mini|Der Tonarm eines einfachen Plattenspielers Der Tonarm eines Plattenspielers dient zur Führung der an ihm montierten Tonabnehmernadel in der als Spirale mit Endkreis verlaufenden Rille einer Schallplatte und somit der Verbindung der mechanischen Tonabnehmerauslenkungen zur elektronischen Umsetzung in Schallwellen. Nach Auflegen der Platte auf den – in der Regel – waagrechten Plattenteller wird der Arm von einer Ablagestütze abgehoben und mit der Nadel von oben auf die Platte aufgesetzt. Das kann rein manuell mithilfe eines kleinen vom Tonarmkopf seitlich abstehenden Teils erfolgen, der mittels eines Fingers von unten angehoben und am Rillenanfang aufgesetzt wird, oft unter Mithilfe einer gedämpften Absenkautomatik, indem durch ein in Nähe der Drehachse angebrachter radiusförmiger Blechstreifen mit unterseitig kegelförmigen Senklöchern für die bis zu 3 Plattenformate (Single bis LP) die dadurch in dem von unten einrastenden Absenkstift jeweils einrasten können und anschließend nach Betätigung eines Hebels gedämpft absenken oder aber vollautomatisch, wozu auch das maschinelle Erkennen des Vorhandenseins einer aufgelegten Platte und ihres Durchmessers gehören kann.
Die herkömmliche und übliche Bauart wird Radialtonarm (vulgo einfach nur Tonarm) genannt, da der typisch 15–30 cm lange Arm während des Abspielens der Spiralrille um seine vertikale Lagerachse am rechten hinteren Ende des Chassis schwenkt und dabei wie der Kreisradius einen etwa bis 40° Winkel großen Kreissektor überstreicht.
Der erst ab etwa 1970 und viel seltener zu findende und nur wenige Zentimeter kurze Tangentialtonarm wird durch ein Lineargetriebe parallel verschoben, führt die Nadel dadurch beim Abspielen auf einem – auf den Plattenteller bezogenen – radialen Weg in Richtung Tellerdrehachse während der Arm selbst laufend die dazu rechtwinkelige Tangente im Auflagepunkt der Nadel nachzeichnet. Der Spurfehler (Winkelabweichung) des Tonkopfs gegenüber der Rille (ihre lokale Tangente) wird so im Prinzip vermieden, doch ist die Konstruktion deutlich aufwändiger.
Beide Armbauarten weisen am gelagerten Ende noch eine waagrechte Kippachse auf, die sowohl dem Auflegen und Abheben der Nadel am Beginn und Ende des Spiels als auch dem Heben und Senken der Nadel bei welligen Platten dient.
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.
Als Erfinder einer Vorläuferform des Tonarms bei Grammophonen gilt der Schallplattenindustrielle Carl Lindström.
Im seltenen Fall, dass ein Plattenspieler eine oder (automatisiert) mehrere auf 3 Haltenasen eines etwa axial 8 cm hoch vom Teller aufragenden Dorns übereinander erhöht gestapelte Platte(n) abspielen kann, wird eine zweite nach oben weisende Nadel von unten auf die Unterseite der untersten der hochgestapelten Platten aufgelegt.
Wie eine Umhängetasche tragbare sowie an die Wand hängbare Plattenspieler und manche in Musikboxen integrierte rotieren die Schallplatte um eine waagrechte Achse und legen die Nadel mit einem Tonarm von der Seite her an.
Spurwinkel und Spurfehlwinkel Der Spurwinkel ist, von oben gesehen, der Winkel zwischen dem Tonabnehmer (und darin der Nadel-Aufhängung und der Nadel) und der Rille.
Wenn der Spurwinkel nicht null ist, entstehen beim Abspielen Verzerrungen und er wird Spur-fehl-winkel genannt.
Radialtonarm mini|Detailaufnahme der Lagerung eines Radialtonarms mit Gegengewicht und Anti-Skating Gewicht Der Radialtonarm ist um eine senkrechte Achse drehend gelagert. Dadurch ändert sich der Spurwinkel von der äußeren Rille zur inneren. Die Lagerung eines – nur endlich langen – Radialtonarms führt prinzipbedingt dazu, dass der Tonabnehmer bei seinem Weg über die Platte keinen konstanten Spurwinkel zur Rille der Platte einnimmt. Dadurch entstehen beim Abspielen unterschiedlich starke Verzerrungen je nach Position des Tonabnehmers auf der Platte.
Einstellung und Messpunkte In der Praxis werden der Tonarm und der Tonabnehmer meist so eingestellt, dass der Tonabnehmer an zwei Positionen auf der Platte, den Nullpunkten, exakt tangential zur Rille steht. Dies wird durch den Nadelüberhang und die Kröpfung des Tonarms ermöglicht. An allen anderen Punkten entsteht ein mehr oder weniger großer Spurfehlwinkel.
Durch die Wahl der Nullpunkte können die durch den Spurfehlwinkel entstehenden Verzerrungen reduziert werden. Optimiert wird hierzu jedoch nicht der Spurfehlwinkel selbst, sondern ein gewichteter Spurfehlwinkel, der vom abgetasteten Radius abhängt.
