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Aus der Zeitschrift FREQUENZ Bd. 3/1949 Nr. 2 (ab Seite 38)
Von A. Springer (sicher bereits in 1948 geschrieben) - von Gert Redlich überarbeitet im Dez. 2015

Im folgenden soll eine Übersicht über die Weiterentwicklung auf dem Gebiete der Schallaufzeichnungstechnik, insbesondere über das Hochfrequenzmagnettonverfahren gegeben werden.

Meßgeräte und Meßverfahren (von 1948) werden beschrieben.

• 1. Das Hochfrequenzmagnettonverfahren.
• 2. Die mehrkanalige Schallaufzeichnung.
• 3. Das Gleichlaufmeßverfahren.
• 4. Toniraffer und Tonlupe.
• 5. Netzfrequenzkorrektur.
• 6. Neuerungen und Meßgeräte, Zusammenfassung.

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Die Vollkommenheit der einzelnen Aufnahmegeräte ist sehr unterschiedlich. Die Güte einer Schallaufzeichnung hängt vor allem von der Dynamik, der Frequenzkurve und den Verzerrungen ab. Das Aufnahmeverfahren soll möglichst einfach sein, es soll eine unmittelbare Kontrolle der aufgezeichneten Tonqualität möglich sein. Wesentlich ist die Betriebssicherheit, die Zahl der Abspielmöglichkeit, die Wiederbenutzbarkeit des Tonträgers und die Lagerfähigkeit desselben. Wichtig ist auch die Spieldauer, die Möglichkeit des Konfektionierens und Uberblendens und viele andere Gesichtspunkte.

Der bandförmige Tonträger besteht aus einer Cellit oder Luvithermbasis, auf welcher das Magnetit (Fe₀3) aufgegossen oder im Luvitherm eingebettet ist. Die Magnetitteilchen sollen kleiner als 1µm sein. Die Herstellung des Bandes erfordert höchste Präzisionsarbeit und Erfahrung. Die 6,5 mm breiten, etwa 45µ dicken und etwa 1000m langen Bänder laufen mit einer gleichförmigen Geschwindigkeit am Kopfträger vorbei. Bei einer Geschwindigkeit von 72cm/sec beträgt die Spieldauer etwa 20 Min.
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Der Kopfträger enthält die für die Aufnahme und Wiedergabe notwendigen Ringköpfe, (Anmerkung : Heutzutage werden diese "Ringköpfe" ganz einfach Magnetköpfe oder sogar Tonköpfe genannt.) welche äußerlich gleich sind, aber verschiedene Wicklungsdaten und Luftspalte besitzen. Die Ringköpfe bestehen aus zwei Hälften, welche je eine Wicklung tragen, die so geschaltet sind, daß sich senkrecht zum Spalt eintretende Felder (Störfelder) aufheben. Das Tonband berührt zunächst den Löschkopf, dann den Aufsprechkopf und zuletzt den Abhörkopf.
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Der Hörkopf hat eine Spaltbreite von 0,02mm. Die Ausführung dieses Hörkopfspaltes erfordert große Präzision, da die Abtastung der höchsten Frequenzen sowie der Klirrfaktor hiervon abhängig sind. Auch die Ausrichtung des Sprech- und Hörkopfspaltes ist von großer Wichtigkeit.

Der Sprech- und Löschkopf erhält die notwendigen Spannungen aus einem Aufsprechverstärker. Die bei höheren Frequenzen entstehenden Verluste und Dämpfungen werden durch eine Entzerreinrichtung kompensiert (Anhebung der Frequenzen ab 3000 Hz, Bild 6).

Auch der Wiedergabeverstärker besitzt eine Anhebung der hohen Frequenzen (Bild 7). Die große Dynamik und Frequenzbreite des beschriebenen Aufnahmeverfahrens liegt in der Unterdrückung des Störgeräusches.

Beim Gleichstromaufsprechverfahren wird die Arbeitskennlinie des Magnettonbandes in den geraden Teil der einen Seite der Hysteresisschleife verlegt.

