Tonaufzeichnung und -wiedergabe

Inhalt

1. Allgemeines zum Schall
1.1. Was ist Schall?
1.2. Frequenz
1.3. Amplitude

2. Mittel zur Aufnahme und Wiedergabe - elektroakustische Wandler
2.1. Das Mikrofon
2.1.1. Das Kohlemikrofon
2.1.2. Das elektromagnetische Mikrofon
2.1.3. Das dynamische Mikrofon
2.1.4. Das Kristallmikrofon
2.1.5. Das Kondensatormikrofon
2.2. Der Lautsprecher

3. Aufnahmeverfahren
3.1. Die erste Tonaufnahme - Das mechanische Verfahren
3.1.1. Die Tonwalze - Vorgänger aller Tonmedien
3.1.2. Die Grammophonplatte
3.1.3. Die Schallplatte
3.1.3.1.Tiefenschnitt
3.1.3.2.Seitenschnitt
3.1.3.3.Flankenschnitt
3.2. Das optische Verfahren
3.3. Das Magnettonverfahren
3.4. Das digitale Verfahren

Einleitung

Ich habe mich für dieses Thema entschieden, da es meiner Meinung nach das Interessanteste war, das mir zur Auswahl stand. Ich selbst habe in meinem täglichen Leben sehr viel mit Tonmedien, speziell im Musikbereich. Ich gehe also nicht vollkommen ohne Vorkenntnisse in diese Arbeit hinein.

Zu Anfang dieser Arbeit werde ich, für diejenigen, die mit dem Begriff „Schall“ kaum oder nichts anfangen können, physikalisch grob erklären, was der Schall eigentlich ist und wie man dieses Phänomen physikalisch beschreiben kann.

Bevor ich dann aber zum Hauptteil dieser Arbeit komme, stelle ich noch kurz die nötigsten Geräte vor, die man zur Schallbearbeitung benötigt.

Im Hauptteil gehe ich dann komplett von dem ersten Versuch, Schall aufzunehmen bis heute durch und erkläre die einzelnen Verfahren und Medienarten. Das Ziel dieser Facharbeit ist es, ein Nachschlagewerk zu erstellen, indem knapp und bündig erklärt wird, wie die Tontechnik früher funktionierte und wie sie heute ist.

1 Allgemeines zum Schall

1.1 Was ist Schall?

Schall entsteht durch einen Körper, der die Luft in der Umgebung in Schwingungen versetzt, die sich dann über die Luft verbreiten. (z.B. die Membran eines Lautsprechers, die Stimmbänder eines Menschen oder der Wucht einer Explosion) Diese Schwingungen nennt man Schallwellen. Diese Wellen können sich am besten in verschiedenen Gasen ausbreiten. Um den Schall aufzunehmen, braucht man wieder einen Körper, der mit den Wellen mitschwingt und so den Schall bemerkbar macht. In dem menschlichen Ohr ist es zum Beispiel das Trommelfell, dass sich den Schwingungen anpasst und den Schall nach innen weitergibt. Dort verspürt man dann durch den Gehörnerv ein Geräuschempfinden. Ähnlich funktioniert ein Mikrofon, das die Schwingungen mit einer Membran aufnimmt und dann als Stromimpuls an den Verstärker weiterleitet.

1.2 Frequenz

Mit der Frequenz der einzelnen Wellen lässt sich der Schall beschreiben. Man kann also anhand der Länge einer Schwingung die Wellen messen. Die Einheit der Frequenz ist das Hertz, wobei 100 Hertz 100 Schwingungen pro Sekunde entsprechen. Eine kleine Frequenz entspricht einem tiefen Ton, so entspricht eine größere Frequenz einem hohen Ton. Je kürzer die Wellen also sind, desto höher ist der Ton, den das Ohr wahrnimmt. Das menschliche Ohr kann im Durchschnitt zwischen 15 und 20 000 Hertz wahrnehmen. Diese Werte sind allerdings abhängig vom Alter und Gesundheit des Ohres. Schwingungen, mit Frequenzen über 20 000 Hertz nennt man Ultraschall, der nur noch messbar oder von besonderen Tieren, wie Delfine oder Fledermäusen zu hören ist. Hier eine Tabelle der Wahrnehmungsspannen von Lebewesen:

1.3 Amplitude

An der Amplitude kann man die Lautstärke des Schalls messen. Ist die Amplitude groß, handelt es sich um einen lauten Ton, ist sie dagegen klein, ist der Ton entsprechend leiser. Physikalisch stellt die Amplitude das Ausmaß der schwingenden Teilchen dar.

