schnelle proportional und zur Amplitude umgekehrt proportional verhält, würden beim Schneiden mit konstanter Schnelle die Amplituden der Bässe so groß werden, daß der Nadelträger des Tonabnehmers Schwierigkeiten hätte, diesen zu folgen.

Außerdem würden diese großen Amplituden zu stark verbreiterten Schallrillen führen, von denen nur eine geringere Anzahl auf einer Plattenseite unterzubringen wäre, d.h., die Spieldauer einer Schallplatte würde kleiner werden.

Erfahrungswerte mit den Frequenzanteilen

Hingegen sind die Amplituden der hohen Frequenzanteile in der Musik kleiner als die der tieffrequenten (so sieht es die Amplituden-Statistik). Man kann es sich daher leisten, beim Überspielen die Schnelle und die Amplituden der hohen Frequenzen anzuheben, ohne daß sich beim Abtasten Schwierigkeiten ergeben.

Durch dieses Anheben der Höhen beim Schneiden dr Platten und das nachfolgende Absenken bei der Wiedergabe wird außerdem der Rauschpegel bis zur Unhörbarkeit unterdrückt.

Der einzige Nachteil des Verfahrens besteht darin, daß infolge der Baßanhebung im Entzerrer-Vorverstärker eventuell vorhandene Rumpel- oder Brummgeräusche mitverstärkt werden. Deswegen haben die bei vielen HiFi-Verstärkern vorhandenen Rumpel-Filter durchaus ihre Berechtigung.

Die Qualitätskriterien von Tonabnehmern

Die wichtigsten Qualitätskriterien von Tonabnehmern sind:

  • Frequenzgang,
  • Übereinstimmung der Frequenzgänge in beiden Kanälen,
  • Übersprechdämpfung,
  • Frequenzintermodulation,
  • Nadelnachgiebigkeit und
  • Abtastverhalten bei niedrigen und hohen Frequenzen.


Alle diese Eigenschaften werden in unseren Tests untersucht. Zur Abrundung des Urteils über Tonabnehmer gehört in jedem Falle auch der vergleichende Musik-Hörtest.

Frequenzgang und Übersprechdämpfung

von einem Kanal zum anderen werden mit Hilfe der Meßschallplatte QR 2009 und dem Pegelschreiber 2305 von Brüel und Kjaer gemessen und auf Schrieben (Papierstreifen) registriert. Die Frequenzgänge von magnetischen Tonabnehmern sind im Bereich zwischen 50 und 8000 Hz, bei manchen auch noch weiter zu hohen Frequenzen hin, absolut geradlinig. Im Bereich der Höhen oberhalb 8, 10 oder 12 kHz beobachtet man eine mehr oder weniger ausgeprägte Anhebung, die von der Eigenresonanz des Nadelträgers herrührt.

Unterhalb von 50 Hz tritt gelegentlich eine leichte Anhebung der Bässe auf. Meist ist diese auf eine Resonanz zurückzuführen, die durch das Zusammenwirken von Nadelnachgiebigkeit und träger Masse des Tonarms zustandekommt. Die Frequenz dieser Eigenresonanz liegt um so höher, je kleiner die Nadelnachgiebigkeit des Tonabnehmers und je kleiner die träge Masse des Tonarms ist, und um so tiefer, je größer diese beiden Charakteristika sind.

Die Nadelnachgiebigkeit

(im Englischen: compliance) wird in mm/N ausgedrückt. Sie hat den Charakter des Kehrwerts einer Federkonstanten, denn sie beschreibt, mit welcher Auslenkung der Nadelträger auf eine bestimmte Kraft reagiert. Je größer die Nadelnachgiebigkeit, desto bereitwilliger folgt der Nadelträger den Auslenkungen der Schallrille und desto kleiner kann die Auflagekraft des Tonabnehmers gewählt werden.

Die hochwertigsten magnetischen Tonabnehmer haben heute (wir schreiben 1979) Nadelnachgiebigkeiten bis zu 40 x 10~6 mm/N und können an entsprechenden Tonarmen mit Auflagekräften bis herab zu 3 mN betrieben werden. Derart kleine Auflagekräfte sind nicht etwa Selbstzweck, sondern werden im Interesse - man kann schon fast sagen - absoluter "Plattenschonung" angestrebt.

