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Vom Arbeitspferd zum Klangveredler

In der Vergangenheit war das Studiotonbandgerät das Arbeitsmittel zur Konservierung und Gestaltung von Tondokumenten durch eine möglichst naturgetreue Aufzeichnung und der Möglichkeit des Eingriffs in den zeitlichen Ablauf einzelner Sequenzen durch Schneiden und Kombinieren verschiedener Aufnahmepassagen. Im Laufe der Zeit wurden die Spurenzahl und die Breite des Bandes vergrößert, die Bedienung der Geräte durch Mikroprozessoren erleichtert. Im Hintergrund lief in den Entwicklungsabteilungen der Band- und Gerätehersteller die Optimierung von Bändern, Köpfen und Schaltungen im wahrsten Sinne des Wortes auf Hochtouren, denn es wurde immer nach mehr „Rauschfreiheit“ und einem möglichst „linealglatten Frequenzgang“ gestrebt.  - Dann kam die Digitaltechnik: Die analogen Geräte wanderten ins Lager oder auf den Schrott und nur ein paar Liebhaber, die sich an drehenden Spulen erfreuten, hielten der Tonbandtechnik die Stange. Heute, im Zeitalter der bandlosen digitalen Bearbeitung und Speicherung wird genau dieser analoge Klang wieder gewünscht, um einer digitalen Produktion ein wenig „liebenswerte Rundungen“ durch winzige technische „Unzulänglichkeiten“ aus der Vergangenheit hinzuzufügen. Diese, wie wir heute wissen, wirklich minimalen „Unzulänglichkeiten“ gab es bei der Magnetaufzeichnung aus physikalischen und herstellerspezifischen Gründen zur Genüge. Durch Einstellungen und Justagemöglichkeiten an Plug-Ins und Hardware-Bandgeräte-Simulatoren wird heute gern probiert, ein für die Produktion angenehmes ur-analoges Klangbild zu schaffen.

 

Theorie

Hier nun ein Blick auf die Theorie und die daraus folgende Praxis, für alle, die sich heute oder in Zukunft mit der Kombination von Köpfen und Elektronik einer echten Senkelmaschine, wie sie liebevoll genannt wurde, beschäftigen möchten.

 

Die Magnettonköpfe

Vom prinzipiellen Aufbau sind Aufnahme- Wiedergabe- und Löschkopf alle gleich: Es handelt sich um sogenannte Ringkernköpfe, deren dem Band zugewandte Seiten durch einen schmalen Spalt unterbrochen sind. Die Spalteinlage ist ein unmagnetisches Material wie zum Beispiel Kupfer oder Glimmer. Die Zone um den Spalt ist bogenförmig fein geschliffen. An dieser Spiegelfläche gleitet das Band mit seiner Magnetschicht vorbei. Der Aufnahmekopf soll die von einem speziellen Verstärker gelieferten Audio-Signale als Magnetisierung aufs Band übertragen.

 

Foto: Aufnahmekopf. Die Eisenpakete und der Spalt sind gut zu erkennen.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Der Wiedergabekopf soll aus den an ihm vorbeigleitenden Magnetfeldern wiederum eine Spannung erzeugen. Der Löschkopf schließlich entmagnetisiert das Band durch ein sehr starkes HF-Magnetfeld.

 

 

Foto: Das Beispiel zeigt einen Wiedergabevorgang (aus: Telefunken-Laborbuch)

 

 

 

 

 

 

 

Die Aufnahme

Wegen der nichtlinearen Kennlinie der magnetisierbaren Bandschicht ist für den Aufnahmevorgang eine Vormagnetisierung notwendig, ähnlich der Gittervorspannung bei Röhrenverstärkern. (Siehe Studiowerkstatt 4). Diese Vormagnetisierung geschieht durch Hochfrequenz, die dem aufzunehmenden Audio-Signal zugefügt wird. (Ein tieferes Eingehen auf die Hintergründe dieses Verfahrens würde den Artikelumfang sprengen.) Diese Hochfrequenz – im Bereich von 80 – 200 kHz - wird nur sehr schwach mit aufgezeichnet und ist bei der Wiedergabe nicht hörbar. Sie dient nur dazu, im Moment der Aufnahme den richtigen Arbeitsunkt auf der Magnetisierungskennlinie des Bandes festzulegen. Dieser Arbeitspunkt liegt bei jedem Bandtyp an einer anderen Stelle und ist je nach Einstellung direkt für einen bestimmten Klang – und auch für ein bestimmtes Rauschen - verantwortlich. Daher auch die Angabe auf vielen Maschinen: „Eingemessen auf Band Type LGR... oder PER...“. Mit dieser Einstellung kann sehr stark auf die Güte der Aufzeichnung Einfluss genommen werden. Soll möglichst naturgetreu aufgenommen werden, ist es wichtig, zu wissen, auf welches Band die entsprechende Maschine eingemessen ist, denn ein Wechsel auf ein anderes Band hat direkten Einfluss auf die Klangqualität.

 

 

Foto: Prinzip der HF-Vormagnetisierung (aus: AGFA-Firmenschrift)

 

Das Einstellen der Vormagnetisierung geschieht anhand der technischen Daten, die jedem Band mitgegeben wurden. Diese Daten geben den individuellen Arbeitspunkt an. Daten von älteren Bändern lassen sich jedoch nicht immer recherchieren. Abhilfe schafft hier nur die Einstellung nach folgender Faustformel, die meist in den Serviceunterlagen der Bandgerätehersteller abgedruckt ist.