Durch die Ungleichmäßigkeiten der Magnetitteilchen sowie durch die Rauheit eines mit Gleichstrom vormagnetisierten Bandes entsteht das Rauschen. Dadurch gehen die in diesem Bereich liegenden Frequenzen im Rauschen unter. Gerade diese Frequenzen sind es, die mit einem wesentlich geringeren Pegel auftreten als die Grundtöne.

Diese hohen Frequenzen bilden hauptsächlich die Obertöne, welche, die Klangfarbe und Begleitgeräusche, wie Anstreichen oder Anblasen, ausmachen. Da beim Hochfrequenz- tonbandaufnahmeverfahren dieses Rauschen fortfällt, treten die hohen Frequenzen wieder in Erscheinung. Die Frequenzkurve nach dem obigen Aufnahmeverfahren hat einen geraden Verlauf zwischen 30Hz und 10.000Hz mit +3db Toleranz.

Die besten Dynamikwerte einer Magenttonaufnahme (Anmerkung : Mono und 6,5mm Vollspur) liegen bei etwa 68db (Geräuschspannungsdynamik und 3,5% Klirrfaktor - Stand 1949 !!).
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• Beim Gleichstromverfahren liegen die Dynamikwerte bei 38db,
• beim Tonfilm bis 53db,
• die Wachsplatte erzielt 52db,
• die Kunstharzplatte oder (78er Schell-) Lackplatte 42db.
• Originaldarbietungen eines großen Orchesters haben einen Lautstärkeumfang von 75db.
• Eine direkte Übertragung mit hochwertigem Kondensatormikrofon erreicht 70db - vermutlich bereits auf UKW (FM) bezogen - bei Mittelwelle (AM) war das sowieso unmöglich.
  

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Es ist also verständlich, weshalb es nahezu unmöglich ist, einen Unterschied zwischen einer direkten Übertragung und einer Hochfrequenzmagnettonaufzeichnung festzustellen.
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• Anmerkung : Beachten Sie bitte, wir schreiben 1948 und der Autor referiert bereits über die Stereo-Aufzeichnung. Bei der Vinyl-Schallplatte (LP) hatte es bis 1958 gedauert und beim UKW-Rundfunk bis 1963, bis diese Technik eingeführt wurde.

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Durch die Fortentwicklung des Magnettonaufzeichnungsverfahrens zum Hochfrequenzverfahren war 1941 die Schallaufzeichnungstechnik auf eine Höhe gebracht, bei welcher die gesteigerte Qualität auf die Verbesserung der Verstärker, Maschinen und vor allem des Tonbandes gelegt werden muß.

Die Dynamik und Frequenzbreite erforderte zunächst keine Erweiterung. Es lag daher nahe, ein weiteres Problem der Schallaufzeichnungstechnik, welches beinahe ebenso alt ist wie die Aufnahmeverfahren selbst, zu untersuchen.

Bisher ist der Zuhörer einer Musik- oder Theaterübertragung gewohnt den Schalleindruck nur aus einem Punkt, nämlich dem Lautsprecher, zu empfangen. Dadurch besteht keine Möglichkeit, die Schallquelle zu lokalisieren. Deshalb kann eine übliche Theateraufführung nicht unverändert übertragen werden bzw. stört es bei öffentlichen Aufführungen, wenn der Schauspieler auf die Aufstellung der Mikrofone Rücksicht nehmen muß.

Jeder Schauspieler muß vor das Mikrofon treten, wenn er zu sprechen oder zu singen hat. Es kann weder über den räumlichen Eindruck des Aufnahmeraumes etwas ausgesagt werden, noch über dessen Akustik, welche für das Ausklingen eines Klangkörpers bestimmend ist.

Die stereofonische Schallaufzeichnung scheiterte zumeist an den Gleichlaufschwierigkeiten der beiden Tonspuren. Geringste Gleichlaufschwankungen oder Abweichungen beeinflussen äußerst störend das Tonbild und verschieben den Schwerpunkt und die Lage der Schallquelle.
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Die Lokalisierung der Schallquelle beruht auf dem Laufzeitunterschied der Schallwelle beider Ohren. Voraussetzung für gutes Lokalisieren sind beiderseitig gleichempfindliche Hörorgane, ebenso wie für das plastische Sehen die Voraussetzungen eines Normalsichtigen gegeben sein müssen.

