Tonarm

Der Tonarm eines einfachen Plattenspielers

Der Tonarm eines Plattenspielers dient zur Befestigung des Tonabnehmers und zur exakten Führung des Tonabnehmers in der Rille einer Schallplatte.

Die am meisten verbreitete Bauart ist der Radialtonarm, bei dem der Tonarm um einen Punkt drehbar gelagert ist. Der seltener zu findende Tangentialtonarm, bei dem sich der Tonarm parallel zum Radius des Plattentellers bewegt, vermeidet zwar einige prinzipbedingte Nachteile des Radialtonarms wie etwa Spurfehler, ist aber technisch deutlich aufwändiger.

Hauptkomponenten des Tonarms sind der Arm selbst, entweder als gerader oder bei Radialtonarmen auch als s-förmig ausgeführter Arm, der Befestigungsmechanismus für den Tonabnehmer, das Gegengewicht, mit dem der Tonarm auf unterschiedliche Tonabnehmergewichte und Auflagekräfte eingestellt werden kann, und bei Radialtonarmen eine Anti-Skating-Vorrichtung.Bei Radialtonarmen aus dem professionellen Bereich, wie der Elektromesstechnik Wilhelm Franz EMT 929/997 wurde die Auflagekraft mittels Federkraft erzeugt. Auch die Fa. "Dual" stellte die Auflagekraft ihrer Tonarme, insbesondere in den sechziger und siebziger Jahren, mittels einer Torsionsfeder im horizontalen Tonarmlager ein. Derartige Konstruktionen erkennt man daran, daß das Kontergewicht "schwingend" in einer Gummibuchse schiebbar gelagert ist. Insbesondere bei Schallplatten die eine leichte Welligkeit aufwiesen ist die Erzeugung des Auflagegewichtes mittels Federkraft von Vorteil, da ein "Anarbeiten" gegen ein Massemoment wie es ein simples Gegengewicht darstellt die Abtastpräzision verringert. Als Erfinder einer Vorläuferform des Tonarms bei Grammophonen gilt der Schallplattenindustrielle Carl Lindström.

Bauart

Radialtonarm

Detailaufnahme der Lagerung eines Radialtonarms mit Gegengewicht und Anti-Skating Gewicht

Tonarmwaage zur Einstellung des Auflagegewichtes in 0,1-g-Schritten

Der Radialtonarm wird drehend, das heißt um einen vertikalen Radius lagernd gehalten. Die Lagerung eines Radialtonarms führt prinzipbedingt dazu, dass der Tonabnehmer bei seinem Weg über die Platte keinen konstanten Winkel zur Rille der Platte einnimmt. Dadurch entstehen beim Abspielen unterschiedlich starke Verzerrungen je nach Position des Tonabnehmers auf der Platte.

In der Praxis werden der Tonarm und der Tonabnehmer so eingestellt, dass der Tonabnehmer an zwei Positionen auf der Platte (bei Radius 66,0 und 120,9 mm) exakt tangential zur Rille steht, um die Verzerrungen, die durch den "Spurfehlwinkel" entstehen über die gesamte Plattenseite zu minimieren.

Jedoch haben neueste Erkenntnisse nach "Walter E.Schön" dazu geführt, daß die Messpunkte für den Spurfehlwinkel am Tonabnehmer-System neu zu definieren sind. Seine Berechnungen basieren auf anderen geometrischen Gegebenheiten wie zum Beispiel die durchschnittliche Spielzeit einer Plattenseite sowie der DIN IEC98. Die Maße werden hier wie folgt genannt:62,5 sowie 117,2 mm.(Abstand von der Tellerachs-mitte) Wenn an diesen beiden Messpunkten die Rechtwinkeligkeit zur Tangente exakt eingestellt ist, so sollte auch das Maß für den "Überhang", dieses ist der Abstand von der Tellerachsmitte zur Nadel, genau passen. Somit werden bei dieser Version der Einmessung zwei Parameter präzise definiert. ((Quelle: Bedienungsanleitung und Erklärung der Schön-Schablone Typ 2 unter www.dos-hifi.de)) Eine Variante der Radialtonarme stellen Kompensationsarme dar, bei welchen der Tonarmkopf - und somit der Tonabnehmer - drehbar gelagert ist. Kopf und Tonabnehmer werden hier durch eine Mechanik bei ihrem Weg von außen nach innen über die Platte gegenüber dem Arm verdreht und so der Spurfehlwinkel zu einem gewissen Grad ausgeglichen. Der konstruktive Aufwand für eine spiel- und reibungsfreie Lagerung des Kopfes ist enorm.

Bekanntestes Beispiel war in den 1970er-Jahren der Garrard Zero (Großbritannien).

