Tonabnehmer

011015 international

There is nothing more important than the signal source, choose the best turntable, a good tonearm and a decent cartridge. Use best  cables and an appropriate pre-amplifier. Place the turntable on a selected table or board.
In der Hifi-Kette ist die Signalquelle extrem wichtig, deshalb raten wir: Wählen Sie den Plattenspieler-Laufwerk  eine Klasse besser (laufruhiger) als ursprünglich geplant, verwenden einen guten Tonarm, dann macht ein erstklassiger Tonabnehmer Sinn, schließen Sie Ihn mit einem erstklassigen Audiokabel an, geben ihm den bestmöglichen Untergrund, ob als Plattform oder Spezialrack, sorgen für den besten Netzanschluß über gute Netzkabel und Netzleisten. Vom Verstärker gehen Sie mit den bestmöglichen Kabeln zum Lautsprecher, ob der Lautsprecheranschluß in Bi-Wiring oder Bi-Amping erfolgt, überlassen Sie Ihrem Geldbeutel. Für die Lautsprecherplazierung finden Sie ebenfalls unter unserer umfassenden Rubrik Live_Connection entscheidende Hinweise!

Bei den Tonabnehmern gibt es Kristall/keramische Systeme, bei denen die Nadelbewegung über einen Piezokristall in Spannung umgesetzt wird. Verbiegung schafft eine hohe Spannung, sodass ein spezieller Phonoeingang nicht erforderlich ist. Nachteil: die hohen Kräfte sind verschleissreich sowohl an der Nadel wie an der Rille. Diese Systeme überbrückten die Zeit von der Schellackplatte bis in die 80er Jahre bei Billigplattenspielern.  Early cartridges used piezo or ceramic material to convert stylus movement into electrical signal.
 
Viel schonender sind die Magnetsysteme und ihre Abwandlung. Hier wird ein Magnet bewegt  (MM=MovingMagnet) oder ein Eisenstück im Magnetfeld, welches den magnetischen Fluss ändert (Bild Ortofon VMS Variabler Magnetischer Schluss). In die Spulen wird ein Signal induziert, welches der Nadelgeschwindigkeit entspricht. Die Ausgangsspannung liegt bei typ. 2 mV und muss mit einem Schneidkennlinienentzerrervorverstärker hochverstärkt werden, der gleichzeitig die Charakteristik  des Schallplattenschneidekennlinie berücksichtigt. Dabei werden die Höhen abgesenkt (samt Rauschen) und die Bässe angehoben(spart Platz auf der Platte). 
Moving magnets induce signal in coils, as a function of velocity, an equalisation is needed extra to the amplification, giving noise reduction and save space on the record.
Die Umkehrung des Prinzips heisst MC-Tonabnehmer. Hier wird eine Spule (MovingCoil, im Bild die flachgedrückte Scheibe am Ende des Röhrchens) in einem homogenen Magnetfeld bewegt. Die bewegte Masse ist geringer, die Ausgangsspannung ebenso. Es ist ein Extra-Verstärkungsfaktor von 10 erforderlich, typisch mit ca. 100 Ohm Eingangswiderstand. Aufgrund der geringeren bewegten Masse an der Nadel haben diese Tonabnehmer meist besseres Impulsverhalten, was dank dem homogenen Magnetfeld, in dem sich die Spule bewegt, zu einem dynamischen, überragenden Klangbild führen kann.  Im höchstwertigen Bereich gibt es wohl keine Alternative.
Moving coils (lower mass) induce signal while moving in the linear field of strong magnets, low output needs extra amplification. Superior overall behaviour !
MC-System: der magnetische Fluß geht bei einer seitlichen Bewegung durch die Spule und induziert ein Signal.
Moving coil: the magnetic fielt inducessignal in the coil when stylus move sidewards
Die Nadel ist in der Regel ein Diamant, der auf einen Metallkegel aufgeklebt , geschliffen und an den Nadelträger gelötet wird. Hochwertige Systeme haben einen ganzen Stein, in den Nadelträger eingeschlagen oder gut verklebt. Um statischen Ladungen zu begegnen, ist manchmal der Diamant leitfähig bedampft.
The diamond tip is glued or soldered unto the cantilever.
Die V-förmige Rille ist 1/10mm von der nächsten Rille entfernt und hat einen Winkel von 90 Grad zwischen linkem und rechtem Kanal. Dass die Rillenflanken senkrecht aufeinander stehen, hat den Vorteil, dass ein Kanal abgetastet werden kann, ohne dass der andere Kanal beeinflusst wird 
In the groove, both channels are vertical on each other. One channel can get tracked without influencing the other.
Erst bei entsprechender Vergrösserung erkennt man die Berührzone zur Plattenrille im unteren Bereich. 
Only a high scale exhibits the contact erea of the stylus in the groove.
Die Nadel berührt fast den Rillenboden und reagiert auf Schmutz und Preßfehler (z.B., wenn die Preßmatritzen nach vielen Pressungen abgenutzt sind 
Die 3000-fache Vergrösserung zeigt hautnah den Kontakt Rilleninformation/Abtastnadel
Der Verschleiss spielt sich nur an den Flanken ab. Nutzt die Nadel ab, ergeben sich Schliffflächen, deren Kanten die Rille beschädigen können. Die S-Laute werden scharf und übertrieben wiedergegeben.
A worn stylus will get edges that may destroy records .