Die Optimierung kann nach verschiedenen Kriterien erfolgen und ist immer bezogen auf den abzutastenden Bereich, für den es mehrere gebräuchliche Standards gibt (z. B. DIN 45 547, IEC98 oder JIS S8502-1973). International gebräuchlich sind der eigentlich veraltete Abtastbereich nach IEC98-1958 und RIAA-1963 (Außenradius 146,05 mm, Innenradius 60,325 mm) und die folgenden Geometrien:
Löfgren A (auch Baerwald): Der gewichtete Fehler am Ende, in der Mitte und am Anfang der Platte ist gleich hoch und minimiert. Die Nullpunkte liegen bei 66 und 120,9 mm.
Löfgren B: Das quadratische Mittel des gewichteten Fehlers wird minimiert. Dabei entstehen am schwierig abzutastenden Ende des abzutastenden Bereiches, der jedoch nur von wenigen Platten voll ausgereizt wird, ein größerer Fehler. Die Nullpunkte liegen bei 70,3 und 116,6 mm
Stevenson: Der innere Nullpunkt wird auf das schwierig abzutastende Ende Abtastbereichs gelegt. Die beiden Fehlermaxima am Anfang und in der Mitte der Platte werden minimiert. Die Nullpunkte liegen bei 60,325 und 117,4 mm.
Wird für andere Abtastbereiche nach Löfgren A, Löfgren B oder Stevenson optimiert, ergeben sich entsprechend andere Nullpunkte.
Im deutschsprachigen Raum verbreitet ist auch die Geometrie nach Walter E. Schön, die für den Abtastbereich nach DIN IEC98 berechnet wurde. Hier wird nicht der gewichteten Fehler selbst minimiert, sondern zusätzlich den kaum zu vermeidenden Justagefehler des Kröpfungswinkels berücksichtigt. Für einen Justagefehler von ± 0,3° werden die Nullpunkte 62,5 und 117,2 mm genannt (Abstand von der Tellerachs-Mitte), für einen Fehler von ± 1° liegen sie bei 61,15 und 111,65 mm.
Zur Einstellung dieser Geometrien werden Justageschablonen verwendet. Die größte Verbreitung haben universell einsetzbare Schablonen mit zwei Nullpunkten. Damit werden Überhang und Kröpfungswinkel gleichzeitig eingestellt. Zunächst wird der Tonabnehmer dazu auf einem der Nullpunkte ausgerichtet. Wenn auf dem zweiten Nullpunkt die Ausrichtung nicht genau stimmt, muss der Überhang angepasst werden. Erst wenn der Tonabnehmer auf beiden Punkten absolut gerade ausgerichtet ist, ist der richtige Überhang erreicht.
Einfacher zu handhabende Schablonen mit Überhangbogen müssen speziell für den jeweiligen Tonarm erstellt werden, da der Durchmesser des Überhangbogens vom Montageabstand (Tellerachse/Tonarmdrehpunkt) abhängig ist. Bei diesen Schablonen wird zuerst der Überhang eingestellt. Erst wenn die Nadel dem Bogen auf ganzer Linie folgen kann, stellt man den Kröpfungswinkel ein.
Gerade Tonarme ohne Nadelüberhang haben nur einen Nullpunkt. Im Verlauf der Plattenseite kommt es so zwangsläufig zu sehr hohen Verzerrungen. Solche Tonarme findet man im Hi-Fi-Bereich eher selten. Für DJ-Anwendungen gibt es solche Tonarme häufiger.
Kompensationstonarm Eine Variante der Radialtonarme stellen Kompensationsarme dar, bei welchen zusätzlich der Tonarm-Kopf und somit der Tonabnehmer um eine senkrechte Achse 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 mini|Revox B 790 mit Tangentialtonarm mini|Bewegungsablauf Tangentialtonarm
Der Tangentialtonarm 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.
Mit Servomotor 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).
Mit minimierter Reibung 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 eine Krümmung (Kröpfung) des Tonarms auf ein relativ kleines Intervall (ca. ±2°) reduziert werden, die Skating-Kraft wird davon jedoch nicht berührt.
mini|Kräfteverteilung beim Skatingeffekt nach Alexandrovich, “New approach to tone arm design”, Audio Engineering Society preprint 149 (1960)
Der reale Tonarm samt Kröpfung kann zur Betrachtung der Kräfte auf einen gedachten Tonarm reduziert werden. Durch die Reibung zwischen Plattenrille und Tonabnehmernadel wirkt zunächst eine zur Plattenrille tangentiale Kraft FR. Diese kann der gedachte Tonarm durch zwei senkrecht aufeinander stehende Kräfte aufnehmen, nämlich der Reaktionskraft Fr in Richtung des gedachten Tonarms und die Skating-Kraft Fs. Aus den beiden unterschiedlichen Stellungen des Tonarms zum Beginn und zum Ende der Schallplatte 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 oben genannte Reibungskraft FR ist u. a. abhängig von der Nadelform und von der Auflagekraft, weshalb man üblicherweise die Antiskatingkraft nach einer Skala der Auflagekraft einstellt.