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Ein leicht zu verstehender Artikel aus KlangBild 03/04 1976

Selten findet man fremde Artikel über komplexe Themen wie den Tonarm eines Plattenspielers, die sogar der technische Laie verstehen kann. Hier ist einer :

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Rille & Diamant (aus 1976)

Verehrte Leserin, sehr geehrter Leser, in der vorigen Ausgabe von KlangBild hatte Ihnen unser „Technikus" beschrieben, wie die Abtastnadel eines Tonabnehmersystems durch die „Berge" und „Täler" in den Flanken der Schallplattenrille ausgelenkt wird und wie analog zu diesen Auslenkungen im System ein elektrisches Signal entsteht.

Das Tonabnehmersystem kann natürlich nicht in der Luft schweben. Es muß gehalten werden ......

vom Tonarm

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Vorwort und Einleitung

Welche Anforderungen an diesen zugleich superleichten und superstarken Arm gestellt werden, lesen Sie im folgenden Bericht.

Unser letzter Beitrag schloß mit der Bemerkung, daß sich ein guter Tonarm, soll er den Tonabnehmer bei dessen Arbeit nicht behindern, möglichst so verhalten sollte, als sei er selbst gar nicht da. Das war kaum übertrieben, denn genaugenommen besteht seine Aufgabe „nur" darin, das Abtastsystem so „über der Platte schwebend" zu halten, daß es nur ganz geringen Druck auf die Rillen ausübt und daß der Abtaststift sich möglichst ungehindert bewegen kann. Dies ist leichter geschrieben als verwirklicht, denn einerseits sollte der Arm (sofern es ein „normaler" Tonarm ist) möglichst lang sein - warum, werden wir noch sehen. Andererseits sollte er aber auch möglichst leicht und reibungsarm gelagert sein.

Uralt und sinnig : "Viele Wege fürhren nach Rom "

Es gibt daher wohl viele verschiedene Tonarmkonstruktionen, doch bestehen fast alle Arme aus Leichtmetallrohr und haben einen gewichtssparenden Tonkopf, der sogar durchbrochen sein kann. Um das erstrebenswerte Minimum an Lagerreibung zu erzielen, werden für die Aufhängung Kugel-, Spitzen- oder Schneidenlager (oder Kombinationen aus diesen) verwendet.

Wichtig ist nämlich, daß sich der Tonarm in beiden Ebenen leicht und sicher ausbalancieren und dann verläßlich - mit Hilfe seines Gegengewichts - auf den erforderlichen Auflagedruck einstellen läßt. Am besten zu erfüllen ist diese Forderung bei einem Hi-Fi-Plattenspieler; billige Modelle der Konsumklasse bieten diese Justiermöglichkeit oft gar nicht.

Noch eine weitere wichtige Forderung wird von Hi-Fi-Tonabnehmern erfüllt: Bei aller Leichtigkeit sollte der Arm hinreichend steif und verwindungsfest (-steif) sein, damit keine hörbaren Resonanzen auftreten oder andere Störschwingungen in den Tonabnehmer hineingetragen werden können.

Oft gibt es konträre Anforderungen

Verwindungsfestigkeit und möglichst große Länge lassen sich manchmal nur schwer unter einen Hut bringen. Mit der Tonarmlänge zurück zu einem anfangs schon erwähnten Punkt: Bei nahezu allen Plattenspielern ist der Tonarm ein Arm, der sich um einen Punkt - nämlich das Tonarmlager - dreht. Die Nadelspitze des Tonabnehmers beschreibt also beim Abtasten, auf ihrem Weg zur Plattenmitte hin, einen Kreisbogen. Dieser Bogen ist um so weniger gekrümmt, je größer der Abstand zwischen Nadelspitze und Tonarmlager - also die effektive, die wirksame Tonarmlänge - ist.

Die Krümmung des Kreisbogens

Für die Beantwortung der naheliegenden Frage, warum denn der eben beschriebene Kreisbogen möglichst wenig gekrümmt sein sollte, müssen wir etwas abschweifen: Beim Abtasten der Platte sollte der Tonabnehmer möglichst genau die Marschrichtung des Schneid-Stichels nachvollziehen, der bei der Plattenproduktion die Folie für die Herstellung der Preßmatrize graviert. Der Stichel aber bewegt sich auf einer schnurgeraden Linie auf den Mittelpunkt der Folie zu.

