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Peter Schüller vor dem Messpark
Peter Schüller hat über 30 Jahre das Messlabor von stereoplay und die letzten 20 Jahre auch das der Audio geleitet. Seit Mai 2016 unterstützt Peter das LowBeats Team (Foto: Schüller)

So macht LowBeats Tonabnehmer-Messungen

Peter Schüller ist einer der versiertesten Audio-Messexperten Deutschlands und verstärkt seit geraumer Zeit das LowBeats Team. Er macht all die ebenso komplexen wie aufwändigen Tonabnehmer-Messungen und erklärt in diesem Hintergrundbeitrag, wie und warum diese Messungen gemacht werden:

Analoge Schallwandler, also Komponenten, die elektrische Signale in mechanische Druckschwankungen umwandeln wie etwa Lautsprecher, oder auch wie Tonabnehmer, die – quasi umgekehrt – aus mechanisch eingeprägten Informationen der Schallplatte elektrische Schwingungen erzeugen – stellen die Messtechnik seit je her vor große Herausforderungen. Das gilt vor allem für Tonabnehmer-Messungen.

Hier gibt es keine Einsen oder Nullen, kein klares Ja oder Nein wie in der Digitaltechnik, sondern stets nur ein Mehr oder Weniger. Das macht die messtechnische Beurteilung analoger Gerätschaften so schwierig.

Auf analoge Plattenspieler und Tonabnehmer bezogen, fangen die Hürden der Tonabnehmer-Messungen schon bei den Mess-Schallplatten an: Keine ist wie die Andere! Besonders im Hochtonbereich mit Rillenauslenkungen im Nanometerbereich muss man größere Toleranzen akzeptieren.

Auch sind die Messungen deshalb so aufwändig, weil man die Werte der Tonabnehmer erst ermitteln kann, nachdem sie optimal justiert in einem passenden (!) Tonarm eingebaut wurden.

Schon kleinste Abweichungen des vertikalen Abtastwinkels (VTA) – zum Beispiel durch einen nicht ganz senkrecht eingeklebten Diamanten – führen zu deutlichen Asymmetrien im Übersprechverhalten. Das ließe sich durch leicht gekippten Einbau des Tonabnehmers sogar korrigieren, der Vergleichbarkeit wegen wird darauf im Test aber bewusst verzichtet.

Da auch der Tonarm beziehungsweise sein Gewicht eine wichtige Rolle spielt, gibt LowBeats stets auch Empfehlungen zur Tonarmklasse an: leicht, leicht bis mittelleicht, mittelschwer, mittelschwer bis schwer, schwer.

LowBeats Tonabnehmer-Messungen: Was sagen sie aus?

Aber was sagen nun die Tonabnehmer-Messungen aus? Was lässt sich zum Beispiel aus dem Diagramm „Frequenzgang & Übersprechen“ alles ablesen? Ideal wäre ein völlig ebener Frequenzgang, kombiniert mit ganz weit unten im Diagramm liegenden Übersprechanteilen. In diesem Fall wäre die Wiedergabe völlig ausgewogen und die Stereoperspektive optimal.

Die Praxis sieht leider etwas anders aus, denn Plattenspieler sind Resonanz- und Toleranz-behaftete Gebilde und auch die den Messungen zugrundeliegenden Messplatten unterscheiden sich mehr oder weniger.

Und dann wäre da noch die Tiefenresonanz. Aus der effektiven, an der Nadelspitze wirksamen Masse von Tonarm plus Tonabnehmer entsteht zusammen mit der Nachgiebigkeit (Compliance) der Nadelaufhängung ein Feder-Masse-System, dessen Resonanz im Bereich zwischen sieben und allerhöchstens 12 Hertz liegen sollte.

LowBeats Messung: Soundsmith Zephyr III Tiefenresonanz
MI-Tonabnehmer Soundsmith Zephyr III Tiefenresonanz (Messung: P. Schüller)

Gelingt es, die Tonarm-System-Resonanz in diesem Bereich zu halten, ist gewährleistet, dass der eigentliche Übertragungsbereich nicht oder nur kaum tangiert wird und dass Plattenwelligkeiten nicht zum starken „Pumpen“ der Tieftonmembranen der Lautsprecher führen.

Die wichtigste Messung: Frequenzgang & Übersprechen

Hier ist dargestellt, ob alle Töne vom tiefsten Bass bei 20 Hertz bis zu den höchsten, noch über 20 Kilohertz hinausreichenden Obertönen mit dem richtigen Pegel wiedergegeben werden. Dazu verwendetet LowBeats zunächst die Sinus-Gleitton-Aufzeichnungen der Stereo-Messschallplatten JVC TR 1007 Mk II.

