Zusammenfassung der Vorüberlegungen - Theorie zu Tonarmen

[be.audiophil]

Hallo Zusammen,

die Frage, was die vorhergehenden Überlegungen nun mit theoretischen Betrachtungen zu Tonarmen und z.B. dessen Lagerung zu tun hat, ist sicherlich berechtigt - aber weniger abwegig, wie es auf den ersten Blick den Anschein hat.

Wenn wir uns die Überlegungen zur während der Abtastung wechselnden Auflagekraft nun ansehen, stellen wir fest, daß alle von der Nadel in der Rille vollzogenen Bewegungsabläufe unter gewissen Rahmenbedingungen dazu führen, daß während der Abtastung die Auflagekraft nicht konstant bleibt.

Und ebenso haben wir feststellen können, daß diese Effekte einzig über das Massenträgheitsmoment des über das Vertikallager geführten Tonarmrohres beeinflußt werden können. Insofern ist es unabdingbar, daß das Vertikallager äußerst leichtgängig ist.

Anhand dieser Betrachtungsweise wird ebenso deutlich, daß dem Vertikallager während des Abtastvorganes ein deutlich größeres Augenmerk zu schenken ist, als dem Horizonatallager, da ...

-> je leichtgängiger das Vertikallager, desto geringer ist die effektive Masse, die der Abtaster sieht.

-> desto geringer wirken sich die Effekte der sich während der Abtastung ändernden Auflagekraft aus, solange die Kombination aus Tonabnehmer und Tonarm eine Resonanzfrequenz zwischen 7 und 11 Hz besitzt.

-> desto weniger Abtastverzerrungen treten auf.

Ich weiß, daß diese "Postulate" jetzt sehr provokant erscheinen, aber ich werde versuchen in der Folge jede einzelne These mit verschiedenen Meßergebnissen von z.B. Poul Ladegaard zu belegen.

[be.audiophil]

Hallo Zusammen,

im Vorfeld hatte ich einige Fachartikel erwähnt, die wahrscheinlich nciht jedem im Original vorliegen werden. Deshalb beschreibe ich Euch kurz deren Inhalt:

-> Philip Kantrowitz stellte in "High-Frequency Stylus-Groove Relationships in Phonograph Cartridge Transducers", JAES Volume 11 Number 3 pp. 250-262; July 1963 fest, daß sich die Schallplattenrillen in Abhängigkeit von der betrachteten Rillenposition durchaus unterschiedlich erwärmen. Zusätzlich stellte er fest, daß bei einem Anstieg der Abtastverzerrungen die Erwärmung an bestimmten Stellen der Flanken zunahm. Krantowitz arbeitete zum damaligen Zeitpunkt übrigens für den amerikanischen TA-Hersteller Sonotone.

Diese thermische Messungen belegten erstmalig die kugelförmigen Bewegungen einer Diamantnadel innerhalb der Rillenmodulation.

Weitere mit dem Thema zusammenhängende aber vornehmlich die bei der Abtastung von verwellten Schallplatten auftretende Effekte betrachtende Abhandlungen sind im Folgenden mit - falls vorhanden oder über Patenteinträge bei www.freepatentsonline.com recherchierbar - kurzen Zusammenfassungen aufgeführt:

-> Larry Happ and Frank Karlov, "Record Warps and System Playback Performance",JAES Vol. 24, No. 8, pp. 630-638, October 1976

=> The authors found warp frequencies in the range of about 1/2 Hz (the once around frequency at 331/3 rpm) to beyond 10 Hz, with 95% of the warps below 8 Hz. Peak physical amplitude height of the warps was greatest at low frequencies at about 0.025 in. maximum and decreased with increasing frequency.

-> Peter Rother, "The Aspects of Low-Inertia Tone-Arm Design", Design", JAES, Vol. 25, No. 9, pp. 550-559, September 1977

=> The requirement to track warped phonograph records satisfactorily has resulted, in prior art systems, in the necessity to consider tonearm/cartridge/stylus/record geometry very carefully and to seek the best combination, usually a compromise, of such factors as stylus and tone arm mass, tone arm damping, stylus compliance and damping, and tracking force so as to provide a controlled tone arm resonance above the commonly encountered warp frequencies, yet below the frequency of the lowest recorded groove information. An arm resonance of 10 Hz has been advocated by several designers

-> Kenneth Clunis and Michael J. Kelly, "Overcoming Record Warps and Low-Frequency Turntable Rumble in Phonographs",  JAES, Vol. 23, No. 6, pp. 450-458, July/August 1975

=> In this system the cartridge output is used to servo control the vertical tone arm position to assist in tracking the record warp. Similar systems are disclosed in U.S. Pat. Nos. 3,623,734 to Sakamoto et al. and 3,830,505 to Rabinow. It is also known to provide a closed loop around the tonearm movements only, in order to improve arm/cartridge damping. Aspects of the present invention can significantly improve the performance of these prior art tone arm systems.

-> John Eargle, "Performance Characteristics of the Commercial Stereo Disc" , JAES, Vol. 17, No. 4, pp. 416-422, August 1969

=> Notwithstanding these efforts, the main source of low frequency annoyance is record pressing rumble or mold grain noise from the disc itself. Mold grain noise may extend generally to several hundred Hz. Record pressing rumble and turntable rumble are reduced conventionally by means of high-pass filters in the signal paths. Optimum tone arm/cartridge resonance characteristics are also useful in reducing low frequency rumble effects.