2 Mittel zur Aufnahme und Wiedergabe - elektroakustische Wandler

2.1 Das Mikrofon

Das Mikrofon wandelt Schall in elektrische Impulse um, deshalb wird es auch als Schallempfänger bezeichnet.

Es gibt fünf verschiedene Arten von Mikrofonen auf die ich nur sehr kurz eingehen kann:

2.1.1 Das Kohlemikrofon

Das Kohlemikrofon ist die älteste Variante, die heutzutage noch in den Telefonhörern verwendet wird. Hier wird der Wiederstand einer Gleichstromquelle durch eine Membran zwischen zwei Elektroden so verändert, dass sie der Schallschwingung entspricht.

2.1.2 Das elektromagnetische Mikrofon

Ein Dauermagnet hängt an der Membran. Bei Bewegung der Membran durch eine Schalleinwirkung, induziert der Magnet eine Spannung in die Spule, die ihn umgibt. Diese Spannung muss aber noch verstärkt werden, um später für Aufnahmen oder Ähnliches verwendet zu werden.

2.1.3 Das dynamische Mikrofon

Ähnlich wie bei dem elektromagnetischem Mikrofon, wird eine Spannung induziert. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass hier die Spule in dem permanenten Magneten bewegt wird.

2.1.4 Das Kristallmikrofon

Hier werden die elektrischen Impulse durch den piezoelektrischen Effekt hervorgerufen. Dieser Effekt bewirkt bei einem Kristall eine elektrische Ladung auf der Oberfläche, wenn auf ihn eine mechanische Kraft auf ihn wirkt. Die Membran übt bei dieser Methode eine Kraft auf den Kristall auf. So entsteht ein Impuls entsprechend zu der Schallschwingung.

2.1.5 Das Kondensatormikrofon

In diesem Mikrofon befindet sich ein Kondensator. Die eine Platte ist an der Membran befestigt, die zweite ist fest verankert. Schwingt nun die Membran mit einer Schallwelle mit, so verändert sich die Kapazität des Kondensators, dadurch wird in diesem Fall der elektrische Impuls hervorgerufen.

2.2 Der Lautsprecher

Der Lautsprecher hat die Aufgabe, elektrische Impulse, die vom Verstärker kommen in Schall umzuwandeln, so dass die ursprünglich aufgenommene Musik originalgetreu wiedergegeben wird. Lautsprecher gehören zu der Gruppe der Schallsender.

Das grundlegendste Prinzip ist es, die Impulse umzuwandeln, und eine Membran in Schwingung zu versetzen. Dieses Ziel wird bei den meisten Lautsprechern durch einen Permanentmagneten, indem sich eine Spule befindet, an der die Membran hängt. Werden die Impulse nun in die Spule geleitet, wird die Spule inklusive der Membran magnetisch angezogen bzw. abgestoßen. So entsteht die Schwingung.

3 Aufnahmeverfahren

3.1 Die erste Tonaufnahme - Das mechanische Verfahren

3.1.1 Die Tonwalze - Vorgänger aller Tonmedien

Thomas Alva Edison (1847-1931) unternahm den ersten Versuch, Töne aufzunehmen um sie später wiederzugeben. Er entwarf den Phonographen. Die Töne wurden hierbei auf Walzen mit einer Silberfolie aufgenommen. Zur Aufnahme wird eine Schneidspitze an einer Membran befestigt. Hinter der Membran dreht sich eine mit Stanniolpapier umwickelte Walze mit konstanter Geschwindigkeit, in welche die Spitze eine Rille schneidet. Wenn nun der Schall die Membran in Bewegung setzt, schwingt die Nadel mit und schneidet ein exaktes Muster der Schallwellen in die Walze. Die Beulen und Einbuchtungen in der Rille entsprechen den Wellen des Geräusch. Die Methode war allerdings noch sehr unpraktisch, da diese Walzen sehr unhandlich waren und weil sie nicht viele Töne aufnehmen konnten. Man suchte also nach einer besseren Methode, in der man eine größere Kapazität hatte.

