- von Rene Frank und Sebastian König - 

1. Geschichte der Tonaufzeichnung

2. Grundbegriffe

2.1. Akustik/Schall

2.2. Unterschiede zwischen analog und digital

2.3. Der Stereoklang

3. Speicherung auf Datenträgern

3.1. Die Schallplatte

3.2. Die Kassette

3.3. Die Compact Disc

4. Blick in die Zukunft

Anhang: Glossar

In diesem Referat geht es um die Speicherung von akustischen Signalen auf Datenträgern. Dazu werde ich erst mal die physikalischen Grundlagen der Akustik darlegen, sowie etwas zur Geschichte der Tonaufzeichnung sagen. Dann beschäftige ich mich mit den Datenträgern (Schallplatte, Kassette und CD) selbst. Das Referat wird durch einen Blick in die Zukunft abgerundet.

1. Geschichte der Tonaufzeichung

Schon seit Jahrhunderten versuchten Menschen Schallwellen auf Medien zu speichern. Die erste Aufzeichnung gelang allerdings erst 1859, als C. Cross in Frankreich die Schallwellen mit Hilfe einer schwingenden Nadel in weichen Graphit einritzte. Er konnte sie allerdings nicht wieder hörbar machen.

1877 konstruierte Thomas Edison (® Edison) ein Gerät namens Phonograph, das Töne aufzeichnen und erstmals wiedergeben konnte. Es waren jedoch nur Mono-Aufnahmen, da der Schall aus nur einem Lautsprecher kam.

Wie Edisons Phonograph funktionierte:

a) Eine Membrane berührt eine Stahlnadel

Der Trichter bündelt den Schall auf eine Metallmembrane

Mit Zinnfolie überzogener Zylinder

Zum Abspielen wurde der beim Phonographen verwendete Zinnzylinder, auf dem der Ton gespeichert war, in die Ausgangsstellung zurückgedreht.

Die Wellen im Zinn ließen die Nadel vibrieren und diese übertrug die Schwingungen auf eine Membrane (® Membran).

1888 ersetzte der Deutsche E. Berliner die Zylinder durch flache Venylplatten.

1891 führte Berliner die „Vaterplatte" ein, von der einfache Kopien gezogen werden konnten. Die Schallplatte war geboren !

1898 ließ sich V. Poulsen (Dänemark) ein Gerät zur magnetischen Tonaufzeich-nung patentieren. Die Schallschwingungen wurden als Muster unterschiedlich starker Magnetisierung auf einem Stahldraht gespeichert.

1925 entwickelte J. Maxfield (USA) die elektrische Tonaufzeichnung.

Statt direkt eine Nadel zum Schwingen zu bringen, wurde der Schall von einem Mikrofon zunächst in elektrische Stromimpulse umgewandelt.

1928 führte F. Pfleumer (Deutschland) das Magnetband ein, ursprünglich ein mit Eisenpartikeln beschichtetes Papierband.

1933 entwickelte die Firma „EMI", in Großbritannien ansässig, ein stereophones Tonaufzeichnungsverfahren. Es machte durch Verwendung zweier Mikrofone die Tonaufzeichnung wirklichkeitsgetreuer.

1935 baute die Firma „AEG" (Deutschland) das erste moderne Tonbandgerät, welches schon mit magnetisch beschichteten Kunststoffbändern arbeitete.

1963 führte die Firma „PHILIPS" aus Holland, den Kassettenrecorder ein, der mit kleinen Bandkassetten statt mit großen Magnetspulen arbeitete.

Nun war auch die Kassette geboren !

1982 stellten die Firmen „PHILIPS" und „SONY" (Japan) die erste Compact Disc (CD) her ! Eine CD hat nur 12 cm Durchmesser, und ist somit entschieden kleiner als eine Schallplatte, die einen Durchmesser von 30 cm hat.