-> Keisuka Ikegami and Susumu Hoshimi, "Advance in Turntable and Tone-Arm Design", JAES, Vol. 24, No. 4, pp. 276-280, May 1976

=> diesen Artikel suche ich derzeit selbst noch ... aber die Zeichen stehen gar nicht so schlecht, daß ich diesen demnächst in Fingern halten und verschlingen können werde

-> Poul Ladegaard (Bruel & Kjaer) untersuchte eigentlich hörbare und von mechanischen Resonanzen hervorgerufene Effekte. Hierbei untersuchte er auch das Verhalten der Abtastung, die unser zuvor skizziertes Modell erklären helfen und stellte die Gesamtstudie anläßlich der AES Convention 1977 in New York in dem Fachartikel "Audible effects of mechanical resonances in turntables" vor.



So ging Ladegaard, wie auch 1975 in der zuvor zitierten Publikation von Bob Graham, Jim Brinton und Anderen vermutet, von einem allgemeingültig ansetzbaren Q für die Kombination von Tonarm und TA aus. Um den hierzu notwendigen Nachweis zu führen, stellte er verschiedene Messungen an, die ich nun kurz skizzieren werde.

Die erste von vielen Messungen sollte Aufschluß über das Abtastverhalten bei der Verwendung unterschiedlich schwerer Tonarme geben. Auch wenn bedingt durch das Meßequipment es nach dem Vergleich von klassischen Missmatches aussieht, so zeigt gerade diese Messung für uns im Bereich des Vertikallagers eines Tonarmes die vermuteten Zusammenhänge deutlich auf.

Es standen somit zur Verfügung:

- ein leichter Tonarm
- ein mittelschwerer Tonarm
- ein schwerer Tonarm
- ein sog. Strain Gauge Cartridge
- ein LowPass-Filter
- ein Storage-Oszilloskop



Das Strain Gauge ist eine Messaparatur, die am Tonarm wie ein Tonabnehmer befestigt wird, sich in der Abtastung auch wie ein Abtaster - allerdings mit niedriger Comliance/ Nadelnachgiebigkeit - verhält. Dessen gemessene/ meßbare Ausgangsspannung ist direkt proportional zur Spannung in der Aufhängung und gibt somit Aufschluß über die zu jedem einzelnen Zeitpunkt wirkende Auflagekraft. Es ist also im generellen funktionalen Aufbau mit einem Dehnungsmessgerät vergleichbar.

Die Auflagekraft wurde für den Test auf 10 Nm eingestellt und die drei unterschiedliche schweren Tonarme tasteten dann jeweils mit dem strain gauge cartridge "bewaffnet" eine verwellte und eine unverwellte Schallplatte für jeweils die Dauer von zwei Umdrehungen ab.

Hier sind die zugehörigen Meßergebnisse:



und die zugehörige Grafikunterschrift:

Tracking force variations during playback of two average records. The pictures show a period of two revolutions and the vertical scale is calibrated directly in nM. The initial set tracking force was adjusted to 10 nM. In this test the most lightweighted arm (number 1) clearly outperforms the other two.

Die obere Reihe der Meßschriebe zeigt übrigens das Verhalten bei der Abtastung der verwellten Schallplatte, die untere Reihe demzufolge das Verhalten bei einer sozusagen unverwellten. Ladegaard spricht in dem Artikel von einer großen Schnelle, geht aber in diesem Punkt nicht weiter ins Detail.

Die nachfolgenden Meßschriebe



zeigen den durch die Variation der Auflagekraft entstehenden Anstieg der Abtastverzerrungen.

Die Abtastverzerrungen bei dem statisch ausbalancierten Arm mit einer hohen effektiven Masse und einem TA mit niedriger Comliance fallen entgegen der landläufigen Meinung also trotzdem deutlich höher aus, als im eigentlich fehlangepaßten Setup mit leichtem Arm und TA niedriger Compliance.

Die resultiernde Auflagekraft der Kombination schwerer Arm und TA mit niedriger Compliance liegt übrigens zu etwa einem Viertel der Zeitspanne bei unter 5mN ... also in etwa 50% unter dem eingestellten Ausgangswert der Auflagekraft.

Zur weiteren Untersuchung des im klaren Gegensatz zur ursprünglichen Annahme des allgemeingültigen Q stehenden Ergebnisses aus seinem ersten Test, sägte Ladegaard nun einen Schlitz in eine Schallplatte und tastete diese mit der Kombinationen aus identischen handelsüblichen TAs und den drei Tonarmen ab.



Die betrachtete Zeitspanne betrug 0,5 Sekunden, dies entspricht in etwa einer viertel Umdrehung bei 33,3 U/Min.

Wiederum beruhigte sich das eigentlich "fehlangepaßte System" deutlich schneller als die Kombination aus schwerem Tonarm mit diesem handelsüblichen TA-System.

Die deutlich höhere Massenträgheit des Tonarmes mit der hohen effektiven Masse verhindert also die Bewegung im Vertikallager derart, daß sich der Effekt der variablen Auflagekraft deutlicher ergibt, als wenn die Massenträgheit geringer ist. Im Umkehrschluß bedeutet dies,  daß ein leichtgängigeres Vertikallager die für den TA sichtbare effektive Masse duchaus reduziert. Ebenso erhöhen sich in diesem Moment die Abtastverzerrungen nachweislich.

Somit ist uns die Herleitung unseren drei Thesen

-> je leichtgängiger das Vertikallager, desto geringer ist die effektive Masse, die der Abtaster sieht.

-> desto geringer wirken sich die Effekte der sich während der Abtastung ändernden Auflagekraft aus, solange die Kombination aus Tonabnehmer und Tonarm eine Resonanzfrequenz zwischen 7 und 11 Hz besitzt.

-> desto weniger Abtastverzerrungen treten auf.

in meinen Augen schon gelungen