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Füllschrift (Füllschriftverfahren) bei Schallplatten



Mit dem Füllschrift Verfahren passte mehr Musik auf die Schallplatte. Wie funktionierte dass? Vereinfacht: Die Rillen rücken enger zusammen, was die Spielzeit einer Schallplatte erhöht. Dieses Verfahren wurde ab 1950 auch noch bei Schellackplatten angewendet. Dadurch wurde eine 30cm Schellackplatte schon fast zur Langspielplatte - aber auch LPs aus Vinyl profitierten von diesem Verfahren

Maximale Spielzeit von Schallplatten (in Minuten) ohne und mit Füllschrift
78rpm
25cm
78rpm
30cm
45rpm
17cm
33 ⅓
25cm
33 ⅓
30cm
ohne 3,5 Minohne 5 Minohne 5,5 Minohne 15,5 Minohne 22 Min
mit 7 Minmit 9,5 Minmit 9 Minmit 26 Minmit 40 Min
(Die Zeitangaben sind Durchschnittswerte und können, je nach Dynamik, abweichen)


Was sich zunächst einfach anhört, stellte die Entwickler und Techniker in der Praxis vor viele Schwierigkeiten. Entwickelt von Eduard Rhein (Telefunken) ab den 1940er Jahren, kamen die ersten Füllschrift Schallplatten 1950 auf den Markt.

Bevor das Füllschrift Verfahren genauer Betrachtet wird, muss zunächst der Begriff Vorschub geklärt werden:



Der Motor M1 dreht bei der Aufnahme einer Schallplatte den Plattenteller mit der Wachs oder Lackmatrize. Der Motor M2 dreht ein Gewinde - die Vorschubwelle. Diese "zieht" kontinuierlich den Plattenteller unter dem Schneidekopf nach innen. Durch diesen Vorschub ergeben sich die Rillen, bzw. der Abstand der Rillen zueinander beim Schneiden der Matrize. Je langsamer der Vorschub ist, also sich die Vorschubwelle dreht, umso enger liegen die Rillen beieinander. Dreht sich die Vorschubwelle schneller, rücken die Rillen weiter auseinander. Dabei macht es keinen Unterschied ob die Vorschubwelle den Plattenteller (oben) oder, wie hier rechts, den Schneidekopf bewegt.


(Angaben in mm)
Typische Größenverhältnisse von Rillen bei einer Schallplatte mit 78rpm um 1949


Der Abstand zwischen den Rillen war immer gleich, also mit konstantem, gleichmäßigem Vorschub geschnitten. Vereinfacht gesagt: Eine „laute Rille“, also eine laute Stelle in der Aufnahme, braucht mehr Platz, da die seitliche Auslenkung der Rille größer wird. Also musste der Abstand aller Rillen zueinander so breit sein, dass auch bei einer sehr lauten Stelle nicht die Gefahr bestand, dass diese „laute Rille“ in die danebenliegende schneidet. Anders ausgedrückt, Der Abstand der Rillen zueinander war durch den konstanten Vorschub so breit, als ob alles „laute Rillen“ seien – selbst wenn es „leise Rillen“ waren. Dadurch wurde sehr viel Platz und somit auch Aufnahmezeit auf einer Plattenseite verschenkt.

Dies mal am Beispiel der Sinfonie in h-Moll (Die Unvollendete) von Franz Schubert. Die Komposition spielt sich zu etwa 80% im leiseren Bereich ab. Bei etwa 20% ist jedoch volle Aussteuerung (Lautstärke) gegeben. Dass sich die Rillen an den lauten Stellen nicht überschneiden (bei konstantem Vorschub), bekommen aber 80% der (leisen) Rillen genauso viel Platz, wie die 20% lauten Musikstellen.


