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"Audio-Wissen von 1974" - Die Themen dieser Artikel sind:

Was war mit der analogen Audio-Studio-Technik machbar und was sollte bzw. mußte ein Toningenieur wissen und gelernt haben. Daß viele dieser Themen (wir schreiben zur Zeit 2016) bereits 35 Jahre alt sind und durch die schleichende Digitalisierung völlig überholt sind, bedeutet nicht, daß sich die physikalischen Grundlagen wesentlich geändert haben.

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E. Schallspeicherung (allgemeine Informationen Studiotechnik)

Die Übertragung von Schallereignissen über beliebige Zeiträume stellt eine der Hauptaufgaben der Tonstudiotechnik dar. Die wesentliche Voraussetzung hierfür bildet die Schaffung von Verfahren und Einrichtungen, die es gestatten, den Schall zu speichern, um ihn zu einer beliebigen Zeit und beliebig oft rückgewinnen zu können.

Die für die Speicherung des Schalles benutzte materielle Grundlage bezeichnet man als Tonträger, der die verschiedenartigsten Formen, zum Beispiel Band-, Film-, Platten- und Walzenform, aufweisen kann. Wichtig ist, daß den Kenngrößen, durch die der Schall definiert ist, je nach deren Größe bestimmte örtliche Tonträgerelemente zugeordnet werden können.

Die Schallenergie, die bekanntlich keine direkte Aufzeichnung erlaubt, liegt nach der Umwandlung durch Schallwandler zunächst ausschließlich als elektrische Energie vor. Der Gedanke liegt nahe, diese elektrische Energie direkt für die Speicherung zu benutzen.

Da sich jedoch elektrische Ladungsträger über einen größeren Zeitraum hinweg kaum konstantbleibend ortsgebunden anordnen lassen, muß für praktisch anwendbare Speicherverfahren abermals eine Umwandlung in andere geeignetere Energieformen erfolgen.

Für die in der Studiotechnik interessierenden Verfahren konnten bisher die magnetische Energie, die Lichtenergie und die mechanische Energie ausgenutzt werden. Entsprechend diesen Energieformen haben sich die Kurzbezeichnungen: Magnetton-, Lichtton- und Nadeltonverfahren eingebürgert.

Die Umwandlung der elektrischen Energie in diese Energieformen, bzw. in umgekehrter Reihenfolge bei der Rückgewinnung, geschieht abermals mit Wandlern. Für diese sind entsprechend den einzelnen Verfahren spezielle Bezeichnungen, zum Beispiel Kopf, Lichtsteuergerät oder Tonabnehmer, üblich.

Damit den von den Wandlern umgeformten Kenngrößen des Schallereignisses je nach Frequenz beziehungsweise Intensität verschiedene örtliche Teile des Tonträgers zugeordnet werden können, muß eine Relativbewegung zwischen Wandler und Tonträger vorhanden sein.

Durch die Geschwindigkeit v, mit der diese Bewegung erfolgt, wird die zu speichernde Frequenz f längenmäßig genau fixiert und örtlich einem bestimmten Tonträgerbereich aufgeprägt. Die aufgezeichnete Wellenlänge X ergibt sich aus

Grundlagen der (Abtast-) Geschwindigkeit

Ist bei der Rückgewinnung (Abtastung) des gespeicherten Schallereignisses die Geschwindigkeit gleich der Aufzeichnungsgeschwindigkeit, so erhält man auch wieder die gleiche Frequenz.

Mit Ausnahme von wenigen Sonderfällen muß deshalb die Geschwindigkeit bei der Aufzeichnung und Abtastung des Tonträgers möglichst gleich sein. Um ein gespeichertes Schallereignis auf verschiedenen Geräten, die sich an verschiedenen Orten befinden können, ohne störende Verfälschung der Tonhöhe abtasten zu können, gibt es für alle drei genannten Verfahren jeweils verschiedene genormte Tonträgergeschwindigkeiten.

E. 1. Magnettonverfahren

E. 1. 1. Magnetische Grundbegriffe

E. 1. 1. 1. Magnetische Grundgrößen

Die in einem magnetischen Feld, das von einer stromdurchflossenen Spule oder einem Permanentmagneten erzeugt wird, wirksame magnetische Feldstärke fy ist mit der Flußdichte (magnetische Induktion) B durch die Beziehung

Formel

verknüpft. Darin stellt die Permeabilität als magnetische Feldkonstante eine Materialkenngröße dar, die das magnetische Leitvermögen des vom Fluß durchsetzten Materials charakterisiert. Handelt es sich dabei um einen nichtmagnetischen Stoff (Luft, Kupfer, Kunststoffe und so weiter), so ist die Permeabilität nahezu konstant und beträgt

Formel

Bei einem Ferromagnetikum (Eisen, Nickel, Kobalt) ist das magnetische Leitvermögen und damit die Permeabilität größer. Der Vergrößerungsfaktor wird durch die relative Permeabilität

Formel

angegeben. Die relative Permeabilität wiederum ist bei den ferromagnetischen Werkstoffen von der Feldstärke abhängig, so daß keine lineare Beziehung mehr zwischen der Induktion und der Feldstärke besteht.

Die Verkopplung beider Größen wird durch die Magnetisierungskurve (Hysterese) schrieben, deren Form durch die magnetischen Eigenschaften des Materials bestimmt wird [30, 31 und 32].

Nach DIN 1339 ergeben sich folgende Zusammenhänge:

Formel

E. 1. 1. 2. Magnetismus (physikalische Grundlagen)

Wie vom Atomaufbau her bekannt, umkreisen die Elektronen nicht nur den Atomkern, sondern sie besitzen auch noch eine Eigenrotation, den sogenannten Spin. Dieser Spin hat das Auftreten eines magnetischen Momentes, eines Spinmomentes, zur Folge. Durch paarweises Auftreten der Elektronen mit antiparalleler Spinausrichtung auf der gleichen Elektronenschale wird das magnetische Moment neutralisiert.

Neben dem Spin kann aber auch noch die auf einer Bahn erfolgende Elektronenbewegung zur Entstehung eines magnetischen Momentes (des Bahnmomentes) beitragen.

Bei Aufhebung aller Spin- und Bahnmomente innerhalb eines Atoms ergibt sich ein diamagnetisches Verhalten des betreffenden Stoffes. In diesem Fall wird urel kleiner als 1. Bleiben wegen nicht vollständiger Aufhebung restliche magnetische Momente bestehen, so zeigt sich ein paramagnetisches Verhalten urel größer als 1). Das resultierende magnetische Moment der Atome hebt sich zwar in einer größeren Atomanhäufung nach außen hin wieder auf; wirkt aber ein ansteigendes fremdes magnetisches Feld auf einen paramagnetischen Stoff ein, so erfolgt eine zunehmende Ausrichtung der statistisch verteilten magnetischen Momente in Richtung des einwirkenden Feldes. Den Grad vollständiger Ausrichtung bezeichnet man als Sättigung.

Die gleiche vollständige Ausrichtung kleiner Bereiche eines Mediums kann bei einer bestimmten Anordnung der Atome innerhalb eines Kristallgitters durch quantenmechanische Austauschkräfte auch selbständig geschehen.

Derartige, bis zur Sättigung ausgerichtete Atomgruppen (Elementarbereiche) nennt man Weiß'sche Bezirke. Einen Stoff, bei dem diese Erscheinung auftritt, bezeichnet man als Ferromagnetikum.

Die räumliche Ausdehnung der Weiß'-schen Bezirke beträgt beispielsweise bei alfa-Eisen etwa 10 hoch -2 um. Ein ferromagnetischer Stoff mit makroskopischer Ausdehnung besteht demzufolge aus einer Vielzahl solcher Weiß'schen Bezirke, deren Magnetisierungsvektoren sich insgesamt aufgrund ihrer statistischen Verteilung nach außen hin allgemein aufheben. Der ferromägnetische Stoff wird in diesem Zustand als magnetisch neutral (jungfräulich) bezeichnet.

In den Trennungszonen endlicher Dicke zwischen den einzelnen Bezirken, den sogenannten "Blochwänden", erfolgt eine stetige Drehung der Richtung der magnetischen Momente von der Magnetisierungsrichtung eines Weiß'schen Bezirkes in die des Nachbarbezirkes. Baut sich ein Stoff aus Teilchen auf, deren Größe unter der für die Entstehung von Weiß'schen Bezirken notwendigen kritischen Größe liegt, so fehlen naturgemäß die Blochwände.

Es kommt jedoch im unmagnetisierten Zustand ebenfalls aufgrund der statistisch verteilten verschiedenen Richtungen der Magnetisierungsvektoren zu einer Neutralisierung, während die einzelnen Bausteine der fraglichen Substanz Elementarmagnete darstellen.

E. 1. 1. 3 Magnetisierungskurve

Wirkt ein stetig zunehmendes magnetisches Feld auf einen magnetisch neutralen ferromagnetischen Werkstoff ein, so vergrößern sich die Weiß'schen Bezirke, deren Magnetisierungsvektor in Richtung des Fremdfeldes weist, durch Verschiebung der Blochwände auf Kosten der Nachbarbezirke.

