Tonarmphysik

1 Skating

Als Skating wird die Kraft bezeichnet, die den Tonarm beim Abspielen zur Schallplattenmitte zieht.

In diesem Artikelgeht es darum wie diese Kraft entsteht und wie sie sich auf die Wiedergabe auswirkt. Die "Flughöhe" is bewußt hoch gewählt und erklärt die wesentlichen Mechanismen.

Die Größe der Skatinkraft hängt im Wesentlichen von zwei Komponenten ab.

  • Dem Abspielwinkel, der von der Länge und Positionierung des Tonarms bestimmt wird.
  • Die Kraft die durch das Abspielen der Platte an der Nadel entsteht.

Im Bild sind die verschiedenen Kräfte die auf das Pickupsystem wirken an drei Abspielpsoitionen dargestellt.

  • x, y: x- und y-Abstand der Tonarmbasis zur Plattenmitte.
  • d: Abstand der Tonarmbasis zur Plattenmitte.
  • RTA: reale Tonarmachse, die Achse über den Drehpunkt und die Nadel des Tonarms.
  • rl: reale Tonarmlänge / Tonarmradius, der Abstand der Nadel zum Drehpunkt des Tonarms.
  • r: Abspielradius, der Abstand von der Plattenmitte zur Nadel.
  • Tangente: Achse, die an der Nadelposition senkrecht zur Abspielradiusachse steht.
  • Fn: die Kraft an der Nadel, sie ist (im Wesentlichen) tangential zur Rille an der Nadelposition.
  • Ft: die "Tonarmkraft", die Kraft, die der Tonarm aufnimmt, sie ist in Richtung der realen Tonarmachse.
  • Fs: die Skatingkraft, die nicht vom Tonarm aufgenommen werden kann, sie ist rechtwinklig zur RTA gerichtet.

I

1.1 Kräfte an der Nadel

Wird eine Platte Abgespielt, wirken verschiedene Kräfte auf die Nadel:
Die Kraft [ Fn ], die in der Abspielrichtung (tangential zur Plattenrille) an der Nadel "zieht".

1.1.1 Reibungskraft

Ein masgeblicher Anteil der Kraft [ Fn ] beruht auf Reibung. 
Beim Abspielen der Schallplatte wirkt nur die Gleitreibung, die sich aus dem Auflagegewicht [ Fg ] und dem Reibungskoefizienten [ ur ], der sich aus den Materialkonstanten der Platte und der Nadel ergibt, mit der folgenden, einfachen Formel berechnet: 

 Fr = ur * Fg

Hinweise

Die Gleitreibung ist nicht Geschwindigkeitsabhängig und kann beim Abspielen einer Platte als konstant angenommen werden.

Die Materialpaarung zwischen Schallplatte und Nadel, und damit auch der Reibungskoefizient, kann variieren. Wir haben aber keinen Einfluß darauf.

Die Haftreibung spielt nur im Moment des "TouchDown" bzw. beim Beschleunigen mit aufgelegter Nadel eine Rolle, sie wird daher nicht weiter betrachtet.

1.1.2 Dynamikkraft

Ein weiterer, dynamischer Anteil der Kraft [ Fn ] wird durch Impulse aus der Information in der Rille generiert, der die Nadel zusätzlich bremst.
Dies kann auch durch einen variablen Reibungskoefizienten abzubilden werden, als separate Dynamikkraft [ Fd ] ist aber die Erklärung einige Effekte einfacher.

Die Dynamikkraft hängt unter anderem von den folgenden Faktoren ab:

  • Rilleninformation
    • Lautstärke
    • Frequenzen
    • Stereoeffekte
  • Nadelschliff / Nadelform
  • Auflagekraft

2 Abspielposition

diese ist Abhängig von
der realen Länge des Tonarms rl (dem Abstand zwischen Drehpunkt und Nadel),
der Abstand d = Sqr(x^2+y^2) des Tonarmdrehpunktes zum Zentrum des Plattentellers
und dem Abspielradius r, der mit der Abspielzeit abnimmt.

Die der Reibungskraft wirkt an der Abtastposition tangential zur Rille auf die Nadel.

Ein großer Teil der Reibungskraft wird durch den Tonarm in Richtung seiner realen Achse aufgenommen. Diese verläuft, unabhängig von der Form des Tonarmes, vom Drehpunkt über die Nadel.

Während die SChallplatte abgespielt wird, reduziert sich der Abspielradius, wodurch sich der Anstellwinkel und gleichzeitig die Skatingkraft verändert. Im Bild rechts ist ein Beispiel zu sehen, in dem der Tonarm

Zusammenfassend

Die Skatingkraft ist von verschiedenen Komponenten abhängig.
Der Abspielposition über den Radius der Platte, bauartbedingt gegeben durch die Position der Tonarmbasis (Drehpunkt) und dem realen Tonarmradius (Tonarmlänge). Dem volatilen Teil sowohl abhängig von der variablen und volatilen Kraft der Reibung als volatile Größe und

Da die Reibung eine volitale Größe ist, lässt sich deren Kraft nicht zuverlässig zu jedem Zeitpunkt bestimmen. Das Skating ist die Kraft, die in Richtung Plattenzentrum auf die Nadel wirkt, wenn sie nicht ortogonal zur Rille abspielt.