3.1.2 Die Grammophonplatte

Bei dieser Methode wird die Rille von der Nadel in eine Scheibe aus Metallfolie, Wachs oder Schellack geschnitten. Zur Wiedergabe nutzte man ein Grammophon. Dieses Grammophon besaß eine Nadel, die durch einen Schalltrichter verstärkt wurde. Vom Prinzip her war die Funktionsweise also die selbe wie die des Phonographen.

In Europa wurden viele Grammophonplatten hergestellt und vermarktet. Trotz der schlechten Tonqualität und der Zerbrechlichkeit der Platten fanden sie großen Absatz.

Das Verlangen nach besserer Qualität drückte die Forschung aber weiter.

3.1.3 Die Schallplatte

Bei der Schallplatte wird der Schall zunächst mit einer Membran in elektrische Impulse umgewandelt. Diese Impulse steuern die Nadel, welche die Rille in die Scheibe schneidet.

Für die Schallplatten wurden nacheinander drei Verfahren erfunden, um den Ton auf der Platte aufzunehmen

3.1.3.1 Tiefenschnitt (T. A. Edison 1877)

Die Schwingungen werden durch die Tiefe der Rille festgehalten. Durch die Höhenveränderung, kam es aber öfter zu Rauschen oder Ungenauigkeiten. Heute wird der Tiefenschnitt nicht mehr benutzt.

3.1.3.2 Seitenschnitt (E. Berliner 1888)

Hier bleibt die Tiefe der Rille gleich. Die Wellen werden parallel zur Plattenoberfläche eingeschnitzt. Dieses ist auch heutzutage das Verfahren um Monoplatten aufzunehmen.

3.1.3.3 Flankenschnitt (A. D. Blümlein 1931)

Bei dieser Methode kann man sogar zwei Töne gleichzeitig aufnehmen. Dies gibt die Möglichkeit, Musik im Stereoverfahren aufzunehmen. Der linke und rechte Kanal liegen im rechten Winkel zueinander, so dass jeder unabhängig vom anderen geschnitzt werden kann. Jeder Kanal liegt also im Winkel 45° zu der Platte.

Anfangs war der Abstand zwischen den Rillen gleichgroß. Ab 1950 nutze man für die LPs die Rheinsche Füllschrift. Mit dieser Methode wurden die Abstände zwischen den Rillen bei der Aufnahme so gewählt, dass bei großen Amplituden ein entsprechen größerer Abstand eingehalten wurde, als bei kleineren Amplituden. Damit wurde viel Platz gespart und somit auch die Kapazität erhöht.

Zur Vermarktung wurden aus der original Platte, der sogenannten „Masterplatte“ eine Metallform hergestellt, mit der man dann die Verkaufsfertigen Platten aus Vinyl pressen konnte.

3.2 Das optische Verfahren

Hierbei werden, wie bei der Schallplatte, erst die Schwingungen in elektrische Pulse umgewandelt. Diese Pulse lassen die Verschlussklappe eines Lichtstrahls öffnen und schließen. Dieser Lichtstrahl mit einer Intensitätsschwankung, die der Schwingung des aufzunehmenden Geräusches entsprechen, wird auf einen vorbeilaufenden Film gerichtet, so dass ein Wechsel zwischen hellen und dunklen Feldern entsteht. Die Frequenz dieser Wechsel entspricht der Frequenz der Schallwellen.

Zur Wiedergabe wird eine Lichtquelle auf den Film gerichtet und dahinter eine Photozelle gestellt. Je mehr Licht dann durch den Film gelangt, je höher ist der Strom, der in der Photozelle entsteht. Der ein und wieder ausgeschaltete Strom wird dann verstärkt und als Schwingung aus Lautsprechern ausgegeben.

3.3 Das Magnettonverfahren

Dieses ist, bzw. war bis die CD erfunden wurde, das gängigste Mittel um Musik aufzunehmen und wiederzugeben. Das Tonband und die Kassette konnte nun jeder auch bespielen, nicht wie bei der Schallplatte nur wiedergeben. Dadurch wurde erst das Tonbandgerät, und später auch der Kassettenrekorder sehr beliebt.