Die Schallplatte wird "tangential" geschnitten

Dieser Schneid-Stichel wird nämlich nicht von einem drehbaren, sondern von einem starren Arm geführt, der auf einem Präzisions-Schlitten läuft. Der Arm steht also immer im gleichen Winkel - mathematisch ausgedrückt: genau tangential - zur eben geschnittenen Rille. Dies sollte nun im Idealfall der Tonarm des Plattenspielers auch tun. Tatsächlich gibt es auch einige wenige Modelle mit derartigen Tangentialtonarmen, die nicht gerade billig sind. Alle anderen Spieler aber haben drehbar gelagerte Arme und können daher nur versuchen, der wünschenswerten geraden Abtastlinie möglichst nahezukommen. Ein Mittel dazu ist - wie schon dargelegt - die Länge des Tonarms.

Die Kröpfung der Tonarmspitze

Da der Arm aber nicht beliebig lang gemacht werden kann, wird er noch gekröpft, also vorn abgewinkelt. Durch eine genau berechnete Kombination aus Tonarmlänge, Kröpfungswinkel und Wahl des Punktes für das Tonarmlager gelingt es nun, den Abtastkreisbogen nur wenig gekrümmt zu machen. So verfehlt der Arm das erstrebenswerte Ziel, immer möglichst tangential zur Plattenrille zu stehen, nur wenig. Das Maß übrigens, um das der Arm diese ideale Stellung verfehlt, nennt der Fachmann „tangentialer Spurfehlwinkel". Kann dieser unter 2 Grad gehalten werden - und jedem Hi-Fi-Plattenspieler gelingt dies zum Beispiel -, dann treten noch keine hörbaren Abtastverzerrungen auf.

Die Entstehtung der Skatingkraft

Doch ist oft das eine Kriterium des anderen Feind: Je stärker ein Tonarm gekröpft ist, um so stärker kann diejenige Kraft werden, die ihn eben wegen seiner gekröpften Form beim Abtastvorgang in Richtung Plattenmitte ziehen will. Nach dem englischen Wort skating (Schlittern) hat diese Kraft den Namen "Skatingkraft" erhalten. Sie bewirkt nicht nur das Abwandern des Tonarms, sondern auch einen größeren Druck der Abtastnadel auf die innere Flanke einer Stereorille. Dies kann zu Verzerrungen bei der Wiedergabe, aber auch zu vorzeitiger Abnutzung dieser Rillenflanke und zu einseitigem Verschleifen der Abtastnadel führen.

Die Kompensation der Skatingkraft

Die Skatingkraft muß also ausgeglichen (kompensiert) werden, was z.B. bei jedem Hi-Fi-Plattenspieler auch möglich ist. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Kompensation mechanisch (z. B. durch einstellbare Federkraft) oder magnetisch (z. B. durch gegenseitige Abstoßung zweier gleicher Pole) erfolgt. Auf jeden Fall wirkt eine Gegenkraft auf den Tonarm ein, die bewirkt, daß er - auf den rillenlosen Teil einer entsprechenden Testplatte gesetzt - weder nach innen noch nach außen wandert. Leider ist manchmal der vom Hersteller angegebene Wert für die Einstellung des Antiskating nicht der genaueste. Übrigens der Vollständigkeit halber: Da ja vorn nicht abgewinkelt, kennt ein Tangentialtonarm das Problem Skatingkraft nicht.

Der S-förmig geschwungene Tonarm

Die Kröpfung eines Tonarms kann auch „fließend verlaufen". In diesem Fall ist der Arm S-förmig geschwungen - eine Lösung, die gern von japanischen Herstellern gewählt wird. Der Effekt ist derselbe: Die Kreisbahn, die der Abtaster beschreibt, ist nur wenig gekrümmt. Mit dieser Kreisbahn hat es übrigens noch eine weitere Bewandtnis.

Sie läuft nicht genau auf den Mittelpunkt der abzuspielenden Platte zu, wie es z. B. die gerade Bahn des Schneidstichels beim Gravieren der Matrizenfolie tut. Vielmehr läuft sie (von vorn auf den Plattenspieler gesehen) ein Stück vor dem Mittelpunkt des Tellers vorbei. Die Länge des Tonarms ist also - im Interesse eines möglichst kleinen Abtastfehlwinkels - stets etwas größer als die Entfernung zwischen dem Tellermittelpunkt und dem Drehpunkt des Tonarmlagers.
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Der Überhang