Genau hier setzt das Füllschriftverfahren an. Der Vorschub ist nicht mehr konstant, sondern passt sich der Lautstärke des Musikstückes an. Bei leisen Musikstellen läuft der Vorschub langsamer – die Rillen liegen enger beieinander. Kommt nun eine laute Passage, „erkennt“ das Aufnahmesystem dies und erhöht den Vorschub – die Abstände (Stege) zwischen den Rillen werden größer, die „lauten Rillen“ erhalten punktuell den Platz der benötigt wird. Fällt die Lautstärke wieder ab, können die „leisen Rillen“ wieder enger zusammen rücken – der Vorschub wird verlangsamt. Diese veränderliche Vorschubregelung passt sich beim Schnitt der Schallplatte automatisch an.




Dies funktioniert jedoch nur mit einem Zwischenschnittverfahren. Das Musikstück wird zunächst auf Tonband aufgenommen. Beim Schnitt der Schallplatte wird das Tonband mit zwei Tonköpfen abgetastet. Tonkopf 1 "analysiert" die kommende Lautstärke und gibt über die Steuereinheit die Signale an den Vorschubmotor. Dieser regelt dann die Vorschubwelle je nach Lautstärke langsamer oder schneller; sorgt also dafür ob die Rillen enger oder weiter zueinander liegen. Die Speichereinheit "puffert" die Signale um sie zum richtigen Moment an den Vorschub weiterzugeben. Dieses "Gedächtnis" war im Grunde ein früher Computer in Röhrentechnik!

Dazu ein Fachartikel aus dem Jahr 1953:

Füllschrift - Schallplatten
(1953)


Bis vor wenigen Jahren wurden die Schallplatten insofern durchweg verschwenderisch geschnitten, als man für die Schallrille eine Spirale gleichbleibender Steigung vorsah. Man hielt den mittleren Abstand zwischen je zwei aufeinander folgenden Rillenumläufen konstant. Dieser Abstand musste natürlich so groß sein, dass zwei benachbarte Rillen auch bei höchstmöglichen Rillenauslenkungen (Abb. 1) noch nicht ineinander geschnitten wurden.


Abb.1: Hier wird veranschaulicht, was unter dem Begriff "Rillen-Auslenkung" zu verstehen ist.

Da mit dem Auftreten größter Auslenkung über zwei aufeinander folgende Rillenumläufe gerechnet werden muss, und da hierbei möglicherweise zwei solche Auslenkungen gegeneinander verlaufen können (Abb. 2), musste der Abstand zwischen den Rillenumläufen größer sein als die Summe aus der Rillenbreite und dem Doppelten der größtmöglichen Auslenkung.


Abb.2: Gegenläufige Auslenkungen. Der Rillenabstand muss jeweils so groß sein, dass kein Überschneiden der Rillen vorkommen kann.

Größte Auslenkungen aber treten nur verhältnismäßig selten und meist auch nur kurzzeitig auf. Außerdem fallen die Auslenkungen nur zufällig einmal derart zusammen, wie das Abb. 2 veranschaulicht. So waren zwischen den einzelnen Rillenumläufen Abstände nötig, die höchstens kurzzeitig voll ausgenutzt wurden. Hiermit verschenkte man auf der Rillenfläche (Abb. 3) viel Platz. Man hatte demgemäß die Rillenfläche und damit den Plattendurchmesser im Vergleich zur Rillenbreite, zur größten Auslenkung und zur Spieldauer reichlich groß zu wählen.


Abb.3: Zur Erklärung des Begriffs "Rillenfläche"

Erster Schritt zur Sparsamkeit
1929 meldete die Columbia Graphophone Company, London, mit Priorität von 1928 in Erkenntnis dieser Sachlage ein Patent an. In dieser Patentanmeldung wurde dargetan, dass es zweckmäßig sei, den mittleren Abstand benachbarter Rillenumläufe der jeweiligen Größe der Auslenkungen anzupassen, um so an Rillenfläche zu sparen. Das Patent wurde unter Nr. 572 527 im März 1933 bekanntgemacht und einige Zeit später fallen gelassen. Seltsamerweise nutzten damals weder Columbia noch andere Schallplattenfabriken die in dem genannten Patent niedergelegten Gedanken aus. Sie schnitten ihre Platten weiterhin so, wie sie das von früher her gewohnt waren.