Im Falle des pulverförmigen Stoffes erfolgt dagegen eine Drehung des Magnetisierungsvektors der Teilchen in Richtung des einwirkenden Feldes. Das sich auf diese Weise pro Volumeneinheit einstellende magnetische Moment (Magnetisierung 3) in Abhängigkeit von der einwirkenden Feldstärke zeigt die in Bild 155 als Neukurve bezeichnete Magnetisierungskurve.

Bei entsprechend großer Feldstärke, der Sättigungsfeldstärke, stellt sich Sättigungscharakter ein, das heißt, die Magnetisierung nimmt trotz Erhöhung der Feldstärke kaum noch zu.

Wird die Feldstärke abermals stetig verändert (gesteigert), so ergibt sich als Kurvenzug die "Hysterese-Schleife", die in diesem Fall als Grenzhystereseschleife bezeichnet wird. Der Magnetisierungsvorgang läuft in drei aufteilbaren Zonen 1 bis 3 physikalisch unterschiedlich ab.

Erklärung der Zonen

Zu Beginn der Magnetisierung eines ferromagnetischen Stoffes, das heißt, solange die Feldstärke eine bestimmte Größe noch nicht überschritten hat (Zone 1), verlaufen die oben genannten Vergrößerungen der Weiß'schen Bezirke beziehungsweise Drehungen der Magnetisierungsvektoren pulverförmiger Teilchen reversibel. Die Verschiebung der Blochwände erfolgt zwischen den im kristallinen Aufbau befindlichen Störungsstellen nur elastisch, so daß beim Aufhören der Feldeinwirkung das Material wieder seinen Ausgangszustand annimmt.

In einer anschließenden Zone 2 findet bei einer weiteren Erhöhung der Feldstärke eine sprunghafte Verschiebung der Blochwände über Störungsstellen hinweg statt. Handelt es sich um pulverförmige Teilchen, so springt bei begünstigten Teilchen der Magnetisierungsvektor ebenfalls sprunghaft nahezu in die Richtung des Fremdfeldes. Dabei ist eine von der Richtungsdifferenz zwischen ursprünglichem Magnetisierungsvektor und Fremdfeldvektor abhängige „Umschlagsenergie" aufzubringen. Die hierzu benötigte Feldstärke wird als Sprungfeldstärke bezeichnet. Sie ist bei den einzelnen Teilchen verschieden groß, weshalb die Magnetisierungsrichtungen der Teilchen mit zunehmender Feldstärke erst nacheinander umklappen, wie aus dem stark vergrößerten Ausschnitt der Magnetisierungskurve in Bild 155 zu ersehen ist.

Die auftretenden Sprünge werden als Barkhausensprünge bezeichnet. Bei einer Verminderung der einwirkenden Feldstärke verschwindet nur der reversible Anteil der Magnetisierung. Die pulverförmigen Teilchen können die Umschlagsenergie, die für das Erreichen der Ausgangslage notwendig ist, nicht selbst aufbringen und die Blochwände die Störungsstellen nicht mehr aus eigener Kraft überwinden. Bei verschwindender Feldstärke bleibt eine von der Größe der ursprünglich wirksamen Feldstärke abhängige remanente Magnetisierung bestehen.

Steigt die Feldstärke des einwirkenden Feldes bis zur Sättigungsfeldstärke weiter an, so stellt sich die Sättigungsmagnetisierung ein, wobei fast nur noch Weiß'sche Bezirke existieren, deren Magnetisierungsvektoren in Feldrichtung weisen.

Ebenfalls sind nahezu sämtliche Magnetisierungsvektoren der pulverförmigen Teilchen in Feldrichtung ausgerichtet. Verschwindet die Sättigungsfeldstärke, so geht die Magnetisierung auf den durch den irreversiblen Anteil bedingten Wert zurück. Dieser Wert wird als remanente Grenzmagnetisierung bezeichnet. Wie aus Bild 155 hervorgeht, gibt es einen bestimmten Wert der Feldstärke, bei dem die remanente Magnetisierung verschwindet: die Koerzitivkraft.

Der Zusammenhang zwischen der Induktion und Magnetisierung wird durch die Beziehung

Formel

gegeben. Um den Unterschied zwischen der Magnetisierung und der Induktion darzustellen, ist in Bild 155 neben der Hystereseschleife für die Magnetisierung gleichzeitig die Induktion mit Kennzeichnung der wichtigsten Größen eingezeichnet. Zu beachten ist dabei vor allem, daß die auf die Induktion bezogene Koerzitivkraft (Induktionskoerzitivkraft) einem anderen Feldstärkewert zugeordnet ist.

E. 1. 1. 4. Entmagnetisierung

Bei einer allgemein dargestellten Hystereseschleife kann es sich sowohl um die an einer durch einen Luftspalt getrennten ringförmigen oder auch stabförmigen ferromagnetischen Probe ermittelte Kurve handeln. Der Unterschied zwischen den beiden Hystereseschleifen ergibt sich bei gleichen Materialien durch die eine Entmagnetisierung (Scherung) bewirkenden freien magnetischen Pole.

Die Größe der Entmagnetisierungsfeldstärke #e ergibt sich aus der Gleichung

Formel
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Der Entmagnetisierungsfaktor N hängt von den Abmessungen, das heißt dem Verhältnis: Länge zu Querschnitt und damit überhaupt von der Form der ferromagnetischen Probe ab; er stellt im Magnetisierungsdiagramm eine Gerade dar. Die Größe des Entmagnetisierungsfaktors läßt sich mathematisch exakt nur für ein Rotations-Ellipsoid ermitteln [33].

In Bild 156 ist die Scherungsgerade eingezeichnet und mit ihrer Hilfe die grafische Konstruktion der gescherten Hystereseschleife aus der ursprünglich an einer geschlossenen ringförmigen Probe ermittelten durchgeführt. Sie zeigt, daß eine Verflachung des Kurvenverlaufs eintritt, die eine Herabsetzung der Magnetisierung zur Folge hat.

E. 1. 1. 5. Remanenzkurve

Für den Vorgang der Schallaufzeichnung auf einen Tonträger ist vor allem die Kenntnis des Zusammenhanges zwischen der im Tonträger (Ferromagnetikum) zurückbleibenden remanenten Induktion (Remanenz) und der einwirkenden Feldstärke wichtig. Die Kurve, die die Abhängigkeit der beiden Größen voneinander darstellt, bezeichnet man als Remanenzkurue oder dynamische magnetische Kennlinie, im Gegensatz zur statischen Kennlinie, der Magnetisierungskurve, die die schon behandelte Abhängigkeit der Magnetisierung von der Feldstärke aufzeigt.

Die Magnetisierungskurve ist maßgebend, solange die Feldstärke auf eine bestimmte Stelle des Tonträgers einwirkt, indem sie für diesen Augenblick die Größe der Magnetisierung angibt. Die Remanenzkurve dagegen ist bestimmend für die Remanenz dieser Stelle, nachdem sie das Feld verlassen hat.

Die Remanenzkurve läßt sich leicht aus der Magnetisierungskurve konstruieren, indem die zu einer einwirkenden Feldstärke gehörige remanente Induktion, die sich mit verschwindender Feldstärke über einem Magnetisierungsast einstellt, in Abhängigkeit von der Feldstärke aufgetragen wird. In Bild 157 ist diese Konstruktion durchgeführt.

Anstelle der remanenten Induktion kann auch der remanente Fluß beziehungsweise Bandfluß aufgetragen werden.

E. 1. 2. Theorie der magnetischen Schallspeicherung

Zur magnetischen Schallspeicherung [31-34] gehören die Vorgänge der Aufzeichnung, Abtastung und Löschung. Bevor jedoch darauf im einzelnen eingegangen wird, soll zuvor kurz das Grundprinzip des magnetischen Schallspeicherverfahrens in Verbindung mit den entstehenden "Schriftarten" angegeben werden.

E. 1. 2. 1. Grundprinzip und Schriftarten

Ähnlich wie bei den anderen Schallspeicherverfahren kann auch beim Magnettonverfahren der Informationsinhalt des Schallereignisses in verschiedener Weise auf dem Tonträger untergebracht werden.

Man spricht hier von Schriftarten, die beim Magnettonverfahren im wesentlichen durch die räumliche Ausdehnung des magnetischen Tonträgers gegeben sind: Die Magnetisierung kann vornehmlich quer und längs zur Bewegungsrichtung des Tonträgers und in die Tiefe desselben gerichtet sein.

Da die in die Tiefe gerichtete Magnetisierung auch eine Quermagnetisierung darstellt, bezeichnet man sie zur Unterscheidung zweckmäßigerweise als Quermagnetisierung T im Gegensatz zu der zuerst genannten Quermagnetisierung B, die in die Breite des Tonträgers gerichtet,ist (Bild 158) [211].

Die Quermagnetisierung T ist, wie wir später noch sehen werden, meist untrennbar mit der Längsmagnetisierung verkoppelt. Der Informationsinhalt kann nun dadurch auf den Tonträger übertragen werden, daß ihm entweder eine in ihrer Stärke signalabhängige Längsmagnetisierung oder aber Zonen konstanter Magnetisierung, aber verschieden großer räumlicher Ausdehnung zugeordnet werden. Die entstandenen Schriftarten können dann analog zum Lichttonverfahren als Intensitätsschrift oder Zackenschrift bezeichnet werden.