Anmerkung . Also hier wird ganz dezent angesprochen, was Herr Brüggemann ganz realistisch erläutert hatte, die Platte verschleißt bei höheren Auflagekräften recht schnell.

Die schwingende Masse des Nadelträgers

Die Stärke der Höhenresonanz hängt nämlich ab von der schwingenden Masse des Nadelträgers (Bild 6). In diese geht voll die Masse des Diamanten ein. Daher will man diesen so klein wie möglich halten und dessen Spitze, aus Gründen präziser Abtastung, elliptisch verrunden. Durch kleine Verrundungsradien erhöht sich der Druck auf die Rillenflanken, den man nur dadurch unter dem kritischen Wert halten kann, daß man die Auflagekraft reduziert.

Der richtige Tonarm zum richtigen System

Aus dem bisher Gesagten folgt, daß ein Tonabnehmer einen um so leichteren Tonarm benötigt, je größer seine Nadelnachgiebigkeit ist, sonst verlagert sich die Eigenresonanz des schwingenden Systems, das durch Tonabnehmer und Tonarm gebildet wird, zu weit unterhalb 10 Hz. Bei einer so tiefen Eigenresonanz können tieffrequente Störungen der Schallplattenoberfläche zur Unterbrechung des Kontakts zwischen Nadel und Rillenflanken und damit zu Abtastschwierigkeiten führen.

Diese Eigenresonanz sollte zwischen 12 und 18 Hz, aber nicht darüber liegen, weil sie dann den Frequenzgang des Tonabnehmers verändern würde. Oft ist zu beobachten, daß die Eigenresonanz einer Tonabnehmer-Tonarm-Kombination nur schwach ausgeprägt und dabei noch stark bedämpft ist. In solchen Fällen kann die Eigenresonanz auch unter 10 Hz liegen.

Und schon wieder ein Kompromiss - die Auflagekraft

Die Erfahrung hat gezeigt, daß dem Bestreben, die Nadelnachgiebigkeit immer größer und damit die erforderlichen Auflagekräfte immer kleiner zu machen, in der Praxis durch Erfordernisse der Betriebssicherheit und durch kaum vermeidbare Unvollkommenheiten der Schallplatte, wie z. B. mehr oder weniger ausgeprägter Höhenschlag, eine sinnvolle Grenze gesetzt ist, die etwa bei 7 bis 10 mN liegt.

  • Anmerkung : Das sind etwa 0,7 bis 1 Pond

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Selbst wenn es ginge, hätte es Nachteile

Auch hat sich die mechanische Stabilität von Tonabnehmern mit extrem hoher Nadelnachgiebigkeit als wenig zuverlässig erwiesen. Hingegen bemüht man sich, nicht ohne Erfolg, den mechanischen Verschleiß der Schallrillen durch besondere Formgebung der Diamantspitze weiter zu verringern (Shibata-Nadel - s. Bild 5 -u. a.).

Die Übersprechdämpfung

soll nach DIN 45500 bei 1 kHz über 20dB liegen. Nur bei wenigen Typen wird dieser Wert unterschritten. Bei manchen beträgt die Übersprechdämpfung bis zu 30dB und darüber. Wichtig ist, daß die Übersprechdämpfung von links nach rechts und von rechts nach links etwa gleich groß ist. Treten in dieser Hinsicht große Unterschiede auf, so liegt der Verdacht nahe, daß der Taumelwinkel des Tonabnehmers nicht stimmt, d. h. daß die Nadel, von vorne betrachtet, nicht senkrecht in der Rille steht.

Die Übereinstimmung zwischen den Kanälen soll nach DIN 45500 besser sein als 2dB. Diese Forderung wird im allgemeinen eingehalten.
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Die Frequenzintermodufation (FIM)

Ein Maß für die nichtlinearen Verzerrungen eines Tonabnehmers ist die Frequenzintermodufation. Sie wird mit Hilfe der DIN-Meßplatte 45542 und einem Tonhöhenschwankungsmesser nach DIN 45507 (EMT 424) für das Frequenzpaar 300 Hz/3000 Hz gemessen.