Die Strecke, um welche die Armlänge größer ist als diese Entfernung, nennt man den „Überhang". Dieser Überhang ist bei jedem komplett angebotenen Plattenspieler eine vorher festgelegte Größe: Die Abtasterspitze bewegt sich auf dem für die Gerätekonstruktion als optimal ermittelten Kreisbogen. Der Sitz des Tonabnehmers im Tonkopf ist also festgelegt und darf nicht verändert werden. Soll nun der Abtaster durch einen anderen ersetzt werden und kommt dabei dessen Nadelspitze nicht an derselben Stelle zu stehen wie die seines Vorgängers, so muß es möglich sein, das neue System entsprechend zu verschieben. Der Überhang muß also auf Wunsch justierbar und die getroffene neue Einstellung kontrollierbar sein. Zu diesem Zweck liefern die meisten Hersteller eine entsprechende (Montage-) Schablone, Lehre oder ähnliches mit.

Der Tonarm-Lift

Weniger mit der Qualität eines Tonarms als mit dem Bedienungskomfort eines Plattenspielers hat der bei vielen Modellen der gehobeneren Klasse vorhandene Tonarmlift zu tun. Er gestattet ein plattenschonendes Aufsetzen und Abheben des Tonarms an jeder beliebigen Stelle der Rillenschrift. Allerdings sollte er seine Arbeit möglichst rillengenau und nicht zu abrupt verrichten.

Zu letzterem Zweck haben bessere Plattenspieler einen Lift, der flüssigkeitsgedämpft ist. Die Bedienung des Lifts sollte möglichst erschütterungsfrei zu bewerkstelligen sein. Hier kann die Elektronik die Mechanik ersetzen, indem z. B. die Auslösung der Liftfunktionen über elektronische Berührungstasten (Sensoren) erfolgt. Der technische Fortschritt macht's möglich.

Die Aufsetz- und Rückkehrautomatik

Ebenfalls zum Bedienungskomfort zu rechnen sind Aufsetz- und Rückkehrautomatiken, die bei Tonarmen zunehmend Eingang finden. Die Hi-Fi-Fans wollten in der Anfangszeit von solchen Automatiken nicht viel wissen. Doch ist die Entwicklung auch auf diesem Gebiet natürlich nicht stehen geblieben. So sind heute automatische Endabschaltungen realisierbar, bei denen kaum noch eine mechanische Kraft auf den Arm einwirkt und ihn in seiner Leichtgängigkeit beeinträchtigt.

Sofern also eine derartige Automatik den Tonarm einschwenken, niedergehen, am Plattenende (oder auf Befehl vorzeitig) abheben, unter Abschalten des Laufwerks zurückkehren und ihn trotzdem bei z. B. 1,5 p Auflagedruck alle Platten noch sicher abtasten läßt, ist nunmehr wohl nichts mehr gegen sie einzuwenden.

Am besten ist "er" oder "sie" gar nicht da

Die Hauptsache ist, um eine Formulierung der Einleitung aufzugreifen, daß sich die Automatik gegenüber dem Tonarm so verhält, als wäre sie eigentlich gar nicht da. Das gleiche Verhalten war ja auch vom Tonarm - gegenüber dem Abtastsystem - verlangt worden.

Nur eine derartige „Rücksichtnahme" der einzelnen Glieder eines Gesamtsystems, wie es ein Plattenspieler ist, macht letztlich seine Qualität aus. So liegt es denn nahe, daß ein sehr guter Tonabnehmer und ein perfekter Tonarm nur von begrenztem Nutzen sind, wenn das Laufwerk (einschließlich Antrieb) des Plattenspielers nichts taugt. Mehr über das Laufwerk und die Forderungen, die es erfüllen sollte, in unserem nächsten Beitrag zum Thema Plattenspieler.

Der Technikus (in KlangBild 1976)
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Die Vorzüge des Tangential-Arms (vom Frühjahr 1976)

Dieser Beitrag hier ist für den High-Fidelity-Fan gedacht, dem das Beste gerade gut genug ist. Wir bringen ihn, weil eine ganze Reihe von Anforderungen an den Tonarm erklärt werden und weil das Prinzip des Tangentialtonarms interessant ist, wenn es auch selten angewandt wird. - Der text stammt aus dem Hause Harman /Kardon Deutschland.
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Wenn eine Schallplatte entsteht ......

Wird eine Schallfolie / Aufzeichnungsmatrize "geschnitten", führt eine Leitspindel den Schneidkopf auf einem Präzisions-Schlitten radial über den Drehteller - in einer geraden Linie vom Außenrand zum Zentrum. Der Schneidstichel steht dabei stets exakt tangential (rechtwinklig) zur Tonrille, die er schneidet.