Längsmagnetisierung = Intensitätsschrift

Beim Aufzeichnungsvorgang der Längsmagnetisierung, das heißt bei der Intensitätsschrift, hat der in der Wicklung des Aufsprechwandlers - der auch als Sprechkopf bezeichnet wird - im Rhythmus des Schallereignisses fließende Strom einen sich verändernden magnetischen Fluß im Kern des Sprechkopfes zur Folge (Bild 159). Der meist als Ringkern ausgebildete Sprechkopfkern besitzt zunächst an der Stelle, an der er den vorbeiziehenden Tonträger berührt, einen (ursprünglichen Luft-)Spalt.

Dieser Spalt ist (inzwischen) mit einem nichtferromagnetischen Material ausgefüllt, damit eine Verschmutzung, insbesondere aber ein Zusetzen mit abgeschliffenen magnetischen Teilchen des Tonträgers vermieden wird.

Wegen der geringeren Permeabilität des Spaltmaterials treten die Flußlinien vor den Polenden auch seitlich aus und bevorzugen zur Überbrückung des Spaltes vorwiegend den vorbeiziehenden Tonträger mit etwas höherer Permeabilität, der dadurch im Rhythmus des Schallereignisses magnetisiert wird. Die aufgezeichnete Wellenlänge der Magnetisierung ist dabei in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Tonträgers und der Frequenz nach Gleichung (65) festgelegt. Wie wir später noch sehen werden, ruft diese Art der Aufzeichnung vorwiegend eine Längsmagnetisierung hervor.

Im Gegensatz zu der vorgenannten Magnetisierungsart, bei der je nach Intensität des aufzuzeichnenden Schallereignisses das Band zwar verschieden stark, aber über die gesamte Breite gleichmäßig magnetisiert wird, ändert sich bei dem Aufzeichnungsvorgang nach dem Verfahren der Grenzfeldmagnetisierung die seitliche Ausdehnung einer bis zur Sättigungsremanenz magnetisierten Tonspur [212].

Für die Aufzeichnung einer solchen Tonspur verwendet man den in Bild 160 gezeigten Aufsprechwandler. Prinzipiell unterscheidet er sich von einem normalen Sprechkopf nur durch einen permanenten Magneten, der so angeordnet ist, daß sein magnetischer Fluß die beiden Kopfschenkel senkrecht zum Sprechwechselfluß durchsetzt. Dieser Querfluß hat an einem Ende des Kopfspaltes eine Magnetisierungsfeldstärke ?? und am anderen Ende ?? zur Folge, während die Feldstärke gegen Spaltmitte zu Null wird (Bild 161).

Beträgt die Feldstärke ?? und ?? ein Mehrfaches der zur magnetischen Sättigung des Tonträgers notwendigen Feldstärke, so wird ein am Spalt vorbeilaufender bandförmiger Tonträger (Magnetband) in beiden Hälften mit entgegengesetzten Vorzeichen, mit Ausnahme eines kleinen schmalen Übergangsgebietes, bis zur Sättigung magnetisiert.

Das Übergangsgebiet nennt man auch Grenzzone, die im Extremfall bei sehr großer Magnetisierungsfeldstärke in eine Grenzlinie übergeht. Überlagert sich dem Querfluß ein Sprechwechselfluß, so wird je nach dessen Richtung entweder ?? geschwächt und ?? verstärkt, oder umgekehrt ?? verstärkt und ?? geschwächt. Die Grenzzone verschiebt sich somit im Rhythmus des Sprechwechselstromes und proportional seiner Amplitude zwischen beiden Bandkanten hin und her (Bild 161) und stellt damit ein Oszillogramm des aufgezeichneten Schallereignisses dar.

Die Form der Aufzeichnungskennlinie

Als wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Aufzeichnungsverfahren ist die Form der Aufzeichnungskennlinie zu nennen. Bei dem zuerst genannten Verfahren erfolgt die Aufzeichnung über eine gekrümmte Remanenzkurve, die zwar - wie wir später noch sehen werden - durch eine Vormagnetisierung weitgehend linearisiert wird, aber trotzdem zu nicht unbeachtlichen nicht-linearen Verzerrungen führt. Bei der magnetischen Zackenschrift fungiert dagegen als Aufzeichnungskennline eine Gerade von - fy bis + Sp, deren Linearität praktisch nur von etwaigen Inhomogenitäten des Kopfbaues gestört wird. Die nichtlinearen Verzerrungen können also mit einem präzis aufgebauten Kopf, dessen einzelne Blechlamellen nicht nur den gleichen Abstand und die gleiche Form, sondern vor allem auch gleiche magnetische Eigenschaften besitzen, kleiner als bei dem zuerst genannten Verfahren werden. Trotzdem ist das Verfahren der Grenzfeldmagnetisierung in der Tonstudiotechnik nur von untergeordneter Bedeutung, da das Verhältnis von maximaler Nutzamplitude zur auftretenden Rauschspannung genau wie bei der noch zu behandelnden Gleichstrom-Vormagnetisierung zu gering ist.

Die Wiedergabe (Abtastung)

Bei der Abtastung wird der Tonträger am Spalt eines als Hörkopf bezeichneten Abtastwandlers vorbeigezogen, der ähnlich wie der Sprechkpopf aufgebaut ist. Die magnetischen Flußlinien der remanenten Induktion an der Stelle des Tonträgers, die sich gerade vor dem Spalt befindet, benutzen den Ringkern des Hörkopfes als magnetischen Leiter.

Da die einzelnen Stellen des Tonträgers je nach dem aufgezeichneten Schallereignis eine unterschiedliche remanente Induktion besitzen, ergibt sich beim Vorüberziehen des Tonträgers am Hörkopfspalt eine laufende Änderung des durch den Ringkern fließenden Flusses. Hierdurch wird in der Wicklung des Hörkopfes eine Spannung induziert, die der Flußänderung proportional ist.

Da es beim Abtastvorgang lediglich auf die Registrierung des Unterschiedes zwischen einer sich über die gesamte Tonspurbreite erstreckenden Magnetisierung an einer Stelle 1 und an einer zeitlich und damit längenmäßig nachfolgenden Stelle 2 des Tonträgers ankommt, eignet sich der oben beschriebene Hörkopf für die Abtastung eines nach beiden Schriftarten aufgezeichneten Schallereignisses gleichermaßen.

Löschen

Soll ein (magnetischer) Tonträger, auf dem bereits eine Aufzeichnung erfolgte, erneut verwendet werden, so muß man die erste Aufzeichnung löschen. Hierfür gibt es verschiedene Möglichkeiten, die alle darin bestehen, daß der Tonträger einer starken Magnetisierung unterworfen wird. Dabei kann sowohl eine sogenannte Löschdrossel, als auch ebenfalls wieder ein Kopf verwendet werden.

Bei dem ersten Modell des Erfinders dieses Verfahrens, Poulsen, wurde ein einziger Kopf für alle drei Funktionen zeitlich nacheinander benutzt. Bei einfachen Geräten verwendet man auch heute noch für den Aufzeichnungs- und Wiedergabevorgang einen gemeinsamen kombinierten Sprech- und Hörkopf.

Bei modernen hochwertigen Geräten für die Studiotechnik werden jedoch drei getrennte Köpfe angeordnet, so daß nicht nur jeder Tonträger vor der Aufnahme grundsätzlich gelöscht wird, sondern auch ein um nur rund 0,1s verspätetes sofortiges Abhören nach erfolgter Aufnahme möglich ist. Die Tonaufnahme läßt sich somit sofort beurteilen und kann bei Mängeln technischer oder künstlerischer Art unterbrochen werden, um den Fehler beheben zu können.

E. 1. 2. 2. Löschvorgang

Für die Löschung einer Aufzeichnung kann sowohl ein Gleichfeld als auch ein Wechselfeld benutzt werden. Verwendet man ein Wechselfeld, das 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.

Verwendet man für den gleichen Zweck einen permanenten Magneten, so wird der Tonträger zwar auch gelöscht, er ist in diesem Fall aber magnetisch nicht neutral, sondern bis zur Grenzremanenz magnetisiert.

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. Seine Wicklung wird von einem genügend großen Gleich- oder Wechselstrom durchflössen, so daß der an seinem Spalt vorüberziehende Tonträger durch die starke auf ihn einwirkende Magnetisierung gesättigt bzw. entmagnetisiert wird.

Wird durch die Wicklung des Löschkopfes ein Gleichstrom geschickt, so ergibt sich über dem Spalt, den der Tonträger passiert, eine Verteilung des Gleichfeldes nach einer sogenannten Glockenkurve (Bild 162a). Man kann übrigens auch einen als Ringkern ausgebildeten Permanentmagneten verwenden. Die maximale Feldstärke des Gleichfeldes muß den Wert der 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.

