Schallplattenwiedergabe


Die stetige Verbesserung der Schallplattentechnik der letzten Jahrzehnte bringt wegen der gestiegenen Ansprüche, die an das Abspielgerät gestellt werden, eine technische Problematik mit sich. Dieser Artikel beschreibt die Zusammenhänge dieser Technik, allgemeine Dinge, wie die Entwicklung der Schallplattentechnik, die Aufgaben und Qualitätsmerkmale eines Abspielgerätes. Ausserdem grundsätzliche Abtastprobleme, einschliesslich der entstehenden Verzerrungen, die technischen Anforderungen, Konstruktion und Eigenschaften hochwertiger Abspielgeräte, sowie Fragen der Messtechnik.

Entwicklung der Schallplattentechnik

Am Anfang war der 1870 von Edison entwickelte "Phonograph". Eine vom Schall erregte Membrane übertrug die mechanische Schwingung auf eine rotierende und dabei in Längsrichtung verschiebende Walze. Ihre weiche Oberfläche erhielt durch die Modulation eine sogenannte >Tiefenschrift.  Der Vorgang war für die Wiedergabe umkehrbar.

Emil Berliner verbesserte 1889 die Aufzeichnung und Wiedergabe dadurch, dass er die Walze durch eine rotierende Wachsfolienscheibe ersetzte, in die die Schwingungen zunächst ebenfalls durch Tiefenschrift (später Seitenschrift) eingraviert wurden. Jahre später gelang die Herstellung gepresster Platten (1898 Gründung der Deutschen Grammophon-Gesellschaft).

In den Anfangsjahren des Rundfunks wurde das rein mechanische Verfahren durch elektroakustische Aufnahme- und Wiedergabe-Einrichtungen deutlich verbessert (um 1925).

Moderne Kunststoffe ersetzten Schellack als Plattenmaterial, die Drehzahl wurde von 78 U/min auf vorwiegend 33 1/3 U/min reduziert, mit verkleinerter Rillenform (Mikrorille) und der sogenannten Füllschrift von Eduard Rhein wurde 1950 die  Laufzeit je Plattenseiten auf etwa 25 Minuten verlängert bei gleichzeitiger Qualitätsverbesserung.


1958 wurde die von Blumlein bei der EMI entwickelte Stereo-Technik auf Schallplatten eingeführt. In den folgenden Jahren wurde diese Technik nochmals entscheidend verbessert durch moderne Mehrkanal-Aufnahmen oder Verfahren, bei denen das Signal vorverzerrt aufgezeichnet wird (dadurch werden die generell bei der Abtastung entstehenden geometrischen Verzerrungen grösstenteils kompensiert).

Aufgabe eines Plattenspielers

Ein Tonabnehmer-System tastet die auf einem mit gleichförmiger Drehzahl laufenden Teller liegende Platte ab, wobei der Tonarm das System führt und der Rillenspirale ohne Widerstand folgen läßt. Diese zunächst einfach erscheinende Aufgabe kann bei den heutigen Qualitätsansprüchen nur mit einem hohen Aufwand an Entwicklung und Fertigung erreicht werden.

Qualitätskennzeichen eines Abspielgerätes

Die Qualität eines Schallplattenspielers ist im wesentlichen durch geringe Drehzahlabweichungen (Tonhöhenschwankungen), geringe Vibrationen vom Antrieb (Rumpeln) und kleine Verzerrungen bei der Abtastung gekennzeichnet. Optimierte Eigenschaften verlangen eine exakte Abstimmung der einzelnen Baugruppen wie Laufwerk, Tonarm und Tonabnehmersystem aufeinander.

Abtastprobleme entstehen aus den Unterschieden zwischen Aufzeichnung und Abtastung, wie sie im folgenden näher erläutert werden.

Aufzeichnung

Schallplatten werden generell mit einem dreikantförmigen Schneidstichel geschnitten.

Schneidestichel. SF - Schnittfläche

Der Schneidkopf trägt den elektrodynamischen Antrieb für den Schneidstichel und wird während des Schneidvorganges langsam radial über ein Vorschubgestänge zur Plattenmitte bewegt.
 

Zum Abtasten verwendete man Tonabnehmer-Systeme mit sphärisch geschliffenen Abtastnadeln, zunächst mit Saphirnadel (oft zum bequemen Umklappen, Wechsel zwischen Normalrille Schellack und Microrille Langspielplatte), heute überwiegend Diamanten mit biradialem Schliff, elliptische, van den Hul, Shibata, Paroc Microridge etc., wobei sich das Tonabnehmer-System am Tonarm auf einem Kreisbogen zum Plattenzentrum hin bewegt. Schon dieser Unterschied bedingt lineare und nichtlineare Verzerrungen bei der Wiedergabe.
Die geometrischen Abmessungen einer Schallplattenrille mit eingezeichneter Abtastnadel sind im Bild ersichtlich.Die Stereo-Aufzeichnung (45°/45°) wird unter zweimal 45° Bewegungsrichtung des Schneidstichels zur Plattenebene durchgeführt. Da die Kanäle zueinander senkrecht stehen, ist eine gegenseitige Beeinflussung streng geometrisch ausgeschlossen, in der Praxis werden aber bereits beim Schneidevorgang und später beim Abtasten mit der Nadel in der Rille die Kanaltrennung bzw. das Übersprechen erheblich beeinflußt, es ist ein Wert zwischen 25 und 40 dB realistich.

a - Abmessungen von Abtastnadel und Rille
b - 45/45°-Stereo-Aufzeichnung
c - 45°-Komponenten

Die Modulation der inneren Rillenflanke gehört zum linken Kanal, die der äusseren zum rechten Kanal (Bild b). Die Bilder c zeigen die 4 Grundmöglichkeiten einer Aufzeichnung: nur Links, nur Rechts, Links + Rechts = Seitenschrift und Links - Rechts = Tiefenschrift.

Die Aufzeichnung in der Schallplatte wird heute entsprechend genormter Schneidkennlinien durchgeführt. Den Verlauf solch einer Kennlinie (das Produkt aus Amplitude und Kreisfrequenz) bestimmt die Geschwindigkeitsamplitude oder Schnelle v = a - w in Abhängigkeit von der Frequenz. Die Zeitkonstanten betragen 75/318/3180us. Die Schnelle v ist also nicht konstant; denn beim Schneiden werden die Tiefen abgesenkt und die Höhen angehoben.