Der Weg in die Praxis
Zum Ausnutzen der Erfindung bedurfte es offenbar eines besonderen Anstoßes. Diesen gab wohl Eduard Rhein, der an das Problem des möglichst sparsamen Verwertens der Rillenfläche mit besonderer Gründlichkeit heranging. 1942 versuchte er erstmalig, seine Erfindung zu verwerten. Hierdurch lenkte er die Aufmerksamkeit auf das Grundproblem. Es dürfte anzunehmen sein, dass damit das Ausnutzen der im Columbia-Patent niedergelegten Gedanken nach dem letzten Krieg zusammenhängt.

In ihren Zielen unterschieden sich die Gedankengänge von Columbia und Rhein grundsätzlich nicht. Während jedoch Columbia schon vor Erreichen des Endzieles stehenblieb, ging Rhein den Weg zu Ende. So ergibt sein Verfahren — wie weiter unten ausgeführt — besonders große Ersparnisse an Rillenfläche.

Die Methode aber, nach der das Verfahren von Rhein arbeitet, unterscheidet sich von der durch Columbia bekanntgegebenen Aufgabenlösung prinzipiell, wenn auch die nach beiden Verfahren geschnittenen Platten einander ähnlich sehen.

Die gedrängte Rillenanordnung im Sinne des Columbia-Patentes
Um eine Steuerung des mittleren Rillenabstandes abhängig von den Auslenkungen der Rille zu erreichen, arbeitet man mit zwei Abnahmeköpfen, von denen — je über einen Verstärker — der erste die Steuerspannung liefert, während der zweite den Schneidkopf speist. Die Abnahme der beiden Spannungen muss so geschehen, dass dieselbe Stelle der Darbietung (bzw. des aufgezeichneten Schalles) eine gewisse Zeitspanne früher an den Regelkopf kommt als an den Kopf, der die Schneidspannung liefert.


Abb.4: Schema der Anlage nach dem Columbia Patent

Das Columbia Patent von 1928 als:




Abb. 4 zeigt das für den heute üblichen Fall, dass die Schallplatte von einem Magnettonband geschnitten wird. Wir sehen dort die beiden Abnahmeköpfe, die zugehörigen beiden Verstärker, die Beeinflussungsvorrichtung für den Schneidkopf-Vorschub, diesen selbst, den Plattenteiler mit seinem Antrieb und die Platte. Das hiermit angedeutete Verfahren ermöglicht erhebliche Ersparnisse an Rillenfläche. Es gestattet aber nicht, diese Fläche voll auszunutzen.

Da die Apparatur nicht weiß, ob die großen Auslenkungen nur kurz oder länger andauern, muss sie sich darauf einrichten, dass die großen Auslenkungen über einen Rillenumlauf hinausgehen. Das bedeutet, dass die Verlagerung oder die Steigungsänderung nicht nur auf den einfachen Wert der großen Auslenkung, sondern auf deren doppelten Wert hin bemessen werden müssen.

Außerdem ist es nicht möglich, nach Aufhören der großen Auslenkungen sofort wieder auf den kleineren Rillenabstand zurückgehen, weil sonst die nächste Rille die vorhergehende Rille an Stellen großer Auslenkung überschneiden würde. Das aber muss auf alle Fälle vermieden werden.

In beidem liegt eine gewisse Verschwendung. Diese fällt um so stärker ins Gewicht, je langsamer die Platte umläuft. Halbe Umlaufgeschwindigkeit verdoppelt die so vergeudeten Flächen. Demgemäß ist es klar, dass das Einsparen dieser Flächen für die Platten zu 45 und 33 ⅓ U/min noch wichtiger wird als für die Platten zu 78 U/min.

Die Besonderheit des Rheinschen Verfahrens
Das Columbia-Verfahren ist lediglich auf die Anpassung an die Größe der Auslenkungen des jeweils neu zu schneidenden Rillenteiles ausgerichtet: Die mittlere Lage dieses Rillenteiles muss so eingeregelt werden, dass auf alle Fälle kein Überschneiden mit der vorhergehenden Rille stattfindet.

