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Einführung in Tests von Tonabnehmern - Teil 2

radio-tv-electronic 1976, Nr. 9 Seite 27

In diesen rte-Heften werden diverse hochwertige Tonabnehmer in Tests vorgestellt. Die Artikel beschäftigen sich mit den verschiedenen Kriterien, die der Autor zur Beurteilung von Tonabnehmern heranzieht. Dabei werden Sinn und Grenzen der verschiedenen Messmethoden diskutiert. - Alastair Gurtner Dipl. El.-Ing. ETH
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Klein und fein

Wie schon aus dem ersten Teil (Heft 8/76) zu erfahren war, sind zur messtechnischen Beurteilung von Hi-Fi-Tonabnehmern zahlreiche Kriterien ausschlaggebend. Erfahren Sie nun im folgenden 2.Teil Ausführliches über verschiedene Messverfahren.
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Die "Schnellen"- Abtastfähigkeit

Wer Bild 10 aufmerksam betrachtet hat, dem wird nicht entgangen sein, dass die Schnellenabtastfähigkeit des Tonabnehmers bei ca. 10 Hz ein Minimum aufweist. (Anmerkung : Sicher ist Bild 11 im Teil 1 gemeint.)

Dieser Abtastfähigkeitseinbruch kommt nicht vom Tonabnehmer allein, sondern durch das Zusammenwirken von Tonarm und Tonabnehmer. Bei dieser Frequenz - es ist die Tonarmresonanzfrequenz - schwingt der Tonarm in Gegenphase zur Rillenbewegung, und schon kleine Rillenschnellen können den Tonabnehmer abtastmässig überfordern.
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Über die Bassresonanz

Nun bestimmen Nadelnachgiebigkeit, Tonarm-Tonabnehmer-Masse sowie Tonabnehmer und Tonarmdämpfung nicht nur die Frequenz dieser Bassresonanz, sondern auch ihre Güte und damit auch die Überhöhung im Frequenzgang. Bild 11 und 12 zeigen den Bassfrequenzgang (von 5 Hz... 125 Hz) zweier verschiedener Top-Tonabnehmer, beide im SME-Arm betrieben.

Im ersten Fall ist die Dämpfung des Tonabnehmers stark genug, der Bassresonanz ihren eigentlichen Resonanzcharakter zu nehmen. Der Frequenzgang entspricht etwa demjenigen eines Hochpassfilters.

Die starke Dämpfung der Resonanz wirkt sich auf die Abtastfähigkeit des Tonabnehmers günstig aus: Der Abtastfähigkeitsverlauf um 10 Hz herum - wie in Bild 10 dargestellt - weist einen weniger einschneidenden Verlauf auf. Die Höhenschlag-(Wrap-)Frequenzen gefährden die Abtastung in keiner Weise.

Bild 12 hingegen zeigt das gegenteilige Extrem: Der Tonabnehmer vermag die Resonanz nur ganz schwach zu dämpfen. Die Abtastfähigkeit dieser Tonarm/Tonzellen-Kombination bei Resonanzfrequenz ist sehr gering und möglicherweise geringer als die Schnellen des Wrap-Spektrums.

Der Einfluß der Auflagekraft

Nun, dieser Gefährdung der Abtastfähigkeit kann durch eine Erhöhung der Auflagekraft begegnet werden. Trotzdem ist eine starke Resonanz unerwünscht.

Der Tonarm reagiert auf Anregungen, wie sie vom Wrap, Trittschall usw. herrühren können, mit einer gedämpften Schwingung. Das Ergebnis ist ein ständiges Flattern des Basslautsprechers, vor allem dann, wenn fast in den DC-Bereich hinab arbeitende Spitzenklasse- Verstärker verwendet werden.

Der Lautsprecher wird nicht nur ständig überflüssig thermisch belastet, sondern ist von möglichen Überauslenkungen bedroht. Ferner entstehen Intermodulationsverzerrungen, bedingt durch den Dopplereffekt.

Es dürfte kaum notwendig sein, darauf hinzuweisen, dass die Lautsprecher besonders gefährdet sind, wenn starke Trittschallpegel auftreten (Diskothek).