Fließt durch die Wicklung des Löschkopfes ein Wechselstrom hoher Frequenz, so entsteht anstelle des Gleichfeldes ein 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 23r bis zur Grenzkurve ansteigende und danach wieder kleiner werdende Hystereseschleifen (Bild 162 b), 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. Wie aus Bild 162b hervorgeht, kann diese Forderung einmal durch eine geringe Flankensteilheit der Feldverteilungskurve und zum anderen durch eine hohe Frequenz des Löschwechselstromes erfüllt werden. Diesem Verlangen kommt die Feldverteilung gemäß der Glockenkurve entgegen, vor allem dann, wenn deren Flankensteilheit durch eine relativ große Spaltbreite besonders klein gehalten wird. Außerdem verwendet man als Spaltmaterial meist Berylliumbronze, so daß durch ihre Lage im Spalt eine Kurzschlußwindung entsteht. In dieser werden nach dem Induktionsgesetz Spannungen induziert. Diese haben wegen des niedrigen elektrischen Widerstandes der Bronze große Wirbelströme zur Folge, deren magnetisches Feld demjenigen des Ringkernes entgegen gerichtet ist. Die Flußlinien werden deshalb aus dem Spalt verdrängt und treten damit auch in stärkerem Maße an solchen Stellen des Ringkernes aus, die den Polenden örtlich vorgelagert sind, wodurch die effektive Spaltbreite vergrößert und die Flankensteilheit der Glockenkurve verkleinert wird. Die Stromstärke des Löschwechselstromes ist möglichst so zu bemessen, daß eine Magnetisierung aller magnetischen Teilchen des Tonträgers gerade bis in die Sättigung stattfindet. Eine weitere Erhöhung des Stromes würde nur die Flankensteilheit wieder unerwünscht vergrößern.

Der Forderung nach einer hohen Frequenz des Löschwechselstromes ist eine obere Grenze durch die mit zunehmender Frequenz anwachsenden Magnetisierungs- und Wirbelstromverluste gesetzt, da diese einen großen Teil der Löschenergie verbrauchen und somit zu einer untragbaren Erwärmung des Löschkopfes führen würden. Zwar kann man die Wirbelstromverluste im Kern durch Verwendung besonderer Ferrite als Ringkernmaterial relativ niedrig halten, jedoch bleibt auch dann die Erwärmung des Spaltmaterials bestehen. Sie ist in diesem Falle besonders groß, weil das Ferritmaterial die Wärme schlechter ableitet als der lamellierte Ringkern aus Mu-Metall.

Die allgemein benutzten Löschfrequenzen liegen zwischen 40 und 80 kHz. Die benötigte Löschleistung bei Ringköpfen mit Mu-Metallkernen beträgt etwa 4 Watt, dagegen bei Ferritkernen wegen deren geringerer Verluste nur etwa 0,2 Watt.

E. 1. 2. 3. Aufzeichnungsvorgang
Feldverlauf und Magnetisierungsrichtung

Bild 163 zeigt den Feldverlauf, wie er sich in und vor dem Sprechkopfspalt bei gleichzeitiger Anwesenheit eines Tonträgers ausbildet [213]. Bei der Konstruktion der Feldstärkelinien wurde die Permeabilität des Ringkernmaterials mit u -> oo und die des Tonträgers mit u = 3 angenommen, was etwa den praktischen Verhältnissen entspricht. In der Symmetrieebene des Spaltes verlaufen die Feldstärkelinien ausschließlich in Richtung des Tonträgers, und erst am Spaltende und darüber hinaus tritt eine Querkomponente auf. Die aus dem Spalt und den verjüngten Polenden austretenden Flußlinien magnetisieren deshalb die im Zentrum des Aufzeichnungsfeldes befindlichen Teilchen des Tonträgers zunächst vorwiegend in Längsrichtung. Geraten sie beim Weitertransport an die Flanke des Feldes, so findet eine zunehmende Richtungsänderung zur Quermagnetisierung T statt.

Aus diesem Verhalten könnte man ableiten, daß die remanente Magnetisierung vorwiegend quer gerichtet sein müsse. Das trifft aber nicht zu. Die Ursache hierfür ist in der begrenzten Ausdehnungsmöglichkeit des Aufzeichnungsfeldes in die Tiefe des Tonträgers zu sehen, die wegen der begrenzten Schichtdicke in der Größenordnung der Wellenlänge der höchsten aufzuzeichnenden Tonfrequenzen liegt.

Betrachtet man die Magnetisierung als eine Aneinanderreihung von Elementarmagneten, die bei der Quermagnetisierung in Richtung der Tiefe des Tonträgers gerichtet sind (Bild 158), so ist deren Länge von der aufgezeichneten Wellenlänge unabhängig. Der letzteren entspricht dafür der sich in Richtung der Bandlänge ausdehnende Querschnitt der gedachten Magnete, der nur bei den kleinsten Wellenlängen in die Größenordnung der Magnetlänge fällt und nach längeren Wellenlängen zu im Vergleich zur Magnetlänge immer größer wird.

Ein derart ungünstiges Verhältnis von Länge zu Querschnitt eines Magneten hat aber eine Entmagnetisierung zur Folge, die die Quermagnetisierung auf einen unwesentlichen Wert herabdämpft. Lediglich bei den höchsten Frequenzen bleibt noch ein meßbarer Einfluß der Querkomponente bestehen.

Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, daß die Größe der Querkomponente vorwiegend von Wellenlänge, Schichtdicke und Permeabilität des magnetischen Materials und von der Größe der Feldaussteuerung abhängt. Die mit abnehmender Wellenlänge stärker in Erscheinung tretende Querkomponente ruft zusätzliche nichtlineare Verzerrungen der remanenten Magnetisierung hervor. Durch Tonträger mit möglichst geringer Schichtdicke und kleiner Permeabilität und durch die Verwendung von Sprechköpfen mit Ringkernen kann diese sich ungünstig auswirkende Quermagnetisierung auf ein Mindestmaß beschränkt werden.

Bei den nachfolgenden Betrachtungen kann deshalb der selbst bei kleinen Wellenlängen ohne Vormagnetisierung auf einen neutralen Tonträger nur geringe Anteil der Querkomponente vernachlässigt und die Magnetisierung des Tonträgers grundsätzlich als eine reine Längsmagnetisierung aufgefaßt werden [214].
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Magnetisierung des Tonträgers

Es soll vorausgesetzt werden, daß die Wellenlänge bei der Aufzeichnung auf den Tonträger groß im Vergleich zur Breite des Sprechkopfspaltes ist, was für den Anteil tiefer Frequenzen des Tonfrequenzbereiches auch in der Praxis auf alle Fälle erfüllt ist. Das bedeutet, daß sich das Feld des Sprechkopfes - auf ein beliebiges Teilchen des Tonträgers bezogen - während des Vorbeilaufs entsprechend den vorangegangenen Betrachtungen zwar örtlich, zeitlich aber kaum ändert, das heißt, daß es quasistationär ist.

Gleitet ein magnetisch neutraler Tonträger durch ein solches sich langsam sinusförmig änderndes Feld, so erfahren die nacheinander das Feld passierenden Teilchen eine entsprechende Magnetisierung. Dabei ist die Größe des entstehenden remanenten Bandflusses in Abhängigkeit von der einwirkenden Feldstärke durch die bekannte Remanenzkurve gegeben. Wie aus Bild 164 hervorgeht, weist diese in der Nähe des Nulldurchganges eine starke Krümmung auf, die eine große Verzerrung der Aufzeichnung zur Folge hat und aufgrund der symmetrischen Form der Kennlinie besonders zur Bildung der dritten Harmonischen führt.

Wiederholt man diese Betrachtung unter der gleichen Voraussetzung eines quasistationären Feldes, jedoch mit vorher gesättigtem Tonträger, so erhält die Remanenzkurve die in Bild 165 gezeigte Form. Es ergeben sich hierbei noch weit größere Verzerrungen. Eine wirksame Abhilfe läßt sich nur durch Anwendung einer Vormagnetisierung erzielen.
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Vormagnetisierung mit Gleichstrom

Bei der Aufzeichnung mit Gleichstrom-Vormagnetisierung wird dem Sprechwechselstrom ein Gleichstrom überlagert, der den Arbeitspunkt in die Mitte des geradlinigen Teiles der in Bild 164 gezeigten Remanenzkurve verlagert. Das geschieht unabhängig davon, ob ein gesättigter oder neutraler Tonträger verwendet wird; im ersteren Falle muß nur das Vormagnetisierungsfeld in entgegengesetzter Richtung wie das Löschfeld wirken. Dadurch lassen sich bei großen Wellenlängen die nichtlinearen Verzerrungen auf ein tragbares Maß beschränken. Bei kleinen Wellenlängen, die nicht mehr genügend groß im Vergleich zur Spaltbreite sind, steigen die Verzerrungen aber stark an. Bei einer Wellenlänge, die doppelt so groß wie die Spaltbreite ist, wird sogar nur noch eine Halbwelle aufgezeichnet. Man könnte zwar durch eine hohe Bandgeschwindigkeit den Einfluß des Spaltes herabsetzen, dies würde aber einen untragbar großen Bandverbrauch ergeben.