Schneidkennlinie (DIN/NAB).

Die Tiefenabsenkung ist erforderlich, da ohne sie bei konstanter Schnelle die grösser werdenden Amplituden dann zuviel Platz auf der Platte beanspruchen würden und die Abtastung so grosser Amplituden auch problematisch wäre. Die Höhenanhebung ist erforderlich, um einen ausreichend grossen Fremdspannungsabstand zu erhalten. Übersteuerungen sind nicht möglich, da auf Grund der Amplituden-Statistik in der Natur mit steigender Frequenz dieAmplituden-Anteile abnehmen.

Aufgrund der geometrischen Abmessungen des Schneidstichels zeigen sich Grenzen für die maximal mögliche Aussteuerung einer Platte. Bei 33 1/3 U/min. und kleinem Abspieldurchmesser liegt die Spitzenschnelle meist unter 20 cm/s, das Maximum kann bei 30cm/s liegen. Bezogen auf die Auslenkung bei hohen Frequenzen, sind das nur einige um (Mikrometer, zum Vergleich Dicke des menschlichen Haares etwa 40 um)

Aufzeichnungsgrenze gegeben durch die Berührungskreisfläche der Abtastnadel DA und den Modulationsradius rKmod.
In der Praxis hat man aber für die hohen Frequenzen eine weitere Aussteuerungsgrenze, die vom Abtastradius abhängt: Der Krümmungsradius des Berührungskreises von der Abtastnadel muss kleiner sein als der Krümmungsradius der aufgezeichneten Modulation beim Amplituden-Maximum (siehe Bild). Hieraus ergibt sich, dass bei den höchsten Frequenzen nur eine Schnelle von etwa 4cm/s verzerrungsfrei abgetastet werden kann

Abtastung

Lineare Verzerrungen:
Bei der Wellenlänge der Aufzeichnung fällt auf, dass diese nicht konstant ist, sondern linear mit kleiner werdendem Abspielradius abnimmt, dabei wird ja die Bahngeschwindigkeit geringer, die Anzahl der Schwingungen bleibt aber gleich - nur auf geringerem Raum.

Es gelten die Beziehungen für die Wellenlänge (v=  Geschwindigkeit, f = Frequenz und für die Rillengeschwindigkeit Vr D x Pi x n - - 60 = Abspieldurchmesser und n = Drehzahl).

Ausgerechnet findet man für die Frequenz f = 20 kHz bei D = 30 cm eine Wellenlänge der Aufzeichnung von A - 26um

Das Verhältnis zwischen größtem und kleinstem Rillendurchmesser beträgt nun bei der 30-cm-Platte etwa 2,5 : 1. Die Wellenlänge aus dem Beispiel verringert sich innen auf etwa 10,um und ist damit schon kleiner als der Verrundungsradius der Abtastnadel von 15 um

Wellenlängen-Verlust. a Rillengeometrie b - Abtaststift in der modulierten Rille


Da deswegen die aufgezeichnete Amplitude nicht voll abgetastet werden kann, tritt also mit kleiner werdendem Abspielradius ein Verlust in den Höhen auf, der sogenannte "Wellenlängenverlust".

Nichtlineare Verzerrungen

Nichtlineare Verzerrungen treten heute in erster Linie nur bei der Wiedergabe auf und hängen überwiegend von der Geometrie der Abtastnadel und des Tonarms ab, deshalb "geometrische Abtastverzerrungen".

So entstehen zum Beispiel bei der Abtastung der Seitenschrift durch eine sphärische Abtastnadel Spurverzerrungen und sogenannte "Klemmeffekt"- Verzerrungen. Die von einem dreikantförmigen Schneidstichel aufgezeichnete Sinuskurve wird durch die Nadel verzerrt abgetastet, ihre Ausdehnung führt zu einer Berührzone, die nicht mehr auf dem Radius der Platte die Rille berührt, sondern daneben, verdreht, verzwirbelt, verklemmt ("pincheffect")
Auch bei Tiefenschriftabtastung entstehen Spurverzerrungen.

Geometrische Abtastverzerrungen.
a Seitenschrift-Spurverzerrung
b Klemmeffektverzerrung
c Tiefenschrift-Spurverzerrung

Erkennbare Verzerrung durch Ausdehnung der Kugeloberfläche. Es tastet nicht ein Punkt, sondern eine Kugeloberfläche ab:

In der Praxis werden diese Verzerrungen durch Anpassung der Abtastnadelform reduziert. So gibt es speziell geschliffene Abtastdiamanten, die theoretisch wegen Ihrer Annäherung an den dreikantförmigen Schneidstichel deutlich verringerte Abtastverzerrungen liefern müssten. Von Namiki (Japan) entwickelt, wird der Schliff der Nadel dahingehend optimiert, daß in Längsrichtung der Rille eine möglichst kurze Fläche zum Abtasten die feinsten Details erfaßt. Auch unter Micro-Ridge bei Shure oder bei AudioTechnica oder Dynavector zu finden, andere Schlifformen sind VandenHul, Paroc, Shibata, alle darauf optimiert höchste Frequenzen verzerungsarm abzutasten

Fehlermöglichkeiten bei elliptischen Abtastnadeln.

a - Beim Schleifen: harte Kante
b - um den Winkel a schief in den Nadelträger eingesetzter Diamant

Die Ursache liegt mit Sicherheit einmal an der höheren spezifischen Belastung der Rillenwand (der Verrundungsradius ist um etwa 1/3 kleiner als bei herkömmlichen, sphärisch geschliffenen Abtastnadeln) und zum anderen an der mechanischen Ausführung- Es ist fertigungstechnisch schwierig, einen exakten elliptischen Schliff durchzuführen (keine sogenannte Überkompensation, scharfe Kante,) und die Abtastnadel in bezug auf die Achsenlage des elliptischen Querschnittes genau in den Nadelträger einzupassen. Untersuchungen an Abtastern mit elliptischen Nadeln zeigten mitunter die skizzierten Fehler
Weitere Abtastverzerrungen ergeben sich durch die vertikalen und tangentialen Spurfehlwinkel. Ein vertikaler Spurfehlwinkel entsteht, wenn die Schwingungsebene des Nadelträgers bei der Abtastung in bezug auf die Plattenebene nicht den gleichen Winkel einschliesst wie bei der Aufzeichnung (der Schneidkopf beim Schneiden einer Lackfolie muß um einen bestimmten Winkelwert zurückgeneigt werden wegen der "Nachfederung" des Materials, um für die Abtastung den genormten Wert des vertikalen Spurwinkels zu erzielen).