Die Resonanz erhöht die Gefahr der Vibrationsmitkopplung via Lautsprecher und
Boden auf den Tonarm und die daraus entstehenden tieffrequenten Schwingungen.

Die Resonanz verstärkt Rumpelsignale von Laufwerk und Plattenoberfläche. Ferner führen Schwingungen des Tonarms, die relativ zur Rille führen, aus geometrischen Gründen zu Hin-und-Her- Bewegungen der Nadel. Dadurch entstehen Intermodulationsverzerrungen.

Der Einfluß des Tonarms oder des Abtasters

Wir wollen hier nicht darüber diskutieren, ob es nun die Aufgabe des Tonarms oder der Tonzelle (der Abtasters) ist, die für einen sinnvollen Bassresonanzverlauf benötigte Dämpfung zu liefern, sondern lediglich festhalten, dass ein Tonabnehmer, der in einem Leichttonarm eine Resonanz von 15B aufweist, nicht in der Lage sein dürfte, auch nur die Resonanz von Nadelnachgiebigkeit und Eigengewicht kritisch zu dämpfen.

Solche Tonabnehmer sollten an gedämpften Tonarmen betrieben werden, von denen es auf dem Markt eine genügende Auswahl geben dürfte.

Die Notwendigkeit des 30 Hz Filters

In diesem Zusammenhang lässt sich eine Forderung an Entzerrervorverstärker formulieren: Um die Gefährdung des Basslautsprechers zu reduzieren, aber auch um unerwünschte, tieffrequente Störsignale zu unterdrücken, sollten die Entzerrer mit einem Rumpelfilter versehen sein, das z. B. bei 30 Hz einsetzt.

Mit den Eingangs- und Ausgangskopplungskondensatoren sowie dem Kondensator in der Gegenkopplung (der 100% DC-Feed-back ermöglicht) lässt sich bei geeigneter Dimensionierung ein Hoch-pass mit 18dB/oct Flankensteilheit verwirklichen.

Zusätzliche Komponenten werden keine benötigt; es müssen lediglich geeignete, aber enger tolerierte Werte eingesetzt werden.

Die Tonarmresonanzen

Abschliessend wollen wir festhalten, dass die Höhe der Tonarmresonanz nicht etwa als Qualitätskriterium für Tonabnehmer oder Tonarme verstanden werden soll, sondern als Mass für das Harmonisieren von Tonarm und Tonabnehmer zusammen.

Weil die auf dem Markt erhältlichen Tonabnehmertypen in dämpfungsmässiger Hinsicht wesentlich streuen (Bilder 11 und 12), wäre es erfreulich, wenn Tonarme auf den Markt kämen, die einen in eventuell 3 oder 4 Stufen verstellbaren Grad der Dämpfung aufweisen.

Für den Käufer ist diese Geschichte mit der Bassresonanz eine unerfreuliche Angelegenheit: Weder sieht man es dem Tonabnehmer an, noch gibt der Hersteller Auskunft darüber, ob nun ein Tonarm mit oder ohne Dämpfung verwendet werden sollte. Wir unserseits wollen in den Tonabnehmer-Tests darauf hinweisen, ob eher ein gedämpfter oder ein ungedämpfter Tonarm zu verwenden sei.

Subresonanzen

Jedes schlecht gedämpfte, nichtlineare Feder-Masse-System neigt zu Subresonanzen. Das System reagiert dabei auf eine Anregung mit der Hälfte (evtl. auch 1/3, 1/4 bis hin zu 1/n) der Sollresonanzfrequenz mit einer Resonanz. Die Ursache dafür ist, dass durch die Nichtlinearitäten der Feder (in unserem Fall der Nadelaufhängung) Oberwellen entstehen, die in den wenig bedämpften Sollresonanzbereich des Systems fallen und dadurch stark verstärkt werden.

Tonabnehmer mit einer Abtastfähigkeit von 80 ... 100u. (z.B. 300 Hz, 1 p) zeigen, im SME-Arm und mit einem Minishaker betrieben, solche Subresonanzen. Die Situation beim Abspielen von Schallplatten ist erfreulicherweise günstiger, denn die Reibung zwischen der Nadel und den Rillenflanken dämpft die Tonarmresonanz und vermeidet dadurch Subresonanzen.