Ein weiterer Nachteil dieses Gleichstrom-Vormagnetisierungsverfahrens besteht darin, daß mit ihm nur ein relativ geringer Geräuschspannungsabstand von etwa 40 dB erreicht werden kann. Den Grund hierfür bildet das bei der Behandlung der „Aufzeichnungsstörungen" angegebene Moduiationsrauschen; es ist aufgrund der Lage des Arbeitspunktes außerhalb des Ursprungs der Remanenzkurve nicht nur dem Schallereignis überlagert, sondern auch in den Sprechpausen vorhanden.

Wegen dieser Nachteile brachte die magnetische Schallaufzeichnung mit Gleichstrom-Vormagnetisierung keine Verbesserung gegenüber den anderen Schallspeicherverfahren. Erst durch die Hochfrequenz-Vormagnetisierung konnte das Magnettonverfahren wesentlich verbessert werden.

Vormagnetisierung mit hochfrequentem Wechselstrom

Wird der Sprechkopf mit einem dem niederfrequenten Sprechwechselstrom überlagerten sinusförmigen Hochfrequenz-Vormagnetisierungsstrom gespeist, so werden - vorausgesetzt, daß auch das Hochfrequenzwechselfeld als quasistationär angesehen werden kann, zum Beispiel bei genügend großer Laufgeschwindigkeit des Tonträgers - beide Frequenzen aufgezeichnet (Bild 166).

Wird für die Aufzeichnung ein vorher neutraler Tonträger verwendet, so liegen die gleichen Verhältnisse vor wie bei der in Bild 164 konstruierten Remanenzkurve, so daß diese auch für die hier angestellten Betrachtungen herangezogen werden kann. Die folgenden Vorstellungen des Aufzeichnungsvorganges werden als Remanenzkurventheorie bezeichnet [215].

Wegen der Krümmung der Remanenzkurve in der Nähe des Ursprungs wird die sinusförmige Hf-Schwingung zunächst genau so verzerrt wie früher die
Niederfrequenz (Bild 164). Die aufgezeichnete sinusförmige Nf-Schwingung, das heißt der remanente Bandfluß <2>r für die Niederfrequenz, der sich nach Bild 166 zu

Formel    (66)

ergibt, kann jedoch nahezu unverzerrt bleiben. Das ist zunächst bei dem in Bild 166 gezeigten Beispiel der Fall, da durch die hier gewählte Größe der Hf-Amplitude die Remanenzkurve von der überlagerten Niederfrequenz nur im geradlinigen Teil ausgesteuert wird.
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Für eine genauere Betrachtung ist es aber notwendig, den gesamten funktionellen Zusammenhang zwischen dem Wechselfeld und dem für die Niederfrequenz maßgebenden remanenten Bandfluß zu kennen, wobei die Größe der Amplitude des Hf-Wechselfeldes als Parameter dient. In Bild 167 ist diese Konstruktion durchgeführt [215].

Die der Niederfrequenz überlagerte Hf-Schwingung ruft im Rhythmus der Niederfrequenz entlang der Remanenzkurve ein Hf-Wechselfeld hervor, das von zwei zur ursprünglichen Remanenzkurve verschobenen Kurven l und 2 als den Einhüllenden begrenzt wird. Unter Berücksichtigung der oben angegebenen Beziehung (66) ergibt sich eine neue Kurve, die sogenannte Arbeitskennlinie. Sie ist im gewählten Beispiel im Ursprung und einem anschließenden weiten Bereich nahezu geradlinig. Man erkennt daraus, daß eine optimal bemessene Hf-Vormagnetisierung eine weitgehende Linearisierung der ursprünglichen Remanenzkurve im Ursprung bewirkt, wobei gleichzeitig der annähernd lineare Aussteuerungsbereich im Vergleich zu dem der Gleichstrom-Vormagnetisierung nahezu verdoppelt werden kann.

Verkleinert oder vergrößert man die Amplitude der Hochfrequenz gegenüber dem im Beispiel genannten Wert, so ergeben sich anders geformte Arbeitskennlinien, deren Konstruktion in Bild 168 durchgeführt ist. Bei kleineren Werten des Vormagnetisierungsstromes stellt sich wieder die Krümmung im Ursprung ein (Arbeitskennlinie 1), die bei völligem Verschwinden der Hochfrequenz am größten wird. Die Arbeitskennlinie ist dann mit der Remanenzkurve identisch. Die nichtlinearen Verzerrungen erreichen ein Maximum.

Überschreitet die Vormagnetisierung den in Bild 167 (Arbeitskennlinie 2 des Bildes 168) benutzten Wert, so nimmt zwar die Steilheit der Arbeitskennlinie zunächst zu, das heißt, der Strombedarf für die aufzuzeichnende Niederfrequenz wird kleiner, aber gleichzeitig verringert sich der Aussteuerungsbereich (Arbeitskennlinie 3). Steigt die Vormagnetisierung noch weiter an, so verringert sich wieder die Steilheit bei gleichzeitiger Vergrößerung des linearen Aussteuerungsbereiches (Arbeitskennlinie 4).

Legt man für die Aussteuerung dieser Kennlinie eine konstante Amplitude der Niederfrequenz zugrunde und ermittelt man als Maß für die nichtlinearen Verzerrungen den Klirrfaktor in Abhängigkeit von der Größe des Vormagnetisierungsstromes, so entsteht die mit k bezeichnete Kurve in Bild 169. Es ergeben sich in Übereinstimmung mit den vorangegangenen Betrachtungen zwei besonders ausgeprägte Klirrfaktorminima.

Trägt man noch die Werte der im Hörkopf induzierten Spannungen auf, den der Tonträger nach der Aufzeichnung passiert, so ergibt sich Kurve U. Dort, wo die Arbeitskennlinie die größte Steilheit besitzt, ist die Aufsprache und damit die abgegebene Spannung am größten.

Über die unterschiedlichen Hystereseschleifen

Da diesen Betrachtungen eine willkürliche Hystereseschleife zugrunde lag, in Wirklichkeit die verschiedenen Bandsorten aber unterschiedliche Hystereseschleifen besitzen, werden sich deren Kennlinien und damit deren Kurven k und U voneinander unterscheiden. In der Praxis legt man den Arbeitspunkt des Bandes in die Nähe des zweiten Klirrfaktorminimums, da das erste meist sehr scharf ausgeprägt ist, so daß bereits eine kleine, leicht mögliche Änderung des Vormagnetisierungsstromes zu großen Verzerrungswerten führt [216, 217]. Außerdem ist die Größe und Lage dieser Minima von der Größe der Nf-Amplitude abhängig. Sie verlieren sich für kleine Nf-Amplituden, für die gilt, daß die nichtlinearen Verzerrungen um so kleiner werden, je größer die Amplitude der Hf-Vormagnetisierung gewählt wird [218], was ebenfalls dafür spricht, den Arbeitspunkt an die Stelle des zweiten Klirrfaktorminimums zu legen.

Es läßt sich experimentell zeigen, daß die hier unter der Voraussetzung des quasistationären Feldes angestellten Betrachtungen mit denen des in praxis nichtstationären Hf-Feldes nahezu identisch sind, selbst wenn die Hochfrequenz aufgrund einer relativ kleinen Laufgeschwindigkeit des Tonträgers kaum noch aufgezeichnet wird. Das ist sogar notwendig, da der Tonträger im Interesse eines geringeren Modulationsrauschens in den Sprechpausen das Aufzeichnungsfeld völlig entmagnetisiert verlassen soll.

Über die Vormagnetisierungsfrequenz

Es gelten hierfür die gleichen Bedingungen, wie sie bereits bei der Löschung mit Wechselstrom behandelt wurden. Die Vormagnetisierungsfrequenz muß also möglichst groß sein. Die Grenze ist genau wie beim Löschkopf durch die Hysterese- und Wirbelstromverluste im Kern des Sprechkopfes gegeben. Man kommt jedoch im allgemeinen mit Frequenzen von 60 kHz bis 80 kHz aus, da die Hochfrequenz durch die bei der Behandlung der „Aufzeichnungsverluste" beschriebene Entmagnetisierung stark geschwächt wird.

Die oben angedeutete Einschränkung, daß zwischen den angestellten Betrachtungen und dem experimentellen Befund nur nahezu Übereinstimmung besteht, weil die eingangs vorausgesetzte Aufzeichnung des Hf-Feldes wie gewünscht - praktisch kaum stattfindet, legt die Suche nach einer abgewandelten Erklärung des Aufzeichnungsvorganges nahe. So kann man für die Deutung des bisher nach der Remanenzkurventheorie erklärten Aufzeichnungsvorganges die bei der idealen Magnetisierung auftretenden Erscheinungen heranziehen [219 bis 222].

Der Vorgang der idealen Magnetisierung ist schon lange bekannt und gilt allgemein für die Magnetisierung ferromagnetischer Werkstoffe. Er unterscheidet sich von einer normalen Magnetisierung, das heißt einer Magnetisierung durch ein einwirkendes Gleichfeld dadurch, daß dem Gleichfeld ein Wechselfeld überlagert wird. Dieses Wechselfeld hat trotz des unveränderten Gleichfeldes nicht nur eine stärkere Magnetisierung, das heißt eine größere Steilheit der Magnetisierungskennline zur Folge, sondern auch noch eine Linearisierung derselben in der Nahe des Null-Durchganges.