Ein Tangentenfehlwinkel entsteht durch den Tonarm, der den Abtaster auf einem Kreisbogen über die Platte führt im Gegensatz zum Schneidvorgang, bei dem der Schneidkopf exkat auf dem Radius zum Zentrum der Platte hingeführt wird.

Alle diese geschilderten Abtastverzerrungen werden heute durch moderne Aufzeichnungsverfahren, zum Beispiel Teldec Tracing Simulator oder RCA Dyna-Groove-Verfahren, weitgehend reduziert. Dies erreicht man dadurch, dass man mittels Analog-Rechners für jeden Augenblickswert des aufzuzeichnenden Signals die zu erwartenden Abtastverzerrungen in bezug auf Phase und Amplitude berücksichtigt, also die Aufzeichnung vorverzerrt, so dass bei der Abtastung unter optimalen Bedingungen (korrekter vertikaler Spurwinkel und 15um Verrundungsradius der Abtastnadel) die Verzerrungen kompensiert werden. Die Konsequenz daraus ist allerdings, daß ein optimales Abtasten eben auch diesen Abtastradius der Nadel erfordert, sonst addieren sich die Neu-verzerrung und die Vorausentzerrung (eben eine negative Verzerrung), die zur berechneten und erwarteten Verzerrung nicht mehr paßt. Nähere Informationen über die angepaßte Entzerrung / Verrrundungsradien etc.älterer Schallplatten findet man bei: http://www.fabtech.de/de/emt/schallplatten-parameter.html

Nadelführung

Der Mindestwert der Auflagekraft für eine sichere Nadelführung hängt von mehreren Komponenten ab.
Für den statischen Fall soll die Auflagekraft grösser als die Rückstellkraft des Abtastsystems sein. Einem Wert der Rückstellkonstanten von etwa 0,4 p/60 Mm Auslenkung für einen modernen Abtaster entspricht der Compliance-Wert von etwa 15 x 10 E-6 cm/dyn (wobei man als "Compliance" oder Nachgiebigkeit den reziproken Wert der Rückstellkonstante bezeichnet und 1 pond ~ 981 dyn ist).

Hierzu ein Beispiel: Für v = 10 cm/s bei der Frequenz 1 kHz ergibt sich eine Amplitude von a 100 um und daraus für das obige Beispiel Compliance eine Rückstellkraft von etwa 0,7 p

Für den dynamischen Fall müssen bei der Abtastung hoher Frequenzen Beschleunigungskräfte berücksichtigt werden. Das Produkt aus "ruhender" (effektiver) Masse des gesamten Tonarmes und Erdbeschleunigung soll grösser sein als das aus effektiver Nadelmasse und Nadelbeschleunigung.

Die dynamische Rückstellkraft ist  P dyn ~ m eff b ,  wobei die effektive Masse an der Nadelspitze bei heutigen guten Abtastsystemen etwa 1 mg beträgt. Die Beschleunigung b = v X w ist für eine Frequenz von 15 kHz bei maximaler Schnelle v ~ 5cm/s etwa 5 x 104 m/S2 und damit etwa 500 mal grösser als die Erdbeschleunigung!

Die ruhende Masse des gesamten Tonarmes soll also unter Berücksichtigung eben genannten Werte und der Eingangs aufgestellten Bedingung  M > meff - b >= 0,5 g sein. Die heute üblichen Werte sind 10-30 g. Sie liegen also mit Sicherheit darüber.

Die bei der Abtastung hoher Frequenzen entstehende vertikale Beschleunigungskomponente erfordert zur Aufrechterhaltung eines sicheren Kontaktes zwischen Nadel und Rille auch unter Berücksichtigung eines eventuellen Plattenschlages aber grössere Auf lagekräfte, als die Rechnung zuvor ergab. Da in der Rille meist statische Kräfte und dynamische Beschleunigungskräfte kombiniert auftreten, wird noch ein Sicherheitsfaktor für das erforderliche Auflagegewicht berücksichtigt.

Was die Abtastfähigkeit eines Tonabnehmersystems in Abhängigkeit von der Frequenz anbelangt, so kann der Verlauf der sogenannten "mechanischen Impedanz"darüber Auskunft geben, das ist der Quotient zwischen minimaler Auflagekraft und konstanter Schnelle (Verringerung der Auflagekraft, bis gerade noch einwandfreie Sinus-Abtastung möglich ist). Mehr Informationen unter Tonabnehmer.html
 

Forderungen an hochwertige Abspielgeräte

Die Wiedergabe von Klangereignissen sollte durch die Eigenschaften der Abspielgeräte nicht beeinflusst werden, wobei die maximal zulässigen Störgrössen im wesentlichen durch ihre Wahrnehmbarkeit durch das menschliche Gehör bestimmt werden. Von der mechanischen Seite her werden heute im wesentlichen die folgenden Anforderungen an ein Laufwerk gestellt. Dazu kommen die elektrischen Bedingungen für Frequenzgang, Verzerrung und Übersprechen.

Gleichlaufschwankungen

Es sollten möglichst keine oder nur geringe Abweichungen von der Nenndrehzahl der Platte entstehen, also eine gleichförmige Drehgeschwindigkeit ohne kurzzeitige Änderungen.

Die Fehler in der Praxis sind bedingt durch Fertigungstoleranzen oder mangelnde mechanische Präzision (Exzentrizitäten oder Unwuchten). Sie äussern sich in sogenannten Tonhöhen- oder Gleichlaufschwankungen, wobei Schwankungen mit Frequenzen um 5 Hz als "Jaulen" (wow) und über 5 bis 100 Hz als "Wimmern" (flutter) bezeichnet werden.

Abweichungen von der Tonhöhe (Drehzahlabweichungen) einer Musikaufnahme von 1/9 Ton = 1,5 % sind nach akustischen Untersuchungen schon hörbar. Bei Störfrequenzen von 4 Hz liegt die grösste Empfindlichkeit hinsichtlich der Wahrnehmbarkeit von Tonhöhenschwankungen durch das menschliche Ohr. Hier sind bei kritischem Programmaterial, zum Beispiel Klavier, schon Schwankungen von etwa ± 0,2 % hörbar. Auf Grund dieser und anderer Untersuchungen hat man wegen der Ohrempfindlichkeit eine Bewertungskurve für die Störfrequenzen festgelegt (DIN 45 507). Spitzenlaufwerke sollten, bewertet gemessen, keine grösseren Gleichlaufschwankungen haben. - Die HiFi-Norm DIN 45 500 lässt einen Wert von ± 0,2 % zu.

