Audio Magnetische Aufzeichnungswege

Referat zum Thema "Audio Magnetische Aufzeichnungswege"




Vorwort zum Referat:

Mit meinem Referat zum Thema "Audio Magnetische Aufzeichnungswege" möchte ich in erster Linie zeigen, wie die magnetische Aufzeichnung von Tonmaterial (Schallwellen) vor sich geht. Des weiteren soll geklärt werden, in welchen Anwendungsbereichen die Magnet(ton)technik auch heute noch (im Zeitalter der Digitalität) zum Einsatz kommt. Außerdem möchte ich auch noch auf die zusätzlichen Probleme hinweisen, die bei diesen Verfahrensweisen auftreten.



Inhaltsverzeichnis:

Das Magnettonverfahren Die Geschichte des Magnettonverfahrens Grundlagen zum Magnettonverfahren Grundlagen zur magnetischen Aufzeichnung Die Magnetisierungskurve (Hystereseschleife) Die Entmagnetisierung Die Remanenzkurve Theorie der magnetischen Schallaufzeichnung Grundprinzip und Schriftarten Der Löschvorgang Der Aufzeichnungsvorgang Aufzeichnungsverluste Die Kopierdämpfung (Kopiereffekt) Der Abtastvorgang Komponenten der Magnettontechnik Die Tonträger Die Magnetköpfe Die Magnettonlaufwerke Magnetton - Verstärker bzw. - Entzerrer Das Dolby - System

Das Magnetbandverfahren Die Geschichte des Magnetbandverfahrens Grundlagen zum Magnetbandverfahren Grundlagen zur Digitaltechnik Grundlagen zum Speicherverfahren und ihre Anwendung Vor - und Nachteile des Magnetbandverfahrens gegenüber dem Magnettonverfahren

sonstige Magnetaufzeichnungswege Das Hard - Disk Recording Die Magneto - Optische Disk / MOD Das MiniDisc - System

Einleitung:

Unter dem Begriff "Audio Magnetische Aufzeichnungswege" versteht man eigentlich zwei große Bereiche. Zum einen wäre da das "Magnettonverfahren" bei dem die Schallinformationen analog aufgezeichnet werden und zum andern wäre da das "Magnetbandverfahren", bei dem die Schallwellen zunächst digitalisiert werden und später dann in Form von digitalen Einheiten (Bits) analog gespeichert werden.
Auf der Basis des Magnetbandverfahrens sind gerade in heutiger Zeit neue digitale Geräte entstanden, die bessere Qualität und eine einfachere Handhabung versprechen. Dazu wäre unter anderem das Magneto - Optische Verfahren sowie das Hard - Disk Recording zu nennen, was dem Speicherverfahren einer Festplatte entspricht.

Das Magnettonverfahren

Die Geschichte des Magnettonverfahrens

Das Magnettonverfahren wurde im Jahre 1898 von Poulsen erfunden. Es ermöglichte gegenüber anderen Verfahren (z.B. Nadeltonverfahren, Lichttonverfahren) eine Tonaufzeichnung mit geringem Qualitätsverlust.
Die Möglichkeit der Löschung und Wiederverwendung des Tonträgers, sowie der sofortigen Wiederbespielbarkeit und nicht zuletzt auch die Cutfähigkeit der Magnettonbänder führte dazu, dass sich das Magnettonverfahren vor allem im Studiobetrieb durchsetzte.

Grundlagen zum Magnettonverfahren

Die Schallenergie, die man bekanntlich nicht direkt aufzeichnen kann, liegt nach einer Umwandlung durch Schallwandler[1] zunächst ausschließlich in elektrischer Energie vor. Es liegt daher nahe diese Energie direkt zu speichern. Da sich jedoch elektrische Ladungsträger über einen größeren Zeitraum kaum konstantbleibend ortsgebunden anordnen lassen[2], muss man die elektrische erst in magnetische Energie umwandeln, so dass man sie direkt zur Speicherung verwenden kann. Dabei muss man darauf achten, dass die Bandlaufgeschwindigkeit schnell genug ist um die gewünschte Wellenlänge (fast) exakt aufzuzeichnen.
Die aufgezeichnete Wellenlänge ergibt sich aus dem Quotient von Bandlaufgeschwindigkeit und Frequenz der Welle. Aber dazu kommen wir später noch einmal.

Grundlagen zur magnetischen Aufzeichnung

Der Magnetismus kann in drei verschiedenen Formen auftreten: Zum einen wäre da der Diamagnetismus, der auch bei Aufhebung aller Spin - und Bahnmomente (die ja bekanntlich für den Magnetismus zuständig sind) innerhalb eines Atoms vorhanden ist, des weiteren wäre da der Paramagnetismus, der aufgrund von nicht vollständigem Aufheben restlicher magnetischer Momente entsteht, sich aber global betrachtet (nach außen hin) wieder aufhebt. Durch Einwirkung eines fremden, stetig steigenden Magnetfeldes richten sich die statisch verteilten magnetischen Momente in Richtung des einwirkenden Feldes aus. Den Grad vollständiger Ausrichtung nennt man Sättigung.
Dia - und Paramagnetismen sind zur Speicherung von magnetischer Energie weitgehend ungeeignet, da sie sehr schwach sind und sich schnell wieder neutralisieren.
Letztendlich ist da noch die dritte Form des Magnetismus zu erwähnen: den Ferromagnetismus.
Diese Form ist dem Paramagnetismus sehr ähnlich. Auch hier richten sich kleine Bereiche eines Mediums aus, jedoch geschieht dies selbständig durch quantenmechanische Austauschkräfte. Derartige, bis zur Sättigung ausgerichtete Atomgruppen (Elementarbereiche) bezeichnet man als Weiß’sche Bezirke[3]. Ein Dauermagnet besteht aus einer Vielzahl solcher (gleichgerichteter) Weiß’sche Bezirke. Ein ferromagnetischer Stoff wird neutral bezeichnet, wenn die Elementarmagnete nicht ausgerichtet sind.
Zur Speicherung magnetischer Energie verwendet man, besonders auch aufgrund der leichten Ausrichtung der Elementarmagneten, den Ferromagnetismus.

Die Magnetisierungskurve (Hystereseschleife)

Um einen neutralen ferromagnetischen Stoff zu magnetisieren (also die Elementarmagnete auszurichten) muss man ein stetig zunehmendes magnetisches Feld anlegen. Die Magnetisierungskurve der Elementarmagneten bezeichnet man als Neukurve. Bei entsprechend großer Feldstärke stellt sich ein Sättigungscharackter ein, das heißt, dass die Magnetisierung bei Erhöhung der Feldstärke kaum noch zunimmt.


Kehrt man nun das einwirkende Magnetfeld jeweils beim Erreichen des Sättigungscharackters um, so erhält man die Hystereseschleife (siehe rechts). Hierbei verläuft der Magnetisierungsvorgang in drei verschiedenen Zonen ab.
In der ersten Zone (also zu Beginn der Magnetisierung) verläuft das "Umklappen" der Weiß’schen Bezirke noch reversible, so dass beim Aufhören der Feldeinwirkung das Material wieder seinen Ausgangszustand annimmt.
In der anschließenden zweiten Zone klappt der Magnetisierungsvektor, also die Richtung der Elementarmagneten eines Stoffes, fast sprunghaft in die Richtung des Fremdfeldes. Dabei ist eine von der Richtungsdifferenz zwischen ursprünglichem Magnetisierungsvektor und Fremdfeldvektor abhängige Umschlags - energie aufzubringen. Diese ist bei jedem Teilchen verschieden hoch. Dies hat zur Folge, dass die Elementarmagneten mit zunehmender Feldstärke erst nacheinander umklappen. Jene Sprünge werden als Barkhausensprünge bezeichnet. Bei einer Verminderung der Feldstärke verschwindet nur der reversible Anteil der Magnetisierung. Die anderen Elementarmagneten können die Umschlagsenergie nicht von selbst aufbringen, die für das Erreichen der Ausgangslage[4] notwendig wäre. Es bleibt also eine remanente Magnetisierung bestehen.
Steigt die Feldstärke des einwirkenden Feldes bis zur Sättigungsfeldstärke weiter an (Zone 3), so stellt sich dementsprechend auch die Sättigungsmagnetisierung ein, wobei fast nur noch Weiß’sche Bezirke existieren, deren Magnetisierungsvektor in Feldrichtung weisen. Verschwindet die Sättigungsfeldstärke, so geht die Magnetisierung auf den irreversiblen Anteil zurück und es stellt sich eine remanente Grenzmagnetisierung ein.
Der Wert der Feldstärke bei den Nullstellen der Hystereseschleife, also an der Stelle an der die remanente Magnetisierung verschwindet, nennt man die Koerzitivkraft[5]. Diese ist bei hartmagnetischen Werkstoffen relativ groß, wodurch diese nicht so leicht von äußeren Feldern entmagnetisiert werden können. Diese Stoffe eignen sich folglich auch gut für dauerhafte Speicherung.

