Standard der Schneidekurve
Frequenzverlauf und Plattengravur
Anfangs ergab sich ein nichtlinearer Frequenzverlauf bei der Schallplatten-Aufnahme gezwungenermaßen durch die Grenzen der Technik. Eine Einschränkung der niedrigen Frequenzen musste aber spätestens mit dem elektromagnetischen Schneidstichel eingeführt werden. Die Einführung von elektrischen Tonabnehmern zwang zu weiteren Veränderungen der Frequenzkurve, die aber zuerst herstellerspezifisch waren. 1952 einigte man sich auf einen Standard nach der RIAA (Recording Industry Association of America).
Der Frequenzverlauf ist nicht linear und wird im Tieftonbereich maximal um 20 Dezibel abgesenkt und am oberen Ende, im Grenzbereich zum Ultraschall, um 20 Dezibel überhöht. Man nennt die Aufnahmekurve auch Pre-Emphasis (Vorverzerrung). Die spiegelbildliche Umkehrung bei der Wiedergabe heißt entsprechend De-Emphasis (Entzerrung). Die Notwendigkeit dieser Maßnahme hat physikalische und technische Gründe.
Die Auswirkung der RIAA-Kurve in der Praxis
Die Hauptaufgabe des Plattenspielers ist es, bei bestmöglicher Wiedergabe, selber akustisch nicht wahrnehmbar zu sein. Die Vorverzerrung hat Vor- und Nachteile. Die zunehmend verstärkte Betonung der hohen Töne bringt bei der Rückwandlung, also der De-Emphasis, den enormen Vorteil, das Plattenrauschen noch weiter zu reduzieren. Der Kunstoff hatte dieses Rauschen schon gegenüber dem Schellack verringert. Das Rauschen ist bei allen analogen Tonträgern physikalisch nicht vermeidbar, nur reduzierbar. Es ist bei der Schallplatte die Summe aller mechanischen in Spannung verwandelten Impulse durch die Rauigkeit der Flankenoberfläche. Diese ist materialabhängig und entsteht auch durch den Schneideprozess der Rille.
Der Rückwandlung der Tiefabsenkung ist problematischer, da hier Störgeräusche verstärkt werden müssen. Da bereits bei der Herstellung und Vervielfältigung der Schallplatte tieffrequente Störungen entstehen, sind auch diese technisch nicht völlig auszuschließen. Schon bei guten Plattenspielern der Mittelklasse stammt das hörbare Rumpeln eher von der Schallplatte als vom Plattenspiele. Audiophile Pressungen werden deshalb mit besonderer Sorgfalt durchgeführt.
Ein wenig Audio-Physik
Bekanntermaßen reicht das Hörspektrum von jungen Menschen im Idealfall von rund 15 Hertz bis 20.000 Hertz (20 Kilohertz). In der Technik hat man sich beim Mess-Spektrum auf eine Untergrenze von 20 Hertz verständigt, obwohl der tiefste Ton eines Musikinstrumentes, der gerade noch wahrgenommen werden kann, das Subkontra-C einer Orgel ist. Um seinen Grundton von 16,35 Hertz natürlich zu produzieren muss eine offene Pfeifenorgel 32 Fuß messen, also rund 9,75 Meter hoch sein. Die Wellenlänge dieses Tones beträgt rund 21 Meter. Aus diesen Dimensionen ergibt sich, dass die mechanische Aufzeichnung, aber auch die gesamt Wiedergabe in diesem Tieftonbereich äußerst schwierig ist.
Die Schallenergie, hier Lautstärke, ist, vereinfacht ausgedrückt, ein Produkt aus Wellenlänge und Amplitude. Die gleiche Lautstärke benötigt bei einem Ton, der ein Zehntel des Vergleichstones darstellt, die zehnfache Amplitude. Das würde bei der Schallplatte hinsichtlich der Nadelauslenkung bedeuten, dass ein Sinuston von 20 Hertz ohne Pre-Emphasis den hundertfachen Nadelausschlag eines 2 Kilohertz-Tones bräuchte.
Der Logarithmus in der Akustik
Nur nach dem tatsächlichen, physischen Hörbereich würden die Töne über dem Kammerton a’, also h’ und das Hohe C (c”), die Mitte von etwas über 500 Hertz darstellen. Das sind beim Klavier bereits die Tasten 51 und 52 von 88. Auf Grund einer Normierung der Mess-Technik wird aber die 1.000 Hertz-Marke als Mittelpunkt (Mittelachse eines Frequenzprotokolls) dargestellt. Das entspricht bereits den Tönen a” und c”’ bzw. den Klaviertasten 63 und 64. Diese Betrachtung macht schon deutlich, dass man psychisch oft die Obertöne stärker wahrnimmt als die Grundtöne. Instrumente mit einem geringeren Obertonanteil klingen daher beim selben Grundton tiefer als vergleichbare Instrumente, z.B. Hörner im Vergleich mit Barockposaunen.
Die Festlegung von 1.000 Hertz als Mitte des Spektrums in der Schallplatten- und Audio-Technik ist aber nicht willkürlich. Da bereits die Lautstärke, bzw. die Wiedergabe-Intensität logarithmisch in Dezibel gemessen wird (y-Achse einer Frequenzkurve), was unserem Hörempfinden entspricht, lag es nahe, auch die Frequenzfolge (x-Achse) logarithmisch darzustellen. Andernfalls würden Frequenzdarstellungen völlig unhandlich. So entspricht aber die Verzehnfachung graphisch nur einer Verdoppelung. Auch beim Hören wird ein physikalisch zehnfacher Schalldruck nur als Verdoppelung der Lautstärker empfunden.