Beim Rheinschen Verfahren wird der Vorschub des Schneidkopf es sowohl durch die Auslenkungen des zu schneidenden Rillenabschnittes als auch durch die Lage der vorhergehenden Rille beeinflusst. Das macht es möglich, den mittleren Rillenabstand dem jeweiligen Platzbedarf genau anzupassen. Hier braucht der große Rillenabstand nach Rückgang der Auslenkungen nicht über eine Umdrehung beibehalten zu werden. Auch ist es hier nicht notwendig, von vornherein in Rechnung zu stellen, dass die großen Auslenkungen möglicherweise länger andauern als es einem Plattenumlauf entspricht.

Die einzigen Einschränkungen, die beim Rheinschen Verfahren einem völligen Ausnutzen der Rillenfläche entgegenstehen sind prinzipieller Natur. Sie lassen sich durch keinen noch so klug erdachten Trick vermeiden. Überdies ist ihr Einfluss auf den Grad der Ausnutzung der Rillenfläche gering. Es handelt sich um folgendes: Die Änderung des mittleren Rillenabstandes darf nicht beliebig schnell vorgenommen werden, weil sich sonst Einflüsse auf die Wiedergabe einstellen würden. Außerdem muss eine gewisse Stegbreite bei größeren Rillenauslenkungen bleiben, damit der Steg eine hinreichende Festigkeit behält.

Abb.5: Rillen mit konstantem mittlerem Abstand nach dem bisherigen Aufzeichnungsverfahren.

Die Einsparungen. die sich mit dem Rheinschen Verfahren ergeben, werden durch den Vergleich der Abb. 5 mit 6 veranschaulicht. In Abb. 5 sind Rillen zu sehen, deren gegenseitige Lage dem bisherigen Verfahren (konstanter mittlerer Rillenabstand) entspricht. Abb. 6 enthält die gleichen Rillen, jedoch in Füllschriftanordnung. In Wirklichkeit ist die Ersparnis größer, als es der Vergleich der beiden Bilder vermuten lässt. Das rührt daher, dass in den Bildern ein hoher Prozentsatz großer Auslenkungen vorkommt.


Abb.6: Rillen nach dem Rheinschen Füllschriftverfahren angeordnet.

Füllschrift und Verringerung des Störpegels
Nach dem Kriege hat die Schallplattenindustrie erhebliche erfolgreiche Anstrengungen gemacht um das Plattenrauschen und das noch unangenehmere Knistern zu vermindern. Auch für Schellackplatten erreichte man dabei gute Ergebnisse. Insbesondere gelang es aber, die Nebengeräusche für die Schmalrillenplatten erstaunlich weit herabzusetzen. Hiermit er-wuchs die Möglichkeit die Lautstarke für die ganz leisen Stellen der Darbietung geringer zu halten als zuvor. Mit anderen Worten: Man konnte den Dynamikbereich nach unten hin erweitern. Das gab für die leisen Stellen schwächer ausgesteuerte Rillen.

Diese Tatsache ließ sich für das Füllschriftverfahren verwerten: Durch die damit grundsätzlich zu erreichende Steuerung des Rillenverlaufes kann man die schwach ausgesteuerten Rillen nun fast ohne zwischen-liegenden Steg schneiden. Bisher wurde auch bei variabler Rillensteigung ein gewisser Steg für ganz schwach ausgelenkte Rillen als unbedingt erforderlich gehalten. Abb. 7 zeigt die gleichen Rillen, die in den Abb. 5 und 6 dargestellt sind, mit ganz eng aneinander-liegenden, kaum aus-gesteuerten Rillen.


Abb.7: Rillenanordnung gemäß Füllschrift mit fehlendem Steg für kleinste Aussteuerung.