2. Grundbegriffe

Ich werde mich nun mit der Akustik und dem Schall, sowie mit analoger und digitaler Speicherung befassen.

2.1. Akustik/Schall

Akustik ist die Lehre vom Schall. Die Akustik ist ein Teilgebiet der Mechanik. Sie befaßt sich mit mechanischen Schwingungen, mit Frequenzen (® Frequenz [siehe Glossar] ) im Bereich von 16 Hertz bis 20.000 Hertz (® Hertz), die sich in einem elastischen Medium (Luft) wellenförmig fortpflanzen und im menschlichen Gehör einen Sinneseindruck hervorrufen können. Mechanische Schwingungen und Wellen mit Frequenzen unterhalb von 16 Hertz werden als Infraschall, solche mit Frequenzen oberhalb von 20.000 Hertz als Ultraschall bezeichnet.

Die vielgestaltigen Formen lassen sich in vier Gruppen einteilen:

der Ton

der Klang

das Geräusch

der Knall

Das einfachste Schallereignis ist der Ton. Er wird von einer harmonischen Schwingung (® Sinusschwingung) hervorgerufen. Je größer die Frequenz der harmonischen Schwingung, desto höher der Ton.

Der Klang stellt ein Gemisch von Tönen dar, deren Frequenzen ganzzahlige Vielfache der Frequenzen des tiefsten, im Tongemisch vorhandenen Tones (Grundton) sind.

Als Geräusch bezeichnet man ein Gemisch zahlreicher Töne, rasch wechselnder Frequenzen und rasch wechselnder Stärke.

Der Knall wird durch eine schlagartig einsetzende, sehr kurz andauernde mechanische Schwingung großer Lautstärke hervorgerufen.

Die Schalleistung empfindet das menschliche Ohr als Lautstärke. Maßeinheit für die Lautstärke ist das Dezibel (dB). Die Hörschwelle hat den Wert 0 dB. Wächst die der Lautstärkeempfindung zugrundeliegende Schalleistung auf das Doppelte ihres ursprünglichen Wertes, so nimmt die Lautstärke um 3 dB zu.

Das heißt: Wenn ein Motorrad eine Lautstärke von 80 dB hervorruft, dann erzeugen zwei gleichzeitig in Betrieb befindliche Motorräder eine Lautstärke von 83 dB.

Hierzu einige Beispiele:

2.2. Unterschiede zwischen analog und digital

Der Unterschied zwischen dem analogen und digitalen Aufnahmeverfahren besteht darin, daß die Töne beim analogen Verfahren direkt als Wellen und Schwingungen aufgezeichnet werden. Beim Digitalen hingegen werden diese Wellen und Schwingungen erst in elektrische Impulse und dann in digitale Informationen (Zeichen = engl.: digit) umgewandelt. So ist eine viel genauere Aufzeichnung und eine klanglich einwandfreiere Wiedergabe gewährleistet. Das digitale Aufnahmeverfahren wurde erstmals bei der CD angewandt.

2.3. Der Stereoklang

Wer sich in einem Konzert schon einmal für kurze Zeit ein Ohr zugehalten hat, wird es gemerkt haben:

Mit zwei Ohren hören wir Töne voller als mit einem Ohr. Der Musik fehlt die Tiefe und Ausdruckskraft, wenn man sie nur mit einem Ohr hört.

Am Beispiel der Schallplatte möchte ich deshalb kurz den Stereoklang erläutern.

Wenn man bei einer Aufnahme nur ein Mikrofon benutzt, erzielt man keinen "räumlichen" Eindruck. Benutzt man aber zwei oder mehr Mikrofone, um die von rechts und links kommenden Töne aufzunehmen, bewirkt man einen räumlichen oder Stereoeffekt (griech.: stereos - zwei), wie beim direkten Hören in einem Konzertsaal. Wenn man dieses Verfahren bei einer Schallplatte anwenden möchte, schneidet die Nadel (siehe 3.1. Die Schallplatte) je eine Linie in den linken und rechten Schenkel der v-förmigen Plattenrille. Beim Abspielen einer solchen Platte wird der Ton jeder Linie getrennt wiedergegeben. Die so erzeugten elektrischen Impulse fließen zu zwei Lautsprechern. Sie bilden zusammen einen Klang von großer Tiefe und Dimension - man hat das Empfinden, im gleichen Raum zu sitzen, in dem die Tonaufnahme gemacht wurde.