Tangentialtonarm

Bewegungsablauf Tangentialtonarm

Revox B 790 mit Tangentialtonarm

Bei einem Tangentialtonarm ist der Tonarm nicht an einem festen Punkt drehbar gelagert, sondern wird auf einem Schlitten tangential zur Plattentellerachse in gerader (linearer) Richtung mitbewegt. Hauptvorteil eines Tangentialtonarms ist, dass die Nadel im Idealfall immer exakt tangential zur Rille liegt. So treten weniger Verzerrungen auf, weil die Nadel im gleichen Winkel abtastet wie der Schneidestichel, der beim Herstellen der Platte die Rille formt. Erreicht wurde dies in der Anfangszeit durch einen Servomotor, welcher den Tonarm der Plattenrille nachführte. Der Arm war drehbar auf dem Schlitten gelagert. Eine elektronische Regelung reagierte auf geringste Auslenkungen des Arms aus der linearen Idealausrichtung durch Nachführung des Schlittens. Nachteil dieses Verfahrens war, dass eben zuerst eine - wenn auch sehr geringe - Abweichung auftreten musste, welche dann korrigiert werden konnte.

Servogeregelte Tangentialtonarme erlaubten technische Gimmicks, wie etwa senkrechte Aufstellung des Plattenspielers oder Titelprogrammierung ähnlich wie bei CD-Spielern. Einige Gerätehersteller haben besonders in den 1980er-Jahren Plattenspieler mit diesen Funktionen herausgebracht (z. B. der Technics SL-J3 mit sonst CD-üblichen Features wie Programmierung bis acht Titel, automatischem Titelsprung und Wiederholfunktion oder der HMK PA 1205 von RFT mit ähnlichen Funktionen).

Moderne Systeme werden mechanisch immer weiter perfektioniert (hochpräzise mechanische oder Luftkissenlagerung für kleinste Reibung), so dass die Nachführkraft der Plattenrille, die Trackingkraft, ausreicht, damit der Tonarm der Plattenrille von selbst folgen kann. Der eigentliche Tonarm ist nicht mehr seitlich verdrehbar, sondern in tangentialer Ausrichtung fest auf dem Schlitten montiert. Servomotoren und Regelelektronik fallen hier vollkommen weg. Diese Tonarme sind selbst in einfachster Form sehr aufwändig und deshalb nur im High-End-Segment zu finden.

Tangentialtonarme weisen prinzipbedingt kein Skating auf und benötigen daher keine Anti-Skating-Maßnahmen.

Skating und Anti-Skating-Einrichtung

Der Anti-Skating-Mechanismus eines Tonarms gleicht eine zur Mitte des Plattentellers gerichtete Skating-Kraft bei Radialtonarmen aus, die daraus resultiert, dass Rillentangente und die gedachte Linie zwischen Nadelauflagepunkt und Tonarmdrehpunkt in der Regel nicht in dieselbe Richtung fluchten. Der Spurfehlwinkel (Winkel zw. Tonabnehmer und Rillentangente) kann zwar durch Kröpfen des Tonarms auf ein relativ kleines Intervall (ca. ±2°) reduziert werden, die Skating-Kraft wird davon jedoch nicht berührt.

Kräfteverteilung beim Skatingeffekt

Der reale Tonarm samt Kröpfung kann zur Betrachtung der Kräfte auf einen gedachten Tonarm (grüne Linie) reduziert werden. Durch die Reibung zwischen Plattenrille und Tonabnehmernadel wirkt zunächst eine zur Plattenrille tangentiale Kraft F_t. Diese kann der gedachte Tonarm durch zwei senkrecht aufeinander stehende Kräfte aufnehmen, nämlich die radiale Kraft F_r in Richtung des gedachten Tonarms und die Skating-Kraft F_s. Aus den beiden unterschiedlichen Stellungen des Tonarms wird ersichtlich, dass die Skating-Kraft bei diesen Verhältnissen zwar stets den Tonarm in Richtung Plattenzentrum treiben würde, die Kraft wird jedoch kleiner beim Lauf auf kleineren Rillenradien. Aus diesem Grunde müssen Antiskating-Einrichtungen eine von der Tonarmstellung abhängige Gegenkraft aufbauen. Die Kröpfung des Tonarms ist absichtlich übertrieben dargestellt, um zu zeigen, dass die sich ergebende Skating-Kraft keinen Zusammenhang mit den Winkeln des realen Tonarms zur Plattenrille aufweist.

Die oben genannte Reibungskraft F_t ist u. a. abhängig von der Nadelform und von der Auflagekraft, weshalb man üblicherweise die Antiskatingkraft nach einer Skala der Auflagekraft einstellt.

In der Detailabbildung zur Tonarmlagerung wird ein "statischer Anti-Skating-Mechanismus" mit einem Ausgleichsgewicht und einer dreistufigen Verstellmöglichkeit verwendet. Dynamisch wird dieses mit Hilfe einer Federkraft-Anordnung erreicht, die sich im Unterteil (nicht sichtbar) des Tonarms befindet. Ein Nachteil der dynamischen Konstruktion ist der sehr große Aufwand mit gegebenenfalls mehr klangbeeinflussenden Bauelementen.