Im Freien lassen sich Schallquellen ohne Bewegung des Kopfes auf einen Winkel von etwa 3° angeben. Bei ganz tiefen Tönen ist die Ortsbestimmung schwierig, ebenso bei sehr hohen Tönen. Für einen Winkel von 30° aus der Symmetrieebene des Kopfes ist der Laufzeitunterschied des Schalles etwa 1/100 ms zwischen beiden Ohren.

Um auch den Höhenwinkel einer Schallquelle festlegen zu können, ist grundsätzlich ein Bewegen des Kopfes notwendig. Wohl jeder konnte schon beobachten, daß auch ein Hund, der eine Schallquelle sucht, den Kopf zur Seite neigt, was bekanntlich unbewußt erfolgt. Nur mit wenigstens drei Hörorganen wären wir in der Lage, alle (theoretisch oberhalb des Horizontes liegenden) Schallquellen räumlich anzugeben.

Um die Sicherheit des Gleichlaufes zu bewerkstelligen, sind der Sprech- und Hörkopf mit durchgehendem Spalt versehen, das heißt, daß der Spalt des Aufsprechkopfes sowie des Wiedergabekopfes über beide Tonspuren reicht. Das etwa 6,5mm breite Tonband wird in zwei Tonspuren von je etwa 2,7mm Breite aufgeteilt. Die neutrale Zone der Doppelköpfe besteht aus einer nichtmagnetischen Zwischenlage. Theoretisch nimmt bei einer Halbierung der Tonspurbreite die Dynamik um 3db ab. Praktisch sind es etwa 6db, so daß die Dynamikwerte bei 62db je Kanal liegen. Die Frequenzkurve bleibt unverändert und ist geradlinig von 30 Hz bis 10 kHz.

Eine wesentliche Frage ist die gegenseitige Übersprechdämpfung der beiden Tonspuren. Sie kann ihre Ursache haben

• a) im Aufsprechverstärker,
• b) im Aufsprechkopf,
• c) im Tonband und
• d) im Hörkopf.

Die Beseitigung des Übersprechens im Aufsprechkopf ist etwas schwierig. Sie konnte aber schon auf über 40db gebracht werden. Bei einer stereoakustischen Aufnahme spielt dieses restliche Übersprechen keine Rolle mehr, da die beiden Spuren gleich moduliert sind, jedoch mit verschiedenen Pegeln. Das gegenseitige Übersprechen hängt naturgemäß auch von der Frequenz ab und ist zwischen 600 und 2.500 Hz am stärksten. Die Zwischenlage der Ringköpfe ist von besonderem Einfluß auf die Übersprechdämpfung.

Auch die Ausbildung der Ringkopfteile ist zum Unterschied von der der Einkanalköpfe verschieden. Für die Unterbringung der Wicklungen sind die beiden Ringhälften entweder unsymmetrisch ausgebildet oder die aus Blech bestehenden »Ringhälften« gekröpft. Wie schon früher erwähnt, ist der symmetrische Aufbau der Köpfe für das Kompensieren der senkrecht zum Spalt eintretenden Störfelder notwendig.

Der Aufsprechverstärker enthält die für jeden Kanal getrennten Modulationsverstärker zur Erzeugung des Aufsprechstromes mit der bereits besprochenen Entzerrungseinrichtung und außerdem einen Hochfrequenzoszillator.

Während früher für das Löschen eine Frequenz von etwa 35 kHz und für die Vormagnetisierung eine Frequenz von etwa 90 kHz verwendet wurde, hat es sich herausgestellt, daß man mit einer einzigen Frequenz ebenso gute Erfolge erzielt. Dabei wird der Aufsprechverstärker wesentlich einfacher, und Schwierigkeiten von Interferenztönen fallen fort.

