Neulich beim Mittagessen flatterte eine 20-Minuten Ausgabe auf den Tisch. Darin ein lustiger Calvin + Hobbes Comic mit einem HiFi-Thema. Dass HiFi in einem Comic thematisiert wird, passiert selten bis nie. In dem lehrreichen Comic liegt der kleine Calvin am Ende schlaflos grübelnd im Bett. Was sein Papa dem, der Musik lauschenden, Calvin da näherbringen will, ist ein spannendes Paradoxon. Calvin verwirrt folgendes: zwei auf dem gleichen Radius liegende, voneinander entfernte Punkte machen auf einer rotierenden Scheibe in der gleichen Zeit eine Umdrehung, dies tun sie aber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Punkt.

Bild 1: Die 20-Minuten Ausgabe vom 1. Oktober 2019 mit dem Calvin + Hobbes Comic (grösser > auf Bild klicken).  

Die Physik und das reale Leben

Alles klar? Nun Clavins Vater hat seinem Sprössling keinen Unsinn erzählt. Bei näherer Betrachtung löst sich der Widerspruch in Logik auf. Ein Punkt an der Aussenrille einer Schallplatte legt im Vergleich zu einem Punkt an der Innenrille eine grössere Wegstrecke zurück. Damit nun beide Punkte gleichzeitig eine Umdrehung machen können, muss sich der äussere Punkt schneller bewegen. Was ja bei einem Festkörper wie der Schallplatte zwangsläufig der Fall ist. Rechnen wir mal nach.

Mit welchen Grössen haben wir es zu tun? Gehen wir mal von folgendem Beispiel aus:

– Durchmesser der Aussenrille = 29cm – Durchmesser vor der Auslaufrille = ca. 13.5 cm – Drehzahl der Schallplatte 33.33 Umdrehungen pro Minute

Berechnen wir nun mal den Umfang der Aussen- und Innenrille. Die Formel dazu ist Durchmesser multipliziert mit der Kreiszahl Pi (d x π oder 2r x π), das wissen wir noch aus der Schule. Das ergibt bei der Aussenrille einen Umfang von 91 cm und im Innenbereich der Rille einen Umfang von 42 cm, beide gerundet.

Nun schön, hat dies nun für uns Musikliebhaber eine tiefere Bedeutung? Ja, denn mit abnehmendem Umfang steht dem Schneidstichel bei der Plattenherstellung weniger Material zur Verfügung und somit auch der Nadel bei der Abtastung. Die Wellenlinien (Signalwellenform), die das akustische Signal speichern, werden dichter gedrängt geschrieben, da zur Plattenmitte hin der Radius und somit der Kreisumfang mit jeder Umdrehung kontinuierlich abnimmt. Die Signalflanken werden steiler geschnitten- und noch wichtiger – die maximal schreibbare Frequenz (Tonhöhe) nimmt ab.

Die maximal mit der Vinyltechnik speicherbare Frequenz ist von der Drehzahl und der daraus resultierenden Kreis- oder Umlaufgeschwindigkeit, sowie der Geometrie von Rille und Schneidestichel abhängig. Unterschreitet die Wellenlänge des Signals die Abmessungen des Schneidestichels, zerstört dieser die soeben geschnittene Rille mit seiner Hinterflanke.

Für die oben definierten Radien von 29 cm und 13.5 cm ergeben sich folgende Kreisgeschwindigkeiten:

– Geschwindigkeit an der Aussenrille = 50.6 cm/s – Geschwindigkeit an der innersten Rille = 23.56 cm/s

Die Geschwindigkeit reduziert sich bis zur Auslaufrille um bis zu 56% und somit auch die Auflösung.

Bild 2: Mit abnehmendem Radius zur Plattenmitte hin wird die Signalwellenform dichter geschrieben [1]. Die Geometrie des Schneidestichels beeinflusst die maximale Frequenz, die in den Lack geschnitten werden kann. Im Bild oben zerstört die hintere Flanke des Schneidestichels die soeben geschnittene Rillenform [2]. Die Geometrie des Schneidestichels [3].

Bild 3: Berechnung des Kreisumfangs und der Kreisgeschwindigkeit.

Mit den Limiten kreativ arbeiten

Somit werden bei der Schallplattenherstellung, respektive im Mastering die akustisch kritischen und anspruchsvollen Musikstücke vorteilhaft im Aussenbereich der Schallplatte platziert. Dies ist bei Pop und Jazz kein Problem. Bei Werken mit klassischer Musik ist das auf Grund der Länge und der starren Satzfolgen der Kompositionen kaum möglich. So wird der Schlusssatz einer Symphonie oder Konzertes fast zwangsläufig im ungünstigeren Innenbereich landen und entsprechend weniger transparent dafür mit mehr Verzerrungskomponenten wahrgenommen.

Dass die Schallplatte angesichts der vielen technischen Kompromisse dennoch gut klingt, ist eigentlich verblüffend und zeigt auf mit wie viel technischer Raffinesse seit Einführung der Schallplatte 1887 am Tonträger und vor allem am Schallplattenspieler gefeilt und verbessert wurde. Die markanten Verbesserungsschritte passierten in den 50er Jahren mit dem Wechsel von Schellack zu Vinyl als Träger und gleichzeitiger Einführung der Mikrorille und schlussendlich gegen Ende des Jahrzehnts die räumliche Abbildung des Klanggeschehens durch die Stereophonie.

Bild 4: Ende der 50er und Anfang der 60er Jahre wurde mit Living Stereo ein neues Klangerlebnis gefeiert.

Fazit

Um der Schallplatte alle Klangfeinheiten zu entlocken, ist es wichtig die sensiblen, technischen Parameter und physikalischen Limiten zu kennen. Nur durch präzise Mechanik und genaue Justage von Plattenteller, Arm, Zelle, Auflagedruck, Antiskating und einem qualitativ guten Phonovorverstärker – um nur die wichtigsten Elemente zu nennen – kann die Schallplatte ihr volles Klangpotential entfalten. Das Tonarm-Tonzelle-System hat eine besonders heikle Aufgabe. Zur Abtastung der Rille durch die Nadel muss der Arm möglichst stabil verharren. Er darf die Nadelauslenkung nicht mitmachen, dies würde zu einem geringeren Pegel und Verzerrungen führen. Dennoch muss sich der Arm kontinuierlich im Rillenfluss nach innen bewegen. Folglich muss Tonarmmasse, Geometrie, Lagerreibung, Antiskating, Nadelnachgiebigkeit und Auflagedruck genau aufeinander abgestimmt sein. Die optimale Abstimmung eines hochwertigen Plattenspielers ist denn auch eine anspruchsvolle Arbeit, die hohes Fachwissen erfordert. Es erstaunt denn auch nicht, dass moderne Präzisions-Plattenspieler ihren Preis haben und auch als mechanische Kunstwerke beeindrucken können.