LowBeats Messung: Soundsmith Zephyr III Frequenzgang + Übersprechen
Soundsmith Zephyr III Frequenzgang & Übersprechen. Sowohl Frequenzgang als auch Übersprechen sind hervorragend (Messung: P. Schüller)

Getrennte Aufzeichnungen für den linken und rechten Kanal erlauben, den Pegel (obere Kurven) und gleichzeitig im jeweils anderen Stereo-Kanal das Übersprechen (untere Kurven) zu messen – dargestellt in Blau (linker Kanal) und Rot (rechts).

Zudem ist erkennbar, ob beide Kanäle gleich laut wiedergegeben werden (Stereo Balance). Sie ist perfekt, wenn sich die obere rote und obere blaue Kurve nahezu decken. Gerade noch tolerabel wären Abweichungen bis maximal 2 Dezibel.

Das Übersprechen (untere Kurven im Diagramm) zeigt stets einen mehr oder weniger stark schwanken Verlauf über die Frequenz. Liegen die Kurven im mittleren Frequenzbereich zwischen 200 Hertz und 5 Kilohertz noch unter der -20dBr-Linie, ist das Übersprechverhalten schon wirklich gut, sehr gut wären Werte unter -25dBr. Liegen diese Kurven vom linken und rechten Kanal dicht beieinander, ist dies ein Zeichen hoher Fertigungsqualität.

LowBeats verwendet zur Frequenzgangmessung bei Tonabnehmer-Messungen neben der allgemein anerkannt guten JVC-Messplatte auch noch die QR 2010 von Brüel & Kjear, deren Gleitton-Sweep sogar bis 45 Kilohertz hinaufreicht.

Mess-Platte JVC
Das Cover der Mess-Platte JVC TR 1007 Mk II auf dem Teppich im LowBeats Analoglabor (Foto: P. Schüller)

Eigentlich wurde sie seinerzeit entwickelt, um Quadrophonie-taugliche Tonabnehmer zu testen, die nach dem CD-4-Verfahren in der Lage sein müssen, auch den Bereich über 20 Kilohertz möglichst ohne Pegelverlust abzutasten. Doch sie erlaubt auch sehr gut die Beurteilung des Übertragungsverhaltens im Hochtonbereich „normaler“ Tonabnehmer.

Doch schon die Frequenzgangmessung im linken Kanal (dargestellt als schwarze Kurve) unterscheidet sich oberhalb von 1 Kilohertz teilweise deutlich von der Messung mit der TR 1007 von JVC. Was ist denn nun richtig?

Unterschiede von JVC-Testschallplatte zu B+K im Hochton
Unterschiede von JVC-Testschallplatte zu B+K im Hochton (Messung: P. Schüller)

Der Unterschied ist zum einen den in der Analogtechnik üblichen Toleranzen geschuldet, zum anderen der mit unterschiedlicher Geschwindigkeit erfolgten Aufzeichnung. Denn Resonanzen wirken sich umso stärker aus, je länger sie angeregt werden.

Gut zu erkennen ist dieses Verhalten bei den ganz tiefen Frequenzen, wo sich die Tiefenresonanz im langsam laufenden Sweep der JVC-Messplatte schon bemerkbar macht, nicht aber mit der sich schnell ändernden Aufzeichnung der Bruel & Kjaer QR 2010.

Aus gleichem Grund sind auch Resonanzen des Tonarms nur mit der JVC-Platte nachweisbar. So zeigt auch der ansonsten zum Messen perfekt geeignete Rega-Tonarm RB 1000 etwas oberhalb 1000 Hertz eine kleine Schwachstelle. Erkennbar sind Armresonanzen durch kleine Zacken im Übersprechsignal, besonders gut bei sehr geringem Übersprechen.

Auch im oberen Frequenzbereich gibt es einiges zu beobachten. Trotz winziger Auslenkungen sind die Beschleunigungswerte an der Abtastnadel bei hohen Frequenzen beachtlich und sie provozieren mechanische Resonanzen.

Die sind zwar prinzipiell unerwünscht, können aber auch kompensatorisch wirken. Normalerweise ist man daher bestrebt, die an der Nadelspitze wirksame Masse so klein wie möglich zu halten.

LowBeats Tonabnehmer-Messungen: die Unterschiede von MM, MI und MC

Diese Masse wird aus dem Abtastdiamant (Stylus), dem Nadelträger (Cantilever) und dem an ihrem Ende angebrachte Teil des Generators gebildet.

Je nach Bauart handelt es sich entweder um winzige Spulen wie beim MC-System (Moving Coil), um einen oder zwei kleine Magneten (Moving Magnet – MM-System) oder um ein bewegtes Eisenjoch (Moving Iron – MI-System).