Beispiele:
Ein Zentrierfehler am Plattenmittelloch von 0,2 mm (ist nach DIN-Norm und IEC-Publikation 98 zulässig) ergibt bei einem Abtastradius R = 100 in eine Gleichlaufschwankung  ± 0,2 %,

Bei 33 1/3 U/min ist dies eine Schwankungsfrequenz von 0,55Hz, die zwar nicht bei 4 Hz, dem Maximum des Empfindlichkeitsbereiches liegt, aber auch bewertet gemessen in Verbindung mit anderen Störfrequenzen den zulässigen Grenzwert erreichen kann.

Bei einem Antrieb des Tellers über ein Reibrad mit 50mm darf bei einem maximalen Gleichlauffehler von ± 0,1 % dieses Rad nur einen Schlag von 25um haben. Der Fehler, in der Praxis bei etwa 3Hz Schwankungsfrequenz,. liegt schon an der physikalisch-technischen Grenze.
Der Transcriptor Hydraulik hatte zur Drehzahlstabilisierung eine Silikonöl-gefüllte Wanne unter dem Palttenteller, ein Paddel tauchte dort verstellbar tief ein und sorgte für gleichbleibende Abbremsung und Dämpfung, mit der dann die Drehzahl sich stabilisierte.

Rumpeln

Jeder Antrieb erzeugt zwangsläufig Erschütterungen. Diese werden vom Abtastsystem aufgenommen und ungewollt in elektrische Störspannungen beziehungsweise Geräusche umgewandelt.

Das Verhältnis zwischen dem Nutzpegel bei Vollaussteuerung und dem Pegel der Störspannung wird Rumpelspannungsabstand genannt. Es kennzeichnet die Qualität eines Laufwerkes. Hierbei gibt es zwei Messwerte. Die Rumpelfremdspannung ist der linear bewertete tieffrequente Teil der Störspannung, und die Rumpelgeräuschspannung ist die über ein Filter gehörrichtig bewertete Störspannung.

Die Lästigkeit der in erster Linie tieffrequenten Rumpelstörungen hängt sehr vom subjektiven Gehöreindruck ab, ist also, wie Untersuchungen ergaben, frequenz- und schalldruckabhängig.

Weitere Prüfungen ergaben, dass unter Berücksichtigung einer mittleren Maximal-Abhörlautstärke von etwa 70 Phon und eines mittleren Rumpelabstandes der Laufwerke von 40 dB entsprechend der sogenannten "Kurven gleicher Lautstärke" von Fletcher und Munson die 30-Phon-Ohrkurve mit ihrem Anstieg der Laustärkeempfindung bei steigender Frequenz für physiologische Bewertung herangezogen werden muss.
Fletcher / Munson Kurven gleicher Lautstärkeempfindung
In der Praxis: Da hochwertige Platten eine Dynamik von mehr als 50 dB haben können und minimale Abhörlautstärken von etwa 25 Phon erforderlich sind (wegen Raumgeräusch sind 0 Phon nicht möglich), ergibt sich daraus eine maximale Lautstärke von etwa 75 Phon.

Wenn nun die durch das Laufwerk entstehenden Störungen in keinem Fall grösser als das Raumgeräusch sein dürfen, dann muss entsprechend dem Verlauf der 25- und 7,5-Phon-Ohrkurven, bei 100 Hz der Rumpelspannungsabstand mindestens 40 dB betragen und bei 40Hz mindestens 33dB! Dazu würden bei den genannten Frequenzen schon maximale Schallpegel von etwa 80 beziehungsweise 93 dB gehören.

Selektive Messungen der Rumpelstörungen an guten Laufwerken zeigten, dass in der Praxis diese Werte tatsächlich erreicht werden können. Daraus muss rückwärts wieder gefolgert werden, dass unter Umständen beanstandete Rumpelstörung an hochwertigen Laufwerken nur auf falsche Einstellungen der Tiefenregler durch zu starke Bassanhebung bei grosser Lautstärke zurückzuführen sind.

Aus den obigen Angaben ergeben sich nun die Anforderungen an Rumpelfremdspannungsabstand: > 40 dB und Rumpelgeräuschabstand: > 60dB. (Die HiFi-Norm DIN 45 500 lässt 35 beziehungsweise 55 dB zu.)

Daraus läßt sich ableiten, mit welcher mechanischen Präzision heutige Laufwerke gebaut werden müssen: Bei einem Laufwerk mit 30Hz Hauptstörfrequenz im Rumpelspektrum und gefordertem 40dB-Fremdspannungsabstand würde unter Berücksichtigung der Schneidkennlinie 75/318/3180,us und der Vollaussteuerung V = 10 cm/s bei 1 kHz schon eine Störamplitude von ~ 1 um an der Abtastspitze den Grenzwert erreichen!

Trittschall und akustische Rückkopplung

Es wird auch verlangt, dass ein Laufwerk gegen Trittschall und akustische Rückkopplung weitgehend unempfindlich ist. Optimale Werte sind unter anderem sehr von der Aufstellung des Gerätes abhängig, wobei sich also unter Umständen störende Resonanzen von Lautsprechern und vom Wiedergaberaum ungünstig auf die genannten Forderungen auswirken können.

Frequenzgang, Verzerrungen, Übersprechen

Auch durch die elektrischen Eigenschaften des Abtastsysterns dürfen keine Verfälschungen des Klangbildes entstehen. Neben dem Übertragungsbereich von etwa 30 Hz bis 15 kHz mit den Toleranzen von etwa ± 2 dB im Bereich von 40 Hz bis 12,5 kHz sollen die nichtlinearen Verzerrungen einen Wert von Frequenz. Intermodulation (FIM)  0,5 % nicht überschreiten und das Übersprechen bei 1 kHz mindestens 25 dB betragen. Diese Werte sind etwas strenger als die in der Norm für Heim-Studio-Technik 1967 genannten, können aber von Spitzengeräten erreicht werden.