Die Interferenztöne entstanden durch die Überlagerung höherer Harmonischer der Löschfrequenz mit der Vormagnetisierungsfrequenz. Eine einheitliche Frequenz von etwa 55 kHz hat sich gut bewährt. Höhere Frequenzen wären vorteilhafter, können aber mit Rücksicht auf den unbedingt erforderlichen Löschstrom von etwa 120 bis 150 mA und den zunehmenden Verlusten bei höheren Frequenzen mit kleineren Röhren (EL11) nicht gut hergestellt werden.

Der Vormagnetisierungsstrom wird gleichzeitig den beiden Sprechköpfen zugeführt, wo er den Niederfrequenzströmen überlagert wird. Für jeden der beiden Kanäle sind Modulationsstrom und Vormagnetisierungsstrom einzeln regelbar, um die optimale Dynamik für ein bestimmtes Tonband und einen maximal zulässigen Klirrfaktor einpegeln zu können. Während Cellitbänder einen Vormagnetisierungsstrom von etwa 5mA verlangten, benötigt das Luvithermband 8 bis 10mA.

Ursprünglich (ab etwa 1942) wurden stereoakustische Übertragungen auf die Art durchgeführt, daß man für die Aufnahme zwei Mikrofone verwendete, welche nach Lage der menschlichen Ohren an einer Nachbildung des menschlichen Kopfes angebracht waren. Die auf diese Weise gemachten Aufnahmen oder Übertragungen eignen sich wieder nur für Kopfhörerwiedergabe.

Der aufmerksame Hörer stellt dabei fest, daß der Schalleindruck von rückwärts kommt. Es ist selbstverständlich, daß hierbei die verstärkte Mikrofonspannung des linken Mikrofons an die Muschel des linken Ohres angeschlossen wird. Dasselbe geschieht entsprechend auf der rechten Seite. Diese sonderbare Erscheinung bleibt auch bestehen, wenn die Kopfnachbildung mit Ohrmuscheln versehen wird.
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Für eine Wiedergabe mit Lautsprechern ist die Aufstellung von zwei oder mehreren Mirkofonen notwendig. Der Abstand der Mikrofone bedeutet die Basis für das plastische (stereofone) Hören, ebenso wie ein Scherenfernrohr die Basis für das Entfernungssehen (das räumliche Sehen) bedeutet. Die Verwendung von Richtmikrofonen (mit Nierencharakteristik) hat sich als überflüssig erwiesen. Es zeigt sich, daß die Schalldruckverteilung im Aufnahmeraum genügend Unterschied an den verschiedenen Orten der Mikrofone aufweist.

Für das Einpegeln haben sich tragbare Tongeneratoren nicht bewährt, da solche mit Lautsprechern ausgerüstete Geräte durch ihre ausgesprochene Richtwirkung bei der geringsten Drehung Fehler ergeben. Besser ist es, ein Sprecher geht sprechend entlang der Bühne auf und ab. Die beiden Kanäle werden vorteilhaft mit dynamischen Kopfhörern, welche getrennte Zuleitungen zu den Hörmuscheln von je einem Kanal besitzen, abgehört.
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Bei stereofonischen Schallaufnahmen ist darauf zu achten, daß der Zuhörer nur akustisch beeinflußt werden kann. Während bei einer Theateraufführung, bei welcher der optische Eindruck von größter Bedeutung ist, es überhaupt nicht auffällt, wenn ein Schauspieler ein Musikinstrument nur markiert (welches in Wirklichkeit im Orchester unter Umständen an einem ganz anderen Platz gespielt wird), stört dies bei der Stereoübertragung.

Die stereofonische Übertragung und Schallaufzeichnung benötigt besonders große Frequenz- breiten, wie sie nur die Hochfrequenztonbandaufzeichnung erreicht. Die Wiedergabelautsprecher müssen eine gerade Frequenzkurve von 20Hz bis 10kHz besitzen, um wirklich eine vollkommen naturgetreue, plastische Wiedergabe zu erreichen.

