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Einführung in Tests von Tonabnehmern - Teil 1 (von 3)

radio-tv-electronic 1976, Nr. 8 Seite 56
In den nächsten rte-Heften werden diverse hochwertige Tonabnehmer in Tests vorge- stellt. Dieser Artikel beschäftigt sich mit den verschiedenen Kriterien, die der Autor zur Beurteilung von Tonabnehmern heran- zieht. Dabei werden Sinn und Grenzen der verschiedenen Messmethoden diskutiert. - Alastair Gurtner Dipl. El.-Ing. ETH
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"Klein und fein"

Titelbild mit Philips M422

Der Übertragungsbereich eines Tonabnehmers wird durch eine obere und untere Resonanz begrenzt.
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Die untere Grenzfrequenz

Die untere Grenzfrequenz ist im wesentlichen durch die Masse von Tonkopf und Tonarm (zusammen) und der quasi statischen Nadelnachgiebigkeit des Tonabnehmers gegeben. - Unterhalb dieser Grenzfrequenz folgt der ganze Tonarm der Bewegung der Rille; die Relativbewegung der Nadel zum Systemkörper ist stark reduziert, und der Tonabnehmer liefert ein im Verhältnis zur "Rillenschnelle" viel zu kleines Ausgangssignal (welches in der Regel weggefiltert wird).

  • Anmerkung : Der jeweilige Spitzenwert der Bewegungsgeschwindigkeit wird als Schnelle oder Rillenschnelle bezeichnet.


(Diese Resonanz ist nicht nur für den Frequenzgang, sondern auch für die Abtastfähigkeit des Tonabnehmers von Bedeutung. Weiter hinten im Artikel wird noch detailliert darauf eingegangen.)
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Die obere Grenzfrequenz

Bild 1 Zusammenspiel. Der effektive Frequenzgang eines Tonabnehmers setzt sich aus einem mechanischen und einem elektrischen Teil zusammen. Der elektrische Verlauf hängt vom Abschluss ab.
Bild 2 Frequenzgang. Gemessen mit Ortofon-Zelle M15 Super E, linker Kanal, Last: 47kOhm/150pF
Bild 3 Frequenzgang. Gemessen mit Shure M95 ED-Zelle, rechter Kanal, Last: 47kOhm/150pF
Bild 4 Frequenzgang. Gemessen mit Ortofon-Zelle M15 Super E, linker Kanal, Last: 47kOhm/350pF
Bild 5 Frequenzgang. Gemessen mit Philips-Zelle M422, Last: 100kQ/150pF (linker Kanal = schwarze Kurve).

Die obere Grenzfrequenz - im wesentlichen eine Resonanz zwischen der Nadelmasse und der Plattenelastizität - hängt von verschiedenen Parametern ab. Von besonderer Bedeutung sind dabei Nadelmasse (von Abtaststift und Nadelträger zusammen) und die Art des Nadelschliffs.

Die Resonanz würde, falls sie nicht irgendwie kompensiert wird, zu einer Überhöhung im Frequenzgang führen (Bild 1). Zur Kompensation wird der ohnehin vorhandene elektrische Serienresonanzkreis (bestehend aus Tonabnehmerinduktivität und Kabelkapazität) verwendet. Es braucht lediglich die elektrische Resonanz auf die mechanische abgestimmt zu werden.

Die elektrischen Abschlussgrössen

Um einen optimalen Frequenzgang zu erhalten, wird der qualitätsbewusste Benutzer die vom Hersteller empfohlenen elektrischen Abschlussgrössen einhalten.

Empfiehlt der Hersteller z.B. eine Abschlusskapazität von 450 pF, so sollten zu den 150 pF des Tonarms (dies ist ein typischer Wert) zusätzlich pro Kanal 300 pF entweder in den Plattenspieler oder in den Verstärker eingelötet werden (Bilder 2 ... 5).

Die Grösse dieses Wertes ist nicht kritisch; es genügt absolut, wenn die gesamte Kapazität zwischen etwa 400 und 500 pF liegt.

Nur soll sie nicht nur aus den 150 pF des Tonarms allein bestehen. (Die Kapazität des Verstärkereingangs ist im allgemeinen sehr klein.) Der reelle Teil der Abschlussimpedanz - die 47 kOhm - ist genormt und soll nicht abgeändert werden. Das bisher Gesagte gilt für Stereotonabnehmer.
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Quadrosysteme

Quadrosysteme werden anders abgeschlossen: Einerseits beträgt der reelle Teil des Abschlusswiderstands 100 k Ohm, anderseits müssen im allgemeinen die Abschlusskapazitäten wesentlich kleiner sein. Für vereinzelte Systeme sind die 150 ... 200pF eines üblichen Tonarmkabels schon zuviel.