 

Der Aufnahmekopf

Noch ein weiteres Kriterium ist für die Qualität der Aufzeichnung verantwortlich: Das Eisen, aus dem der Kopf besteht. Hier muss ein Material verwendet werden, das nur geringe Ummagnetisierungsverluste hat. Bekannt sind Kopfkerne aus Weicheisen oder Ferrit. Weicheisen bietet hervorragende Rauschabstände, ist aber – wie der Name schon sagt: weich und nutzt daher schneller ab. Ferrit hingegen ist sehr hart, rauscht aber um 2 bis 3 dB mehr. Zur weiteren Herabsetzung etwaiger Verluste ist der Weicheisen-Kopfkern zusätzlich aus dünnen Lamellen geschichtet. (Dies ist bekannt vom Transformatorenbau) Hierbei ist vom Hersteller darauf zu achten, dass der Spalt absolut gerade ist, denn die Qualität der Aufzeichnung hängt nicht, wie viele annehmen, von der Breite des Spalts, sondern von der Ebenheit der Kante ab, an der das magnetisierte Band den Kopf verlässt.

Außerdem befindet sich auf der Rückseite des Kopfes ein zusätzlicher Luftspalt, der für eine gleichmäßigere Magnetisierung des Bandes und für eine Herabsetzung von remanentem Magnetismus sorgt. Dieser erzeugt nämlich unter anderem zusätzlich ein  Rauschen. Die Wicklung eines Aufnahmekopfes ist recht niederohmig. Sie hat in der Regel einen Widerstand von 5 – 20 Ohm.

 

Der Wiedergabekopf

Er ist, wie schon erwähnt, ähnlich dem Aufnahmekopf aufgebaut mit zwei sehr wichtigen Unterschieden: Der dem Tonband zugewandte Spalt muss außerordentlich schmal sein und er muss einen sehr großen magnetischen Widerstand im Vergleich zum Kopfkern haben. Letzteres wird erreicht durch Verjüngen des Kernquerschnitts auf einige Zehntel Millimeter.

 

Foto: Schnittbild eines Wiedergabekopfes (Christian, Magnettontechnik)

 

Durch den Magnetismus des am Kopf vorbeilaufenden Bandes wird in der Wicklung eine Spannung erzeugt. Genaugenommen entsteht sie durch den magnetischen Kurzschluss der Kraftlinien im Band und dem Kern des Kopfes. Daher der Ausdruck „Kurzschlussfluss“ der in vielen technischen Daten angegeben ist. Zusammengefasst sind für den Wiedergabekopf folgende Kriterien wichtig:

 

 

Der Omega-Gang

Wenn beim Wiedergabevorgang ein Band mit verschiedenen Frequenzen aber gleichem Magnetismus am Kopf vorbeiläuft, so steigt mit steigender Frequenz gemäß dem Induktionsgesetz die induzierte Spannung – bei doppelter Frequenz ergibt das auch etwa die doppelte Spannung. Dies geht aber, physikalisch bedingt, nicht linear über den gesamten hörbaren Frequenzbereich vor sich – ab einer bestimmten Frequenz rücken die auf dem Band befindlichen Magnetpole so nah zusammen, dass sie in der Schicht des Bandes verschwinden und keine Induktion nach außen in den Kopf hinein erzeugen. Die resultierende Spannung am Kopf hat zu höheren Frequenzen den im nächsten Bild dargestellten Verlauf.

 

 

Foto: Omega-Gänge von Wiedergabeköpfen bei verschiedenen Bandgeschwindigkeiten (aus: AGFA Firmenschrift)

 

Hier kann jetzt aber mit der entsprechenden Entzerrung im Wiedergabeverstärker eingegriffen und der Frequenzgang recht gut linearisiert werden.

 

Der Spalteffekt

Doch damit leider nicht genug, was die Qualität der Höhenwiedergabe anbelangt: Ein weiterer Effekt sorgt für eine endliche Wiedergabe von hohen Frequenzen: Der Spalteffekt. Hierbei kommt der Begriff „Bandwellenlänge“ zum Tragen. Es handelt sich bei diesem Begriff um die Beschreibung der Abhängigkeit zwischen der maximal aufzeichenbaren Frequenz, der Bandgeschwindigkeit und der Spaltbreite des Wiedergabekopfes. Wenn ein Band zum Beispiel mit der Geschwindigkeit von 9,5 cm/sec läuft, so hat es bei 16kHz eine Bandwellenlänge von 6µm. (95mm : 16000Hz = 0,0059mm). Hat nun der Wiedergabekopf genau diese Spaltbreite, so passt ein kompletter magnetischer Wellenzug in den Spalt – es erfolgt keine Spannungsinduktion und demzufolge keine Wiedergabe. Der Spalt muss also kleiner gemacht oder die Bandgeschwindigkeit muss erhöht werden.

 

 

Kopfspiegelresonanzen

Im niederfrequenten Frequenz-Bereich gibt es Dank der Physik ebenfalls Unzulänglichkeiten in der Linearität der Wiedergabe. Hier spielt uns abermals die Bandwellenlänge ins Handwerk. Es ist diesmal nicht der Spalt, der für Welligkeit sorgt, sondern das gesamte Kopfpaket, das mit dem Band in Berührung kommt. Hier wieder ein kleines Rechenbeispiel: Angenommen, das Band berührt den Kopf auf einer Länge von 5mm und läuft an diesem mit einer Geschwindigkeit von 19 cm/sec vorbei, so ergibt sich: 190mm : 5mm = 38 Hz. Das heißt, bei 38 Hz hat der Frequenzverlauf ein Maximum und bei 76 Hz folglich – ein gesamter Schwingungszug passt auf das Kopfpaket – ein Minimum.

 

 

Foto: Kopfspiegelresonanzen (aus: Schröder, Tonbandgerätemeßpaxis)