Hallo Forenfreunde,

mit der Simulation von Phonovorverstärkern mit Hilfe von vorgeschalteten inversen RIAA-Netzwerken ("anti-RIAA") hatten wir uns hier im Forum an verschiedenen Stellen bereits mehrfach befasst.

Unstrittig ist dabei die Erkenntnis, dass verschiedene Phono-Entzerrer-Vorverstärker für MM-Tonabnehmersysteme (moving magnet cartridges), selbst wenn sie eingangsseitig die nach Norm vorgeschtiebene Eingangsimpedanz von 47 kOhm einhalten,mit unterschiedlichen Magnetsystemen verschieden klingen können (und das i.a. auch tun). Ursächlich dafür ist einerseits, dass die Tonabnehmer-Induktivität mit der Eingangskapazität des Entzerrer-Vorverstärkers einen Schwingkreis bildet, der zu einer Resonanz im NF-Hochtonbereich (bei typisch > 8 kHz) führt. Jenseits der Resonanzstelle fällt der Pegel dann steil ab. An der Resonanzstelle entsteht eine Anhebung, die mehrere dB betragen kann. Beides zusammen führt zu Klangbildern, die bei ungünstiger Kombination von Tonabnehmer-Eigenschaften und Vorverstärker-Eingangskapazität (einschliesslich der Kapazität des verbindenden Phonokabels) von dumpf bis höhenbetont/hell reichen.

Bereits alleine die unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der Tonabnehmersysteme in Verbindung mit der jeweiligen Verstärker-Eingangskapazität genügt, um solche Klangunterschiede qualitativ zu beschreiben und zu verstehen. Das Verhalten (der resultierende Frequenzgang) kann über geeignete Simulations-Modelle für den betreffenden Phono-Tonabnehmer mehr oder weniger gut simuliert werden.

Nach einem von Rod Elliott vorgestellten Verfahren, können aus Spannungsmessungen an einem Phono-Magnet-Tonabnehmer mit einem NF-Signalgenerator und Oszilloskop sowie DC-Messung des ohmschen Widerstands und dem Wert der Induktivität (aus dem Datenblatt des Magnetsystems oder gemessen) die Parameter eines einfachen MM-Magnetsystems erhalten werden (semi-Induktanz, Induktivität, DC-Widerstand), die nach diesem einfachen elektrischen Modell eine Simulation erlauben.

Das Verfahren ist von Rod Elliott hier beschrieben:
sound-au.com/articles/cartridge-loading.html
Dort nicht ausdrücklich erwähnt, aber wichtig, ist, dass bei der Parameter-Ermittlung auch die Kapazität der Verbindungskabel (typisch ca. 100 pf/m) für die Verbindungen vom NF-Signalgenerator zum Magnetsystem und zum Oszilloskop beide zusätzlich berücksichtigt werden müssen.

Man erhält somit einen gemessenen Verlauf der Spannung (mV) als Funktion der Frequenz (von 1 kHz bis 20 kHz), die bei korrekter Parametrisierung des Magnetsystem-Modells mit den publizierten Daten des DC-Widerstands und der Induktivität ungefähr übereinstimmt und auch mit der entsprechend simulierten Spannungs-/Frequenzkurve übereinstimmt. Das zeigt, dass das elektrische Simulations-Modell die solchermassen gemessenen elektrischen NF-Eigenschaften einigermassen gut reproduziert.

Beispiel:
Zwei unterschiedliche elektrische Modelle für Magnetsystem Shure V15 III in der Simulation. Mit beiden wird fast gleiches elektrisches Verhalten erhalten, beide sind also anwendbar.
Generatorspannung: 20mV (kann in Grenzen frei gewählt werden; ich würde allerding unter 100 mV bleiben, muss in Messung und Simulation gleich sein), Serienwiderstand 47 kOhm
Die Kabelkapazitäten sind mit je 150 pF berücksichtigt.
Oszilloskopeingang 1 MOhm / 10 pF

"When modelled in the simulator, this combination matched the voltages measured on the physical cartridge to a degree that one can be reasonably sure that the equivalent circuit is correct."