Die Entmagnetisierung

Die Form der Hystereseschleife unterscheidet sich nicht ausschließlich durch den verwendeten Werkstoff, sie hängt auch noch mit der Art der Magnetisierung zusammen. So ist es durchaus wichtig, ob eine Kurve an einer durch einen Luftspalt getrennten ringförmigen oder einer stabförmigen ferromagnetischen Probe ermittelt wurde. Der Unterschied ergibt sich durch die freien magnetischen Pole, die eine Entmagnetisierung (Scherung) bewirken. Die Größe der Endmagnetisierungsfeldstärke hängt von den Abmessungen, also der Form und der Magnetisierung der Probe ab. Die Scherung einer Hystereseschleife bewirkt eine Herabsetzung der Magnetisierung.
Das Bild auf der linken Seite zeigt die Scherung einer Hystereseschleife an der Entmagnetisierungsgerade.

Die Remanenzkurve

Für den Vorgang der Schallaufzeichnung auf einen Tonträger ist die Remanenz[6] (zurückbleibende, remanente Induktion) von großer Bedeutung. Sie tritt dann in Erscheinung, wenn die Probe das magnetische Feld verlassen hat.
Eine Remanenzkurve lässt sich aus einer Magnetisierungskurve (Hystereseschleife, siehe 1.2.2) ermitteln, indem man die zu einer einwirkenden Feldstärke gehörende remanente Induktion, die sich mit verschiedener Feldstärke über einem Magnetisierungsast einstellt, in Abhängigkeit von der Feldstärke aufträgt (siehe Abbildung rechts).

Theorie der magnetischen Schallaufzeichnung

Zur magnetischen Schallspeicherung gehören die Vorgänge der Aufzeichnung, Abtastung und Löschung. Bevor jedoch darauf im Einzelnen eingegangen wird, soll zuvor das Grundprinzip des magnetischen Schallspeicherverfahrens in Verbindung mit den entstehenden Schriftarten angegeben werden.

Grundprinzip und Schriftarten

Beim Magnettonverfahren kann der Informationsgehalt auf verschiedene Arten auf dem Tonträger untergebracht werden. Diese unterschiedlichen Arten nennt man Schriftarten[7].


Es handelt sich hierbei um drei (bzw. zwei) verschiedene Typen: Die Längsmagnetisierung, die Quermagnetisierung in die Tiefe und die Quermagnetisierung in die Breite[8]. Es stellt sich heraus, dass die Längsmagnetisierung meist untrennbar mit der Quermagnetisierung in die Tiefe verknüpft sind, aber darauf kommen wir später noch mal zurück.
Der Informationsgehalt kann nun dadurch auf den Tonträger übertragen werden, dass ihm entweder eine in der Stärke signalabhängige Längsmagnetisierung (Intensitätsschrift) oder aber Zonen konstanter Magnetisierung, aber verschieden großer räumlicher Ausdehnung (Zackenschrift) zugeordnet werden.

Beim Aufzeichnungsvorgang der Längsmagnetisierung ,also der Intensitätsschrift, wird der im Rhythmus des Schallereignisses fließende Strom (siehe 1.2) durch eine Spule in einen sich ebenso ändernden magnetischen Fluß im Kern des Sprechkopfes (Aufnahmekopf) umgewandelt. Der meist als Ringkern ausgebildete Sprechkopfkern besitzt zunächst an der Stelle, an der er den vorbeiziehenden Tonträger berührt, einen Spalt. Dieser ist mit einem nichtferromagnetischen Material (μ_rel ≈ 1) ausgestattet. Dies bedingt eine geringe Verschmutzung und eine geringe Ablagerung von abgeschliffenen magnetischen Teilchen des Tonträgers. Aufgrund der geringen Permeabilitätszahl des Spaltmaterials gehen die Magnetflußlinien bevorzugt durch den vorbeiziehenden Tonträger mit etwas höherer Permeabilität, der dadurch im Rhythmus des Schallereignisses magnetisiert wird. Somit findet eine magnetische Aufzeichnung des erregenden Schallsignals statt.
Am Beispiel einer aufzuzeichnenden periodischen Sinuswelle sieht dies nun wie folgt aus: Am Hochpunkt der Funktion finden wir eine starke Magnetisierung (Nordpol) vor, die durch einen starken Sprechstrom hervorgerufen wurde. Auch am Tiefpunkt der Funktion finden wir eine starke Magnetisierung vor, die jedoch eine andere Polung besitzt (Südpol). An den Nullstellen selber wird direkt keine Magnetisierung hervorgerufen.


Beim Abspielvorgang wird der Tonträger am Spalt eines als Hörkopf bezeichneten Abtastwandlers vorbeigezogen, der ähnlich wie der Sprechkopf aufgebaut ist[9]. Dabei wird auf den Hörkopf eine Spannung induziert, die proportional mit der Flußänderung ist, also sich im selben Rhythmus "bewegt".

Soll nun auf dem bereits bespielten Tonträger eine erneute Aufnahme erfolgen, so muss die alte Aufnahme zunächst gelöscht werden. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten, die alle darin bestehen den Tonträger einer großen Magnetisierung auszusetzen. Dazu kann man sowohl eine Löschdrossel benutzen, als auch abermals einen Kopf.
Beim ersten Modell (siehe 1.1) wurde ein einziger Kopf für alle drei Funktionen zeitlich versetzt benutzt. Diese Technik findet man auch heute noch in einfachen Geräten wieder. Bei hochwertigen Studiogeräten werden jedoch drei unterschiedliche Köpfe für Löschung, Aufnahme und Wiedergabe verwendet. Die versetzte Anordnung (ca. 0.1s) ermöglicht außerdem ein verspätetes Abhören nach der Aufnahme, so dass bei technischen Mängeln die Aufnahme sofort abgebrochen werden kann.

Der Löschvorgang

Für die Löschung einer Aufzeichnung kann sowohl ein Gleichfeld wie auch ein Wechselfeld verwendet werden. Um eine Entmagnetisierung durch ein Gleichfeld zu erreichen, muss man durch den Löschkopf einen Gleichstrom fließen lassen[10]. Die Verteilung des Gleichfeldes erfolgt nun nach einer sogenannten Glockenkurve. Die maximale Feldstärke des Gleichfeldes muss den Wert bei Sättigungsfeldstärke erreichen, so dass jedes ferromagnetische Teilchen des Tonträgers von einer beliebigen, vorher remanenten Induktion bis zur Sättigung magnetisiert wird. Nach Verlassen des Feldes besitzt der Tonträger in allen Teilen eine nahezu gleiche Magnetisierung: die Grenzremanenz. Dadurch ist die frühere Aufzeichnung beseitigt[11].
Verwendet man ein Wechselfeld, dass zum Beispiel von einer mit Wechselstrom gespeisten Löschdrossel erzeugt werden kann, und lässt man dieses Wechselfeld auf alle Teile eines Magnetbandwickels genügend stark einwirken, so wird der Tonträger zunächst bis zur Sättigung magnetisiert. Entfernt man die Löschdrossel langsam, so durchlaufen die magnetisierten Teilchen des Tonträgers immer kleiner werdende Hystereseschleifen bis zum entmagnetisierten Zustand. Der Tonträger ist danach entmagnetisiert und damit magnetisch neutral.
Sollen nur Teile eines Tonträgers gelöscht werden, was in der Praxis, insbesondere in der Tonstudiotechnik, oft der Fall ist, so ist die Anordnung eines besonderen Löschkopfes notwendig; er ist entsprechend der Bewegungsrichtung des Tonträgers dem Sprechkopf vorgelagert. Er wird von einem genügend großem Wechselstrom durchflossen, so dass der an seinem Spalt vorüberziehende Tonträger durch die starke auf ihn einwirkende Magnetisierung gesättigt bzw. entmagnetisiert wird.
Fließt durch die Wicklung des Löschkopfes ein Wechselstrom hoher Frequenz, so entsteht ein sogenanntes Löschwechselfeld, dessen Amplituden von der Glockenkurve als Hüllkurve begrenzt werden. Durchläuft ein Tonträger dieses Feld, so durcheilt jedes beliebige ferromagnetische Teilchen von einer bestimmten remanenten Induktion bis zur Grenzkurve ansteigende und danach wieder kleiner werdende Hystereseschleifen, bis keine Magnetisierung mehr vorhanden ist. Es zeigt sich, dass dieser Zustand nur durch ein genügend häufiges Ummagnetisieren mit immer kleiner werdender Feldamplitude erreicht werden kann. Es zeigt sich, dass diese Forderung einmal durch eine geringe Flankensteilheit der Feldverteilungskurve, als auch durch eine hohe Frequenz des Löschwechselstromes erfüllt werden[12].