Da heute bei neueren Platten unter anderem wegen der stark impulshaltigen Information bei moderner Musik und grösserer Dynamik die Aufzeichnungen die in Normen genannten Schnelle-Werte übersteigen, wird von einem hochwertigen Abtaster ebenfalls die Abtastmöglichkeit dieser impulsförmigen Klänge gefordert. Eine gute Rechteck-Abtastung in Messplatten gewährleistet die zuvor genannte Forderung. Das heißt  aber auch, dass der Frequenzgang eines Abtasters möglichst weit über den Hörbereich hinaus linear ohne störende Resonanzen verlaufen sollte.

Konstruktion und physikalische Eigenschaften der Abspielgeräte

Laufwerk

Der Luxman PD 555 war mit einer Vakuumeinrichtung versehen, die die Schallplatte an den Plattenteller ansaugt. Damit waren die Schwingungen und Rückkopplungen von Lautsprecherschall auf die Platte reduziert.
Der Transrotor läßt den Luftschall von unten ebenfalls an die Platte, damit neutralisiert sich der von oben kommende Anteil mit dem von unten. Seine Blattfederung entkoppelte wirkungsvoll Tritttschall.

Um die im vorigen Absatz genannten Daten (wie Gleichlaufschwankungen und Rumpelstörungen) nicht zu überschreiten, ist es erforderlich, eine bestimmte Antriebsart zu verwenden. Es wird heute ein teilweise bis zu 3,5kg schwerer, also mit grosser Massenträgheit behafteter Plattenteller von einem relativ schwachen, langsam laufenden Motor über einen Riemen angetrieben, Dies bringt mehrere Vorteile mit sich:

> Der einmal auf seine Sollgeschwindigkeit gebrachte Teller hat mit seiner Massenträgheit das Bestreben, bei kleinster Drehzahlabweichung /- Schwankung vom Motor her seine Drehgeschwindigkeit nicht gleich zu ändern (die erreichten Werte der Tonhöhenschwankungen sind heute deutlich kleiner als die der existierenden Schallplatten). Sogenannte Masselaufwerke überzeugen mit unnachahmlicher Dynamik, ad auch komplexe Rillenauslenkungen zu keinem hörbaren Abbremsen führen und die Impulsivität voll bewahrt bleibt.

> Die vorwiegend vom Motor kommenden Rumpelstörungen sind bei einem relativ schwachen und langsam laufenden Motor an und für sich schon klein und werden bei der Übertragung auf den Plattenteller zusätzlich noch durch die Filterwirkung des Riemenantriebes gedämpft. Bei Spitzenlaufwerken wurde festgestellt, dass die Hauptstörungen nur noch vom Hauptlager des Tellers kommen.
Modernste Lager benutzen Platten aus Widia, oder Keramikkugeln, die durch kräftige Magnete entlastet werden können.

Man bewegt sich schon an physikalisch fertigungstechnischen Grenzen und ein relativ grosser Messaufwand für die Bestimmung dieser Grössen muss getrieben werden.Thorens hat mit seinem Meßkoppler ein neues Meßgerät geschaffen, bei dem die Vibration des Lagers direkt erfaßt werden kann.

Die eben genannten Massnahmen werden noch unterstützt durch weitere konstruktive Details. Zwischen dem Plattenteller- Hauptlager und dem Tonarm-Montageflansch besteht eine starre Verbindung, so dass ungewollte Relativbewegungen zwischen Platte und Tonarm weitestgehend ausgeschlossen sind. Diese Einheit ist auf einem Zwischenchassis elastisch gegenüber dem Hauptchassis aufgehängt. An dem starren (Gehäuse) Hauptchassis sitzt meist der Antriebsmotor und die Bedienungselemente. Das hat natürlich Vorteile für die Erschütterungsunempfindlichkeit.

Durch optimale Abstimmung der Aufhängung bezüglich Resonanzfrequenz und Dämpfung ergibt sich ein günstiges Verhalten gegenüber dem Antriebsrumpeln und auch gegenüber Störungen von aussen, wie Trittschall oder akustische Rückkopplung.

Die verschiedenen gängigen Drehzahlen werden bei elektronisch geregelten Motoren auch durch elektrische Umschaltung erreicht, somit entfallen die früher üblichen mechanischen Zwischenradgetriebe, die ja auch zusätzliche Gleichlauf- oder Rumpelstörungen hervorriefen und die Riemenlebensdauer verkürzten, weil die unterschiedlichen Motoraufsatzdurchmesser eine unterschiedliche Dehnung des Riemens verursachten.

Tonarm

Die Eigenschaften eines Tonarmes (natürlich in Verbindung mit dem eingebauten Tonabnehmersystem) tragen sehr viel zu den Abtasteigenschaften bei.

Man ist wegen der dynamischen Balance bestrebt, den Massenschwerpunkt möglichst in den Schnittpunkt der Bewegungsachsen für die Horizontal- und Vertikal-Lager zu legen und zusätzlich für eine gute dynamische Abtastung die Massenträgheit und damit das Eigengewicht des Tonabnehmersystems möglichst klein zu halten, da bei heutigen Tonarmen mit einer Länge ab etwa 20 cm das Systemgewicht in erster Linie in die wirksame effektive Tonarmmasse eingeht.
Diese eben beschriebene Masse des Tonarmes M und die Compliance des Abtastsystems C bestimmen die untere Eigenresonanz. Diese wird auch "Schüttelresonanz" oder Tiefenresonanz genannt. Bei Anregung des Tonarmes mit dieser Frequenz kann im Extremfall der Tonarm aus der Rille springen (z. B. bei akustische Rückkopplung). In der Praxis arbeitet ein Tonabnehmer mit sehr steifer Nadelaufhängung (niedrige Nadelnachgibigkeit) mit hohem Auflagedruck und an einem trageren Tonarm, ein besonders weich aufgehängter Tonabnehmer mit hoher Nadelnachgiebigkeit benötigt unbedingt einen besonders massearmen Tonarm, um nicht ständig bei den Welligkeiten der Schallplatten angeregt zu werden. Die Tabelle

Unterhalb dieser Resonanz folgt der gesamte Tonarm den Rillenauslenkungen, das System nimmt also keine Spannungen mehr auf. Die Rumpelstörungen eines Laufwerkes bilden sich zu einem grossen Teil über diese Resonanzfrequenz oder deren Harmonische aus und tragen in Verbindung mit dem Nutzpegel zu hörbaren Intermodulationen bei, obwohl die Eigenresonanz im allgemeinen unterhalb 20 Hz liegt. Die Resonanzerhöhung kann durch geeignete Ausbildung und Ankopplung des Tonarmgegengewichtes gedämpft werden.