Die Skatingkraft ist abhängig von der Reibung und dem Abspielwinkel.

Reibung

Die Kraft die aus der Reibung resultiert hängt von verschiednen Parametern ab, wodurch sie eigendlich nicht wirklich berechnet werden kann. ...

(Die Reihenfolge ist nicht sortiert und die Liste nicht vollständig)

Es wird jedoch klar, das die zu kompensierende Skatingkraft situationsbeding variable ist und nicht zuletzt auch vom Innhalt der Platte abhängt. Zugegeben, es sind keine gewalltigen Kräfte, aber wenn wir über Kabeleigenschaften nachdenken, müssen wir auch die Grundlagen der Tonerzeugung zuende denken.

Kommen wir nun zu einem weitern Faktor der Skatingkraft.

Abspielwinkel

Die Reibung wirk in Richtung der Tangente zur Rille an der Position der Nadel, die Gegenkraft dazu kann in Richtung des Realen Tonarmwinkels aufgenommen werden. Die 

, wirkt abhängig vom Abspielwinkel (Fehlwinkel) auf die Nadel.

Der Fehlwinkel lässt sich bestimmen und ist abhängig vom Abspielradius (Abstand der Nadel von der Plattenmitte), von der realen Tonarmlänge (realer Tonarmradius) und von der Position der Tonarmbasis (dem Drehpunkt des Tonarms) (siehe Bild).

Sie ergibt sich aus der Fehlstellung des Winkel entlang des realen Tonarmradius zur Tangente zum Abspielradius. Je größer die Abweichung desto größer der Einfluss der Reibung auf die Nadel, desto größer die Skatingkraft.
Die Richtung der Skatingkraft lässt sich bestimmen. 
 Je weniger senkrecht (orthogonal) die Nadel in der Rille zum Mittelpunkt läuft, desto größer ist der Einfluss der Skatingkraft. 

Heavy Tone Arms

Es gibt viele Diskussionen um das Thema der Masse eines Tonarms bei der viele Dinge eine Rolle spielen.

Um den Focus nicht zu verlieren konzentrieren wir uns in diesem Artikel um die folgenden zwei Themen:

Wie wir im weiteren Verlauf sehen werden, widersprechen sich diese zwei Aufgaben hinsichtlich der Anforderungen an das Gewicht des Tonarms.

Die Positionierung des Tonarms

Die wichtigste Aufgabe des Tonarms ist es das Abtastsystem permanent und orthogonal über der Rille zu halten. Um den Tonarm seitwärts (vom Anfang zum Ende der Platte) zu bewegen wird grundsätzlich die notwendige Kraft durch die Rille selbst über die Nadel dann über die Nadellagerung im Tonabnehmer bis zum Tonarm übertragen.

Hauptsächlich setzt sich die Kraft zur Seitwärtsbewegung aus zwei Komponenten zusammen.

Die erste Komponente ist die Kraft zum Bewegen in Abspielrichtung.

Diese ist eine (im Mittelwert) permanente Kraft, die sich aus dem Vorschub der Rille ergibt. Diese wirkt gegen das Lager des Tonarmes, wodurch sich die Anforderungen ableitet, den Lagerwiderstand und die Lagerdämpfung so gering wie möglich auszulegen.

Auch ein langer Tonarm verringert diese Kraft (Hebelgesetz) und führt bei traditionellen Drehtonarmen gleichzeitig zu geringeren Winkelabweichungen bei der Rotation.

Die zweite Komponente ist die Kraft zum Ausführen der Dynamik (Beschleunigung).

Die Vorschubgeschwindigkeit einer Schallplatte ist keineswegs konstant. Ein guter Schnittmeister variiert, abhängig von der Musikdynamik, die Vorschubgeschwindigkeit. In Passagen mit hoher Lautstärke und starkem Bass wird die Vorschubgeschwindigkeit erhöht um „Fleisch“ für die Rille zu geben, bei leisen Passagen kann die Vorschubgeschwindigkeit reduziert werden, um die Laufzeit der Platte zu erhöhen.

Ein weiterer, wesentlich einflussreicherer Einfluss auf die Dynamik der Bewegung, ergibt sich aus der nicht exakten Platzierung des Zentrierloches in der Mitte der Platte.

In beiden Fällen wirkt das Gewicht des Tonarms über den Impulserhaltungssatz auf die zur Beschleunigung und zum Bremsen des Tonarms notwendige Kraft in beide Richtungen.