Der Aufzeichnungsvorgang

Die Magnetisierung entsteht, wie schon vorher (siehe 1.3.1) erwähnt, dadurch, dass die aus dem Ringkern des Sprechkopfspaltes tretenden Magnetfeldlinien bevorzugt durch den Tonträger gehen und somit diesen magnetisieren. Da jedoch nicht die geraden Magnetfeldlinien durch den Tonträger gehen, sondern nur die äußeren (gebeugten) Linien, haben wir es mit einem inhomogenen Feld zu tun. Dies bewirkt, dass neben der gewünschten Längsmagnetisierung auch noch eine Quermagnetisierung in die Tiefe entsteht. Jener Effekt tritt verstärkt beim Weitertransport des Tonträgers an die Flanken des Magnetfeldes ein. Somit findet meist eine zunehmende Richtungsänderung zur Quermagnetisierung in die Tiefe statt.
Jetzt könnte man meinen, dass die remanente Magnetisierung vorwiegend quer gerichtet ist. Das trifft aber nicht zu. Die Ursache dafür liegt in der geringen Ausdehnung des Tonträgers in die Tiefe. Diese ist so gering, dass sich der Einfluß der Quermagnetisierung nur noch bei geringen Wellenlängen messen lässt[13]. Jedoch bewirkt die Quermagnetisierung auch noch eine zusätzlich nichtlineare Verzerrung, die sich aber mit geringer Schichtdicke und Permeabilität (des Tonträgers) sowie durch die Verwendung von Sprechköpfen mit Ringkernen auf ein Mindestmaß beschränken lässt. Bei nachfolgenden Betrachtungen kann deshalb die Quermagnetisierung vernachlässigt werden.

Zur näheren Betrachtung nehmen wir an, das die Wellenlänge im Vergleich zur Breite des Sprechkopfspaltes groß ist. Somit können wir den Aufzeichnungsvorgang als quasistationär auffassen[14]. Gleitet nun ein magnetisch neutraler Tonträger durch ein sich langsam, sinusförmig änderndes Feld, so erfahren die nacheinander das Feld passierenden Teilchen eine entsprechende Magnetisierung. Beim Verlassen des Bandes stellt sich eine Kurve ein, die in ihrer Größe durch die Remanenzkurve (siehe 1.2.4) verändert wurde. Sie weist eine starke Krümmung in der Nähe des Nulldurchganges und dem Scheitelpunkt auf. Dies bewirkt eine starke nichtlineare[15] Verzerrung und führt (aufgrund der Form) zu einer Anhebung der dritten Harmonischen[16].
Bei einer Wiederholung dieser Betrachtung, diesmal jedoch mit einem vorher gesättigtem Tonträger, so erhält man aufgrund der veränderten Remanenzkurve eine enorm verzerrte Welle, die noch stärker als bei neutral geladenen Tonträger ist. Eine wirksame Abhilfe kann nur durch vorherige Entmagnetisierung erreicht werden.

Zur Vormagnetisierung verwendet man in der Praxis meist hochfrequenten Wechselstrom (siehe 1.3.2). Bei der Neutralisierung wird der niederfrequente Sprechwechselstrom mit einem hochfrequenten Löschwechselstrom überlagert. Betrachtet man nun auch das Hochfrequenzwechselfeld als quasistationär, so werden beide Frequenzen aufgezeichnet. Dies trifft auch bei einem vorher unbespieltem Band zu.
Auch hierbei tritt die (oben schon angemerkte) nichtlineare Verzerrung durch die Remanenzkurve ein, jedoch bleibt die aufgezeichnete Niederfrequenz nahezu unverzerrt. Um eine weitgehende Linearisierung der Verzerrung zu erlangen, also das Schallsignal möglichst originalgetreu aufzuzeichnen, muss man den Klirrfaktor[17] möglichst gering halten ohne dabei eine große Änderung des Aussteuerungsbereiches mit zu beeinflussen.
Da man in der Praxis jedoch Tonträger mit verschiedenen Hystereseschleifen benutzt ist es schwer einen absolut optimalen Wert zu finden. Man hat sich deshalb auf einen Wert zwischen 80 und 120 kHz geeinigt. Diese hohe Frequenz bewirkt außerdem eine Unabhängigkeit zum niederfrequenten Sprechwechselstrom[18].
Es lässt sich experimentell zeigen, dass die hier unter den Voraussetzungen des quasistationären Feldes angestellten Betrachtungen mit den nichstationären Hochfrequenz - Feldes aus der Praxis identisch sind, auch wenn die Hochfrequenz kaum noch aufgezeichnet wird. Gerade dieses Fehlen bewirkt, dass das Modulationsrauschen
in den Sprechpausen nur noch auf ein Minimum reduziert wird.
In den bisherigen Betrachtungen haben wir stets einen engen Kontakt zwischen dem Tonträger und dem Sprechkopf vorausgesetzt. Da dies aber in der Praxis wegen der Oberflächenrauheit nicht möglich ist, tritt ein nicht zu vernachlässigender Verlust der Aufzeichnung ein. Dies ist damit zu begründen, dass die einwirkende Feldstärke mit zunehmendem Abstand abnimmt. Dummerweise geschieht dies wellenlängenabhängig, wodurch eine weitere Verzerrung hervorgerufen wird.
Des weiteren zeigt sich in der Praxis, dass man für ein das Sprechwechselfeld durchlaufendes Teilchen nur bei tiefen Frequenzen von einem quasistationärem Feld ausgehen kann. Bei genaueren Betrachtungen, die wir aber hier einmal außer Acht lassen wollen, stellt sich heraus, dass dieser Effekt sowohl von der Spaltbreite des Sprechkopfes als auch von der Permeabilität des Tonträgers abhängt.
Eine weitere Dämpfung der hohen Frequenzen findet außerdem noch durch die äußere Entmagnetisierung statt. Ihr Einfluß wird immer stärker, je größer der Querschnitt im Vergleich zur Länge ist[19].


1.3.4 Aufzeichnungsverluste

Beim Aufzeichnungsvorgang treten Störerscheinungen auf. Diese äußern sich in Form von Fremdspannungen, also einer Rauschspannung. Hervorgerufen werden diese sowohl von dem Aufsprechverstärker und dem Wiedergabeentzerrer als auch von der inhomogenen Schichtdicke des Tonträgers. Außerdem treten Störungen durch leichte Abstandsänderung des Tonträgers zum Sprechkopf auf[20].
Andere Aufzeichnungsverluste können außerdem durch eine Berührung mit magnetisieren Werkzeugen (z.B. (Magnet - )Schraubenzieher) oder aber auch durch Kontakt mit anderen magnetischen Feldern (z.B. Starkstromeinrichtungen) entstehen. Eine remanente Magnetisierung kann auch leicht durch eine starke, unsymmetrische Aufzeichnungsamplitude (Schaltstoß) hervorgerufen werden.

Auch nach der Aufzeichnung treten Verluste ein. So entsteht beispielsweise die Übersprechdämpfung durch Einflußnahme benachbarter Tonspuren[21] aufeinander. Diese ist leider auch frequenzabhängig und tritt ebenfalls verstärkt bei höheren Frequenzen auf. Bei den in der Praxis benutzten stereophonischen Aufzeichnungen spielt diese Übersprechdämpfung jedoch nur eine geringe Rolle, da sich die Spuren sowieso kaum unterscheiden[22].


1.3.5 Die Kopierdämpfung (Kopiereffekt)

Ein ebenso großer Effekt tritt nun auch bei Tonträger nach der Aufwicklung auf. Durch die Aufwicklung des bandförmigen Tonträgers entsteht eine Wechselwirkung der sich berührenden Windungen, die nach langer Lagerung des Tonträgers eine remanente Magnetisierung der Nachbarwindung hinterlässt. Dieser Effekt tritt vor allen Dingen bei hohen Intensitätsspitzen (z.B. lautes Rufen oder Zuschlagen einer Tür) auf. Da dieser Vorgang einem Kopieren gleichkommt, bezeichnet man ihn als Kopiereffekt. Die "kopierte" Intensitätsspitze tritt in Form von sogenannten Vor - bzw. Nachechos auf. Ihre Intensität nimmt mit zunehmender Lagenzahl und damit zunehmender Windungslage etwa logarithmisch ab. Der Kopiereffekt (meist auch als Kopierdämpfung bezeichnet) ist von der Frequenz, der Schichtdicke, der Aufwicklungsdauer und der Temperatur der Lagerung abhängig[23].
Der oben beschriebene Kopiereffekt lässt sich dadurch herabsetzen, dass man den Tonträger auch beim Abtastvorgang am Löschkopf vorbeiführt. Jedoch wird dieser nur mit einem geringen Löschstrom gespeist, so dass sich die von einem leichten Magnetfeld erzeugte Kopierdämpfung wieder auflöst, die Originalaufzeichnung aber aufgrund des niedrigen Löschwechselfeldes erhalten bleibt.