Es darf dann nur ein Spezialplattenspieler (besser gesagt ein Tonarm) mit ca. 100pF Kabelkapazität verwendet werden. Allerdings sind in dieser Hinsicht in letzter Zeit beträchtliche Fortschritte erzielt worden, und manches System darf ohne weiteres mit bis 300 pF belastet werden, ohne dass der Frequenzgang im 20Hz ... 50kHz-Bereich darunter leidet. Wir halten uns, soweit dies möglich ist, an die Empfehlung des Herstellers.
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Bild 6 Schwingkreis. Elektrisches Schema von Tonabnehmer, Plattenspieler und Verstärker.

Der Frequenzgang und die Messplatte(n)

Die Frequenzgänge von Tonabnehmern lassen sich auf verschiedene Arten messen. Häufig wird dazu die Bruel-&-Kjaer Messplatte "QR2009" verwendet und mittels eines Pegelschreibers der Frequenzgang direkt aufgezeichnet. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass der Frequenzgang der Messplatte voll in das Ergebnis eingeht.

Eine fabrikneue Messplatte weist zwar nur sehr kleine Fehler auf, doch durch den Gebrauch wird die Platte schlechter. Besonders gravierende Fehler entstehen, falls der Tonabnehmer nicht in der Lage ist, die in der Messplatte geschnittenen Schnellen sauber abzutasten.
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7 Untergewicht. Frequenzmessung mit genügender (1) und ungenügender (2) Auflagekraft.

Bild 7 zeigt die Auswirkungen: Der verwendete Tonabnehmer kann bei 10kHz 5cm/s sauber abtasten, die Abtastfähigkeit nimmt mit zunehmender Frequenz ab und beträgt bei 20 kHz noch 2cm/s. Die verwendete Messplatte (hier nicht B&K) wurde aber bis 20kHz mit einer Schnelle von 5cm/s geschnitten.

Bis 10kHz vermag die Nadel den Rillenbewegungen zu folgen, doch oberhalb 10kHz verlässt sie die Rillenwände und «meißelt» in der Rille umher. Das Ergebnis ist nicht nur eine völlig falsche Frequenzgangkurve, sondern zusätzlich wird die Messplatte ruiniert.

Die Auflagekraft dieses Billig-Tonabnehmers müsste mindestens um den Faktor 2,5 erhöht werden, um noch gute Resultate zu erhalten - falls die Auflagekraft dann überhaupt noch innerhalb der zulässigen Toleranz für Messplatten liegt.

Genaueres Verfahren

8 2-Geschwindigkeiten-Verfahren. Die Kurve 1 zeigt den Frequenzgang des Tonabnehmers allein, Kurve 2 die neue Messplatte allein und Kurve 3 und 4 die von Tonabnehmer und Messplatte zusammen.
9 Verbraucht. Gleiche Messung wie Bild 8, jedoch mit einer «missbrauchten» Messplatte (siehe auch Bild 10).

Genauere Ergebnisse liefert das 2-Geschwindigkeiten-Verfahren. Zuerst wird der Frequenzgang in üblicher Weise aufgezeichnet und dann noch ein weiteres Mal mit der halben Drehgeschwindigkeit des Plattentellers. Aus diesen beiden Kurven kann der Frequenzgang des Tonabnehmers (wie auch derjenige der Messplatte) allein bestimmt werden.

Bild 8 zeigt ein Beispiel mit einer neuen Messplatte, Bild 9 das analoge mit einer durch einen Billig-Tonabnehmer «neu kalibrierten» Platte. In beiden Fällen wurde der gleiche Tonabnehmer verwendet. Das 2-Geschwindigkeiten-Verfahren verlangt einen zeitlichen Mehraufwand und wird von uns deshalb nur zur Kontrolle der Messplatten verwendet.

Besonderheiten bei Quadro-Tonabnehmern

Für die Frequenzgangmessung von Quadro-Tonabnehmern gibt es zusätzlich spezielle Messplatten bis 50kHz. Weil das Zusatzsignal für die hinteren Lautsprecher frequenzmoduliert und bei der Wiedergabe im Vergleich zu den Hauptkanälen nur leise vorhanden ist, darf man für den 20 ... 50kHz-Bereich relativ grosse Frequenzgangfehler tolerieren.