Wie sie geschnitten wurde, sollte sie abgespielt werden

Es leuchtet ein: Eine Platte muß präzise so abgespielt werden, wie sie geschnitten wurde, sollen Verzerrungen bei der Wiedergabe vermieden werden. Dabei hat der Tonarm eines Plattenspielers drei sich zum Teil widersprechende Aufgaben zu erfüllen:
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  1. Erstens, er soll den Abtaststift in der richtigen Position in den Schallrillen führen.
  2. Als Zweites muß er gegenüber dem Abtaststift einen Fixpunkt darstellen.
  3. Drittens ist zu fordern, daß er vollkommen frei den Auslenkungen der sich verjüngenden Spiralrille folgt.

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Die Details im Einzelnen

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  • 1. Die Längsachse des Tonabnehmersystems muß an jedem Punkt, an dem die Abtastspitze die Rillenflanken berührt, eine Tangente zur Mittellinie der Tonrille bilden, um Abtastverzerrungen auszuschließen. Darüber hinaus soll der Abtaststift stets so gehalten sein, daß er genau in der Ebene liegt, die durch die Mittellinie der Tonrille und die Längsachse des Abtastsystems gebildet wird. Nur dann kann er allen horizontalen Auslenkungen der Tonschrift folgen, und Frequenzgang und Kanaltrennung des reproduzierten Klangs erscheinen als genaues Abbild des Originals. Und schließlich sollten sich Abtastsystem und Abtastspitze geradeso wie Schneidkopf und Schneidstichel geradlinig entlang dem Plattenradius bewegen.
  • 2. Die weitverbreitete Vorstellung, die ideale Kombination aus Tonarm und Abtastsystem besäße eine unendlich kleine Masse, ist falsch. Obwohl eine derartige Zusammenstellung - könnte sie gebaut werden - die Plattenrillen sehr schön abtasten würde, es wäre nichts zu hören. Um Klang zu reproduzieren, muß sich der Abtaststift relativ zum Tonabnehmersystem bewegen, da nur dann die benötigte Signalspannung im Abtastsystem induziert wird. Das allerdings ist nur möglich, wenn Tonabnehmer und Tonarm gegenüber dem Abtaststift fest stehen. Die Masse des Tonarms muß deshalb so groß sein, daß auch das Abtastsystem mit der geringsten Nadelnachgiebigkeit (Compliance) den Modulationen tiefster Frequenzen bei Spitzenaussteuerung einwandfrei folgen kann.
  • 3. Ein unabhängig angetriebener Tonarm, dessen konstante Vorwärtsbewegung (Anmerkung : der Vorschub) nicht durch die Tonrillen kontrolliert wird, dürfte nicht nur massiver sein, es wäre geradezu wünschenswert - gäbe es Schallplatten mit einer fehlerfreien Oberfläche und gleichmäßigen Rillenabständen. Es spricht aber einiges für variable Rillenabstände, ja man kann sagen, deren Vorzüge sind so wichtig für das Verhältnis Störgeräusch zu Nutzmodulation, daß kaum Platten mit gleichmäßigen (Rillen-) Abständen gepreßt werden. Da es jedoch keinen Weg gibt, die Abweichung der Rillensteigung vorauszusehen, ist die Realisierung des „idealen Tonarms" (eines Arms, der unabhängig angetrieben wird) nicht möglich. Das bedeutet, die Bewegung des Tonarms bleibt abhängig von den unterschiedlichen Zwischenräumen und wird durch sie kontrolliert.

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Das Problem mit der geringen Masse der "Beteiligten"

Im Interesse einer einwandfreien Abtastung benötigt der Tonarm einen bestimmten Massebetrag. Doch Masse ist unerwünscht, denn sie zerstört die Schallplatte. Nur bei perfekt ebenen und konzentrischen Schallplatten käme einer möglichst geringen Tonarmmasse keine so entscheidende Bedeutung zu. Dem plötzlichen und unregelmäßigen Wechsel, den der Tonarm durch Plattenwelligkeit (Höhenschlag) und Exzentrizität erfährt, widersetzt sich die Trägheit der Tonarmmasse. Ist sie groß, resultieren daraus bleibende Schäden der komplexen Tonschrift. Eine Reduzierung der Masse reduziert auch die Trägheit des Tonarms und schont damit Platten und Abtaststift.