Der Abtastvorgang

Zur Rückgewinnung des magnetisch gespeicherten Schallereignisses dient der Hörkopf. Er ist im allgemeinen genauso aufgebaut wie der Sprechkopf; jedoch muss hierbei der Spalt so klein wie möglich gehalten werden, damit der magnetische Widerstand des Ringkernes gering bleibt. Wird nun der magnetisierte Tonträger in der Nähe des Spaltes vorbeigezogen, so fließen die äußersten Flußlinien des Tonträgers durch den Hörkopf, da dessen Permeabilität größer ist als die des Tonträgers bzw. der Luft. Somit wird auf den Hörkopf eine Spannung induziert[24]. Diese ändert sich der Richtung und Dichte des Tonträgers entsprechend.

Abtastverluste

Wie beim Aufzeichnungsvorgang treten auch beim Abtastvorgang Dämpfungserscheinungen auf, die auf den Abstand zwischen Tonträger und Hörkopf, die frequenzabhängigen Wirbelstromverluste im Ringkern und die aus der endlichen Ausdehnung des Hörkopfes und seiner Spaltbreite[25] bedingten wellenabhängigen Verluste zurückzuführen sind. Es stellt sich heraus, das auch hierbei die Verluste (Dämpfung) besonders im oberen Frequenzbereich immer größer werden. Durch die Abstandsänderung wird außerdem eine Amplitudenmodulationsverzerrung hervorgerufen.[26]
Als größter Verlustfaktor stellen sich jedoch die frequenzabhängigen Wirbelstromverluste dar. Sie sind stark von der elektrischen Leitfähigkeit im Ringkern abhängig. Durch Testaufzeichnung von verschieden lamelierten Hörkopfmaterialien lässt sich jedoch ein geeigneter Hörkopf finden, der das beste Resultat für die jeweilige Bandgeschwindigkeit zeigt.

Gleichbedeutend mit einer Spaltvergrößerung ist eine Spaltlage, die mit der ursprünglich bei der Aufzeichnung vorhandenen Lage des Sprechkopfspaltes nicht übereinstimmt[27]. Im Interesse der Austauschbarkeit strebt man deshalb nach einer möglichst senkrechten Ausrichtung von Sprech - und Hörkopf.
Da die Spaltlage bei hohen Frequenzen auch eine Amplitudenänderung mit sich führt (siehe Spaltbreite), kann man den Hörkopf durch Abspielen eines mit senkrechter Ausrichtung aufgenommenen Testbandes (mit hoher Frequenz) zu einem optimalen Ergebnis ausrichten.

Komponenten der Magnettontechnik

In diesem Abschnitt sollen kurz die Herstellung und die Unterschiede von verschiedenen Tonträgern, Tonköpfen und Laufwerken erklärt werden. Außerdem soll noch die Funktionsweise von Aufnahme - bzw. Wiedergabeverstärker und - entzerrer geklärt werden.

Die Tonträger

Als Bandmaterialien kommen Kunststoffe der drei Gruppen: Zellulose, Polymerisate und Polyester zur Anwendung. Die Trägerfolie der Schichtbänder besteht meist aus den zur Gruppe der Polyester gehörenden festeren Kunststoffen wie zum Beispiel Terylen und Mylar. Die Beschichtung der Trägerfolie ist stark von der Bandgeschwindigkeit abhängig. So verwendet man bei Studiobändern mit Bandgeschwindigkeiten zwischen 38,1 und 19,05 cm_*s^{- 1}zumeist Eisenoxyd. Bei höheren Geschwindigkeiten sind die magnetischen Eigenschaften von γ Fe₂O₃ ausreichend. Ein handelsübliches Kassettentonband mit Bandgeschwindigkeiten von 4,75 cm_*s^{- 1}(in seltenen Fällen auch 9,5 cm_*s^{- 1}) ist meist doppelt beschichtet. Die untere Schicht bestehend aus Eisenoxyd und gewährt eine hohe Aussteuerung von tiefen Frequenzen. Die obere Schicht, die meist aus Chromdioxyd besteht gewährt eine ebenso gute Aussteuerung von hohen Frequenzen. Eine Alternative hierzu stellen die Metallschichtbänder dar. Diese können trotz dünnerer Magnetschicht eine wesentlich höhere Sättigungsremanenz und Koerzitivkraft aufweisen[28].
Zur Herstellung eines Magnetbandes wird das magnetisch wirksame Material zunächst gemahlen und mit einem Bindemittel unter Beifügung antistatischer Additive zu einer Gießlösung vermischt. Diese wird nach mehrmaliger Filterung über eine Auftragswalze auf die Trägerfolie übertragen. Eine Abstreifeinrichtung sorgt für eine konstante Schichtdicke. Noch vor dem Trocknen erfahren die einzelnen Partikel eine magnetische Ausrichtung, die die Spezifika des späteren Verwendungszweckes berücksichtigt[29].

Da man gerade in der Tonstudiotechnik sehr auf die Austauschbarkeit der Bänder untereinander bedacht ist[30] haben sich verschiedene Standards von Bandsorten bzw. Bandbreiten durchgesetzt. Die Bandbreite besitzt meist die Breiten 16 mm, 17.5mm, 35 mm, 70mm, 1 Zoll, ½ Zoll und ¼ Zoll. Meist werden die Toninformationen auch noch neben eine Bildkopie (Lichttonverfahren) gesetzt. Diese Spezifikationen sind in einer allgemeingültigen Norm (der DIN 45 512) festgelegt
Mit den Normen ist auch ein Standard von Aufnahme - und Wiedergabeentzerrern festgelegt worden, die zu einer besseren Qualität führen. Darauf werde ich aber später noch genauer eingehen.

Die Magnetköpfe

In der Studiotechnik verwendet man meist Magnetköpfe, die in Form eines Ringkernes ausgebildet sind. Sie sind an beiden Seiten mit dem stromführenden Leiter umwickelt. Dies gewährleistet eine Kompensation einwirkende Störfelder., da sich die induzierte Spannung gegenseitig wieder aufhebt. Anstelle der Ringköpfe kann man auch wesentlich kleinere Köpfe mit nur einer einzigen Windung verwenden. Ein störendes Magnetfeld kann sich hier aufgrund der geringen Größe des Magnetkopfes kaum auswirken. Die Größe des sich im Ringkerns befindlichen Spaltes liegt bei Sprechköpfen etwa im Bereich von 10 μm und bei Hörköpfen in etwa bei 5 μm.
Das Kernmaterial der Magnetköpfe muss so gewählt werden, dass es eine sehr große Permeabilität gegenüber dem Tonträger besitzt. Hierfür kamen damals nur die weichmagnetischen Werkstoffe Mu - Metal[31] (μ_rel =100000) und vor allem Permaloy[32] (μ_rel =300000) in Frage. Diese waren jedoch sehr weich und unterlagen deshalb einem hohen Verschleiß. Des weiteren benutzte man Ferritwerkstoffe. Da diese zwar hart waren aber keine ausreichend große Permeabilität besaßen waren sie genau so ungeeignet. Erst neuere Legierungen, die unter dem Namen Alfenol und Vacodur bekannt sind, zeigen wesentlich günstigere Eigenschaften. Sie besitzen sowohl eine große Härte als auch eine große Permeabilität. Ihr besonderer Vorteil liegt jedoch in dem dreimal so großen spezifischen elektrischem Widerstand, der die Wirbelstrombildung um denselben Faktor herab senkt[33].
Ein Problem bildet die Vermeidung von Brummeinstreuungen, die durch magnetische Felder, der in der Nähe angeordneten Motoren und Netztransformatoren, erzeugt werden kann. Deshalb schirmt man die Magnetköpfe durch ein Mu - Metall ab.
Bei hochwertigen Mehrspur - Systemen erhält jede Spur drei individuelle, voneinander abgeschirmte Magnetköpfe. Dabei sind die Löschköpfe seitlich versetzt[34].

Die Magnettonlaufwerke

Der Antrieb eines Magnettonlaufwerkes und somit der Vorbeitransport an den Tonköpfen findet durch einen Motor an der Achse der Tonrolle statt. Der Kontakt zwischen Motor und Tonrolle findet durch die Haftreibung zu einer weiteren, am Motor fest installierten Gummirolle statt. Dabei steht die Konstanz der Tonträgergeschwindigkeit im Vordergrund. Diese wird durch zwei Faktoren beeinflußt. Zum einen tritt eine zunehmende (bzw. abnehmende) Tonträgergeschwindigkeit durch die Änderung des Umfangs ein und zum anderen treten unregelmäßige Geschwindigkeitsschwankungen durch ungenaue Zentrizität des Motors (Störfrequenz von ca. 12,5 Hz bei einer Umdrehung von 750 U/min), unrunden Lauf der Umlenkrolle (ca. 5 - 10 Hz), Ungleichheit im Getriebe (> 100 Hz) und Bandlängsschwingungen (>> 100 Hz)[35] auf[36]. Als maximal zulässigen Wert des zweiten Faktors wird 0,1% festgelegt.
Das schwierigste Problem stellt jedoch der erste Faktor, also die gleichmäßige Bewegung des Bandes an den Magnetköpfen vorbei, dar, weil dieser Faktor auch von Art der Ab - bzw. Aufeinrichtung abhängig ist. Eine Lösung dieses Problems ist durch eine Geschwindigkeitskorrektur zu erwarten. Diese kann sowohl durch Abmessung des (je nach Bandverlaufs) unterschiedliche Winkels an der Umlenkrolle geschehen oder aber auch durch eine Geschwindigkeitsmessung an eben dieser Rolle.