 
 
Die abgenutzte Nadel (rechts)kann nur unter einem Mikroskop mit mehr als 250-facher Vergrösserung erkannt werden. 
To detect stylus wear under a microscope (right) you need scale 1: 250

 


Das Bild zeigt das fehlerhafte Abtasten einer sphärischen Nadel in der Rille. Die elliptische Nadelverrundung ist der kugelförmigen (spärisch) überlegen. Die Verzerrungen, die sich aus den geometrischen Abmessungen ergeben, werden geringer gehalten. Es sind sowohl Verzerrungen im Sinus als auch im zeitlichen Bezug L/R. Spezielle Nadelschliffe "Fine-Line" , "Micro-Ridge" oder "Van-den-Hul" haben  optimierte Verrundungsradien.
Spherical stylus in groove gives certain kind of distortion. Elliptical stylus or other modern specialised shapes are optimised for reducing this kind of distortion.

 
 
Schallplatten sind wellig. Der Höhenschlag (warp) übersteigt die Nutzauslenkung oft bei weitem. Die Welligkeit liegt zum Glück deutlich unterhalb des Tonfrequenzspektrums der Schallplatte. In der Tabelle sind Absolutbeträge der Auslenkung (Weg) markiert. Mit der richtigen Abstimmung kann der Tonarm der Auslenkung der Plattenoberfläche folgen, sodass der Tonabnehmer seine volle Auslenkbarkeit für die Rillenmodulation behält.
Records are often warped or "tacoed" to a degree that can exceed the amplitude in music, but the spectrum is below  the frequencyband used with music.

 
In der Grafik sind links unten die Höhenschläge der Platte (Bild oben auf Schnellewerte umgerechnet) und rechts die Nutzauslenkung der Schallplatte dargestellt. Die Abtastfähigkeit des Systems liegt oberhalb der Aussteuerungsgrenze der Schallplatte, aber in einen Tonarm eingebaut ergibt sich die Problematik, dass dessen Masse mitbewegt werden muss. Es gibt eine fundamentale Resonanzstelle, die so abgestimmt sein muss, dass sie vom Höhenschlag nicht angeregt werden kann, andererseits den Klang der Schallplatte nicht verfärbt. Sie muss in die Kerbe zwischen Stör - und Nutzauslenkung treffen. Ein leichter Tonarm kann das unterstützen. 
Left graph shows warped record, right graph is music in the groove. Upper graph is tracking ability of Shure V15 II in different tonearms A B C . The peak in the resonance of cartridge /tonearm must not hit warps nor audio frequency.