Auch die Aufstellung der Lautsprecher im Wiedergaberaum steht in einem bestimmten Verhältnis zur Breite des Aufnahmeraumes und dessen Klangkörpers. Die Akustik des Wiedergaberaumes ist der des Aufnahmeraumes möglichst anzupassen. Unter solchen Voraussetzungen ist es dann nahezu unmöglich, eine stereoakustische Wiedergabe von einer Originaldarbietung zu unterscheiden.

Neben der Dynamik, der Frequenzkurve und dem Klirrfaktor, sind es noch mehrere Eigenschaften, welche die Qualität einer Schallaufzeichnung verbürgen.

Besonders unangenehme Störungen sind Tonhöhenschwankungen. Diese können bei sämtlichen Schallaufzeichnungsgeräten auftreten, gleichgültig ob es sich hierbei um platten- oder bandförmige Tonträger, handelt. Wir unterscheiden grundsätzlich drei verschiedene Fehler:

• 1. periodische Schwankungen der Tonhöhe,
• 2. falsche Tonhöhenlage und
• 3. sprungförmige Tonhöhenänderungen.

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• Zu 1.: Wohl auch der unmusikalische Hörer ist gegen Störungen, welche sich als periodische Tonhöhenschwankungen äußern, empfindlich. Sie sind innerhalb einer Frequenz von 5 bis 15 Hz am unangenehmsten. Am bekanntesten sind sie bei Schallplattengeräten und haben die Ursache meist darin, daß die Schallplatte nicht konzentrisch läuft. Mit Hilfe eines Zentrierkegels ist dieser Fehler leicht zu beseitigen.
  
  Schallplatten, welche durch Wärmeeinwirkung gelitten haben, zeigen aber auch bei konzentrischem Lauf oft periodische Tonhöhenfehler.
  
  
• Zu 2.: Die Tonhöhe einer Schallaufzeichnung hängt
  
  a) von der Aufnahmegeschwindigkeit
  b) von der Wiedergabegeschwindigkeit ab.
  
  Schallplattengeräte werden entweder von einem Federwerk oder einem Elektromotor angetrieben. Ist der Antriebsmotor eine Synchronmaschine, so hängt die Tonhöhe bei der Wiedergabe lediglich von der Netzfrequenz ab. (Siehe »Netzfrequenzkorrektur«.) Induktions- oder Kollektormotore, welche zum Antrieb von Schallplattengeräten verwendet werden, lassen sich mittels eines Zentrifugalreglers auf die richtige Drehzahl einstellen.
  
  Tonfilm, Stahldraht, Schallfilm und Magnettonapparaturen werden ausschließlich von Synchron- oder Assynchronmotoren angetrieben, wobei wiederum ein Unterschied zu machen ist, ob der Tonträger durch Friktion oder Perforation angetrieben wird. Perforierte Schallträger zeigen in der Wiedergabe nur dann periodische Schwankungen, wenn eine Antriebsrolle schlägt. Die Tonlage ist mit der Netzfrequenz fest gekoppelt. Die Tonhöhe ist also stets eine Funktion der Schallträgergeschwindigkeit, somit identisch mit der Umfangsgeschwindigkeit der Antriebsrolle.
  
  
• Zu 3.: Sprungförmige Tonhöhenänderungen können ihre Ursache in schlechter Friktion des Tonträgers mit der Antriebsrolle oder im zeitweisen Außertrittfallen des Synchrontonmotors haben. Sie lassen sich einfach beseitigen.

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Neben der Frequenz der Tonhöhenschwankung ist auch ihre Amplitude maßgebend. Eine Schwankung von über 2% Frequenzabweichung wird schon als Fehler empfunden. Das heißt, das geübte menschliche Ohr kann einen Tonhöhenunterschied von 1/8 Ton unterscheiden. (3/8 Ton entspricht etwa 1,6% Schwingungszahländerung.)