Sonstige Laufwerke (z.B. Magnetbandlaufwerke oder Magnetfilmlaufwerke) wie auch die Synchronisation von Bild und Ton werden an dieser Stelle außer Acht gelassen.

Magnetton - Verstärker bzw. - Entzerrer

Da sich der vom Mikrofon aufgenommen Schall mit einem verstärkten Pegel von etwa 6 dB nicht direkt über den Sprechkopf aufzeichnen lässt, muss ein Aufnahmeverstärker zwischengeschaltet werden. Dieser hat die Aufgabe die niedrigen Frequenzen kaum bis leicht und die hohen Frequenzen frequenzabhängig zu verstärken, um der Entmagnetisierung während der Aufnahme entgegenzuwirken. Außerdem übernimmt er auch meist die Vormagnetisierung durch einen hochfrequenten Wechselstrom. Bei Mehrspurgeräten muss auf diese Kombination jedoch verzichtet werden, da alle Spuren eine exakt gleiche Vormagnetisierung benötigen. Andernfalls würden beim auftretenden Übersprecheffekt zusätzliche, hörbare Differenzialtöne[37] entstehen.
Die frequenzbedingte Anhebung zur Deckung der Entmagnetisierungsverluste ist von der Bandgeschwindigkeit und Bandbreite abhängig. Deshalb ist die Art der Aufnahmeverstärkung ( - Entzerrung) in der DIN 45 512 mit dem jeweiligen Bandtyp festgelegt. Bei Magnettonmaschinen, bei denen die Laufgeschwindigkeit des Bandes umschaltbar ist, sind auch meistens Verstärker mit umschaltbaren Entzerrern eingesetzt. Dies erspart das umständliche Ummessen nach dem Wechsel der Bandgeschwindigkeit.
Um die Verluste, die durch Lagerung entstanden sind, möglichst klein zuhalten und um die Magnettonlage möglichst frequenzunabhängig zu halten, baut man auch in den Hörkopf einen Entzerrer (den sogenannten Wiedergabeentzerrer) ein[38]. Der Frequenzgang des Entzerrers verläuft spiegelbildlich zur Kurve der induzierten Spannung.

Das Dolby - System

Um ein starkes Rauschen auf dem Tonträger zu vermeiden, sind "moderne" Geräte meist mit verschiedenen Dolby - Systemen ausgestattet[39]. Das Verfahren geht auf Ray M. Dolby zurück, dem es auch seinen Namen verdankt. Es besteht in den Grundzügen darin, leise Töne während der Aufnahme frequenzbedingt anzuheben und beim Abspielen wieder abzusenken[40]. Dadurch sind die auf dem Tonträger magnetisch gespeicherten Informationen nicht so anfällig gegenüber Fremdfelder, da es einer höheren Energie bedarf um die Magnetisierung wieder "durcheinanderzubringen". Jedoch hat sich trotz der Standardisierung untereinander kein System richtig durchgesetzt. Dies hat zur Folge, dass ein Tonträger beim Abspielen auf einem Nicht - Dolby - Gerät oder auf einem Gerät, dass mit einem anderen System ausgerüstet ist, immer nichtlinear verzerrt ist. Lediglich im Kinobereich konnte sich das Verfahren, besonders auch wegen seiner Kompatibilität zum sog. Raumklang (Souround Sound)[41], weitgehend durchsetzen.
Die neuste Entwicklung ist das Dolby SR System. Dieses System paßt sich im Gegensatz zu den anderen Dolby - Systemen kontinuierlich dem jeweiligen Spektrum an. Man kann das Dolby - Spectral - Recording - System auch als eine Art Computer - System verstehen, das die Programmsignale der Charakteristik des menschlichen Gehörs anpaßt, um daraus einen Regelvorgang abzuleiten, der sich dann nur in bestimmten Bereichen des gesamten Audiospektrums auswirkt.




2. Das Magnetbandverfahren

Die Geschichte des Magnetbandverfahrens

Gegenüber der analogen Aufzeichnungstechnik führte die digitale Signalverarbeitung im letzten Jahrzehnt zu einer weiteren Steigerung der Qualität. So konnten die Signale ohne jeglichen Verlust von einem auf den anderen Tonträger kopiert werden. Auch die Nachbearbeitung wurde durch Anwendung digitaler Prozessoren (DSP) immer einfacher. Um jedoch einen annähernd so "wohligen" Klang wie bei der Analogtechnik zu erreichen musste man die Schallwelle sehr genau digitalisieren. Da dies eine Menge Speicherplatz in Anspruch nahm musste man sich zunächst mit niedrigerer Qualität zufrieden geben. Erst als man ein abgewandeltes Magnetverfahren und zusätzliche Komprimierung anwandte war eine gute Qualität auch bei niedrigem Bandverbrauch gewährleistet.

Grundlagen zum Magnetbandverfahren

Grundlagen zur Digitaltechnik

Digital (digit = Zahl) bedeutet im engeren Sinne nur Zahlensystem. Dieses besteht generell nur aus zwei Zahlen und wird deshalb auch Binärsystem bezeichnet. Die dazu gehörenden Zahlen nennt man Binärzahlen. Das wichtigste binäre Zahlensystem ist das Dualsystem.
Ein digitales Signal besteht daher im einfachsten Falle aus einer Folge der Ziffern "0" und "1". Diese Werte sind durch zwei verschiedene Spannungswerte (z.B. 0 Volt und 1 Volt) darstellbar. Eine Binärstelle ,also bestehend aus einer "0" oder einer "1" wird als Bit bezeichnet.

Die Qualität nach dem Umwandeln eines analogen Signals in die digitale Form hängt von zwei Faktoren ab. Zum einen muss eine möglichst hohe Abtastrate des analogen Signals erreicht werden, um möglichst alle wichtigen Frequenzen des Audiosignals zu erfassen, und zum anderen sollte eine sehr genaue Auflösung der Amplitude erfolgen, um so einen möglichst "weichen" Klang zu erreichen.
Die Abtastrate erfolgt in x - Richtung einer Schallwelle. Sie wird deshalb auch Hz bzw. kHz angegeben. Sie sollte mindestens doppelt so groß sein, wie die höchste in der Schallwelle auftauchende Frequenz[42]. In der Praxis zeigt sich, das eine Abtastrate von 44,1 kHz (CD Qualität) bzw. von 48 kHz (DAT Qualität) bei Studioaufnahmen ausreichend ist[43].
Die Auflösung erfolgt in y - Richtung und zeichnet somit die Amplitude auf. Diese wird in eine bestimmte Anzahl von Bits konvertiert bzw. codiert. Diese Auflösung (auch Quantisierung genannt) erfolgt heutzutage meist schon bei allen Geräten mit 16 Bit (CD - Qualität)[44]. Besondere Studiogeräte erreichen sogar eine Auflösung von 24 Bit bzw. 32 Bit. Dies lässt einen größeren Spielraum zur digitalen Nachbearbeitung.
Man muss jedoch beachten, dass eine Vergrößerung der Abtastrate und eine genauere Quantisierung eines analogen Signals auch zu einer Vergrößerung des Bandverbrauches bzw. Plattenverbrauchs führt.
Da auch bei der Digitaltechnik die Austauschbarkeit der Tonträger im Vordergrund steht, hat man sich auch hier auf die verschiedenen Abtastraten (22,05 kHz; 44,1 kHz bzw. 48 kHz), die verschiedenen Auflösungen (12, 16, 24 und 32 Bit) und die verschiedenen Formate (Codierung) des Digitalwortes geeinigt.
Um ein möglichst hochwertiges Audiosignal zu erlangen, hat man im Laufe der Zeit verschiedene Fehlerkorrekturen entwickelt. Diese versuchen einen fehlerhaften Wert ausfindig zu machen und ihn bestmöglich zu ersetzen. Die generell am einfachsten zu bewerkstelligende Lösung bietet ein Ersetzen des fehlerhaften Wertes durch den des Vorgängers. Hierzu reicht dann meist ein Speicher von einem Bit. Als beste Alternative hat sich jedoch die Bildung des Mittelwertes aus Vorgänger und Nachfolger herausgestellt[45].

Grundlagen zum Speicherverfahren und ihre Anwendung

Beim Magnetbandverfahren gibt es zwei Systeme, die noch in heutiger Zeit von Bedeutung sind. Das wäre zum einen die Längsspuraufzeichnung mit feststehenden Köpfen und zum anderen die Schrägspuraufzeichnung mit rotierenden Köpfen.