Bezüglich der Dauer der Einwirkung von Wechselfeld und Gleichfeld gilt für die ideale Magnetisierung, daß das Wechselfeld ansteigen und abklingen muß, solange das Gleichfeld voll wirksam bleibt. Überträgt man diese Betrachtungen auf den Aufzeichnungsvorgang des Magnettonverfahrens, so ergibt sich wegen der vernachlässigbar kleinen frequenzabhängigen Verluste moderner Sprechköpfe und einer dadurch für die Nieder- und Hochfrequenz gleichen Feldverteilung vor dem Spalt für den Tonträger eine gleichzeitige Abnahme von Wechsel- und Gleichfeldeinwirkung.

Untersuchungen [220] haben ergeben, daß zwischen den Erklärungen des Aufzeichnungsvorganges nach der idealen Magnetisierung und den tatsächlich auftretenden Verhältnissen eine zumindest angenäherte Übereinstimmung besteht. In der Praxis zeigt sich, daß es von der Ausführung des Sprechkopfes, der Schichtdicke des Tonträgers, dessen Permeabilität und der Frequenz und Stromstärke der Vormagnetisierung abhängt, ob zur Klärung eines Betriebsfalles die Remanenzkurventheorie oder die Theorie der idealen Magnetisierung herangezogen werden muß. Die Beantwortung dieser Frage kann wegen der Kompliziertheit des Aufzeichnungsvorgangs nur experimentell erfolgen.

Wissenswertes über die Aufzeichnungsverluste

Bisher haben wir stets einen engen Kontakt des Tonträgers mit dem Sprechkopf vorausgesetzt. Ein solcher ist in der Praxis wegen der Oberflächenrauhigkeit des Tonträgers nicht vorhanden. Deshalb wird stets ein bestimmter Abstand festzustellen sein, der dadurch zu Verlusten führt, weil die auf den Tonträger einwirkende Feldstärke mit zunehmendem Abstand abnimmt. Diese Abnahme erfolgt aufgrund des Feldverlaufs roellenlängenabhängig.

Des weiteren können im Ringkern frequenzabhängige Verluste auftreten, die hier unbeachtet bleiben sollen, da sie bei den üblichen lamellierten Sprechköpfen mit Ringkern relativ gering sind. Dagegen nehmen die wellenlängenabhängigen Verluste als Folge der Ausdehnung des Sprechwechselfeldes und der Entmagnetisierung wesentlich größere Werte an.

Bei allen bisherigen Betrachtungen wurde stets davon ausgegangen, daß für ein das Sprechwechselfeld durchlaufendes Teilchen dieses Feld quasistationär sei. Das trifft zwar für die tiefen, aber nicht mehr für die hohen aufzuzeichnenden Tonfrequenzen zu. Maßgebend ist die Spaltfeldausdehnung, die entsprechend dem Mechanismus der Aufzeichnung vorwiegend von der Steilheit und Ausdehnung des Feldstärkeabfalls an der Spaltkante abhängt.

In Bild 170 ist die Feldstärke Bx bezogen auf die im Inneren des Spaltes herrschende Feldstärke Bo, in Abhängigkeit von der Ausdehnung in Bandlaufrichtung dargestellt, wie sie sich in einem Abstand einer halben Schichtdicke vom Kopf ergibt. Es ist dies die bereits bekannte Glockenkurve, deren größte Steilheit zur Ermittlung der charakteristischen Länge Lc dient. In Bild 171 ist Lc, bezogen auf die geometrische Spaltbreite b (Bild 163) und in Abhängigkeit von der ebenfalls auf die Spaltbreite bezogenen Schichtdicke d, für drei Tonträger mit unterschiedlicher Permeabilität dargestellt.

Man erkennt, daß mit zunehmender Permeabilität (wegen der Verbreiterung des Spaltfeldes und mit größer werdender Schichtdicke das Verhältnis Lc/b  und damit die Aufzeichnungsbedingungen für kleinere Wellenlängen immer ungünstiger werden. Da für die remanente Magnetisierung eines beliebigen Teilchens des Tonträgers während seines Durchlaufes durch die Strecke Lc die dabei auftretende zeitliche Veränderung der Feldstärke maßgebend ist, wird diese zur Veranschaulichung in Bild 172 für vier verschiedene Schwingungszeiten als Parameter dargestellt. Die Zeit tx des Durchlaufes ergibt sich aus der Bandgeschwindigkeit:

Formel

Wir erkennen aus Bild 172, daß bei Aufzeichnungen mit einer Schwingungsdauer von T < 4 tx die Remanenz von der maximal einwirkenden Feldstärke bestimmt wird. Dagegen tritt bei T = 2 tx bereits ein Richtungswechsel während des Durchlaufs ein, der eine Schwächung der remanenten Magnetisierung zur Folge hat. Im Gegensatz zu dem beim Abtastvorgang wirksamen Spalteffekt treten hier jedoch selbst bei noch ungünstigeren Verhältnissen von T/tx keine Auslöscherscheinungen auf, da sich die Phasenbedingung für eine solche Auslöschung für jede Bandschicht des Tonträgers ändert.

Für eine weitere Abhängigkeit der Aufzeichnungsverluste von der Wellenlänge ist die äußere Entmagnetisierung verantwortlich. Ihr Einfluß wird um so stärker, je größer der Querschnitt eines beliebigen Magneten im Vergleich zu seiner Länge ist. Da aber eine - zum Beispiel sinusförmige - Längsmagnetisierung als Aneinanderreihung von Stabmagneten mit der Länge  lambda/2 und einem dem Querschnitt des Tonträgers gleichgroßen Querschnitt aufgefaßt werden kann, bedeutet dies, daß der Bandfluß mit kleiner werdender Wellenlänge zunehmend gedämpft wird. Der Grad des Dämpfungsanstieges hängt von der Koerzitivkraft des Tonträgers ab. Ein Tonträger mit größerer Koerzitivkraft setzt definitionsgemäß entmagnetisierenden Einflüssen einen größeren Widerstand entgegen als ein Tonträger mit kleinerer Koerzitivkraft. Praktische Untersuchungen [223] haben ergeben, daß die Bandflußdämpfung einen Verlust verursacht, der die remanente Magnetisierung etwa nach der Beziehung

Formel

herabsetzt. Darin ist XG als die charakteristische Wellenlänge (Grenzwellenlänge) definiert, bei der der äußere Bandfluß im Vergleich zu dem bei tiefen Frequenzen um 1 Np abfällt.

Bild 173 zeigt den der Bandfluß dämpf ung (äußerer Bandfluß) entsprechenden Amplitudenabfall in Abhängigkeit von der Wellenlänge für drei Bänder verschiedener Koerzitivkraft, ausgedrückt durch 2C als Parameter.

Die durch die Aufzeichnungsverluste entstehenden Dämpfungen werden durch eine entsprechende Vorentzerrung, das heißt einen mit der Frequenz ansteigenden Sprechstrom, wieder weitgehend ausgeglichen. Eine Begrenzung findet diese Vorentzerrung allerdings in den gleichzeitig ansteigenden nichtlinearen Verzerrungen, weshalb man einen Teil der Aufzeichnungsverluste auch bei der Wiedergabe kompensieren muß.

Aufzeichnungsstörungen

Beim Aufzeichnungsvorgang treten Störerscheinungen auf, die sich in zusätzlichen, ursprünglich nicht vorhandenen Fremdspannungen, genauer: Rauschspannungen, äußern. Abgesehen von den im Aufsprechverstärker und Wiedergabeentzerrer hervorgerufenen Fremdspannungen werden durch den Aufzeichnungs- und Abtastvorgang, ferner durch den inhomogenen Schichtaufbau des Tonträgers Störerscheinungen hervorgerufen, von denen uns an dieser Stelle zunächst die durch den Tonträger selbst und den Aufzeichnungsvorgang hervorgerufenen interessieren.

Bei den letzteren können sie eine Folge des unstetig erfolgenden Magnetisierungsvorganges, eines wechselnden Abstandes zwischen Tonträger und Sprechkopf und einer remanenten Magnetisierung durch ungewollte Gleichfeldaufzeichnungen sein [224].

Der inhomogene Schichtaufbau eines Tonträgers ergibt sich aus der großen Anzahl kleiner (< 1um) ferromagnetischer Teilchen, die nahezu als magnetische Elementarbereiche mit spontaner Magnetisierung aufgefaßt werden können. Diese Teilchen bilden in unterschiedlicher Anzahl Gruppen wechselnder Größe, die ihrerseits wieder Mikrostreufelder mit verschiedener Richtung und Intensität besitzen. Der für die Abtastung maßgebende mittlere Streufluß delta s ist der Teilchenzahl je Volumeneinheit und damit der Wurzel aus der Tonspurbreite bT und der Schichtdicke d proportional:

Formel
.

Diese Beziehung gilt streng genommen nur für eine idealisotrope Verteilung kugelförmiger Teilchen. Die auch bei einem völlig entmagnetisierten Tonträger vorhandenen Streuflüsse haben bei der Abtastung eine induzierte Rauschspannung zur Folge, die bei verschiedenen Bändern eine voneinander abweichende spektrale Zusammensetzung besitzt.