Doch sollte dieses Phänomen aus folgenden Gründen ernst genommen werden: Eine weitere Erhöhung der Nadelnachgiebigkeit über den heutigen Standard hinaus würde einerseits eine schlechtere Führung des Tonarms durch die Nadel, anderseits (bedingt durch eine weitere Reduktion der Auflagekraft) eine Verkleinerung der Reibung Nadel/Platte bewirken. Höhere Nadelnachgiebigkeiten könnten - vor allem bei nasser Abspielung der Schallplatten - Subresonanzen bewirken, die (weil das Wrap-Spektrum um 5...8 Hz herum besonders ausgeprägt ist) eine saubere Abtastung gefährden (Bild 13).

Messung der Abtastfähigkeit

Die Abtastfähigkeit tiefer Frequenzen wird mit den 300-Hz-Modulationen der dhfi-Platte Nr.2 geprüft. In der Tabelle wird pro Auflagekraft die letzte noch sauber abgetastete Modulationsbreite resp. Modulationstiefe eingetragen.

Um die Abtastfähigkeit hoher Frequenzen zu erfassen, musste ein anderes Verfahren gefunden werden, denn die Verzerrungen z.B. eines 10kHz-Tones liegen oberhalb des Hörbereichs. Shure hat dazu eine geeignete Messplatte entwickelt.

Die Shure-Messplatte TTR103

Plattenschneidköpfe können ein 10-kHz-Signal mit einer Schnelle von 30 cm/s nicht dauerhaft schneiden, ohne durchzubrennen. Deshalb musste ein abgetastetes Signal verwendet werden. Beim Abtasten entsteht ein breites Spektrum. Für Messzwecke sind schmalbandige Testsignale günstiger. Deshalb ist der Burst zusätzlich noch gefiltert. Bild 14 zeigt die Generation des Testsignals. Das 10,8-kHz-Sinussignal wird vom Tonburstgenerator in den Nulldurchgängen ein-und ausgeschaltet; während 8 Zyklen ist der Sinus eingeschaltet und während den nächsten 32 Zyklen ausgeschaltet.

Die Repetitionsfrequenz beträgt demnach 1/40 der 10,8 kHz, also 270 Hz (Bild 14). Das abgetastete Signal passiert noch ein Terzfilter mit 10,8 kHz Mittenfrequenz (die Bandbreite von Terzfiltern beträgt 23 Prozent der Mittenfrequenz); das Ergebnis - und dies ist das Signal auf der Messplatte - ist in Bild 15 dargestellt. Die Einschaltzeit ist mit 8 Zyklen kürzer als die Ein- und Ausschwingzeit des Filters zusammen (10 Zyklen); dadurch entsteht die gleichmässig gerundete Form des Bursts.

Bild 16 zeigt das Oszillogramm und das Spektrum eines asymmetrisch verzerrten Signals. Die Differenz zum unverzerrten Signal sieht (etwas idealisiert) aus wie ein gleichgerichteter, getasteter Sinus der Repetitionsfrequenz 270 Hz. Es erstaunt deshalb nicht, dass im Spektrum die 270-Hz-Komponente dominiert.

Falls das Testsignal symmetrisch verzerrt ist, besitzt das Differenzsignal eine ähnliche Struktur wie das Testsignal selbst. Als dominante Komponente des Spektrums erscheint das 10,8 kHz, und 270 Hz ist nur schwach vorhanden. Der nach Shure definierte Klirrfaktor (k = U-270Hz / U-10,8kHz) berücksichtigt demnach symmetrische Verzerrungen z. B. 3. Ordnung nur schwach.