 
Eigengewicht des Tonabnehmers und Tonarmmasse bilden die Masse M, die Federsteifigkeit der Nadel ist als Compliance in 10, 20, 30, 40, 50 um/mN dargestellt. Nach der Tabelle würde ein Tonabnehmer mit 20 um/mN und 6g Gewicht an einem typ. Arm mit 14g 8 Hz Resonanzfrequenz bilden. Werte unter 7 Hz sind kritisch, Werte gegen 20 Hz praktisch äusserst selten. 
To keep the resonance frequency in the desired range, cartridges and tonearms must match. A typical MC cartridge at 10um/mN in a tonearm with 4 g effective mass (+6g for the cartridge) will give 16 Hz resonance - too close to the audio spectrum. On the other hand a 4g MM cartridge with 40um/mN needs a tonearm below 6g eff.mass to meet requirements in tracking a slightly warped record.

 
Der eingestellte Auflagedruck sollte gering sein, um den Verschleiss in Grenzen zu halten, aber wichtiger ist, dass die Frequenzintermodulation gering und die Abtastfähigkeit hoch liegt. Für das gezeigte System wären mindestens 11 mN (FIM gering), wahrscheinlich 15 mN der richtige Auflagedruck (Höhenabtastung vollständig). Ist der eingestellte Auflagedruck zu gering, nehmen die Verzerrungen zu, die Nadel verliert den permanenten Kontakt zur Rille und der Verschleiss steigt radikal an. 10mN MilliNewton entsprechen 1p Pond oder 1g Gramm.
Trackingforce applied by the user will be low to give low wear, but needs to be sufficient high to give good tracking and low distortion. (between 11 and 15 mN).Otherwise wear gets bigger than exspected- any msitracking causes extra wear on both stylus and record !

 
Der Tonarm wird durch seine Kröpfung nach innen gezogen (Skating), genauer gesagt, der Auflagedruck sorgt für Reibung der Nadel mit der Rille, die Zugkraft am System geht aber seitlich am Tonarmlager vorbei. Deshalb wird durch die Kräftezerlegung erklärbar, warum Tonabnehmernadeln zuerst innen abnutzen (linker Kanal) und dann aussen (rechts). Mit der Antiskatingeinrichtung wird das Kräfegleichgewicht wiederhergestellt. Neben gleichmässigerem Nadelverschleiss wird auch die Abastfähigkeit / Auslenkbarkeit der Nadel zu beiden Seiten/Kanälen verbessert / gleich. 
Skating hängt ab von: Auflagedruck, Nadelschliffform, Verschleiss der Nadel, Modulation der Rille, Verschmutzungsgrad der Platte, Bahngeschwindigkeit der Rille, etc. Bei den Einflussgrössen finden sich Abhängigkeiten, die sich über die Schallplatte von Anfang bis Ende ändern, wie der Abtastwinkelfehler, die Bahngeschwindigkeit, und von Welligkeit der Schallplatte und Tonarmmasse, die damit auf-und abgeht. Auch die Vinylqualität und die Aussteuerung geht in die Reibwerte mit ein, die auch vom Nadelzustand abhängen, der sich allmählich über die Jahre ändert. Die Antiskatingkraft kann aus all diesen Gründen nie genau eingestellt werden, nur angenähert. Die Einrichtungen dafür sind verschieden. Mehr darüber auf der Seite Plattenspielerjustage.
Friction between the groove and the stylus pulls the arm and creates an inwards force (skating). Antiscating- compensation is neccessary to enable even tracking for either channel. It can never be adjusted exactly, as it varies from outer to inner groove, depends on modulation and vinyl quality, shape and wear of stylus and warp of records in combination with mass of tonearm.
Wenn der Tonarm über die Schallplatte geht, schwenkt er auf einem Kreis um sein Drehzentrum hinter dem Tellerlager vorbei.Der Tonarm ist gekröpft, dabei nähert sich trotz des kurzen Arms sein Abtastwinkel dem Ideal (grün) an, formbedingt ist die Winkel-Abweichung zuerst positiv, dann 0, dann negativ, wieder 0 und schließlich wieder positiv.Der reale Winkel ist rot. Da bei dem negativen Maximum die Achse des Systems noch am stärksten in Richtung Tonarmlager zeigt, ist hier die Skatingkraft am geringsten.
Tonearm sweeping circular over the record passes behind the record center (overhang). Tracking angle  ideal (grren) and real angle (red) have pos, 0, neg, 0, pos deviation. At neg maximum, skatingforce is at minimum.