Der Ruherauschspannungsabstand

Das Verhältnis der bei Vollaussteuerung mit 1.000 Hz abgegebenen Spannung Uo zu der in den Sprechpausen bei alleiniger Einwirkung des Hf-Vormagnetisierungsfeldes auf den Tonträger abgegebenen Ruherauschspannung Ur bezeichnet man als Ruherauschspannungsabstand:

Formel : Uo (5R = 20lg- [dB] Ur

Bei optimalen Bedingungen (von 1974)
Der Ruhegeräuschspannungsabstand

Er beträgt unter optimalen Bedingungen etwa 65 dB. Mißt man die Rauschspannung über ein 30-phon-Ohrkurvenfilter, so bezeichnet man das oben angegebene Verhältnis als Ruhegeräuschspannungsabstand. Er entspricht besser dem gehörmäßigen Eindruck und liegt in der Größenordnung von 70 dB.

Für die Diskontinuität des Magnetisierungsvorganges ist die spontane Magnetisierung der einzelnen Elementarbereiche verantwortlich. Einem aufgezeichneten Schallereignis überlagern sich die kleinen Sprünge, die damit ebenfalls zu einer unerwünschten Rauschspannung bei der Abtastung führen.

Das Modulationsrauschen

Infolge schwankender Schichtdicke und eines wegen der Oberflächenrauhigkeit wechselnden Abstandes zwischen Tonträger und Sprechkopf ändert sich die auf den Tonträger einwirkende Feldstärke des Aufzeichnungsfeldes. Die dadurch bedingten kleinen Schwankungen der remanenten Magnetisierung haben eine Amplitudenmodulation zur Folge, wobei die Amplitude der Schwankung der Nutzamplitude nahezu proportional ist.

Als Modulationsfrequenz wirkt ein Frequenzgemisch, das sich aus den statistischen Schwankungen der Schichtdicke, des Abstandes und der anisotropen Verteilung der Elementarmagnete ergibt. Das so entstehende Rauschspektrum wird als Modulationsrauschen bezeichnet. Es führt zu der bereits besprochenen Einschränkung der übertragbaren Dynamik bei der Gleichstrom-Vormagnetisierung, da das Gleichfeld auch in den Sprechpausen eine erhebliche Rauschspannung zur Folge hat.

Bei der Hf-Vormagnetisierung verursacht die aufgezeichnete Tonfrequenz ebenfalls ein ihrer Amplitude nahezu proportionales Modulationsrauschen; das von ihm hervorgerufene Störgeräusch wird jedoch bei der Wiedergabe zum größten Teil vom eigentlichen Schallereignis verdeckt und daher kaum wahrgenommen.

Nur bei der Wiedergabe von ausschließlich tiefen oder hohen Frequenzen, für die das Ohr wesentlich unempfindlicher ist (Bild 44), wird das im mittleren Teil des Frequenzbereiches liegende Spektrum des Modulationsrauschens stärker wahrgenommen. In den Sprechpausen jedoch verschwindet dieses Rauschen, da infolge der Hf-Vormagnetisierung der Tonträger das Aufzeichnungsfeld hinreichend entmagnetisiert verläßt.

Die unbeabsichtigte Einwirkung eines Gleichfeldes verursacht beim Hf-Verfahren ebenfalls ein in den Sprechpausen auftretendes Modulationsrauschen. Ein solches Gleichfeld kann zunächst durch einen remanenten Magnetismus der Köpfe und anderer, den Tonträger berührender Laufwerksteile entstehen.

Handelt es sich dabei um eine Führungs-, Umlenk- oder Tonrolle, so kann ein mit der Drehzahl dieser Rolle synchron pulsierendes Modulationsrauschen die Folge sein. Die Magnetisierung dieser Teile kann zum Beispiel ungewollt durch Berühren mit einem magnetisierten Werkzeug oder durch die Einwirkung starker fremder Felder von Magneten oder in unmittelbarer Nähe befindlicher Starkstromeinrichtungen erfolgen.

Eine remanente Magnetisierung des Sprechkopfes kann auch leicht durch eine starke, unsymmetrische Aufzeichnungsamplitude (Schaltstoß] hervorgerufen werden, indem die einseitige Aussteuerung der Arbeitskennlinie bis in den nichtlinearen Bereich hinein eine remanente Magnetisierung herbeiführt [217]. Das gleiche kann durch einen unsymmetrisch verzerrten Hf-Strom eintreten.

Die Unsymmetrie des Hf-Wechselstromes wird durch die Verwendung einer Gegentaktschaltung vermieden. Durch letztere wird auch die Aufzeichnung eines (etwa durch ungenügende Siebung der Anodenspannung) die Hochfrequenz modulierenden 50-Hz-Tones unterbunden. Um eine remanente Magnetisierung des Sprechkopfes zu vermeiden, gibt man diesem einen relativ großen rückwärtigen Spalt, der eine Scherung der Magnetisierungskurve bewirkt.

Eine Gleichstromkomponente des Hf-Lösch- und Vormagnetisierungsstromes führt ebenfalls zu einem Gleichfeldanteil des Lösch- beziehungsweise Aufzeichnungsfeldes, die allerdings durch eine kapazitive Ankopplung der Köpfe an die Hf-Spannungsquelle ferngehalten werden kann.

Der bei der Aufsprache durch das Modulationsrauschen verursachte Rausch-spannungsabstand wird durch die Größe des Gleichfeld-Rauschspannungsab-standes ausgedrückt, dessen Definition bei der Behandlung der Tonträgereigenschaften erfolgt.

E. 1. 2. 4. Zustand des Tonträgers nach der Aufnahme

Ehe wir uns mit dem Abtastvorgang befassen, erscheint eine Behandlung des Tonträgers in bezug auf seinen magnetischen Zustand notwendig. Dabei interessiert vor allem die Verteilung des magnetischen Feldes in der Umgebung des Tonträgers. Der Einfachheit halber nehmen wir wieder an, daß es sich bei der Aufzeichnung um eine sinusförmige Magnetisierung handelt, so daß man sich die Tonspur in Längsrichtung des Tonträgers als eine Aneinanderreihung von Magneten der Länge 172 lambda vorstellen kann. Den Fluß im Inneren eines solchen Magneten bezeichnet man als inneren Bandfluß und den
außerhalb des Magneten als äußeren Bandfluß. Der innere remanente Bandfluß an irgendeiner Stelle des Tonträgers ist dann

Formel

Ändert sich entsprechend der sinusförmigen Verteilung der innere Bandfluß zwischen zwei benachbarten Stellen des Tonträgers, so müssen zwischen diesen beiden Stellen magnetische Flußlinien aus- oder eingetreten sein. Die Dichte dieser aus- oder eintretenden Flußlinien wird durch die Oberflächenflußdichte ?? ausgedrückt. Da bei der Längsmagnetisierung die Feldverteilung in der Breite des Tonträgers und die Breite praktisch konstant sind, braucht man nur die Änderung des Flusses in der Längsrichtung x = v • t des Tonträgers zu betrachten und erhält durch Differentiation die Oberflächenflußdichte geliefert.

Formel

Wir erkennen daraus, daß die Oberflächenflußdichte, und damit die Anzahl der Flußlinien je Längeneinheit des Tonträgers, proportional mit der aufgezeichneten Wellenlänge abnimmt. Das bedeutet, daß entsprechend Bild 174 die Flußdichte des äußeren Bandflusses mit zunehmender Entfernung vom Tonträger bei kleinen Wellenlängen rascher abnimmt als bei großen. Die Folge ist, daß bei der späteren Abtastung eine Veränderung des Abstandes zwischen Tonträger und Hörkopf, wie sie zum Beispiel durch schwankenden Bandzug und Unebenheiten des Tonträgers (oder verklumpten bzw. verklebten Staubansammlungen) hervorgerufen werden kann, genau wie beim Aufzeichnungsvorgang eine Amplitudenmodulation besonders bei hohen Frequenzen hervorruft.

Während die geringe Reichweite des äußeren Bandflusses bei kleinen Wellenlängen eine störende Amplitudenmodulation verursacht, wirkt sich andererseits die große Reichweite des Bandflusses bei tiefen Frequenzen nachteilig auf die Übersprechdämpfung bei zwei oder mehreren, auf einem gemeinsamen Tonträger untergebrachten Tonspuren aus. Unter Übersprechdämpfung versteht man das Verhältnis der in einem Hörkopf induzierten Spannungen von einer Spur zur nächsten, wobei Uo die im Hörkopf induzierte Spannung der direkt zugeordneten Spur Ux die irgendeiner benachbarten Spur ist.

Formel

Die Möglichkeit, mehrere Tonspuren auf einem gemeinsamen Tonträger unterzubringen, wendet man bei einfachen Geräten an, indem man die eine Hälfte des bandförmigen Tonträgers für die Aufzeichnung einer Tonspur in der einen Richtung und die andere Hälfte für die Aufzeichnung in der entgegengesetzten Richtung benutzt. Man kann dann bei gleicher Länge des Bandes ein Programm doppelter Dauer aufzeichnen und braucht das Band außerdem nicht wieder umzuspulen.