Grün: Modell 1
Blau: Modell 2



Ausser den oben gezeigten Tonabnehmer-Simulationsmodellen (Ersatzschaltbildern) gibt es noch viele weitere, die vorgeschlagen wurden.
Bei längst nicht allen Ersatzschaltbildern wird auch nur eine halbwegs zutreffende Übereinstimmung mit der von Elliott Messung erhalten.Sie sind zu verwerfen. Einen solch grundlegenden "Realitätstest" sollten brauchbare Modelle aber in jedem Fall bestehen können.

Vor noch nicht langer Zeit (2023) ist es Shurvinton, Rasmussen und Pollak gelungen, einen entscheidenden Schritt vorwärts bei der Simulation von Phono-Magnet-Tonabnehmern zu machen. Sie haben nicht nur das elektrische Modell für den Tonabnehmer hinsichtlich seines rein elektrischen Verhaltens weiter zu verfeinern, sondern sie konnten auch zeigen, wie die mechanischen Einflüsse des Nadelträgers sich in die Gesamtsimulation des Tonabnehmers integrieren lassen und somit das Gesamtverhalten des MM-Phono-Magnetsystems in praktisch perfekter Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen in der Simulation reproduzieren. Denn nur die Simulation der elektrischen Eigenschaften, ohne Einfluß der mechanischen Einflüsse des Nadelträgers, ergibt noch kein vollständiges Bild und nur eine unzureichende Modellierung des Klangs. Anders gesagt: Mechanische Einflüsse verbiegen zusätzlich den rein elektrischen Frequenzgang.

Die Publikation, die die bisher beste und nahezu perfekte Simulation beschreibt, ist diese: dadaelectronics.com.au/doc/Audio/RIAA/MM Paper-1.pdf

Ein besonderes Verdienst der o.g. Autoren ist, dass sie experimentell zeigen konnten, dass es keine Wechselwirkung zwischen den mechanischen und den elektrischen Eigenschaften bei den MM-Phono-Tonabnehmern gibt. Man kann also die Simulation des Nadelträgereinflusses getrennt von der des elektrischen Verhaltens behandeln, was die Sache erheblich vereinfacht. Dabei wird das mechanische Nadelträgerverhalten in ein elektrisches Ersatzschaltbild übersetzt und dieses wird dem Ersatzschaltbild des rein elektrischen Verhaltens in Reihe vorgeschaltet. Damit sich beide im kombinierten Ersatzschaltbild nicht gegenseitig aufgrund von Impedanzeinflüssen beeinflussen, werden sie im Simulationsmodell durch eine spannungsgesteuerte 1:1 Spannungsquelle zwischen den beiden Simulationsblöcken voneinander entkoppelt.

Eines der dort untersuchten MM-Magnetsysteme ist das Audio Technica AT 150 MLX.



Mit L= 360 mH (Datenblatt) und DC-Widerstand von 3,2 kOhm (Datenblatt), kann bereits eine vorläufige Abschätzung des einfachen elektrischen Modells (nach Rod Elliott) erfolgen (grüne Kurve, OUT). Träfe dies (ungefähr) zu, müsste der nach o.g. Messaufbau erhaltene Spannungsverlauf über die Frequenz mit dem von den Autoren anhand weiteren, mit VNA (vertikal network analyzer, nanoVNA) elektrischen Eigenschaften und deren exakter Widergabe im "perfekten Modell" (blau, OUT1) gut übereinstimmen. Das trifft offensichtlich zu:




Im Frequenzgang an 47 KOhm Last und bei 150 pF Gesamt-Abschlußkapazität (Kabel + Phono-Pre-Eingangskapazität) zeigt sich nur ein ganz leichter Frequenzgang-Unterschied (es sind bisher immer noch nicht mechanische Einfüsse in den Modellen berücksichtigt). Erst wenn der mechanische Nadelträgereinfluss noch zusätzlich berücksichtigt wird, ergibt sich das endgültige "exakte" Gesamtergebnis, das von den rein elektrischen Modellen deutlich abweicht.

grün: einfaches elektrisches Modell für AT150 (nach Rod Elliott)
blau: exaktes elektrisches Modell von AT150 nach Shurvinton, Rasmussen, Pollak
rot: exaktes Gesamtmodell von AT150 mit ATN152 Nadel/Nadelträger



Es zeigt sich in diesem Fall eine Höhenanhebung von 1,6 dB bei 16-18 kHz. Das entspricht der Beschreibung, dass das AT 150 ein "hell" klingendes System ist.