Jetzt ein paar "Halbwahrheiten" über die Perfektion

Der schwenkbare (drehbare) Tonarm ist nicht geeignet, eine Schallplatte so abzutasten, wie sie geschnitten wurde. Obwohl er so konstruiert werden kann, daß er der Forderung nach geringen bewegten Massen entspricht, ergeben sich aus seinem Bewegungsprinzip entscheidende Nachteile:

Das Abtastsystem beschreibt auf seinem Weg über die Plattenoberfläche einen Kreisbogen. Der ideale Abtastweg, eine gerade Linie, ist mit diesem Prinzip unerreichbar.

Es ist nicht möglich, die Längsachse des Tonabnehmersystems so anzuordnen, daß sie am Aufsetzpunkt des Abtaststiftes für alle Positionen, die der Arm auf seinem Weg über die Platte einnimmt, eine perfekte Tangente zur Tonrille darstellt.

Der Tangetialtonarm ist "natürlich" besser

Der Versuch, den tangentialen Spurfehlwinkel durch Versatz des Tonkopfes zu kompensieren, verursacht das schwerwiegendste Problem konventioneller Tonarme: die Skatingkraft.

Unglücklicherweise besitzen gerade die hochwertigsten Tonarme die geringste Lagerreibung und Massenträgheit, wodurch der (eigentlich kleine) Effekt der Skatingkraft noch erhöht wird. Die Skatingkompensation kann keinen Ausgleich schaffen, da Skatingkräfte ständig wechseln; mit der Frequenz und dem Pegel der Rillenmodulation, bei nachlässigen Konstruktionen auch mit dem kleiner werdenden Plattenradius. Die Kräfte werden durch zusätzliche Reibung an der Abtastspitze wirksam.

Die Nadelspitze muß genau längs in der Rille laufen

Die Vertikalachse von Tangentialtonarmen kann parallel zu Tonabnehmer und Abtaststift verschoben werden. Die Vorzüge, die sich daraus ergeben, sind überzeugend:

Das Abtastsystem und mit ihm der Abtaststift bewegt sich in einer geraden Linie über die Schallplatte; sie wird geradeso abgetastet, wie sie geschnitten wurde.

Nicht nur die Längsachse des Tonabnehmers bildet eine Tangente mit der Tonrille, sondern auch der Abtaststift. Das ist extrem wichtig.

Jetzt kommt die "Werbetrommel" von 1976

(Der gesamte Artikel-Teil ist von Harman/Kardon und die verkaufen diese Tangentialtonarme. Der Revox B790 kam erst 2 Jahre später auf denMarkt.)

Der Tangentialtonarm ist nur wenig länger als der halbe Plattendurchmesser. Da der Abtastweg gradlinig verläuft, kann auf eine zusätzliche Verlängerung verzichtet werden. Seine Masse kann deshalb klein sein. Die kurze Baulänge erlaubt eine weitere Reduzierung der Tonarmmasse ohne Stabilitätseinbußen.

Eine winkelige Anordnung des Tonkopfes oder Überhang der Abtastspitze sind überflüssig. Es gibt keine einseitig auf den Abtaststift einwirkenden Kräfte und deshalb auch keine Anti-Skating-Vorrichtung.

Da Skatingkräfte nicht auftreten, kann die Auflagekraft auf den niedrigsten Wert eingestellt werden, der für ein Abtastsystem spezifiziert ist. Der enorme Druck der Abtastspitze auf die Flanken der Tonrille wird kleiner und damit die Zahl der möglichen Abspielvorgänge ohne Qualitätseinbußen größer.

Und "unsere Tonarme" sind die besten ....... ?

Von großer Wichtigkeit für das Abtastergebnis von Tangential-Tonarmen ist allerdings die Stetigkeit der Tonarmbewegungen. Allen Konstruktionen, die eine optische oder elektrisch ausgelöste Servo-Steuerung benützen, um die Position des Tonarms nachzuregeln, haftet der Mangel an, daß ihre Ansprechempfindlichkeit durch eine „Totzone" begrenzt ist.

Das bedeutet: Minimale, an sich noch akzeptable Fehlwinkel müssen erst eine bestimmte Größe erreichen, ehe die Korrektur eingeleitet wird. Andererseits muß die Korrektur überkompensiert werden, um den Regelvorgang wieder abzuschalten. Die perfekte Konzeption der Tonarmbewegung muß deshalb eine gleitende, kontinuierliche und sich selbst regelnde Steuerung der horizontalen Winkelstellung vorsehen.

Quelle: Harman/Kardon

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