In Summe nehmen diese Kräfte Einfluss auf die Abtastung des Nutzsignals, was sich als Dynamikdifferenzen zwischen den Kanälen darstellt.

Des Weiteren entsteht an der kraftaufwendenden Seite der Rille eine ungewollte Belastung, die zur Abnutzung der Platte führt. Der Tonarm sollte daher so leicht wie möglich sein.

Aus der Positionierung des Tonarms lässt sich damit zusammenfassen. Der Tonarm sollte möglichst:

  • widerstands- und dämpfungsarm gelagert sein,
  • lang sein und
  • wenig Masse haben.

Die effektive Abtastung des Nutzsignals

Eine kleine Anmerkung am Rande, da es in diesem Artikel ausschließlich um die Einflüsse der mechanischen Dynamik geht, dürfen wir den elektrischen Wirkungsgrad des Generators ignorieren, da er unabhängig davon immer gilt.

Wie bereits erwähnt, wird das Abtastsystem idealerweise exakt, orthogonal und hart über der Rille platziert. So wird die volle Dynamik der Information von der Nadel erfasst und in den Generator übertragen. Die Information ist in der Rille mechanisch gespeichert und durch auslenken der Nadel in alle Richtungen gelesen. Diese Auslenkungen werden über den Nadelträger zum Generator übertragen, der das elektrische Signal erzeugt.

Teile dieser Auslenkung übertragen sich ungewollt auch in den Tonarm und gehen damit für den Generator verloren.

Die ist nur bedingt durch geeignete Vorverstärker auszugleichen, da dieser Wirkungsgradverlust frequenzabhängig ist.

Um dem entgegen zu wirken sollte der Tonarm positionssicher sein. Dazu sollte er möglichst kurz und steif, und die Lagerung so gut wie möglich gedämpft sein. Und/oder der Tonarm sollte genügend Masse besitzen, um dem Informationsimpuls entgegen zu wirken (Impulserhaltungssatz).

Zur effektiven Abtastung lässt sich damit zusammenfassen. Der Tonarm sollte möglichst:

  • gut gedämpft gelagert sein,
  • kurz sein und
  • viel Masse haben.

Jetzt entstehen hier 3 Widersprüche zwischen optimaler Bewegung und Abtastwirkungsgrad.

An dieser Stelle heißt es einen Kompromiss zu finden.

Und da ist es, das Unwort "Kompromiss"!!!

Wir waren mit dem Vorsatz gestartet, KEINE KOMPROMISSE.

Also bedeutet es, eine Komponente ausschließen.

Um die Dynamik zu erreich benötigt es einen kurzen, massiven und gut gedämpften Tonarm.

Das bedeutet ==> tangential.

Tangentialarme zu bewegen ist aber ungleich schwieriger verglichen zu Drehtonarmen.
Bei passiven Tangentialtonarmen liegt die Kunst im Design und der Technologie der Linearlager. Auch hier gibt es Krafteinflüsse auf das Abtastsystem.

Also, es soll ein aktiver Tangentialtonarm werden.

Der Teufel liegt jetzt wie immer im Detail.

Wie bereits beschrieben, ist die Vorschubgeschwindigkeit der Rille weder genormt noch konstant. Die Vorschubgeschwindigkeit des Arms ist also von der Steigung der Rille über die Platte abhängig und kann sich jederzeit verändern. Bei aktiven Tonarmen kommt es daher vor Allem darauf an, wie die Steuerung den Verlauf der Rille erkennt und den Arm kontrolliert.

Hier gibt es im wesentlichen zwei Verfahren:

Verfahren 1: Step Steuerung

Die Steuerung wartet solange in einer Position, bis der Sensor eine Abweichung erkennt und fährt den Arm daraufhin auf eine neue Position, die in der Regel eine Abweichung in der Anderen Richtung darstellt. Wenn wir hier von Abweichungen reden, sind das keine Millimeter. Je genauer diese Abweichkontrolle ist desto häufiger muss die Regelung eingreifen. Auch hier sind wieder Kompromisse zu suchen. 

Verfahren 2: Permanente Regelung

Bei dieser Art der Ansteuerung wird der Tonarm permanent nachgeführt. Je genauer die Erfassung der Regelabweichung je höher ist die Qualität der Lagegenauigkeit. Die Position der Dereneville DTT Tangentialtonarme wird mit dem Verfahren 2 geregelt.

Wir verwenden zur Positionserkennung einen Laser einer Genauigkeit von 5 Mikrometer.
Unsere speziell entwickelte Lageregelungssoftware bewegt den Arm permanent und platziert das Abtastsystem optimal über der Rille.

Das Ergebnis lässt sich in der Dynamik und Reinheit des Signals sowie in der Seitentrennung erleben. Dieses haben wir durch die Fachpresse und bei unseren Messeauftritten jedes Mal bestätigt bekommen.