Werden nun mit solchen Fehlern behaftete Aufnahmen gecuttert (mit anderen Aufnahmen zusammengesetzt), so können sich obige Felder von anderen Maschinen noch dazuaddieren. Zum Abspielen werden nun meist wieder andere Maschinen eingesetzt, welche ihrerseits auch Gleichlauffehler aufweisen können. So kommt es dann, daß der Hörer, beim Umblenden von einer auf die andere Maschine, eine Tonlagenänderung feststellt.

Die subjektiven Feststellungen lassen sich nun nach folgendem Verfahren objektiv genau messen: Ein etwa 3 Min. (ca. 150m) langes Meßband, auf welchem der Netzfrequenzton aufgenommen ist, wird auf der zu prüfenden Maschine abgespielt. Dieser Ton wird auf das eine Plattenpaar eines Kathodenstrahloszilloskopes gelegt, auf dem zweiten Plattenpaar liegt die Netzspannung.

Die Gleichlaufmessung ist also dort am Platze, wo es sich darum handelt mehrere Maschinen auf absoluten Gleichlauf auszurichten (Tonbandkopieranstalten), beziehungsweise Dehnungserscheinungen des Tonbandes rechtzeitig zu erkennen. Eine konstante Abweichung läßt meist auf einen unrichtigen Tonwalzendurchmesser schließen.

(Der Tonwalzendurchmesser beträgt bei Synchronmotorantrieb mit 1.500 Umdr./Min. 9,80 mm, bei Assynchronmotoren 1.470 Umdr./Min. und ebenfalls 77cm/Min. Bandgeschwindigkeit 10 mm.)

Zum Unterschied von Schallplatten und Tonfilmen lassen sich Tonkopien nur im Umspielverfahren vervielfältigen. Das heißt, daß die Modulation der Muttermaschine, von einer beliebigen Anzahl von Tochtermaschinen aufgenommen wird. Der genaue Gleichlauf sämtlicher Umspielmaschinen ist wesentlich und muß mit Rücksicht auf die Abnutzung geprüft werden, wozu sich das oben angegebene Verfahren besonders gut eignet.

Um Tonkopien in großen Mengen herzustellen, würde das Abspielen zu langwierig werden, bzw. wären zuviele Maschinen notwendig. Es ist daher durchaus zweckmäßig mit Spezialumschnittapparaturen etwa die dreifache Bandgeschwindigkheit zu verwenden. Selbstverständlich müssen dabei auch die Frequenzkurven der Wiedergabe- und Aufnahmeverstärker entsprechend eingerichtet sein. Aber auch der Rücklauf eignet sich für Umschneiden bzw. Vervielfältigen einer Aufnahme. In diesem Falle wäre es überhaupt überflüssig das Frischband zunächst umzuspulen.

Bei gleicher Qualität der Umspielapparaturen verschlechtert sich die Dynamik für jeden Umschnitt um 3db, das bedeutet, daß die erste Kopie des Originals um 3db schlechter ist als das Original, die zweite Kopie somit von der ersten um 6db schlechter als das Urband. Theoretisch wäre die Qualität der Schallplatte etwa erst der zehnten Kopie gleichzusetzen.

An dieser Stelle verdient es erwähnt zu werden, daß sich die Qualität mit der Häufigkeit des Abspielens nicht verschlechtert solange das Tonband mechanisch einwandfrei bleibt. Im Gegenteil, es konnte festgestellt werden, daß sich die Dynamik nach einigen Wiedergaben verbessert hatte.

Dieser Tatsache liegt folgende Erscheinung zu Grunde: Starke Modulationsstöße verursachen eine besondere kräftgie Polarität der molekularen Magnetitteilchen. Durch die gleiche Polarität stoßen sich diese Molekularmagnetchen so kräftig ab, daß sie zum Teil aus der sie einbettenden Masse hervortreten und dadurch das Band mechanisch rauher wird, welches seinerseits wiederum ein »Anrauschen« (besonders bei reinen Klängen) verursacht.

Erst nach wiederholtem Abspielen werden diese Unebenheiten abgeschliffen und das »Anrauschen« verschwindet. Schließlich stellt ein starker Modulationsstoß vor Einsetzen der ersten Schwingung eine geringe Gleichstromvormagnetisierung dar.
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