Das erste Gerät, das mit diesem Verfahren arbeitete, war das Telegraphon. Dieses wurde 1898 von dem dänischen Elektroingenieur Valdemar Poulsen erfunden. Zur Aufnahme, wird wie bei den Verfahren zuvor, zuerst der Schall in elektrische Impulse umgewandelt. Dieses elektrische Abbild des Schalls wird zu dem Aufnahmekopf weitergeleitet. Dort magnetisiert der Strom ein metallbeschichtetes Kunststoffband. Die Magnetisierung ist also eine Kopie der Schallwellen.

Die Wiedergabe läuft ganz ähnlich ab. Hier wandelt ein Wiedergabekopf die Magnetisierung des Bandes in elektromagnetische Schwingungen um, die dann verstärkt an die Lautsprecher weitergegeben werden.

Wiedergabe- und Aufnahmekopf sind bei den meisten Geräten bereits ein und der selbe Kopf

3.4 Das digitale Verfahren

Bei diesem computerunterstütztem Aufnahmeverfahren, stören keine ungewollten Geräusche, die bei den mechanischen und elektromagnetischen Aufnahmen auftreten, da ein digitales Aufnahmegerät die Schallwellen einige tausend Mal in der Sekunde misst. Diese Messungen, werden in entsprechende vierstellige binäre Zahlen umgewandelt und aneinandergehängt. Nun wird die Wertekette gespeichert. Zur Wiedergabe werden diese Werte wieder in Impulse zurückübersetzt und verstärkt an Lautsprecher weitergeleitet.

Zuvor wurde dieses Verfahren noch für Schallplatten verwendet. Diese hatten eine viel bessere Qualität, als die Schallplatten, die mit dem alten, mechanischen Verfahren aufgenommen wurden. Seid neuster Zeit verwendet man Compact Discs (CDs), deren Qualität noch viel besser ist, dadurch, dass anstelle der Nadel ein Laser zur Wiedergabe genutzt wird.

Die CD (auch direkt-digitale Schallplatte genannt) besteht aus kleinsten Spiralen mit unterschiedlich langen Löchern. Diese Löcher entsprechen der Binärzahl. D.h. wenn die Zahl „1“ vorkommt, ist an dieser Stelle ein Loch. Bei der „0“ ist kein Loch. Mit einer vierstelligen Binärzahl, lassen sich 16 Werte darstellen. (von 0000 = 0 bis 1111 = 15) Diese Werte genügen, um kleinste Tonbereiche zu beschreiben. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird die Schallwelle in eine Treppenform umgewandelt und jede Stufe gemessen und als Binärzahl im Morsezeichenstil auf die CD „gelocht“

Zur Wiedergabe liest der CD-Spieler mit dem Laser die Löcher und entwickelt zuerst die Schallwelle als Treppenform erstellt, dann zur Welle geglättet und letztendlich an den Verstärker als elektrische Impulse weitergeleitet. Das digitale Verfahren ermöglicht auch die Speicherung auf dem PC. Anfangs war dies noch sehr problematisch, da ein Lied zu viel Festplattenplatz verschwendete, später ermöglichte das MP3-Format die Größe auf 10% des Ursprungs zu verringern, indem man nichthörbare Töne nicht mitspeichert.

Schlusswort

Abschließend kann man sagen, dass sich die grundlegende Arbeitsweise kaum verändert hat. Der Fortschritt galt allein der Tonqualitätssteigerung und der besseren Vermarktung.

Ich bin gespannt, was in der Zukunft zum Thema Tonaufzeichnung noch erfunden wird. Bleibt es bei der CD? Wird man diese nur immer weiter verbessern (wie die DVD)? Oder kommt noch etwas ganz anderes?

Quellenverzeichnis

- Peter Zastrow: Phonotechnik (1988) Frankfurter Fachverlag
- Heinz W. Kämmer: Die Compact Disc (1987) Pflaum Verlag München
- Horst Lochhaas: Schülerwissen Physik Optik und Akustik (1979) Westermann
- Hans-Ulrich Harten: Schwingungen und Wellen (1980) Herder
- Microsoft: Encarta Enzyklopädie (2000)