Wegen dieser Beziehung zwischen Tonarmmasse und der unterschiedlichen Abtaster-Compliance-Werte zeigen Messungen in der Praxis, dass bei demselben Laufwerk und Tonarm, aber mit verschiedenen Abtastsystemen, auch unterschiedliche Rumpelstörungen entstehen.

Von der Geometrie eines Tonarmes sind der Überhang, die Länge und Abwinkelung desselben für den Tangentenfehlwinkel entscheidend. Eine exakte Berechnung führt zu dem Ergebnis, daß entlang des Abspielradius der Fehlwinkel zweimal den Wert 0 erreicht. Die maximalen Fehler betragen heute etwa ± 2° außen, in der Mitte etwa -1,5°, innen 0,5°.

Der vertikale Spurwinkel ist von der Konstruktion des Abtastsystems und dessen Einbau in den Tonarm abhängig.

Lagerreibungen des Tonarmes für die Vertikal- und Horizontalbewegung von <1/10 der Auflagekraft ergeben keine zusätzlichen Abtastverzerrungen. Ein moderner Tonarm hat Reibwerte, die nur 1/100 des Auflagedrucks ausmachen.

Die Skating-Kraft entsteht durch die Reibung zwischen Nadel und Platte und dem abgewinkelten Tonarm. Sie ist von der Auflagekraft, dem Reibungskoeffizienten und wegen der Tonarm-Geometrie (Tangentenfehlwinkel) auch in geringem Maße vom Abspielradius abhängig. Messungen zeigten, dass die Skating-Kraft kleiner als 1/10 der Auflagekraft ist.

Im Bild  ist die Skating-Kraft an einem Tonarm skizziert. Es ist dort ersichtlich, dass die im Tonarm in Längsachse des Abtasters wirkende Kraft A = p x u zum grössten Teil durch die Kraft L durch das Lager D aufgenommen wird. Die Skating-Kraft S=A x sin a schliesst das Kräftedreieck. Sie drückt den Abtaster einseitig auf die innere linke Flanke der Rille und bewirkt damit leicht unterschiedliche Auflagekräfte zwischen linker und rechter Rillenflanke.
 
 
 
 


Die Querkraft N, eine Auswirkung der Skating-Kraft, drückt den Anker des Abtasters etwas aus seiner symmetrischen Lage. Diese beiden Auswirkungen der Skating-Kraft treten nur dann störend in Erscheinung, wenn

a) die Lagerreibung des Tonarmes hinreichend klein ist,
b) die Torsionsmomente der zugeführten Tonarmleitungen vernachlässigbar sind,
c) die Tonabnehmersysteme an der unteren Grenze ihres Auflagekraftbereiches betrieben werden.

Störend bedeutet, es gibt Verzerrungen in einem Kanal, z.B. wenn eine Sopranistin sehr laut singt, dann werden die Grenzwerte der Nadelauslenkbarkeit gefordert. Die seitliche Komponente verschiebt die Nadel aus ihrer Mittelposition, die eine gleichartige Bewegung /Auslenkung zu beiden Seiten ermöglicht.
Da sich die schon unterschiedlichen Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit von den Plattenpreßmaterialien natürlich auch wegen der Behandlung mit Antistatikmitteln oder durch das Nassabspielen verändern, ergibt sich nur in den seltensten Fällen eine exakte Kompensation mit den vorhandenen Antiskating-Vorrichtungen.
Außerdem geht die Antiskatingkraft von einem anfänglich höheren Wert zurück, bis zur der Stelle, wo der Abtastwinkelfehler sein negatives Maximum hat, und dann steigt der Wert gegen Ende der Platte wieder an. Das ist ebenso geometrisch bedingt wie der Ursprung der Skatingkraft selbst. Es ist derzeit kein Tonarm erhältlich, der konsequent korrekte Skatingkompensation über den gesamten Verlauf der Schallplatte betreibt.
Nur diejenigen Tonarme entwickeln keine Skatingkraftkomponente, die das Tonabnehmersystem so führen, daß die Zugkraftkomponente der Schallplattenrillenreibung an der Nadel auch direkt durch das Tonarmlager geht:

Technics SL 10Revox 795Beogram 4000
Technics SL 10 und Revox 795 sind zwei Plattenspieler mit direktangetriebenem Plattenteller und Tonarmen, die gerade sind und deshalb auf dem Radius geführt werden - tangentiell zur Rille, weshalb man sie als Tangentialarm bezeichnet.
Der Technics läßt sich auch vertikal betreiben (wenig sinnvoll, da damit die Polarisationsebene des Lautsprechers maximal auf die Schallplatte zurückwirkt).Der Tonarm ist in der Haube befestigt. Der Revox hat einen ultrakurzen Tonarm mit extrem geringer Masse, damit bewältigt er schwierig abzutastende Welligkeiten ohne zu springen und im Gegenzug ändert sich der vertikale Abtastwinkel aufgrund der Geometrie...Rechts der Urvater, ein Beogram 4000 mit geregeltem Riemenantrieb und pneumatischem Tonarmlift (1974).
Bereits vorher hat man versucht, den Winkelfehler zu reduzieren: Der Garrard Zero 100 steuerte den Kröpfungswinkel standig so nach, daß der Winkelfehler stets auf Minimum blieb, Skatingkräfte mussten trotzdem kompensiert werden.

Tonabnehmersystem

Wie schon erwähnt, soll die obere Grenze des linearen Übertragungsbereiches eines Abtasters möglichst deutlich über dem Hörbereich liegen. Neben der zuvor beschriebenen unteren Eigenresonanz hat ein Abtaster nun auch eine obere Resonanzstelle  Diese ist abhängig von der effektiven auf die Nadelspitze bezogenen schwingenden Masse des Nadelträgers m eff und der Compliance des Plattenmaterials Cp
Es ergibt sich die Beziehung  2 Pi V Meff - Cpt  (V steht für Wurzel aus). Diese Resonanzfrequenz liegt heute bei guten Abtastern mit einer effektiven Masse von etwa 1 mg über 20 kHz

Bei magnetischem Tonabnehmer kann sich noch eine tieferliegende Resonanzstelle ergeben, nämlich die elektrische Resonanz zwischen Spuleninduktivität und Kabelkapazität der Anschlussleitung bzw. Eingangskapazität des Phonoeingangs. Sie liegt meist zwischen 10 und 20 kHz. Unerwünschte Teilschwingungen der Wandler im Bereich von 4 bis 10kHz haben ihre Ursache meist in der mechanischen Ausbildung der Anker oder der mangelnden Dämpfung.