Das Hören und die elektrische Schallwandlung
Sie mögen sich fragen, warum hier so relativ speziell auf physikalisch-mathematische Begriffe eingegangen wird. Doch machen Sie sich bitte klar, dass musikalisches Empfinden, Genuss und Erlebnis bei der technischen Reproduktion von Musik mit der Beachtung von Naturgesetzen zusammen hängt. Ob sie die brachiale Gewalt einer Disco-Beschallung oder die subtile Wiedergabe einer Opernaufnahme erleben wollen, spielt für die Physik keine Rolle. Bei der Schallplatte und dem Plattenspieler wird dies sichtbarer als beim Rundfunk oder in der Digitaltechnik. Bei einer CD können Sie noch mit Mühe die Spuren erkennen und auf der Speicherkarte gar nichts mehr. Mit einer guten Lupe sehen Sie aber noch den in der Rille eingegrabenen Schall. Und der Plattenspieler hinterlässt einen optischen sinnlichen Reiz, der ein wenig der Ästhetik der Live-Musik nahe kommt.
Die Abtastung durch den Tonabnehmer
Die Hauptaufgabe des Plattenspielers ist es, bei bestmöglicher Wiedergabe, selber akustisch nicht wahrnehmbar zu sein. Die Grundbedeutung der RIAA-Kurve im Zusammenhang mit den Anforderungen an den Plattenspieler wurde bereits erläutert. Nun geht es um die praktische Umwandlung.
Wie schon betont, ist die Nadel der Schnittpunkt und, mit ihr verbunden, das elektrische System, das die mechanische Schwingung in eine analoge Wechselspannung umwandelt, die verstärkt werden kann. Um eine verlässliche Wiederholbarkeit auf unterschiedlichen Plattenspielern sicher zu stellen, wurde weltweit die Vorverzerrung nach der RIAA-Kurve eingeführt. Auf diese Pre-Emphasis reagieren nun verschiedene Wandlerelemente (Tonköpfe) unterschiedlich.
Der Piezo-Tonabnehmer
Die Piezo-Kristalle wurden in piezoelektrischen Keramikstreifen verwendet, früher aus Seignette-Salz gefertigt. Als technische Verbesserung kommt heute Bariumtitanat oder -zirkonat zum Einsatz. Piezo-Tonabnehmer haben die erfreuliche Eigenschaft, dass sie bei tiefen Tönen, also niedrigen Frequenzen, eine höhere Spannung liefern als bei hohen Frequenzen. Ihr frequenzabhängiger Spannungsverlauf ist ungefähr negativ proportional zur RIAA-Kurve. Sie gleichen also die Pre-Emphasis aus und erzeugen einen halbwegs glatten, linearen Frequenzgang bei einer praktikablen Spannung, die ausreicht, den Hochpegeleingang eines Verstärkers (in der Regel AUX) zu versorgen. Beim Verstärker kann also einfach zwischen Eingängen der normalen Vorstufe umgeschaltet werden. Auch ein separater Vorverstärker (Pre Amplifier) dient nur der Klang- und Lautstärkeregelung.
Piezo-Elemente sind sehr günstig herzustellen, haben jedoch eine Reihe von Einschränkungen, weshalb sie nach dem Aufkommen der Magnet-Tonabnehmer nicht weiter entwickelt wurden. Der Kristall ist relativ steif, hat also eine geringe Nachgiebigkeit (Compliance), und benötigt einen hohen, nicht sehr schonenden Auflagedruck von durchschnittlich 5 bis 6 Millinewton (Gramm, im Anglo-Amerikanischen noch immer offiziell „gram“). Billigplattenspieler mit Saphir-Nadeln werden aber heute noch hergestellt. In den 60er Jahren brachte die Kieler ELAC, die nach der Markteinführung der Stereoplatte bei Plattenspielern zu den Weltmarktführern gehörte, einen mit Diamant bestückten Kristall-Tonkopf heraus, der dem Begriff High Fidelity gerecht wurde. Er benötigte auch nur einen Auflagedruck von 2 bis 3 Millinewton, konnte aber letztlich mit den Magnatabnehmern nicht mithalten.
Das Prinzip des Magnet-Tonabnehmers
Grundsätzlich liefern die Magnet-Tonköpfe nach dem elektromagnetischen Induktionsprinzip ein sehr lineare, wenn auch kleine Wechselspannung. Ihre Linearität proportional zur Nadelauslenkung erfordert eine aktive Entzerrung nach der RIAA Norm. Die niedrige Ausgangsspannung muss für die Verstärkervorstufe, also einen Hochpegeleingang, verstärkt werden. Die Anforderungen an den Vorverstärker-Entzerrer sind technisch anspruchsvoller als an eine normale Vorstufe. Bei High End Vorstufen kann es vorkommen, dass diese ohne Klangregelung lediglich besonders präzise Umschalter mit einem Potentiometer für die Lautstärke darstellen. Der Vorverstärker-Entzerrer ist also mit Blick auf den Leistungsverstärker zu verstehen. Er muss vor allem selbst brummfrei sein, und der Weg vom Tonabnehmer zum Hochpegeleingang muss auch entsprechend gegen gegen niederfrequente elektromagnetische Strahlung abgeschirmt sein.