Frequenzgang Messung und Simulation (für unterschiedliche Abschluss-Widerstände und unterschiedliche Gesamt-Abschlusskapazitäten, Kabel + Phono-Pre-Eingang) stimmten jeweils exakt überein (verlinkte Publikation). Die Simulation stimmt also nicht etwa nur "zufällig" für eine bestimmte Kombination von Lastwiderstand und Abschlußkapazität.




Das Gesamtmodell,

mechanisches Nadelträgerverhalten übersetzt in elektrisches Ersatzschaltung --> Entkopplung --> elektrisches Verhalten übersetzt in elektrische Ersatzschaltung --> Abschluss (Kapazität einschl. Kabel und Eingangswiderstand des Phono-Pre)

ist folgendermassen (generisch):



Indentation, Tip-resonance und Cut-off sind zwar in der Publikation definiert und generisch beschrieben. Aber...
Was jetzt noch hilfreich wäre...
Wie können die Bauteileparameter des Ersatzschaltbildes für den Nadelträger am einfachsten ermittelt werden? An einem praktischen Beispiel Schritt für Schritt erläutert.

Wer hat einen Vorschlag?


Gruß
Reinhard

Im Modell des Nadelträgers sind diese drei genannten mechanischen Effekte enthalten:

• Indentation: Je grösser die Frequenz, um so kleiner die Amplitude (wird im el. Ersatzmodell durch einen RC-Tiefpass abgebildet)
  
• Tip-LP Resonance: Es gibt eine mechanische Resonanz des Nadelträgers mit einer bestimmten Frequenz in der Rille. Zur Resonanzfrequenz hin nimmt die Amplitude wieder zu (wird im el. Ersatzmodell durch gedämpften LC-Schwingkreis abgebildet)
  
• Cut-off: Bei sehr hoher Frequenz vermag die Nadel der Schwingung nicht mehr folgen, die Amplitude verringert sich sehr stark (wird im el. Ersatzmodell durch ein Notch-Filter (Reihenschwingkreis) abgebildet)
  

Das sind die von Nadelschliff, Nadel-Masse- und Beweglichkeit, also auch die durch Trägheit und Qualität der Nadelführung in der Rille verursachten Effekte.
Ist im oben verlinkten pdf auch erklärt. Die drei Effekte sind nicht unabhängig voneinander, sondern koppeln, so wie auch im elektrischen Ersatzschaltbild.

saba-forum.dl2jas.com/wcf/imag…/blueTemptationHeader.png

Dieses mechanische Modell ist auch für moving coil (MC) Systeme gültig. Auch dort hat der Nadelträger Einfluß auf den Klang.

Hat man ein korrektes Modell eines Phono-Tonabnehmers verfügbar, kann man durch Anpassung der Lasteigenschaften (im wesentlichen Phono-Pre Eingangskapazität, ggf. auch Eingangsimpedanz) in der Simulation ausloten, ob unfd ggf in wie weit eine Linearisierung des Frequenzgangs möglich ist - Michael schrieb es. Die Crux dabei: Das Modell zu ermitteln, ist alles andere als einfach. Das ist sogar extrem aufwändig, viel anspruchsvoller als einfach den Frequenzgang zu messen und durch Variation der Abschlusslast diesen zu linearisieren. Simulation schön und gut, aber wenn sie 100 x so lange dauert, wie einfach Frequenzgang zu messen und mit DIP-Schaltern Abschlußimpedanz und Kapazität bestmöglich anzupassen?