Die Wahl der konstruktiven Massnahmen zur Erzielung von Rückstellkraft und Dämpfung kann, sofern sie nicht getrennt sind, problematisch werden. Die zur Unterdrückung der mechanischen Resonanzen bei hohen Frequenzen erforderliche Dämpfung wirkt meist auch bis in mittlere Frequenzbereiche hinein. Die bisher bekannten Dämpfungsmaterialien haben selbst einen Temperaturgang, der sich dann auf den Frequenzgang auswirkt. Wie oben erwähnt, ist die Abtastfähigkeit eines Tonabnehmers unter anderem bei tiefen Frequenzen von der Compliance des Systems und der Tonarmmasse abhängig und bei hohen Frequenzen von der effektiv schwingenden Masse in Nadel und Nadelträger.
Das Übertragungsmass des Tonabnehmers wird nach DIN 45539 in mVs/cm angegeben. Also in Millivolt  pro Schnelleeinheit. Die Schallplattenschnelle ist die korrekte Grundlage, weil der Magnet-Tonabnehmer die Magnetfeldänderung/ Zeit induktiv umsetzt, damit ist die Ausgangsspannung direkt abhängig von Weg/Zeit. Ein typischer Magnettonabnehmer gibt um 1mVs/cm ab.

Verstärker

Alle Schnelle-Empfänger wie Magnet- und Moving-Coil Tonabnehmersysteme benötigen für die lineare Wiedergabe eine zur Aufnahmekennlinie spiegelbildlich verlaufende Rückentzerrung. Sinnvollerweise werden alle die zuvor beschriebenen Störgeräusche (Rumpelstörungen, Plattenrauschen) durch geeignete Auslegung des Frequenzganges der Wiedergabe-Entzerrerverstärker teilweise oder weitestgehend unterdrückt. In der Praxis beschränkt man den Übertragungsbereich auf etwa 30 bis 20 000 Hz und darüber, mit einem möglichst steilen Abfall unterhalb der genannten Grenzfrequenz (Rumpelfilter). Der Verstärker sollte zum Tonabnehmer passen, abgestimmt auf MM-systeme mit 47 kOhm Eingangsimpedanz bei 2,5mV Eingangsempfindlichkeit und eventuell variabler Eingangskapazität (individuell anpaßbar an den Tonabnehmer). MC-Vorverstärkereingänge werden im Bereich 100 Ohm - 1kOhm an den Tonabnehmer angepaßt, bei typischen Empfindlichkeiten um 0,1-0,2 mV ist der Verstärkungsfaktor um 10 höher. Die Abschlußkapazität kann bis zu 1nF betragen.
Die Übersteuerungsfestigkeit sollte bei maximaler denkbarer Schnelle noch nicht erschöpft sein, ein guter Phonoeingang kann 100mV und mehr vertragen.
Den Unterschied zwischen MC und MM Toanbnehmer kann auch ein Eingangsübertrager ausgleichen, er wird meist vom Tonabnehmerhersteller passend zur Impedanz des Systems im Set geliefert. Der Übertrager hat ein Übersetzungsverhältnis von etwa 1:10 und wird typisch mit den 47kOhm des MM-Eingangs abgeschlossen.
 
 

Messtechnik

Sinn und Problematik der Messtechnik

Die beschriebenen Eigenschaften der Abspielgeräte müssen natürlich auch in der Praxis überprüft beziehungsweise gemessen werden können. Dies setzt die Existenz brauchbarer Mess-Schallplatten voraus.

Da im allgemeinen für jede Messung Betriebsbedingungen zu bilden sind, in der Praxis aber Platten nach verschiedenen Normen hergestellt existieren bezüglich Schneidkennlinie, Aussteuerungspegel und geometrische Lage der Aufzeichnung, ist leicht einzusehen, dass sich hier durchaus auch mit Messschallplatten unterschiedliche Ergebnisse einstellen können.

Die Messungen zeigen auch nach kurzer Erfahrung, welche Präzision auf der Aufnahmeseite und welche Sorgfalt bei der Wiedergabe zur Erzielung optimaler Qualität erforderlich ist.

Mess-Schallplatten und ihre Anwendungen

Vor gar nicht so langer Zeit begnügte man sich im allgemeinen mit Frequenzgang- und Pegelmessungen. Heute jedoch gibt es eine Vielzahl von MessSchallplatten, nicht nur zur Bestimmung der wichtigsten Gütekriterien, sondern auch für Spezial-Aufgaben mit recht hohem Aufwand hergestellte Testplatten.

In Deutschland wurden in den letzten Jahren für die wichtigsten Messungen DIN - Mess - Schallplatten geschaffen, deren Eigenschaften in den entsprechenden DIN-Blättern festgelegt sind. Somit gibt es erstmalig Bezugsnormale für die Messung von Frequenzgang, Verzerrungen, Übersprechen, Rumpeln und Gleichlauf

Frequenzgang-Mess-Schallplatte DIN 45 541

Die A-Seite der Platte hat eine Stereo-Aufzeichnung mit abwechselnder Modulation links/rechts. Nach dem Bezugspegel mit 1 kHz, v - 8 cm/s, folgen Festfrequenzen von 30 Hz bis 16 kHz nach der in DIN und auch NAB genormten Schneidkennlinie 75/318/3180,us.

Die B-Seite enthält eine Mono-Aufzeichnung in Seitenschrift mit jeweils gleitendem Übergang von einer Festfrequenz zur anderen. Das Programm gleicht im wesentlichen dem der A-Seite.

Die Maximal-Fehler der Aufzeichnung betragen bei den hohen Frequenzen ± 1 dB.

Verzerrungs-Mess-Schallplatte DIN 45 542

Die A-Seite enthält Aufzeichnungen zur Messung des vertikalen Spurwinkels. Es sind dies Doppelton-Aufzeichnungen in Tiefenschrift mit den Frequenzpaaren 1850/3150Hz und 3701 630 Hz mit unterschiedlichem vertikalen Spurwinkel von 6 bis 300, jeweils um 4° steigend. Dadurch ist also die Bestimmung des vertikalen Spurwinkels eines Abtastsystemes während des tatsächlichen Abspielvorganges an zwei Stellen des Übertragungsbereiches möglich.

