Hifi-Wohnraumstudio Dipl.-Ing. Wolfgang P. Odenthal

Tonarm- und Tonabnehmer-Justage

Im folgenden Artikel werde ich versuchen, mit möglichst wenig Mathematik ein wenig Klarheit über die Wichtigkeit der korrekten Tonarm- und Tonabnehmer- Justage zu schaffen.

Der Spurwinkelfehler

Abbildung 1 zeigt die Tonarm- und Plattenspieler-Geometrie. C ist die Plattentellerachse und P der Drehpunkt des Tonarms. Die Nadel des Tonabnehmers befindet sich im Punkt S. Wäre der Tonarm gerade, so gäbe es lediglich einen Punkt, in dem der Spurwinkelfehler Null wäre. Das heisst, die Symmetrielinie des Tonabnehmers läge auf einer Tangente zu der Rille. Der Fehler, der auftritt, wenn die Nadel die Platte abspielt, könnte dadurch beliebig klein gemacht werden, daß man die Armlänge hinreichend vergrößert. Das ist, aus praktischen Gründen, offensichtlich nicht machbar. Gängige Praxis ist, den Arm anzuwinkeln, wie PAS in der Abbildung 1 zeigt, oder den Tonabnehmer in einem Winkel zum Arm einzubauen. Beide Methoden verbessern die Abtastung drastisch.
       Die Art und Weise, wie diese Verbesserung zu stande kommt, kann man anhand der folgenden Formel, die sich aus der Anwendung des Cosinus-Satzes auf das Dreieck PCS ergibt (sorry - aber etwas Mathe muß halt her), erkennen. Abbildung 2 zeigt eine Grafik für einen Wert von 240 mm für die effektive Länge L und drei Werten für D, gewöhnlich Überhang genannt. Aufgetragen ist der Spurwinkelfehler phi eines geraden Arms PS. Man kann erkennen, daß wenn R größer wird, auch phi für D=0 größer wird. Ist D jedoch positiv (d.h. L > PC), so geht die Kurve durch ein Minimum. Differenzieren der Gleichung 1 ergibt die in Abbildung 2 gezeigte Relation.
      Die Tatsache, daß es ein Minimum für phi gibt, ermöglicht eine Verbesserung der Abtastung. Verdreht man den Tonabnehmer um den Winkel beta (Abbildung 1), so wird der Spurwinkelfehler kleiner. Dies wird in Abbildung 3 gezeigt, wobei ein Wert von 240 mm für L und ein Winkel von 23° für den Winkel PSA (nicht PAS) verwendet wird.Ein Vergleich der Abbildungen 2 und 3 zeigt die Verbesserung infolge der Verdrehung. In Abbildung 2 ist der Spurwinkelfehler der Wert von phi, während er in Abbildung 3 die Differenz zwischen phi und beta ist, die wir delta nennen. Er ist nicht nur kleiner, sondern jetzt gibt es auch zwei Positionen wo er gleich Null ist.
      Es ist jedoch nicht nur der Wert von delta der die verursachten Verzerrungen (prinzipiell 2. Harmonische) bestimmt. Man kann zeigen, daß die Verzerrung proportional delta / R ist. Für ein gegebenes delta steigt die Verzerrung mit abnehmendem Radius.Die Abbildungen 2 und 3 zeigen auch, daß der Spurwinkelfehler für kleine Werte von R stärker ansteigt als für große. Dies alles zusammen beschränkt die Wahl von L, D und beta für optimale Ergebnisse. Die Kurve in Abbildung 4 für D=17 mm zeigt, wie sich alpha / R und damit die Verzerrungen mit dem Radius verändern.
     Optimalen Einbau des Tonabnehmers kann man erreichen, indem man Überhang und Kröpfung so wählt, daß der Betrag von alpha / R beim kleinsten und größten Radius gleich dem dazwischen liegenden Maximum ist. Dies bedeutet, daß alpha / R an zwei Stellen gleich Null ist. Diese Tatsache wird von vielen Einstellschablonen genutzt. Allerdings differieren diese Nullstellen von Schablone zu Schablone. Warum? Nach IEC liegt der verwendete Radius zwischen 60,3 und 146,05 mm, während DIN einen inneren Radius von 57,5 mm zulässt. Dies ergibt für einen Einbau nach IEC Nullstellen bei 66 und 121 mm, und nach DIN Nullstellen bei 62,5 und 117,5 mm. Abbildung 5 zeigt den Verlauf von alpha / R für beide Einstelungen. Fast alle LPs besitzen einen minimalen Radius von 60mm. Die mir bekannten Ausnahmen sind LPs aus den 70ern mit extremen Spielzeiten wie z.B. "Best of .."-Sampler. Möchte man auch Singles abspielen, so sollte man auf jeden Fall eine DIN-Schablone benutzen.

Der Einfluss falscher Montage auf die Qualität

Mit diesen Tatsachen im Hinterkopf ist es instruktiv, den Effekt einer Veränderung von D in Schritten von 3 mm zu beobachten., d.h. den falschen Einbau des Tonabnehmers und / oder Tonarms. Die in Abbildung 3 dargestellte Situation zeigt den Entwurf eines guten Arms für die Wiedergabe von Platten mit einem Radius von 60 bis 150mm. Für eine IEC-Justage ergibt sich eine Kröpung von 22,8° und ein Überhang von17mm. Das entsprechende Resultat zeigt die Kurve (D=17mm) in Abbildung 4.
Abbildung 6 zeigt phi in Abhängigkeit von R für den selben Arm mit zwei weiteren Werten von D. Die obere Kurve repräsentiert eine Einbaupostion, so dass die Nadel 3mm weiter vom Plattenzentrum als erforderlich entfernt ist. Die untere Kurve zeigt den gegenteiligen Fall. Der Spurwinkelfehler alpha ergibt sich, indem man den festen Wert beta von den Ordinaten der Kurven subtrahiert. Für D=14mm ist die Kurve so weit gesunken, dass alpha nur noch an einer Stelle zu Null wird. Der Wert von alpha wird größer, und somit auch alpha / R. Daher zeigt die entsprechende Kurve von Abbildung 4 nur ein Null für den Spurwinkelfehler, und die Werte an den anderen Stellen sind deutlich höher. In der oberen Kurve von Abbildung 6 gibt es keine Schnittpumkte mehr, woraus ein Anstieg der Verzerrungen resultiert.
Die zweite Möglichkeit der falschen Justage besteht im verdrehten Einbau des Tonabnehmers. Sieht man sich Abbildung 3 an, so erkennt man leicht was passiert. Montiert man den Tonabnehmer mit einem Fehler von 3° - was infolge des grösseren Durchmessers der Montagelöcher als der Befestigungsschrauben leicht möglich ist - so ändert sich beta von 18° auf 15° oder 21°. Um den Einfluss auf den Spurwinkelfehler zu erkennen, muss man lediglich eine weitere Linie parallel zu der von Abbildung 3 ziehen, die durch phi = 20° oder phi = 26° geht. Im einen Fall ( phi = 18° ) schneiden sich die Kurven nicht, während es im anderen Fall nur einen Schnittpunkt gibt. Wie Abbildung 7 zeigt, steigen die Verzerrungen in beiden Fällen deutlich an.

Zusammenfassung

Es zeigt sich deutlich, daß die Montage von Tonarm und Tonabnehmer äußerst penibel erfolgen muß: schon wenige Millimeter oder Grad falsche Justage erhöhen die Verzerrungen drastisch. Ob man nun eine IEC- oder eine DIN-Schablone verwendet, hängt vom abzuspielenden Plattennmaterial ab.