Bei den Längsspuraufzeichnungen haben sich drei verschiedene Standards entwickelt: Das DASH - Format, das S - DAT - System und das DCC - System. Alle diese Systeme sind unter dem Aspekt der Austauschbarkeit entstanden und sind deshalb meist nur in den Bandgeschwindigkeiten von 76 cm/s, 38 cm/s und 19 cm/s umschaltbar.
Das Digital Audio Stationary Heads - Format[46] kennt außerdem noch zwei unterschiedliche Konfigurationen von Spurdichten (normal und double density), die jedoch untereinander völlig kompatibel sind. Aus diesem Grunde ist auch die räumliche Anordnung der Spuren bei beiden Konfigurationen völlig identisch. Der Unterschied liegt nur darin, dass ein normaler Tonträger nur 24, ein double density bespielter Tonträger jedoch 48 Spuren aufnehmen kann. Die zusätzlichen 24 Spuren liegen dabei genau zwischen den anderen 24 Spuren[47].
Eine weitere Neuerung des DASH - Formats stellt die voll digitale Kreuzüberblendung (Crossfade) dar. Diese gewährt das Mischen zweier Klangquellen ohne direkte Übergänge zu hören. Diese Einrichtung ist in jedem DASH - Gerät fest integriert.
Im Zuge der Normung künftiger, digitaler Aufnahme - und Wiedergabeverfahren wurde 1985 das S - DAT Format ( Stationary Heads Digital Audio Tape Recording) entwickelt. Hierbei verwendet man besondere Wendekassetten mit einer hochkoerzitiven Magnetschicht (1400 Oerstedt). Die 20 parallelen Spuren werden mit einer Auflösung von wahlweise 12 oder 16 Bit aufgezeichnet[48].
Das neueste Verfahren der longitudinalen (längsbeschrifteten) Digitalaufnahme und Wiedergabe stellt das DCC - System dar. Dieses ist abwärtskompatibel zu den handelsüblichen, analogen CCs und MCs. Jedoch besitzt es eine hochwertige Datencodierung (PASC = Precision Adaptive SubCoding). Diese besteht darin das Audiosignal in 32 verschiedene Frequenzbänder zu zerlegen. Aufgrund von psychoakustischen Phänomenen lässt sich zeigen, dass ein Ton höherer Intensität ein anderes Schallsignal geringerer Lautstärke so "übertönt", dass letzteres nicht mehr wahrgenommen wird. Laute Töne können daher leise Töne überdecken ("maskieren") und müssen somit auch nicht mehr aufgezeichnet werden[49]. Die so komprimierten Daten werden auf acht parallelen Spuren abgespeichert. Eine weitere neunte Spur dient der Aufzeichnung von zusätzlichen Informationen wie zum Beispiel Stück - und Zeit - Code und auch Bandmarkierungen[50]. Dies sorgt für eine komfortable Bedienung.

Neben der Längsspuraufzeichnung in Dichtspeichertechnik hat sich besonders in den letzten Jahren vermehrt die Schrägspuraufzeichnung durchgesetzt. Diese wurde bis dahin fast ausschließlich bei Videorecordern eingesetzt. Die Aufnahme bzw. Wiedergabe einer solchen Schrägspuraufzeichnung erfolgt über jeweils zwei rotierende Tonköpfe, die auf einer Kopftrommel in einem Winkel von 90° angebracht sind. Dabei wird das Band unter einem Winkel von 2° bis 15° in Ω Umschlingung über die Kopftrommel geführt. Auch die Trommel steht etwas schräg, so dass sich bei der Rotation der Trommel auf dem vorüberziehenden Band eine in Spiral - (bzw. Helical - )Linien ablaufende Aufzeichnung ergibt (siehe Zeichnung unten)[51].
Um ein digitales Signal auf dem Tonträger abzuspeichern muss ein spezieller PCM[52] Prozessor nun sowohl die digitale Schallwelle, als auch die Bezugsgrößen und die Synchronisierungswerte für die Kopftrommel mit abspeichern, damit keine Daten durch ungenaue Abtastung verloren gehen. Mit diesem PCM Prozessor sollte nun eine Speicherung auf den verschiedensten Videosystemen (NTSC und PAL/SECAM) möglich sein. Zur Kontrolle wird das Audiosignal meist auch noch zusätzlich analog gespeichert[53].
Im Jahre 1985 haben sich 80 Hersteller auf das R - DAT - System (Rotary Heads Digital Audio Tape Recording) geeinigt. Die Spezifika dieses Weltstandards sind in der unten anstehenden Tabelle beschrieben.

	Standard	Option 1	Option 2	Option 3	Bespielte Kassette A	Bespielte Kassette B
Anzahl der NF - Kanäle	2	2	2	4	2	2
Abtastrate (in kHz)	48	32	32	32	44,1	44,1
Quantisierung(Bit) linear nichtlinear	16 -	16 -	- 12	- 12	16 -	16 -
Bandge - schwindigkeit (in mm/s)	8,15	8,15	4,075	8,15	8,15	12,225
Spieldauer	120	120	240	120	120	80
Drehzahl der Kopftrommel (in U/min)	2000	2000	1000	2000	2000	2000

Ein Vermeiden der Übersprechdämpfung wird hierbei durch einen weiteren Versatz des Spaltwinkels um etwa 20° vermieden. Der Aufbau auf dem Tonträger ist der nebenstehenden Grafik zu entnehmen.

Durch digitale Aufzeichnungsvorgänge im Schrägspurformat kann der Bandverbrauch im Vergleich zu einer herkömmlichen Kassette auf etwa 2% der Selbigen reduziert werden.

Vor - und Nachteile des Magnetbandverfahrens gegenüber dem Magnettonverfahren

Die Vorteile der digitalen Klangverarbeitung mit dem Magnetbandverfahren liegen auf der Hand. Der größte Vorteil gegenüber dem Magnettonverfahren ist jedoch der, dass man das Band nicht mehr mit einer nichtmagnetischen Schere zusammenfügen muss. Dies geschieht beim Magnetbandverfahren durch die, meist schon im Gerät eingebaute, Crossfade - Funktion. Sie gewährt außerdem einen natürlichen EditPoint (Schnittpunkt des Tonträgers; siehe 2.2.2). Des weiteren ermöglicht diese Digitaltechnik ein vollständiges Löschen und somit eine fast unbegrenzte Wiederverwendbarkeit.
Einen weiteren Aspekt bietet die Möglichkeit der digitalen Nachbearbeitung. Da die meisten Effekte wie z.B. Hall, Chorus, Flanger, Harmonizer in der Elektrotechnik viel einfacher durch gezielt gesteuerte Prozessoren digital bewirkt werden können, ist deshalb auch keine Umwandlung durch einen A/D - bzw. D/A - Wandler und ein damit verbundener Qualitätsverlust mehr nötig.
Auch die endgültige Aufnahme auf die in der heutigen Zeit am weitesten verbreitete Compact Disk (CD) wird dadurch erleichtert.

sonstige Magnetaufzeichnungswege

3.1 Das Hard - Disk Recording

Das Hard - Disk Verfahren arbeitet prinzipiell wie das Magnetbandverfahren. Jedoch werden die Magnetinformationen ("0" und "1") in Form von Polaritäten (also "N" und "S") auf einer magnetischen Platte (z.B. Festplatte) gespeichert. Dabei wird sowohl die Abtastrate, als auch die Auflösung und gegebenenfalls die Kompressionsmethode in einem sogenannten Header mit abgespeichert. Je nach verwendetem Format ist dieses Verfahren universell zu allen Audioformaten kompatibel. Die einzelnen Audiosignalabschnitte (also jede einzelne Spur eines Aufzeichnungssegmentes[54]) werden in der Fachsprache "Samples" genannt. Durch einen schnellen Zugriff auf die einzelnen Samples ist die bisher bestmögliche Nachbearbeitung möglich. So können einzelne Passagen beispielsweise kopiert und somit an anderer Stelle wieder eingesetzt werden. Verschiedene Kompressionsverfahren[55] ermöglichen dem Anwender dabei eine ausreichende Qualität in Abhängigkeit zum Platzverbrauch zu finden.