Hierzu werden die Stereo-Kanäle des Abtasters gegenphasig geschaltet und der sich ergebende Summenton zum Beispiel über ein Terzfilter gemessen. Stimmt der Spurwinkel des Abtasters mit dem der Aufzeichnung überein, so ergibt sich ein Minimum des Summenpegels.

Die B-Seite ermöglicht die Messung von nichtlinearen Verzerrungen. Die Frequenzen 400 und 4000 Hz (bei 45 U/min) sind im Verhältnis von 4 ; 1 in sieben verschiedenen Pegelstufen, für die Kanäle links und rechts getrennt und jeweils aussen und innen aufgezeichnet. Damit sind also Messungen des Intermodulationsfaktors in Abhängigkeit von der Aussteuerung und dem Abspielradius möglich. Die bei der Abtastung entstehenden Seitenbänder werden überwiegend durch Phasenmodulation hervorgerufen.

Es kommt also von den in DIN 45 403, Blatt 4, angegebenen Messverfahren nur das Suchton-Verfahren in Frage (nach der Messung der Seitenbänder erster Ordnung kann der Intermodulationsfaktor berechnet werden). Das im Normblatt auch genannte Demodulationsverfahren ist nicht geeignet, da es irn wesentlichen nur die durch Amplitudenmodulation entstehenden Verzerrungen berücksichtigt.

Die Messungen können aber noch einfacher über einen Phasendiskriminator durchgeführt werden. Beim Spielen der Platte mit 33 1/3 /min ergibt sich die Trägerfrequenz an 3000 Hz. Somit kann ein übliches dies Tonhöhenschwankungs - Messgerät verwendet
werden. Die angezeigte Werte der Frequenzintermodulation (FIM) sind um den Faktor 10 kleiner als die IM-Werte nach dem Suchton-Verfahren. Ein mathematischer Nachweis ist über die Bessel-Funktionen möglich.

Es soll erwähnt werden, dass bei dieser Platte die geometrischen Ablastverzerrungen bei der Aufzeichnung kompensiert worden sind. Die Aufzeichnung einer Pegelstufe mit nicht kompensiertem Signal ermöglicht einen sehr guten Vergleich zwischen alter und neuer Technik.

Übersprech - Mess -Schallplatte DIN 45 543

Die Platte mit den Aufzeichnungen von Festfrequenzen im Bereich von 30 Hz bis 16 kHz links und rechts (Seite A beziehungsweise B) ermöglicht die Ermittlung der Übersprechdämpfung in Abhängigkeit von der Frequenz. Es ist zweckmässig, die Messungen selektiv zum Beispiel über ein Terzfilter durchzuführen, um Störeinflüsse durch Rumpeln oder Rauschen auszuschalten.

Optimale Ergebnisse können nur mit einwandfreien, nicht verzogenen Platten erreicht werden (Kontrolle, ob die Übersprechdämpfung beim 1-kHz-Pegeltonteil auf den Seiten A und B gleich ist). Die bedingt durch Winkelabweichungen der vorgeschriebenen Aufzeichnungskomponenten. vorhandenen Eigenfehler müssen noch die Möglichkeit in der Praxis geben, im mittleren Frequenzbereich übersprechdämpfungen von mindestens 30 dB zu messen.

Rumpel-Mess-Schallplatte DIN 45544

Diese Platte hat zur Ermittlung von Rumpel-Fremd- und -Geräuschspannung neben dem Bezugspegel für die Kanäle links und rechts sowie in Tief enund Seitenschrift Leerrillen. Wie in DIN 45539 festgelegt, werden die Messungen bei betriebsmässiger Entzerrung über Bewertungsfilter mit einem VU-Meter als Messinstrument durchgeführt.

Da die Rumpel-Fremdspannung linear von 10 bis 315Hz, oberhalb 315Hz, mit einem Abfall von 12 dBlOktave im Frequenzgang gemessen wird, die Rumpel-Geräuschspannung aber in der Bewertungskurve auch unter 315 Hz einen Abfall voll 12 dB/Oktave hat wählte man für den Bezugspegel eine Frequenz von 315 Hz mit einer Schnelle von 5,42 cm/s [13). Dies entspricht nach der Schneidkennlinie einem Wert von 10 cm/s bei 1 kHz.

Spezialuntersuchungen zeigten, dass es möglich ist, mit serienmässig gepressten Platten (mechanisch einwandfreie Exemplare vorausgesetzt) Rumpel-Fremdspannungsabstände von mehr als 55 dB zu messen! Hierzu ist es erforderlich, die Platte an ihren besten Stellen mehrfach abzuspielen (unter Umständen nass) und dazwischen den Abtastdiamanten jeweils zu reinigen. Ebenso sollte generell jegliche Störung von aussen her an das Laufwerk während der Messung unterdrückt werden.

Gleichlauf-Mess-Schallplatte Din 45545

Die Platte dient zur Ermittlung von Tonhöhenschwankungen. Sie hat eine aufgezeichnete Frequenz von 3150 Hz. Die Auswertung geschieht mit einem Messgerät für Frequenzschwankungen nach DIN 45507 (zum Beispiel EMT 420 A).

Die Platte hat aussen eine konzentrische Justierrille, mit deren Hilfe sie in bezug auf ihre Exzentrizität ausgerichtet werden kann. Der durch fabrikatorische Einflüsse bedingte Eigenfehler der gepressten Serienplatte kann ± 0,06% bewertet betragen. Für Messungen an Spitzenlaufwerken müssen deshalb unter Umständen einzeln geschnittene Lackfolien verwendet werden.

Es ist zweckmässig, die Messergebnisse gleichzeitig über an das Messgerät angeschlossene Schreiber zu registrieren. Dadurch hat man für Reparatur oder Service-Zwecke eine Möglichkeit zur Analyse beziehungsweise einen Vergleich zu früheren Ergebnissen.

Spezial-Mess-Schallplatten

Neben den zuvor beschriebenen DIN-Platten gibt es selbstverständlich für die gleichen Zwecke nach andere Platten, die aber durchaus wegen der oben genannten Gründe unterschiedliche Ergebnisse liefern können.

Mehr Information erhalten Sie hier:

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