Allgemein haben Quadro-Tonabnehmer im Bereich bis 20kHz grössere Fehler als reine Stereosysteme (wir wollen hier die Matrixsysteme nicht erwähnen), bedingt durch die andere Frequenzgangoptimierung. Fairerweise darf man, was den Audio-Frequenzgang betrifft, an Quadrosystemen nicht die gleich strengen Maßstäbe anwenden wie am Stereotonabnehmer.

Frequenzgang - "mechanische" Impedanz-Verzerrungen

Die relativ kleinen Frequenzgangdifferenzen können die klanglichen Unterschiede verschiedener Tonabnehmer nicht direkt erklären. Eine mögliche Erklärung hingegen ist, dass die Frequenzgänge durch Unregelmässigkeiten im Frequenzgang der "mechanischen Impedanz" entstehen; und zwischen der Impedanz und den Verzerrungen besteht ein - zumindest empirisch festgestellter - direkter Zusammenhang: Je kleiner die Impedanz (Kraft/ Schnelligkeit), desto kleiner die Verzerrungen. Dies ist auch der Grund, weshalb die Tonabnehmer-Hersteller die Abtastfähigkeiten ihrer Systeme ständig weiter erhöhen: Höhere Abtastfähigkeit bringt kleinere Verzerrungen.
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Die Auflagekraft

Der Irrglaube, dass jede Reduktion der Auflagekraft einer Lebensdauererhöhung der Schallplatten gleichkommt, geistert noch immer umher. Viele Benutzer wählen deshalb die Auflagekraft nur gerade genügend gross, um die leisen und mittleren Passagen einigermassen sauber zu erhalten. Dass hierbei die lauten Stellen völlig verzerrt wiedergegeben werden, lässt sie meist kühl.
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Welches ist die optimale Auflagekraft? Im allgemeinen wird ein Kompromiss zwischen Plattenabnutzung und Klangqualität gewählt; denn die Auflagekraft für optimale (oder maximale) Tonqualität liegt üblicherweise über dem Wert, der von der Plattenabnutzung her zu empfehlen wäre. Die bezüglich der Schallplattenschonung als optimal zu betrachtende Auflagekraft ist gerade genügend gross, um alle normalerweise vorkommenden Modulationen einwandfrei (das heisst im steten Kontakt mit den Rillenflanken) abtasten zu können.

Wird die Auflagekraft über diesen Wert hinaus erhöht, nimmt die Schleifwirkung der Nadel zu; wählt man eine kleinere Auflagekraft, so kann der Abtaststift den hohen Modulationen nicht mehr folgen, und die Nadel «meißelt» in der Rille umher: Die Plattenabnutzung nimmt verheerende Ausmasse an.
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Die abnutzungsoptimierte Auflagekraft

Die Grösse der abnutzungsoptimierten Auflagekraft ist ohne Messplatten nur schwierig zu bestimmen. Dies ist weiter nicht schlimm, denn man wählt - wie weiter vorne erwähnt - üblicherweise eine andere (höhere) Auflagekraft:

Fast ausnahmslos bringt eine Erhöhung der Auflagekraft bis auf den maximalen vom Hersteller empfohlenen Wert eine klangliche Verbesserung. Dabei werden die messtechnischen Daten ebenfalls besser. Häufiger Grund dafür (unter anderem): Der Spurwinkel kommt näher an den Sollwert von 15° oder 20° heran(!).

Folgende Einstellung wird empfohlen (zumindest ist dies ein sinnvoller Ausgangspunkt fürs Experimentieren): maximale Herstellerangabe oder ein Wert knapp darunter.

Für eine Angabe von 0,75p ... 1,5p ist demnach 1,25p oder 1,5p als optimaler Wert zumindest verdächtig. Beträgt der Streubereich der Herstellerangaben mehr als Faktor 1,5 oder 2, so hat der untere Wert mehr Propagandacharakter als technischen Background.

Gibt es Auflagekräfte, die möglichst nicht überschritten werden sollten? Ja, etwa 2p für Systeme mit elliptischen Nadeln bis 5u  Verrundungsradius, etwa 3p für 8u, und etwa 6p für konische Nadeln. (Bei nasser Abtastung dürfen die Werte deutlich höher liegen.)
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Kanaltrennung

Kleine Spurfehlwinkel sowie unvermeidliche Fehler der Messplatten beeinträchtigen die Genauigkeit dieser Messung. Eine hohe Kanaltrennung bis über 10kHz ist wichtiger als ein möglichst grosser Wert bei 1kHz. Die Auswirkung der Kanaltrennung wird bei der akustischen Erprobung sorgfältig geprüft.