3.2 Die Magneto - Optische Disk / MOD

Die magneto - optische Aufnahmetechnik (MO - Technik) arbeitet mit einem Laser und einem in der Polarität veränderbarem Magnetfeld. Wird die magnetische Schicht der Disk mit dem Laser über die materialspezifische Curie - Temperatur (ca. 220°) erhitzt, dann verliert diese vorübergehend ihren Magnetismus und lässt sich durch ein externes Magnetfeld relativ leicht neu polarisieren. Das genau auf der anderen Seite positionierte Magnetfeld wirkt direkt auf die vom Laser erhitzte Stelle. Es wird so eine Polarisierung "N" (also einer binären 0) oder "S" (einer binären 1) erreicht. Durch die Drehung der Platte kühlt die zuvor erhitzte Magnetisierung wieder ab und die Magnetinformation wird remanent[56]. Um den Energieverbrauch auch bei portablen Geräten möglichst klein zuhalten verwendet die MOD (Magneto - Optische Disk) eine Terbium - Ferrit - Cobalt - Magnetschicht, bei der die magnetische Polarität bereits mit einer Koerzitivkraft von 80 Oerstedt verändert werden kann.
Die Magneto - Optische Disk läuft mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (Constant Linear Velocity) und ist deshalb innen dichter beschichtet. Aufgrund der hohen Amplituden - Auflösung (16, 20, 24 Bit) lässt sich das MO - System auch gut als Mastering - Recorder (zum Beispiel für CDs) einsetzen. Bei maximaler Quantisierung[57] und einer Abtastrate von 44,1 kHz ist eine Aufnahmekapazität von bis zu 65 Minuten gewährleistet[58].


3.2.1 Das MiniDisc - System

Auf der Basis der MO - Aufnahmetechnik entwickelte SONY das MiniDisc - System (MD - System). Ein systemspezifischer Laserabtaster hat die Eigenschaft, sowohl bespielbare magneto - optische als auch vorbespielte optische Discs lesen zu können. Das Auslesen erfolgt bei diesem System über den Laser. Durch die magnetische Polarität der Platte wird die Polarisationsebene des reflektierten Laserlichts verändert. Ein Polarisationsprisma wandelt diese Informationen dann wiederum in Binärstellen um. Wird der gleiche Laser auf die Informationsspur einer optischen Disc fokussiert, so ist die Intensität des reflektierten davon abhängig, ob ein Pit[59] abgetastet wird oder nicht.
Der von der CompactDisc her bekannte schnelle Titelzugriff ist auch bei der MD gegeben. Dazu müssen jedoch Zusatzinformationen auf dem Datenträger mit abgespeichert werden[60].
Auch die MD verwendet eine Kompression[61] um die Datenmenge zu reduzieren (siehe 2.2.2 und 3.1). Im Gegensatz zur MO - Technik eignet sich das MD - System aus diesem Grunde auch nicht als Master - Recording - System.





Literaturverzeichnis:

Webers, J.: Handbuch der Tonstudiotechnik;
Roederer, J.: Physikalische und psychoakustische Grundlagen der Musik;
Preuss, J.: mumuref3.doc (Multimedia - Referat);
Dorn - Bader: Physik der Oberstufe;


Bildnachweis:

Webers, J.: Handbuch der Tonstudiotechnik;