Obwohl Magnete oder Spulen schwerer sind als der winzige Abtastdiamant, trägt deren Masse nur relativ wenig zu der an der Nadelspitze effektiv wirksamen Masse bei.

Denn je näher sich eine Masse am Dreh- und Angelpunktes der Nadel befindet, desto geringer wirkt sie. Das gilt allgemein auch für die Effektive Masse von Tonarmen.

Auch wenn diese bewegte Masse der Nadel sehr klein ist, ergibt sich zusammen mit der Elastizität des Vinyls ein Feder-Masse-System, das um deren Resonanzfrequenz herum den Amplitudenfrequenzgang anhebt.

Je geringer die effektive Masse, desto höher liegt diese Frequenz – am besten so hoch, dass sie sich dann nicht mehr negativ auf den Hörbereich auswirkt.

Aber auch der Nadelträger selbst ist nicht masselos und unendlich steif und spielt deshalb im Konzert der Resonanzen auch eine kleine Rolle mit, ist also ebenfalls klangrelevant.

Neben den mechanischen Resonanzen gibt es auch noch die elektrische Hochtonresonanz: Die Induktivität der Generator-Spule bildet zusammen mit den Kapazitäten von Kabel plus Verstärker-Eingangskapazität einen elektrischen Schwingkreis.

Hier gewinnen die mittels LRC-Messbrücke gemessenen und angegebenen Werte für Induktivität und Serienwiderstand jedes Tonabnehmers an Bedeutung.

Übliche MM-Tonabnehmer besitzen feststehende Generator-Spulen mit sehr hoher Windungszahl, um auf eine verstärkerfreundliche Ausgangsspannung von bis zu 10 Millivolt zu kommen.

Das hat leider eine sehr hohe Induktivität (um 500 Millihenry) zur Folge. Da reicht schon die vom Kabel mitgebrachte Kapazität (um 100 Pikofarad) aus, um für eine Resonanz am Rande des Hörbereichs zu sorgen.

Aber es kommt ja noch die oft zu hohe Verstärker-Eingangskapazität hinzu, womit die Resonanz dann voll im Hörbereich liegt. Manchen Tonabnehmern hilft dies, um ihre schwächelnde Brillanz aufzufrischen.

Doch jede Resonanz ist klangschädlich, weil sie sich nicht nur relativ langsam aufbaut, sondern auch ebenso lange nachklingt. Im Frequenzgang erkennt man das an einer Betonung im Bereich um 10 Kilohertz, einhergehend mit einer Präsenzsenke vorher und einem umso steileren Abfall danach.

Weil MM-Abtaster so empfindlich auf die Lastkapazität reagieren können, wird stets bei geringstmöglicher Kapazität (Kabel plus Messverstärker zusammen rund 210 Pikofarad) gemessen.

Moving-Coil-Systeme haben damit kein Problem, denn ihre Induktivität ist aufgrund der winzigen Spulen ebenso winzig (im Mikrohenry-Bereich). Allerdings liefert diese Bauart eine nur sehr geringe Ausgangsspannung, die eine zusätzliche Vorverstärkung erfordert.

Es gibt andere Wege, um auf ein MM-typisches Ausgangsspannung-Niveau zu gelangen, ohne dabei eine hohe Induktivität in Kauf nehmen zu müssen.

MC-High-Output-Systeme zum Beispiel besitzen Generatorspulen mit deutlich mehr Windungen, die aus extrem dünnem Draht gewickelt sind, um die Masse im Zaum zu halten. Zusammen mit extra starken (Neodym-) Magneten lässt sich so die Ausgangsspannung deutlich steigern.

Frequenzgang und Übersprechen sagen natürlich nicht alles über die Qualität eines Tonabnehmers aus, zumal die mit einem Gleit-Sinus gemessenen Frequenzgänge eher statischer Natur sind, wenn auch der schnelle Sweep der B&K 2010 der Praxis schon näherkommt.

Musik ist aber alles andere als statisch. Auf der DIN 45549 (Abtastfähigkeits-Mess-Schallplatte) befindet sich ein Dreieck-förmig aufgezeichnetes Signal (siehe Bild) mit einer Grundfrequenz von 1 Kilohertz.

Tonabnehmer-Messungen: Dreieck-förmiges Signal 1KHz
LowBeats Tonabnehmer-Messungen: Dreieck-förmiges Signal 1KHz (Foto: P. Schüller)

Abgetastet mit dynamischen Abtastern wird in deren Generatoren ein 1kHz-Rechtecksignal induziert! Das Spektrum eines Rechtecksignals hat ein ganz definiertes Obertonspektrum mit Spektralkomponenten im Abstand der Grundwelle.

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