 
Das Verhalten des Tonabnehmers bei welligen Platten wird von der Dämpfung der Nadelaufhängung bestimmt. Aber auch Tonarmlager können gedämpft werden. Dämpfung führt zu schnellerem Abklingen der Schwingungen. 
Proper damping can be done in tonearm bearing or in canilever suspension.This will cut the amplitude in resonance when tracking warped records.
Der vertkale Abtastwinkel soll dem Schneidwinkel der Schallplatte entsprechen (früher 15°, heute 20°). Es zählt der Winkel zwischen der Senkrechten und der Tangente der Nadelbewegung im Berührpunkt.
VTA vertical tracking angle of cartridge should follow the cutting angle of the recording (was 15°, later 20°)
Das Verhalten des Tonabnehmers wird von dem richigen kapazitiven Abschluss mitbestimmt. Wird der parallele Kondensator zu gross, gibt es eine Höhenbetonung mit anschliessendem Abfall. Verzichtet man auf ihn ganz, gibt es eine Senke in den Höhen. Tonarmkabel und Verstärkereingang können beträchtliche Kapazitäten enthalten. Ursache der Resonanzstelle: ist die Nadelmasse federt auf der Schallplattenoberfläche. Typische Werte: Tonarminnenverkabelung 20pF, Kabel zum Verstärker 150pF, Phonoeingang 100pF.Summe 270 pF oder mehr. Tonabnemer sollten ohne Fehler mit Kapazitäten bis 400 pF zurechtkommen. Moderne Tonabnehmer sind deshalb  induktionsarm gewickelt.
Capacitive loading dampens the high frequent resonance of the cartridge (cantilever/record surface). Extra Capacitor,  cable and input capacitance must be calculated. Typical values add up to 400 pF.
Die Übersprechdämpfung ist Ausdruck der Kanaltrennung. Wird der Tonabnehmer mechanisch richtig ausgerichtet, liegen die Spulen senkrecht zur Rillenauslenkung, die Kanaltrennung maximal. Die Unregelmässigkeit am Anfang der Kurve kann auf eine Resonanz im Tonarmrohr zurückzuführen sein.Werte zwischen 25 dB und 40 dB sind normal bis aussergewöhnlich. 
Wenn der Tonarm zu kurz ist oder/und das Lager zu hoch liegt, wird der Abtastwinkel bei Hohenschlägen in eine grössere Vorwärts -Rückwärtsbewegung umgesetzt. 
Tonearm bearings need to be high to reduce forward/backward movement of cartridge when tonearm moves up/down.

 

Das Klangergebnis ist eine vielfältige Ansammlung von Einflussgrössen. 
Links ist die fundamentale Tonarmresonanz dargestellt. In der Mitte unten erkennt man die Zentrierung der Platte, die Tonarmresonanz und Motoreinflüsse. 
Rechts ist dargestellt, welche Mischprodukte beim Abtasten eines reinen Tons von 3000 Hz entstehen. Diese Komponenten sind Seitenspektren des Tons und werden als Rauschen wahrgenommen, das mit dem Ton seine Intensität ändert. 
Audible result of many influences from tonearm resonance, record centering, motor, will be side spectrum modulation noise added to a pure tone. Music gets noise - increasing with intensity of music.

 
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Achtung: Bei alter Urversion: MC-Tonabnehmer mit kräftigem Magnet ziehen sich an das Metall sofort heran und könnten die Nadel beschädigen, deshalb Vorsicht bei älteren Ausführungen dieses ansonsten bewährten Zubehör. 
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