Die Ermittlung des elektrischen Modells setzt VNA-Messungen am Magnetsystem voraus. Die Ermittlung des mechanischen Modells erfordert zusätzlich Messung des Frequenzgangs mit einer hochgenauen Mess-Schallplatte. Subtraktion des nur am elektrischen Modell simulierten Frequenzgangs vom gesamten gemessenen Frequenzgang ergibt den "mechanischen Anteil am Frequenzgang". Der muss durch Anpassung der Bauteilewerte für die drei Elemente Indentation, Tip-resonance und Cut-off so angepasst werden, dass die Simulation diesen Anteil ebenfalls korrekt reproduziert.

Im Beispiel des Systems Audio Technica AT150 mit der Nadel ATN152:
Das System benötigt eine möglichst verschwindend kleine Abschluskapazität, also extrem geringe Eingangskapazität des Phono-Vorverstärkers, da mit grösserer Kapazität das Hochton-Maximum immer stärker wird. Da es aber praktisch unmöglich ist, unter 100 pF zu kommen, denn das trägt alleine das Phono-Kabel bereits bei, ist es mit diesem Magnetsystem unmöglich, die Hochtonanhebung alleine durch Änderung der Abschlußkapazität vollständig zu eliminieren, wenigstens 1-1,5 dB Anhebung bleibt immer:



grün: 100 pf (Kabel alleine)
blau: 120 pF (Kabel + 20 pF Eingangskapazität Phono-Pre)
rot: 140 pF (Kabel + 40 pF Eingangskapazität Phono-Pre)


In diesem Fall wäre es zur völligen Linearisierung erforderlich, die Phono-Pre Eingangsimpedanz zusätzlich - von der 47 kOhm-Norm abweichend - auf 35-40 kOhm abzusenken. Diese Möglichkeiten dürften nur sehr wenige Phono-Entzerrer Vorverstärker bieten.
Wer sich also ein (nicht billiges) Audio Technica AT 150 System wegen dessen Klang angeschafft hat, wird es gerade deshalb bevorzugt haben, weil es etwas heller klingt. Das ist - sieht man hier - nur schwer zu "flacher" Hochtonwidergabe zu überreden.

grün: 150 pF (Phonokabel + 50 pF Eingangskapazität d. Phono-Vorverstärkers) und Entzerrer Vorverstärker mit von der Norm abweichenden Eingangsimpedanz von 37 kOhm
blau: 150 pF mit normgerechter 47 kOhm Eingangsimpedanz des Phono-Vorverstärkers




Das hätte man im Experiment in wenigen Minuten gewusst. Test-Schallplatte vorausgesetzt - die braucht man so oder so, will man objektiv linearisieren. Der Musikfreund will das aber gar nicht. Es soll einfach so klingen, dass es am besten gefällt. Und das ist meist deutlich nicht-linear. Je älter das Gehör - um so mehr höhenbetont - notgedrungen.

Fazit:
In diesem Fall ist Simulation möglich, aber die Ermittlung des korrekten Simulationsmodells für das betreffende Magnetsystem ist eine "große Sache". Für routinemässige Anwendung ist das nicht geeignet, hilft aber zum Verständnis, wie der Abtastvorgang einer Schallplatte funktioniert.

Bislang umherschwirrende Hypothesen...
Mechanik (Nadelträger) koppelt erheblich mit Elektrik im Tonabnehmer
Resonanter Nadelträger wird vom elektrischen System korrigiert

...können anhand der Übereinstimmung des nun vorliegenden Simulationsmodells, das den Frequenzgang für jede willkürlich gewählte Last korrekt reproduziert, ad acta gelegt werden. Darin scheint der wesentliche Wert zu liegen.


Gruß
Reinhard

Gebe Dir Recht, Justage ist wirklich kritisch. Vor ein paar Jahren, als ich bei mir die Nadel ersetzt hatte, musste ich nach Einbau des Magnetsystems ja wieder neu justieren. Dafür gibt es zwar Schablonen, die man sich im Netz herunterladen kann, aber die Einstellung ist auch damit doch noch mühsam und zeitraubend. Steht es so gerade, oder doch besser so? Das ist immer die Frage. An einigen der eigenen Schallplatten kann man Fehljustage auch am erhöhten Klirrfaktor hören, besonders, wenn man die Platte am inneren Track (kleiner Radius) abspielt, dort ist das Abtastvermögen im Grenzbereich.

Gruß
Reinhard