Die Apparatur
Bei der Rheinschen Füllschrift handelt es sich darum, den Verlauf der jeweils neu zu schneidenden Rille möglichst dicht an den zuvor geschnittenen Rillenumlauf heran zuschieben. Dazu sind folgende Maßnahmen notwendig:
  • 1. Besonderes Aufzeichnen des letzten Rillenverlaufes so dass daraus die Lage der Rille an den Schneidkopf-Vorschub weitergegeben werden kann.

  • 2. Abnahme dieser Aufzeichnung zur Steuerung des Vorschubes.

  • 3. Abnahme der zu erwartenden Aussteuerung von dem Tonband, das die Modulation trägt, mit einem Abnahmekopf. der in entsprechendem Abstand vor dem eigentlichen Tonabnahmekopf liegt.


Abb.8: Prinzipschema der Anlage, wie sie für das Rheinsche Füllschriftverfahren benutzt wird.


Die aus 2 und 3 gewonnenen Spannungen müssen den Vorschub gemeinsam beeinflussen. Abb. 8 deutet das Schema der Anordnung an, wie sie heute von der Teldec (Telefunken-Decca) für das Schneiden der Füllschriftplatten benutzt wird. In Abb. 9 sehen wir die Vorschubeinrichtung, die oben den Schneidkopf und unten den Abnahmekopf für die zwecks Regelung besonders aufgezeichnete letzte Rille bewegt.


Abb.9: Gesamtansicht der für das Rheinsche Füllschriftverfahren verwendeten Vorschubeinrichtung.






Das Patent von Eduard Rhein bei der Telefunken auf das Füllschriftverfahren 1942:




Bereits um 1940 entwickelte die Telefunken eine eigene Langspielplatte, die (bei 78 Umdrehungen) auf einer 30cm Schellackplatte ebenfalls fast 9 Minuten spielte. Erreicht wurde dies durch eine flachere Rille und Reduzierung der Dynamik. Gemeinsam mit der späteren Füllschrift nach Rhein hatte dieser Vorläufer sehr schmale Stege zwischen den einzelnen Rillen. Dazu mehr unter:


Die Forschungsarbeiten von Eduard Rhein erfolgten überwiegend im privaten Laboratorium. Die Grundidee stellte er bereits 1941/42 der Telefunken vor. Nach Ende des Krieges investierte Rhein, nach eigenen Aussagen, nochmals 270.000.- DM in die Entwicklung des Füllschriftverfahren. Im Juli 1950 wurde die neue Technik der Öffentlichkeit präsentiert.

Variable Micrograde 78



Quasi zeitgleich stellte die Deutsche Grammophon ihr Füllschriftverfahren für Schallplatten mit 78 Umdrehungen vor - Variable Micrograde. Die Vorwürfe von Rhein, man habe sich bei seiner Idee bedient, stritt die Grammophon vehement ab. Vielmehr hätten auch sie "nur" das abgelaufene Patent der Columbia weiterentwickelt.


Tatsächlich war das Verfahren der Grammophon etwas simpler: Während bei der Füllschrift nach Rhein die Rillen nach einer lauten Stelle sofort wieder enger zusammen rückten, brauchte es bei dem Variable Micrograde Verfahren der Grammophon eine weitere Umdrehung, bis die Rillen wieder enger wurden. Entsprechend benötigte das elektronische "Gedächtnis", die Speichereinheit bei der Grammophon nur sieben Elektronenröhren - bei der Rheinschen Füllschrift waren es 56!

Die wichtigsten Patente der Grammophon zu Variable Micrograde 78:

grammophon_variable_micrograde_patente.pdf

Füllschriftplatten (78 Umdrehungen) sind mit der breiten Normalrille geschnitten wie sie bei den Schellackplatten dieser Zeit üblich war. Entsprechend sind sie auch mit einer Nadel für Schellackplatten abzuspielen. Theoretisch lassen sie sich auch auf einem Grammophon abspielen, wegen der größeren Lautstärke aber auch wegen dem weicheren Pressmaterial der 1950er Jahre sollte man darauf verzichten.


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