Weiterhin, und das ist hier von besonderem Interesse, benutzt man auch mehrere parallellaufende Tonspuren für die gleichzeitige Aufnahme verschiedener Schallereignisse, insbesonderes für stereofonische Tonaufzeichnungen. Je nach Art des Verfahrens benutzt man zwei, drei und mehr Tonspuren.

Anmerkung : Es müsste noch recherchiert werden, wann die ersten 4-Kanal Quadro-Bandgeräte und dann die professionellen Geräte mit Halbzoll Band auf den Markt kamen und wann auf 8 und 16 und 24 Kanal 2" Maschinene aufgerüstet wurde.

Messen wir die Übersprechdämpfung in Abhängigkeit vom Spurabstand alpha/spur mit der Frequenz als Parameter bei einer Geschwindigkeit (zum Beispiel Magnetfilme) von 45,6 cm/s, so ergeben sich die Kurven in Bild 175. Die Kurve für 30Hz sagt aus, daß bei einem Spurabstand von 6mm ???, wie er bei einer Spurbreite von 3,8mm (CC-Kassette) üblich ist, die Übersprechdämpfung nur noch etwa 24dB beträgt. Für stereofonische Tonaufnahmen ist dieser Wert noch als zulässig anzusehen, da sich die Pegel der auf den einzelnen Tonspuren aufgezeichneten Schallereignisse praktisch kaum um einen größeren Betrag unterscheiden.

Das bedeutet jedoch andererseits, daß auf zwei solchen benachbarten Spuren ohne besondere Abschirmmaßnahmen keine voneinander völlig verschiedenen Schallereignisse, zum Beispiel Musik und Sprache, aufgezeichnet werden können, wenn sie unabhängig voneinander wiedergegeben werden sollen. Aus Bild 175 ergibt sich ferner, daß die Übersprechdämpfung mit steigender Frequenz rasch zunimmt; in der Praxis zeigt sich aber, daß die insgesamt wirksame Übersprechdämpfung von der übrigen elektrischen Anlage, besonders aber vom Mehrfachhörkopf selbst, begrenzt wird.

E. 1. 2. 5. Einflüsse fremder Felder auf den Tonträger nach der Aufwicklung

Wird ein bandförmiger Tonträger nach der Aufzeichnung wie üblich aufgewickelt und erst zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgetastet, so stellt man bei der Wiedergabe von Schallereignissen mit sehr hohen Intensitätsspitzen - zum Beispiel lautes Rufen oder Zuschlagen von Türen - eine mehrmalige echoartige Wiederholung des aufgezeichneten Schallereignisses fest.

Dieser (Echo-) Effekt kommt dadurch zustande, daß der äußere Bandfluß einer beliebigen Windung des aufgespulten Bandes auch die Nachbarwindungen mit durchsetzt und auf ihnen eine bleibende Magnetisierung hinterläßt (Bild 176). Da dieser Vorgang einem Kopieren gleichkommt, bezeichnet man ihn als Kopiereffekt. Seine Größe ist durch die Kopierdämpfung nach Gleichung (71) definiert.

Wird die Wiedergabespannung sowohl der Originalaufzeichnung als auch der kopierten Aufzeichnung auf den Eingang eines Pegelschreibers gegeben, so ergibt sich auf dessen Papier ein Pegelverlauf gemäßt Bild 177. Es ist zu erkennen, daß die Intensität der Vor- und Nachechos mit zunehmender Lagenzahl und damit zunehmender Entfernung von der vollausgesteuerten Windungslage etwa logarithmisch abnimmt [225].

Die Kopierdämpfung ist abhängig von der aufgezeichneten Wellenlänge. Verantwortlich hierfür ist die mit kleiner werdender Wellenlänge zunächst zunehmende Oberflächenflußdichte der Aufzeichnung, die eine mit 1/X zunehmende Kopierfeldstärke zur Folge hat.

Bei Schichtbändern mit einer Geschwindigkeit von 76,2 cm/s wird ein Minimum der Kopierdämpfung etwa bei 2.000 Hz erreicht, da bei noch kleineren Wellenlängen die etwa exponentiell ansteigende Entmagnetisierung der Kopierung wieder eine Zunahme der Kopierdämpfung bewirkt.

In Bild 178 ist diese Funktion zusammen mit zwei experimentell ermittelten Kurven der Frequenzabhängigkeit des Kopiereffektes dargestellt, woraus sich eine gute Übereinstimmung erkennen läßt. Das Minimum der Berechnung nach befindet sich bei X = 2 n riß. Es liegt für die Bandgeschwindigkeiten von 76,2 und 38,1 cm/s im Bereich größter Ohrempfindlichkeit, wodurch die Wahrnehmbarkeit des Kopiereffektes noch erleichtert wird.

Bei größerer Aussteuerung wird der Kopiereffekt ebenfalls stärker wahrnehmbar, da dann das kopierte Schallereignis bei der Wiedergabe weiter über den Rauschpegel hinausragt als bei kleiner Aussteuerung, obwohl die Größe der Kopierdämpfung im praktischen Aussteuerbereich von der Aufzeichnungsintensität nahezu unabhängig ist. Weiter ist bekannt, daß die Kopierdämpfung mit zunehmender Banddicke größer wird. Aus diesem Grund kann die Kopierdämpfung beim Magnetfilm mit seinem relativ dicken Schichtträger von 70um bis 120um vernachlässigt werden.

Die Größe des Kopiereffektes unterliegt außerdem noch dem Einfluß der Kopierdauer (also der Zeit, die dieser Bandwickel unbenutzt im Archiv steht) und der auf den Bandwickel einwirkenden Temperatur [226]. Bild 179 zeigt die Abhängigkeit der Kopierdämpfung von der Kopierdauer bei drei verschiedenen Temperaturen. Man erkennt, daß die Kopierdämpfung, abgesehen von den ersten fünf Minuten, etwa linear mit ansteigender Temperatur und logarithmisch mit zunehmender Kopierdauer abnimmt. Entsprechend den Erfahrungen des Rundfunks scheint diese Abnahme allerdings bei noch längeren Lagerzeiten einem Grenzwert zuzustreben.

Eine bemerkenswerte Steigerung des Kopiereffektes tritt dann ein, wenn das aufgewickelte Band einem schwachen magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, da dieses eine ähnliche Wirkung wie das Feld der Hf-Vormagnetisierung ausübt [227].

Herabsetzung des Kopiereffektes

Eine Herabsetzung des Kopiereffektes kann zunächst durch einen größeren Reinheitsgrad der ferromagnetischen Substanz erzielt werden. Auf jeden Fall besteht ein Zusammenhang zwischen den Herstellungsbedingungen, den chemischen Eigenschaften der Substanz und dem zu erwartenden Kopiereffekt [228]. Des weiteren zeigt sich, daß die im Bandwickel ohne Einwirkung von Wechselfeldern kopierte Aufzeichnung zum größten Teil wieder beseitigt werden kann. Wegen der geringen Größe der Kopierfeldstärke wird die Remanenzkurve nur im Anfangsbereich ausgesteuert. Man kann deshalb erwarten, daß die kopierte Aufzeichnung gegenüber der Einwirkung eines äußeren Feldes wesentlich empfindlicher ist als die Originalaufzeichnung.

Zur Ausnutzung dieser Erscheinung zwecks Dämpfung des kopierten Echos ist es erforderlich, das betreffende Band auch beim Abspielen am Löschkopf vorbeizuführen, wobei diesem nur ein kleiner Teil der für die Löschung benötigten Hf-Energie zugeführt wird [229]. Durch die Einwirkung dieses Wechselfeldes wird nun die viel leichter löschbare Kopierung, aber kaum die Originalaufzeichnung gelöscht.

In Bild 180 ist die erreichbare Verbesserung der Kopierdämpfung in Abhängigkeit von der Feldstärke des Löschwechselfeldes bei gleichzeitiger Darstellung der Dämpfung, die die Originalaufzeichnung dabei erfährt, gezeigt. Kurve 1 ergibt sich bei Anwendung eines üblichen Löschkopfes mit Ringkern, Kurve 2 dagegen bei Verwendung eines Speziallöschkopfes, der ein quer zum Band gerichtetes Löschfeld hervorruft. Aus dem Diagramm ist zu ersehen, daß sich im vorliegenden Fall eine optimale Verbesserung der Kopierdämpfung um 12dB erzielen läßt, wobei die Originalaufzeichnung nur eine Dämpfung von 1dB bis 2dB erfährt, ein Betrag, der in dem angegebenen Wert von 12dB bereits berücksichtigt ist. Selbstverständlich darf die selektive Löschung erst kurz vor der Abtastung erfolgen, da nach der Aufwicklung des Bandes die Kopierdämpfung nach und nach wieder dem ursprünglichen Wert zustrebt.

Nachtrag nach 2002 - Dreischichtbänder

Da diese Echos bei digital beschriebenen Bändern katstrophale Auswirkungen gehabt hatten, haben die Japaner bei Fuji ein Dreischichtband für DLT und LTO Benutzung entwicket und sich patentieren lassen, ein ganz dünnes Spezial-Data-Band, das als dritte Schicht eine magnetische Sperrschicht enthält, sodaß (so gut wie) kein Kopiereffekt mehr von Lage zu Lage stattfinden konnte.

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