Compliance, bewegte Masse, Resonanzfrequenz

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Als Vinyl-Anfänger wird man irgendwann über Begriffe wie Compliance und bewegte Masse stolpern und die Aussage, dass nicht jeder Tonabnehmer mit jedem Tonarm harmoniert.

Wenn man sich noch etwas weiter einarbeitet, kommt man auf Aussagen der Art, dass die Resonanzfrequenz zwischen 8 und 12Hz liegen sollte.

Aber worum geht es hier eigentlich und wie kommt man auf solche Werte wie 8 und 12Hz?

Compliance

Fangen wir mal mit der Compliance an. Dieser Wert beschreibt die Nachgiebigkeit der Nadelaufhängung.

Eine wesentliche Komponente des Tonabnehmer handelt es sich ja prinzipiell um einen Nadelträger, der den Abtast-Diamanten trägt. Der Nadelträger ist mit dem Rest des Tonabnehmers flexibel verbunden. Hierfür werden z.B. Gummis benutzt. Die Compliance gibt nun an, wie hart diese Aufhängung ist. Je niedriger die Compliance desto härter aufgehängt ist der Nadelträger. Die Masseinheit der Compliance ist µm/mN.

Sehr hart aufgehängte Systeme wie ein Denon DL103 haben eine Compliance von 10, mittelharte von etwa 20-25, es gibt aber auch sehr weich aufgehängt Systeme mit einer Compliance von mehr als 40.

Tonarm und Abtaster als Masse-Feder-System

Betrachtet man jetzt nicht nur den Tonabnehmer sondern die Kombination Tonabnehmer/Tonarm, so hat man hier eine gewisse Masse, an deren Ende sich ein federnd aufgehängter Nadelträger befindet. Man hat also einen klassisches Federpendel. Und wie alle anderen Pendel hat auch dieses eine Eigenfrequenz. Mit steigender Federhärte (also mit sinkender Compliance) wird diese kleiner, mit steigender Masse wiederum grösser. Die Masse, die für den Federschwinger relevant ist, wird als bewegte Masse bezeichnet.

Was passiert nun, wenn man dieses Masse-Feder-System mit seiner Eigenfrequenz anregt? Ganz klar: Es kommt zur Resonanz, was dazu führt, dass sich die Schwingung extrem aufschaukelt.

Die Resonanzfrequenz für eine Tonarm-Tonabnehmer-Kombination ist also von bewegter Masse und Compliance abhängig.

Resonanzfrequenz

Nun ist klar, wie es zu Resonanz kommt. Klar ist auch, dass Resonanzen sicher nicht zur genauen Reproduktion von Musik eignen. Wenn die Resonanzfrequenz also z.B. bei 40 Hz läge, könnte das System durch basslastige Musik stark angeregt werden, was mindestens zu Verzerrungen führt. Im schlimmsten Fall kann sich das so aufschaukeln, dass die Nadel aus der Rille springt.

Das hiesse eigentlich: So niedrig wie möglich mit der Resonanzfrequenz. Denn je tiefer, desto weiter ist  die Resonanz vom hörbaren Frequenzbereich entfernt.

Also sollte es ja eigentlich nach unten kein Limit geben. Das ist jedoch leider nicht so, denn im Bereich sehr tiefer Frequenzen warten andere Störer. Da wären auf der einen Seite bei Subchassis-Geräten (bei denen der Spieler federnd gelagert ist) die Eigenresonanz des Subchassis. Denn das ist schon wieder ein Federpendel. Je nach Modell liegen die Eigenfrequenzen von Subchassis-Playern meist im Bereich von 1Hz (das sind eher Ausnahmen) bis 5Hz (eher gängig). Damit wird nun klar, dass es wenig sinnvoll ist, die Resonanzfrequenz der Arm-Abtaster-Kombination zu weit nach unten zu verschieben.

Besitzer von sogenannten Masselaufwerken bzw. "Brettspielern" mögen einwenden, dass der Plattenspieler selbst hier keine Eigenresonanz aufweist, da nichts schwingend gelagert ist. Prinzipiell schwingt natürlich auch so ein System, allerdings kann man das für die Resonanz von Tonarm/Abstaster wirklich vernachlässigen. Also ist dort eine Verschiebung der Resonanz nach "ganz weit unten" sinnvoll?

Nein! Denn es bleibt eine weiter Störquelle. Und das liegt daran, dass die Rille der Schallplatte selbst nicht perfekt kreisrun ist, sondern geringe Abweichungen absolut normal sind. In den 70er gab es hierzu eine Studie von Shure-Ingenieuren (Happ, Larry and Karlov, Frank: Record Warps and System Playback Performance), die zu dem Ergebnis kam, dass 70% aller Wellen unterhalb von 5 Hz liegen, sowie 95% unterhalb von 8 Hz. Das Verteilungsmaximum liegt bei 2 Hz. Und das ist der Grund, weshalb man die Resonanzfrequenz auch bei Masselaufwerken nicht beliebig nach unten verschieben sollte.

Die Faustregel, dass die Resonanzfrequenz zwischen 8 und 12Hz liegen sollte ist also entstanden, um den Tonarm möglichst wenig durch niederfrequente Musiksignale, aber auch nur minimal durch wellige Platten anzuregen. Hieran sieht man schon, dass die Werte nur Anhaltspunkte darstellen und es kein einfaches "gut/schlecht"-Schema ist. Es gibt durchaus Berichte von Systemen, die ausserhalb deren Resonanz ausserhalb dieses Frequenzbereiches liegt und die trotzdem exzellent klingen. Sagen wir es einfach so: Je weiter man sich vom "optimalen" Bereich entfernt, desto höher ist das Risiko, dass es bei bestimmten Platten Problem gibt.

Berechnung der Resonanzfrequenz

Es gibt verschiedene Online-Rechner, um bei bekannter bewegter Masse und Compliance die Resonanzfrequenz zu berechnen:

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