3. Speicherung auf Datenträgern

Ich gehe nun genauer auf die einzelnen Speichermedien - Schallplatte, Kassette und CD - ein.

3.1. Die Schallplatte

Die Schallplatte ist ein kreisscheibenförmiger Venyl-Tonträger mit 30 cm Durchmessern, auf der die Schallschwingungen in einer spiralförmig verlaufenden Rille aufgezeichnet sind und mit einem Tonabnehmer abgetastet werden (heute durch Plattenspieler, früher durch Grammophon). Die normale Stegweite zwischen Rillen beträgt 0,3 mm.

Um eine Schallplatte herzustellen, braucht man ein sogenanntes „Mutterband". Die durch eine Mikrofonaufnahme gespeicherte Musik auf dem Mutterband wird in elektrische Impulse umgewandelt, die an einen Schneidekopf weitergeleitet werden. Die scharfe Diamantspitze des Schneidekopfes schwingt im Rhythmus der Stromstöße und schneidet Rillen in eine weiche Kunststoffscheibe, die sich dreht. Bei lauten Tönen wird tiefer eingeschnitten, bei leisen Tönen flacher. Diese Kunststoffscheibe dient als Preßform für die Schallplatte, die man dann später kaufen kann.

Aufgenommen wird bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 45 oder 33 ½ (Langspielplatte) Umdrehungen pro Minute.

a) eingeschnittene Rillen

b) Mutterband

Schallplatten haben gegenüber dem Magnetband und der Kassette den Vorteil, daß sie leichter aufzulegen und an jedem beliebigen Punkt der Aufnahme abgespielt werden können. Nachteilig ist die qualitätsmindernde Abnutzung beim Gebrauch. Gute Schallplatten übertragen heute das gesamte Schallspektrum bis

über 18.000 Hertz.

3.2. Die Kassette

Die Kassette ist die verkleinerte Form des ursprünglichen Magnetbandes. Ein Kunststoffband mit eingelagertem Eisenoxid - oder Chromdioxidpulver wird an einem Aufnahmekopf vorbeigeführt. Er besteht aus einem Elektromagneten, der wie der Magnet in einem Lautsprecher von einem Wechselstrom im Rhythmus der Sprache oder Musik bewegt wird. Der Aufnahmekopf nimmt Stromimpulse von z. B. einem Mikrofon auf. Die Eisenoxidteilchen des Bandes werden durch die elektrischen Impulse vom Mikrofon (mit Hilfe vom Elektromagneten) zu einem bestimmten Muster angeordnet, das den aufgenommenen Tonschwingun- gen entspricht.

Beim Abspielen des Bandes wird dieses Muster der magnetisierten Teilchen wieder abgelesen, und der Lautsprecher wandelt die Stromimpulse wieder in Töne um. Die Töne werden also sozusagen in kleinen Magnetfeldern konserviert.

a) unbespieltes Band

b) Eisenoxidteilchen

c) bespieltes Band

3.3. Die Compact Disc

Compact Discs (CD) sind digitale Schallplatten, auf denen sich in der ebenen Fläche anstelle von Rillen Millionen von mikroskopisch kleinen Vertiefungen, sogenannte „Pits", befinden.

Zum Ablesen dient hier ein Laserstrahl. Er tastet die Oberfläche der Platte ab und „liest" die Töne aus der Anordnung der Pits in der ebenen Fläche. Dabei wandelt er die digitalen Informationen zunächst in elektrische Impulse und anschließend in Schwingungen um.