Das Meßergebnis hängt von der Auflagekraft des Tonabnehmers, das heißt vom vertikalen Spurwinkel und von der Aussteuerung der Modulation ab. Für die optimale Auflagekraft ergibt sich der kleinste Wert der Frequenzinternmodulation (FIM), sofern dann der vertikale Spurwinkel am wenigsten weit von den genormten 20° abweicht. DIN45500 fordert einen Wert von maximal 1%.

Der vertikale Spurwinkel

Für die FIM wichtig ist, wie gesagt, der vertikale Spurwinkel. Darunter versteht man den Winkel zwischen der Tangente an den Kreisbogen, den die schwingende Nadelspitze beschreibt, und der Vertikalen auf der Plattenoberfläche. Bild 4 ist zu entnehmen, daß dieser Winkel gleich demjenigen zwischen der Verbindungslinie von Nadelträgerdrehpunkt und Nadelspitze und Plattenoberfläche ist. Dieser Winkel sollte mit demjenigen übereinstimmen, der beim Schneiden der Lackfolie vorhanden ist. Deshalb wurde er auf 20° ± 5° normiert.

Die Nadelnachgiebigkeit

Nadelnachgiebigkeit und Abtastverhalten hängen eng zusammen. Im allgemeinen darf man sagen, daß das Abtastverhalten für tiefe Frequenzen und große Amplituden um so besser ist, je größer die Nadelnachgiebigkeit des Tonabnehmers ist. Für das Abtastverhalten im Bereich der Höhen sind u. a. die träge Masse und die Eigenschaften des Lagers des Nadelträgers maßgebend, dieselben Dinge also, die auch die Höhenresonanz beeinflussen.

Die Abhängigkeit vom Tonarm

Selbstverständlich wird das Abtastverhalten auch durch die Eigenschaften des Tonarms bestimmt, von dessen Reibungsfreiheit, dessen träger Masse, der Kompensation der Skating-Kraft usw. Im Test wird daher mit Hilfe geeigneter Modulation geprüft, welche Amplituden in µm (= 0,001mm) oder Schnellen in cm/s bei welcher Auflagekraft an welchem Tonarm von dem zu untersuchenden Tonabnehmer sauber abgetastet werden. Diese Prüfung erfolgt getrennt für tiefe (dhfi-Schallplatte Nr. 2 und neue DIN-Platte 45 549, Amplituden) und für hohe Frequenzen (Shure-Testplatte TTR-103, Schnelle von 29,3 cm/s).
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1979 - Unsere Meßschallplatten im Brehschen Labor

Für die Prüfung der Abtastfähigkeit in den Höhen bedienen wir uns einer Meßmethode, die zu quantitativen Ergebnissen führt. Die US-Firma Shure Brothers hat unter der Bestellnummer TTR-103 eine Meßpiatte herausgebracht, die bei einer Impulsfolgefrequenz von 270Hz Impulspakete von 10,8 kHz-Schwingungen enthält, die über ein Terzfilter von 10,8 kHz Mittenfrequenz gegeben worden sind. Das Spektrum eines solchen Signals erweist sich als sehr empfindlich gegen jede Veränderung des Signals, z. B. hervorgerufen durch unsauberes Abtasten der 10,8-kHz-Schwingungen.

Analysiert man nun das abgetastete Signal mittels eines Bandpaßfilters, das bei ausreichender Flankensteilheit Schwingungen der Frequenz 10,8 kHz durchläßt, und eines weiteren, dessen Durchlaßfrequenz bei 270 Hz liegt, teilt man die zuletzt genannte Signalspannung durch die erste und multipliziert man diesen Quotienten mit 100, so erhält man ein in Prozent ausgedrücktes Maß für die Abtastverzerrungen bei 10,8 kHz.

Tonabnehmer und Tonarme müssen passen

Ein hochwertiger Tonabnehmer kann nur an einem hochwertigen Tonarm zu optimalen Ergebnissen führen. Tonarme mittlerer Qualität sollten mit Tonabnehmern ausgestattet werden, die keine allzu hohe Nadelnachgiebigkeit aufweisen. In dieser Hinsicht ist es besonders ratsam, sich an die Ergebnisse unserer Tests zu halten, wenn man keine Enttäuschung erleben will. Selbstverständlich gibt es noch andere Wandler-Prinzipien als die hier erwähnten.

Karl Breh Karlsruhe 1979.

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