[1] Zum Beispiel Mikrofon oder Tonabnehmer.
[2] zum Vergleich: Kondensatoren können nur die anliegende Kapazität speichern, nicht aber den zeitlichen Verlauf der Stromstärke.
[3] Ihre räumliche Ausdehnung beträgt bei Eisen etwa 10^{- 2} mm.
[4] Die Ausgangslage oder besser noch die Vorzugslage ist durch Einschlüsse von Kohlenstoff, Silizium und anderem sowie durch innere Spannungen, die durch schnelles Abkühlen entstanden sind bedingt [Dorn - Bader Seite 93].
[5] Man beachte, dass man es hier noch nicht mit einer Neutralisierung zu tun hat.
[6] Abgeleitet von remanere (lat.) = bleiben.
[7] Ebenso wie bei dem Magnettonverfahren gibt es auch bei anderen Verfahren die sog. Schriftarten. Ein Beispiel hierfür wäre die Seiten - und Tiefschrift beim Nadeltonverfahren (Schallplatte).
[8] Magnetisierung in Tiefe und Breite verlaufen beide Quer und werden deshalb auch so bezeichnet.
[9] Auch hier tritt derselbe Effekt wie bei der Aufzeichnung auf: Der magnetische Fluß geht bevorzugt durch den Hörkopf als durch die Luft (wegen der geringeren Permeabilität der Luft).
[10] Ebenso kann man hierfür auch einen als Ringkern ausgebildeten Permanentmagneten verwenden.
[11] Diese Methode ist jedoch in der Praxis zum Löschen ungeeignet, da noch die Grenzremanenz übrig bleibt. Sie ist jedoch beim Abspielen nicht hörbar. Das Tonband ist magnetisch nicht neutral.
[12] Moderne Löschköpfe besitzen in der Regel mindestens zwei Kopfspalten, die mit nichtmagnetischem bzw. elektrisch nicht leitendem Material (z.B. Glas) ausgefüllt sind. Die Spaltenbreiten sind in der Regel unterschiedlich. Als Ringkernmaterial verwendet man besonders Ferrite, die im Gegensatz zu lamelierten Mu - Metallkernen bei höheren Frequenzen einen wesentlich höheren Wirkungsgrad zeigen, so dass Löschfrequenzen zwischen 80 und 120 kHz Anwendung finden können. [Handbuch der Tonstudiotechnik, Seite 389]
Die Induktivität der Löschköpfe im Studiobereich liegt zwischen 1 mH und 4 mH. Der erforderliche Löschstrom liegt je nach Bandsorte zwischen 100 und 150 mA.
[13] Betrachtet man die Magnetisierung als eine Aneinanderreihung von Elementarmagneten, die bei der Quermagnetisierung in die Tiefe gerichtet sind, so ist deren Länge von der aufgezeichneten Wellenlänge unabhängig. Lediglich der sich in Richtung des Bandes ausdehnende Querschnitt der gedachten Magnete macht die aufgezeichnete Wellenlänge aus. Bei kleineren Wellen fällt der Querschnitt in die Größenordnung der Magnetlänge; bei längeren Wellen wird jedoch der Querschnitt immer größer, wohingegen die Magnetlänge annähernd gleich bleibt. Dieses ungünstige Verhältnis bewirkt eine Dämpfung der Quermagnetisierung. Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, dass die Größe der Querkomponente vorwiegend von Wellenlänge, Schichtdicke und Permeabilität des magnetischen Materials abhängt.
[14] Da dies in der Praxis jedoch nur bei den tiefen Frequenzen zutrifft, stellt sich bei den hohen Frequenzen eine Dämpfung ein die proportional zur Frequenz ist. Im hohen Frequenzbereich (ca. ab 8 kHz) befinden sich fast ausschließlich die Obertönen bzw. die Formanten (besonders ausschlagergiebige, in der Amplitude erhöhte Obertöne). Jene (besonders die Formanten) sind für die Klangfarbe eines Instrumentes besonders wichtig. Somit hängt die Qualität der Magnettonaufzeichnung auch von dem Instrument bzw. dem Musikstil ab. (Die Stimme hat nur einen begrenzten Frequenzumfang von 70 bis 6000 Hz und ist somit gut geeignet zur Aufzeichnung per Magnettonverfahren.)
[15] Unter einer nichtlinearen Verzerrung versteht man eine Anhebung der Amplitude, die nicht proportional verläuft. Der Zusammenhang zwischen Eingangs - und Ausgangsamplitude wird also nicht durch eine Gerade, sondern durch eine Kurve beliebigen Verlaufes beschrieben (zum Beispiel einer Remanenzkurve).
[16] Als die "Harmonische" wird das jeweilige Vielfache einer Frequenz zur Grundfrequenz bezeichnet. Von der Grundfrequenz 100 Hz hätte dementsprechend die 1.Harmonische ein Frequenz von 200 Hz, die 2. Harmonische eine Frequenz von 300 Hz und die 3.Harmonische eine Frequenz von 400 Hz .... Die 3.Harmonische entspricht dem musikalischen Intervall zweier Oktaven. [Klangakustik der Musikinstrumente, Seite 23]
[17] Der Klirrfaktor gibt die Größe der nichtlinearen Verzerrung an. Er ist definiert als das Verhältnis des Effektivwertes aller Harmonischen zum Effektivwert der Gesamtschwingung.
[18] Nach der Remanenzkurventheorie von M. Camras ["Graphical Analysis of Linear Magnetic Recording Using High - Frequency Excitation", Seite 569 ff]
[19] Der Grad der Dämpfung hängt von der Koerzitivkraft des Tonträgers ab. [Handbuch der Tonstudiotechnik, Seite 399]
[20] Unter optimalen Bedingungen beträgt der Ruherauschspannungsabstand ca. 65 dB (Differenz des Rauschens zu Vollaussteuerung).
[21] Um eine Mehrkanalaufzeichnung (Stereosignal) durchzuführen teilt man den bandförmigen Tonträger meist in n (Anzahl der Spuren) Hälften. Dabei verläuft die Aufzeichnung jeder Spur meist in die entgegengesetzte Richtung zur benachbarten Spur.
[22] Bei Studioproduktionen, in denen eine Trennung von Sprache und Musik wichtig ist muss man dann dementsprechend einen genügend großen Spurabstand verwenden.
[23] Es lässt sich zeigen, dass ein Zusammenhang zwischen den Herstellungsbedingungen und dem Kopiereffekt besteht.[Kopiereffekt schichtförmiger Magnetspeicher, Seite 215]
[24] Die Induktion geschieht nach der Formel U_ind = - n dΦ dt^{- 1}
[25] Es tritt eine umgekehrte Abhängigkeit wie bei der Aufzeichnung auf: je kleiner der Spalt gegenüber der Wellenlänge um so größer die induzierte Spannung.
[26] Auch die Tiefe des Spaltes sollte möglichst gering sein, damit die vom Band ausgebenden Flußlinien nicht zum großen Teil bereits als Streufluß über dem inneren Teil des Spaltes schließen und damit nicht zur Spannungsinduktion beitragen. Dieses lässt sich jedoch durch eine Abschrägung an der Innenseite der Polenden bewerkstelligen. [Handbuch der Tonstudiotechnik, Seite 431]
[27] Eine Änderung der Spaltlage bringt auch immer eine Änderung der Größe waagerecht zum Tonträger mit sich.
[28] Dies ist auf die etwa zehnfache Packungsdichte der submikroskopischen nadelförmigen Partikeln aus Eisen (Fe) gegenüber den feinpulvrigen Präparaten aus Eisenoxyd oder Chromdioxyd zurückzuführen.
[29] Damit wirkt man dem Phänomen der äußeren Magnetisierung des Bandes entgegen (siehe 1.3.3) und erreicht eine größere Empfindlichkeit bei höheren Frequenzen. [Handbuch der Tonstudiotechnik, Seite 419]
[30] Zum Beispiel zum Abmischen eines Bandes in einem anderen Studio oder gar zur Synchronisation von Filmen, bei denen nur die Sprache nicht aber die Geräusche bzw. die Musik geändert werden soll.
[31] bestehend aus 17% Eisen, 76% Nickel, 5% Kupfer und 2% Chrom
[32] bestehend aus 76% Nickel; Rest: Eisen, Kupfer, Molybdäen, Chrom
[33] Die frequenzabhängigen Verluste werden somit geringer.
[34] Dies geschieht deswegen, weil benachbarte Löschköpfe sich gegenseitig stören können und es so zu unberechenbaren Aufnahmeverlusten kommen könnte.
[35] Feststehende Bandführung bewirkt keine Dämpfung der Störschwingungen, sondern fördert sie nur.
[36] Unberücksichtigt wurde hierbei die Störfrequenz die bei Magnetfilmen durch die Perforation verursacht wurde (abhängig von der Anzahl der Perforationslöcher pro Sekunde).
[37] Die Differentialtöne entstehen durch Schwebung der beiden Hochfrequenzsignale. Diese Frequenz der Schwebung ist gerade gleich die Differenz der Hochfrequenzen und liegt deshalb durchaus im hörbaren Bereich. [Physikalisch und psychoakustische Grundlagen der Musik, Seite 30 f]
[38] Dieser Entzerrer ist natürlich nichts anderes als eine frequenzregelbarer Verstärker.
[39] Die meisten Geräte besitzen zumindest Dolby B oder Dolby C.
[40] Aufgrund dessen, dass das Rauschspektrum bei semiprofessionellen Magnettonaufzeichnungen zumeist im oberen Frequenzband zu finden ist, verwendet man beim Dolby B Verfahren fast ausschließlich einen Hochpasskompander.
[41] Das in Kinos verwendete Dolby SR - D Verfahren baut auf dem 2/4 - kanaligen stereophonen Dolby A bzw. B auf. Dies (Dolby A) verwendete eine Vierkanalexpansion zur Rauschunterdrückung. Das von einer magneto - optischen Disk stammende digitale Signal wird mit dem Film synchronisiert und unter Verwendung einer veränderlichen Hörschwellendynamik digital im digitalen Lichttonformat gespeichert. Es enthält die zum optimalen Raumklang gehörenden sechs Kanäle (Polyphonie) und bietet somit heutzutage den - Subjektiv betrachtet - besten Hörgenuß.
[42] Dies liegt daran, das man zum Darstellen einer Frequenz in der Wellenform mindestens zwei Stellen braucht. Frequenzen, die über der halben Abtastfrequenz liegen, treten deshalb als Störfrequenzen in einem anderen Spektrum auf. Dieses Phänomen nennt man Aliasing. Da dieser Effekt verstärkt bei hohen Frequenzen auftritt verwendet man häufig einen Tiefpass (ab 16 kHz) um die störenden Frequenzen heraus zu filtern.
[43] Diese Annahme beruht darauf, dass die höchste vom Menschen wahrgenommene Frequenz ca. bei 20000 Hz liegt. Der Rest ist zusätzlicher Spielraum.
[44] Eine Auflösung von 16 Bit entspricht einer Umwandlung des analogen Signals in 65.536 Stufen. Damit ergibt sich ein Störabstand von 96 dB.
[45] Die hierdurch entstehende Zeitverzögerung liegt jedoch unter der hörbaren Grenze von 30 ms.
[46] Im Rahmen internationaler Bemühungen um einen einheitlichen Produktionsstandard entwickelten die führenden Hersteller von Studiogeräten (Sony, Mitsubishi, Studer, MCI, u.a.) das DASH - Format.
[47] Dies bewirkt deshalb keinen Verlust der Qualität, da die Übersprechdämpfung (siehe 1.3.4) bei digitalen Aufzeichnungen wegfällt.
[48] Dieses Verfahren konnte sich jedoch nicht gegenüber dem zur selben Zeit entwickelten R - DAT Verfahren durchgesetzten.
[49] In Wirklichkeit stellt sich diese psychoakustische Phänomen als nicht so einfach heraus als wie es hier geschildert wird, da die Hörschwelle sowohl frequenzbedingt als auch amplitudenbedingt ist. Außerdem ist dieser Effekt sowohl aural wie auch neural bedingt.
[50] Außerdem werden die Signale auch noch getrennt analog mit aufgezeichnet.
[51] [Handbuch der Film und Videotechnik]
[52] Pulse Code Modulation
[53] Dies ist besonders leicht bei den handelsüblichen Videokassetten möglich, da sie sowieso zwei getrennt analoge Audiospuren besitzen.
[54] Wie zum Beispiel ein Lied oder ein Ansagetext
[55] Die gängigste Komprimierung ist MPEG. Generell betrachtet wird sie besonders bei Videoaufzeichnungen eingesetzt. Sie besitzt allerdings auch eine hervorragende Audiokompression. Dabei wird das Audiosignal in seine Grundbausteine zerlegt. Nach dem berühmten französischen Mathematiker Fourier lassen sich alle komplexen Schwingungen in eine Überlagerung von Sinusschwingungen umwandeln. Das so entstandene Spektrum lässt sich nun im bezug auf verschiedene Hörparameter "beschneiden" (siehe 2.2.2). Dabei findet auch eine Änderung der Auflösung von 16 auf 4 Bit statt. Die Abstufungen sind hierbei auf die JND - Grenze (Just Noticeable Difference )des Ohrs eingestellt. Dadurch wird die Komprimierung kaum hörbar.
Eine weitere Komprimierung verspricht auch die "Joint Stereo" - Option. Diese faßt die niedrigen Frequenzbereiche eines Stereosignals auf eine einzige Monospur zusammen. Durch das beschränkte Richtungsempfinden bei eben diesen Frequenzen ist der Qualitätsverlust auch hierbei nicht zu hören.
Die MPEG - Datenkompression soll ein fester Bestandteil der neuen DVD - Technologie sein. [mumuref3.doc, Physikalische und psychoakustische Grundlagen der Musik]
[56] Es versteht sich von selbst, dass die vorherige Aufzeichnung dabei gelöscht wurde.
[57] 24 Bit = 16.777.216 Vergleichsstufen (entspricht einem Störabstand von 144 dB)
[58] bei einer standardisierten Größe von 5 ¼ Zoll
[59] Ein Pit ist ein optisch gelesenes Bit (meist Vertiefung)
[60] Diese werden bei bespielbaren MD’s schon vom Werk an aufgespielt (formatiert). Dies verläuft ähnlich wie bei Floppy - Disks.
[61] Durch das ATRAC (Adaptive Transform Acoustic Coding) Verfahren, dass auch bei Hard - Disk Recording (siehe 3.1) gerade im Multimediabereich eine besondere Anwendung findet, wird eine Kompression der Datenmenge im Verhältnis 5:1 erreicht. Das analoge Audiosignal wird hierbei in einzelne Abschnitte von 0,02 Sekunden eingeteilt, die dann nach dem Verfahren der Spektrum - Analyse blockweise verarbeitet werden. Auch hier werden die Anteile des Audiosignals, die unter der Hörschwelle liegen, nach psychoakustischen Gesichtspunkten von den zur Aufzeichnung gelangenden wahrnehmbaren Komponenten getrennt.

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