Die systembedingten Eigenschaften des Verfahrens

Das Verfahren besitzt - summarisch aufgezählt - folgende systembedingten Eigenschaften:

Der Messwert gibt nicht nur Auskunft darüber, ob die Tonabnehmernadel der Rille unterbruchslos folgt oder nicht, sondern ist vielmehr ein Maß für die Tracking-Deformationen und Tracing-Fehler zusammen (Bild 17); diese Platte kann -je nach Grösse der "Schnelle" resp. der Verzerrungen - für zweierlei Beurteilungen herangezogen werden:

Ist der Messwert gross (mehrere Prozent), so ist die Abtastfähigkeit m des Tonabnehmers überschritten worden. Ein kleiner oder mittelgrosser Wert (0,2 ... 2%) wird meist nur bei einwandfreiem Tracking erreicht und ist deshalb im wesentlichen ein Maß für die Deformations- und Tracing-Fehler, die für die Sauberkeit der Höhenwiedergabe massgebend sind.

Die Messwerte dürfen nicht allzu kleinlich interpretiert werden: Einerseits schwankt der Messwert, bedingt durch den Höhenschlag der Messplatte, beträchtlich, anderseits ist der Wert noch etwas von der Antiskating-Einstellung abhängig.

Wie schon vorher erwähnt, ist der Messwert nur wenig empfindlich auf Nichtlinearitäten 3. Ordnung (Deformationsverzerrungen). Dies ist unerfreulich, weil Intermodulationsverzerrungen 3. Ordnung akustisch bedeutsamer sind als jene 2. Ordnung.

Trotz dieser Einschränkung ist die Shure-Messplatte TTR 103 ein wichtiges Hilfsmittel für den Tester, denn bedeutsame Alternativen gibt es kaum.

Das Rechteckverhalten

Das Rechteckverhalten hat sich leider als Testgrösse für Tonabnehmer eingebürgert. Das Rechteck ist als Testsignal für Tonabnehmer (nicht aber für Verstärker) aus folgenden Gründen ungünstig.

Die auf dem Oszillographen zu beobachtende Rechteckform hängt vom Frequenzgang und vom Phasengang des Wandlers ab. Nun hat aber die Phasenlage der Oberwellen zur Grundwelle resp. untereinander keinen Einfluss auf unser Klangempfinden.

Das Rechteckverhalten bringt demnach zusätzlich zum ohnehin bekannten Frequenzgang eine belanglose Information. Dies wäre noch kein Grund, dieses Testsignal abzulehnen - abzulehnen ist es aus folgendem Grund: Ein «verbogenes» Rechteck verleitet nur allzu leicht zu einer Fehlinterpretation. Man braucht lediglich an die Rechteckübertragung eines frequenzgangmässig linearen, aber phasengangmässig unregelmässigen Wandlers zu denken.

Aus dem gleichen Grund (zum Teil aber, weil zuviel Signal oberhalb 20 kHz liegt) sind Sinus-Bursts, sin2-lmpulse usw. für Tonabnehmer, Lautsprecher usw. als Testsignal ungeeignet.

Eine detaillierte Erklärung für das Obenerwähnte würde den Rahmen dieses Artikels sprengen. Wer Genaueres über Phasenempfindung, optimale Testsignale (und vieles mehr) wissen möchte, dem empfehlen wir den Artikel «Test Signals for music reproduction Systems» von Ashley, Saponas und Matson (IEEE Spectrum, 8/7,53-61, [71]).

Für Verstärker hingegen sind Rechtecktests sinnvoll, denn mit dem Rechtecksignal und starker kapazitiver Last am Ausgang lässt sich die HF-Stabilität grob abschätzen. Auch gilt, dass je höher der Slew-Rate eines Verstärkers ist, desto geringer die Gefahr von Transienten-Intermodulationsverzerrungen.
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In der nächsten Folge:


• SMPTE-Verfahren
• CIFF-Verfahren
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Bildunterschriften

13 Wrap-Spectrum. Gemessenes und berechnetes Wrap-Spektrum von Shure an 67 verschiedenen Schallplatten.
14 Testsignal. Erzeugung des 19,8-kHz-Test-signals
15 Oszillogramm mit Spektrum. Unverzerrtes 10,9-kHz-Testsignal.
16a Verzerrt. Oszillogramm und Spektrum des asymmetrisch verzerrten 10,8-kHz-Signals.
16b Erklärung. Intuitive Begründung für Bild 16a
17 Tracking-Fehler. Verzerrtes 10,8-kHz-Signal

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