Abtastfähigkeit

Bild 10 Tonarmresonanz : Gemessen von 5 ... 150 Hz mit Shure-Zelle V15 III und SME-Tonarm. Der Verlauf zeigt gute Abstimmung von Zelle und Tonarm.
Bild 11 Abtastfähigkeit: Verlauf der Schnelle in cm/s in Funktion der Frequenz.

Die "Schnellen"-Abtastfähigkeit eines Tonabnehmers in Abhängigkeit der Frequenz lässt sich in drei Bereiche einteilen (hierbei wird eine konstante Auflagekraft angenommen):

Die Abtastfähigkeit tiefer Frequenzen wird durch die Nadelnachgiebigkeit begrenzt. Dies ist der Teil 1 des idealisierenden Streckenzuges; eine Gerade konstanter Auslenkung (Bild 10).

Bei mittleren Frequenzen ist die Dämpfung, bei hohen Frequenzen die Nadelmasse für die Abtastfähigkeit ausschlaggebend (Gerade konstanter Beschleunigung).

Die hohen Frequenzen

Beginnen wir im Bereich der hohen Frequenzen: Die Abtastfähigkeit wird durch die für die Beschleunigung der «Nadelmasse» notwendige Kraft begrenzt, und zwar: Je kleiner die Nadelmasse ist, desto grössere Beschleunigungen können noch sauber verarbeitet werden und desto grösser ist auch die Abtastfähigkeit.

Von diesem Standpunkt aus - und auch im Interesse einer möglichst kleinen Plattenabnutzung - ist eine möglichst kleine Nadelmasse wünschenswert; doch einige Faktoren setzen der Kleinheit dieser Masse eine untere Grenze: Die eigentliche Nadel, also der Abtastdiamant, macht von der bewegten Masse nur einen kleinen Teil aus. Eine Reduktion der bewegten Masse müsste vor allem durch eine Verfeinerung des Nadelträgers erreicht werden. Ganz abgesehen davon, dass Tonabnehmer dadurch teurer und leiser würden, müsste man auf die Robustheit der heutigen Systeme verzichten.

Mittlere und tiefe Frequenzen

Die Abtastfähigkeit mittlerer Frequenzen wird von der - der bewegten Masse angepassten und auch den Bassfrequenzgang beeinflussenden - Dämpfung beschränkt.

Die Abtastfähigkeit tiefer Frequenzen ist am einfachsten zu beeinflussen: Es braucht lediglich die Elastizität der Nadelträgerführung erhöht zu werden - was meist ohne Mehraufwand möglich wäre. Verschiedene Faktoren lassen jedoch eine allzu hohe Nadelnachgiebigkeit sinnlos erscheinen:

Es ist nutzlos, einen Tonabnehmer derart auszulegen, dass er zwar in der Lage ist, schon bei 0,5p alle im Bassbereich vorkommenden Modulationen sauber abzutasten, für eine saubere Höhenwiedergabe aber 1 ... 1,5p braucht.

Die Tonarmresonanz

Bild 12 Bassresonanz : Unbedämpfte Zelle an unbedämpftem Tonarm erzeugt Bassresonanz bei 8 Hz, gemessen mit Pickering-Zelle XUV 4500Q und SME-Tonarm.

Die Nadelnachgiebigkeit bestimmt zusammen mit der Tonarm-Tonkopf-Masse die Tonarmresonanz. Diese sollte optimalerweise bei etwa 10 ... 15Hz liegen - liegt sie höher, so stört sie möglicherweise den Audiobereich -, liegt sie wesentlich tiefer (dies ist der Fall bei einer vergleichsweise zum Tonarmstandard deutlich zu hohen Nadelnachgiebigkeit), so besteht die Gefahr der Anregung dieser Tonarmresonanz durch den Plattenhöhenschlag (Wrap).

Ganz abgesehen von der daraus resultierenden Gefährdung für den Basslautsprecher, muss eine wesentliche Einbusse an Abtastfähigkeit in Kauf genommen werden, die allerdings durch eine Erhöhung der Auflagekraft wettgemacht werden kann.

Mit zunehmender Nadelnachgiebigkeit ändert sich der Spurwinkeländerungs-/ Auflagekraft- änderungs- Quotient. Dabei sollte der Spurwinkel unabhängig der Auflagekraft 15° resp. 20° Grad betragen!

Aus diesen Gründen, aber auch um Subresonanzen zu vermeiden, sollte mit dem heute erhältlichen Standard an Tonarmen die Abtastfähigkeit eines 6g schweren Tonabnehmers nicht höher als etwa 100u bei 300 Hz und 1p Auflagekraft liegen.

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  • • Intermodulations-Verzerrungen
  • • Abtastverhalten

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