Ein Vorteil dieser Art der Tonwiedergabe liegt darin, daß die Platte nicht mechanisch beansprucht wird - sie wird vom Lichtstrahl durch eine äußere Schutzschicht gelesen. Ein anderer Vorteil der CD ist die sehr präzise Speicherung der Tonsignale und die exzellente Klangqualität bei der Wiedergabe, da von der CD das gesamte Spektrum der menschlichen Tonerkennung (von 16 bis 20.000 Hertz) wiedergegeben werden.

Ferner kann die Schallstärke bei der Aufnahme bis zu 50.000mal in der Sekunde gemessen und in entsprechende Vertiefungen auf der CD „übersetzt" werden. Diese Vertiefungen nehmen jeweils nur einen sehr geringen Raum in Anspruch (siehe unten: Fragment einer CD), so daß auf einer recht kleinen CD vergleichsweise viele Tonsignale gespeichert werden können.

Eine heute handelsübliche CD von nur 12 cm Durchmesser hat eine Speicherkapazität von bis zu 78 Minuten.

Die CD ist anders als die Schallplatte nur einseitig bespielbar.

a) Laserstrahl

b) Pit

c) ebene Fläche

4. Blick in die Zukunft

Nachdem ich mich nun mit den derzeit wichtigsten Speichermedien ausführlich beschäftigt habe, bleibt nun noch die Frage nach den Zukunftsaussichten, denn bereits seit 1992 gibt es nämlich noch ein weiteres Speichermedium:

Die von „SONY" entwickelte, nur 6,4 cm große Scheibe, namens MiniDisc.

Als digitaler Nachfolger der analogen Musikkassette verbindet die MiniDisc (MD) das Beste aus zwei Welten: Die Aufnahmefähigkeit der Musikkassette und den Bedienerkomfort der CD.

Von 1992 bis Ende 1995 wurden weltweit rund 1,3 Millionen MD - Geräte und rund 13 Millionen bespielbare MiniDiscs verkauft. Diese Entwicklung ist vergleichbar mit dem Erfolg der CD, die 1986 nahezu identische Ver-kaufszahlen nach 4 Jahren Marktpräsenz bilanzierte. Nach Schätzungen von „SONY" werden bereits Ende 1997 sieben Millionen MD - Geräte weltweit ihren Dienst tun.

Verkaufszahlen der MiniDisc weltweit:

Wird also die MiniDisc in Zukunft Speichermedium „Nummer 1" werden und somit die CD vom Markt verdrängen ? Sicher ist jedenfalls, daß die Speicher-medien in Zukunft noch kleiner und mit noch mehr Speicherkapazität ausgestattet werden.

„Das große Lexikon in Farbe", Zweiburgen Verlag, Weinheim 1985

Wilhelm Kuhn: „Physik", Westermann Verlag 1977/80

„Schlag nach !", Meyers Lexikonverlag, Mannheim 1989

„Schülerduden Physik", Meyers Lexikonverlag, Mannheim 1989

„Wissen leichtgemacht Physik", Ravensburger Verlag 1986

„Warum ? Weshalb ?", Ravensburger Verlag 1990

„Was ist Was: Die Welt des Schalls", Tessloff Verlag, Hamburg 1977

„Bilderlexikon in Farbe: Erfindungen und Entdeckungen", Tessloff Verlag, Hamburg 1987

Internet: Sony Deutschland GmbH 1996 (http://www.sony.de/cebit/md.)

 

„Musik, Musik, Musik", Arena Verlag GmbH, Würzburg 1989

„Wissen leichtgemacht Physik", Ravensburger Verlag 1986

„Was ist Was: Die Welt des Schalls", Tessloff Verlag, Hamburg 1979

„Bilderlexikon in Farbe: Erfindungen und Entdeckungen", Tessloff Verlag, Hamburg 1987