Tonabnehmerbefestigungen

Tonabnehmer an einem Tonarm mit Halbzoll-Schraubbefestigung

Tonarme können mit unterschiedlichen Befestigungsmöglichkeiten für den Tonabnehmer ausgestattet sein. Bei einigen Tonarmen erfolgt die Befestigung direkt an einer im Tonarm integrierten Haltevorichtung. In der Regel wird der Tonabnehmer jedoch nicht direkt am Tonarm, sondern an einem, seinerseits am Tonarm befestigten, Kopfträger befestigt.

Einfache meist ältere Geräte ohne hohen Anspruch an die Tonqualität bieten oft nur eine hersteller- oder gar gerätespezifische Befestigung des Tonabnehmers am Tonarm bzw. Kopfträger. Hierbei ist ein Austausch des Serien-Tonabnehmers (in der Regel ein Kristall-Tonabnehmer) gegen ein höherwertiges Exemplar nicht beabsichtigt.

Der Kopfträger wird im Tonarm unterschiedlich befestigt. Bei einfachen Geräten ist dieser, üblicherweise als Headshell bezeichnete, Kopfträger einfach mit einer Klemm- oder Klebeverbindung befestigt, während höherwertige Konstruktionen eine axiale Schraub- oder Bajonett-Befestigung nutzen.

Daneben existieren noch weitere herstellerspezifische Schnellwechsel-Systeme für Tonabnehmer und Kopfträger, wie z.B. die auswechselbaren TK-Kopfträger für Halbzoll-Tonabnehmer bei älteren Dual-Plattenspielern, der japanische T4P-Standard oder die SME-Bajonettbefestigung.

Die elektrischen Verbindungen zwischen dem eigentlichen Tonabnehmer und dem Kopfträger bzw. der Tonarminnenverkabelung erfolgen über farblich codierte Kabel. Ein gängiger Farb-Code ist: Rot für "+" und grün für "-" des rechten Tonkanals, weiß für "+" und blau für "-" des linken Tonkanals.

Der Halbzoll-Standard

Im HiFi und High-End-Bereich ist die Halbzoll-Schraubbefestigung verbreitet (siehe Bild). Diese Bezeichnung bezieht sich auf den horizontalen Abstand der beiden Schrauben, mit denen der eigentliche Tonabnehmer im Kopfträger befestigt wird. Die zugehörigen Öffnungen im Kopfträger sind dabei als Längsschlitze ausgeführt, die eine Justage des Spurfehlwinkels (minimale Abweichung von der exakten Tangente) und präzise Justage des Nadelüberhanges (Maß von der Nadel zur Plattentellermitte) ermöglichen. Der Nadelüberhang wird ebenfalls zur exakten Abtastung benötigt, da dadurch wiederum der Spurfehlwinkel abhängig ist.

Die SME-Befestigung

Ein sehr verbreitetes System, das zudem einen einfachen und schnellen Wechsel des Tonabnehmers ermöglicht, ist die SME-Bajonettbefestigung am Standard-Halbzoll-Headshell des Technics-SL-1200/1210-Plattenspielers.

Im DJ-Bereich sind Tonabnehmer mit integriertem SME-Bajonettanschluss, also ohne "Halbzoll-Headshell", sehr verbreitet, z.B. die an die Tonarm-Geometrie des Technics SL-1200/1210 spezifisch angepassten Ortofon-Concorde-Tonabnehmer: Ohne weitere Justierung stimmt hierfür die Nadelposition für einen geringen Spurfehlwinkel. Die im Vergleich zur konventionellen Bauart geringere dynamisch effektive Masse des Tonabnehmers ermöglicht zudem eine nachgiebigere Lagerung der Nadel (engl.: "compliance") und damit eine geringere Auflagekraft - unter Beibehaltung der optimalen mechanischen Resonanzfrequenz des aus Tonarm und Tonabnehmer bestehenden Feder-Masse-Schwingers.

• 

  SME-Befestigung: Technics SL-1200 mit einem Ortofon-Concorde-Tonabnehmer

• 

  TK-Befestigung am Tonarm eines Dual-Plattenspielers

• 

  Elektrische Kontakte eines TK-Kopfträgers mit Dual M20E Tonabnehmer

Weblinks

• Klassische Tonarme, diverse Hersteller - technische Daten
• Erklärung des tangentialen Spurfehlwinkels bei der Schallplatten-Abtastung (inkl. Grafiken)
• Zusammenhang zw. effektiver Tonarmlänge, Überhang und Einabauabstand (inkl. Grafik)
• DJ-Netz: "Wie stelle ich den Tonarm richtig ein?"
• Tipps und Tricks: "Plattenspielerjustage mal ohne Mathematik"
• " EMT 929/997 federbelasteter Tonarm"
• Kurzbeschreibung des HMK-PA 1205

Literatur

• Michael Dickreiter, Volker Dittel, Wolfgang Hoeg, Martin Wöhr, "Handbuch der Tonstudiotechnik", 7. völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage, Herausgegeben von der ARD.ZDF medienakademie, Nürnberg, 2 Bände, Verlag: K G Saur, München, 2008, ISBN 3-598-11765-5 oder ISBN 978-3-598-11765-7