Schallaufzeichnung und Schallwiedergabe

Der Mensch hatte schon immer das Bedürfnis, Schall (Sprache, Musik) aufzuzeichnen, um ihn zu einem späteren Zeitpunkt wieder hören zu können. Die technischen Voraussetzungen dafür wurden aber erst im 19. Jahrhundert entwickelt. Entscheidenden Anteil daran hatte der US-amerikanische Erfinder THOMAS ALVA EDISON (1847-1931). EDISON entwickelte 1877 ein Gerät, mit dem man Schall aufzeichnen konnte, den Phonographen.

Aufbau und Wirkungsweise eines Phonographen
Bild 1 zeigt den Aufbau eines Phonographen. Er besteht aus einem Schalltrichter, der unten mit einer Membran abgeschlossen ist. An dieser Membran ist eine Nadel befestigt. Darunter befindet sich eine drehbare Walze, mit Stanniolpapier belegt.
Das Prinzip der Schallaufzeichnung ist aus der Skizze (Bild 1) erkennbar:

• Der Schall wird durch den Schalltrichter aufgenommen und zu einer Membran geleitet. Dadurch gerät diese Membran in Schwingungen.
• Die an der Membran befestigte Nadel schwingt mit dieser Membran. Da sie auf dem Stanniolpapier aufsitzt, erzeugt sie dort im Rhythmus der Schwingungen Vertiefungen auf dem sich bewegenden Stanniolpapier.
• Diese Vertiefungen entsprechen der Art der Schwingungen der Membran. Laute Töne erzeugen starke Schwingungen und damit größere Vertiefungen auf dem Stanniolpapier als leise Töne. Hohe Töne erzeugen schnelle Schwingungen und damit mehr Vertiefungen auf dem Stanniolpapier als niedrige Töne. Der Schall ist somit in den Vertiefungen des Stanniolpapiers gespeichert.

Will man den Schall wieder hörbar machen, so wird die Nadel an den Anfang der Schreibspur gesetzt und die Walze gleichmäßig gedreht. Die Nadel folgt dann den unterschiedlichen Vertiefungen im Stanniolpapier. Diese Hin- und Herbewegungen werden auf die Membran übertragen. Sie schwingt im Rhythmus der Vertiefungen und erzeugt dadurch Schall. Durch den Schalltrichter gelangt der Schall zu den Zuhörern.
Ein Hauptproblem beim Phonographen war die geringe Qualität der Schallaufzeichnung und der Schallwiedergabe.

Eine wichtige Weiterentwicklung - die Schallplatte
Einen entscheidenden Fortschritt in der Qualität erzielte der deutsche Elektrotechniker EMIL BERLINER (1851-1929). Er ersetzte die Walze durch eine Schellackplatte, in deren Rille der Schall gespeichert wurde. Bereits 1892 kamen die ersten Schallplatten in den Handel. Sie wurden auf Grammofonen abgespielt und fanden schnell weite Verbreitung. Durch neue Kunststoffe verbesserte sich allmählich die Plattenqualität. Mit der Entwicklung von Langspielplatten in den fünfziger Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelte sich die Schallplatte zu einem der wichtigsten Tonträger.

Ein anderes Prinzip - die magnetische Speicherung
Ein anderes Verfahren der Schallaufzeichnung und -wiedergabe entstand mit der Entwicklung des Rundfunks Mitte der dreißiger Jahres des 20. Jahrhunderts. Es wurden die ersten Tonbandgeräte entwickelt. Dabei wird ein grundsätzlich anderes Prinzip als beim Phonographen oder bei der Schallplatte genutzt: Statt einer mechanischen Aufzeichnung und Wiedergabe erfolgen diese elektromagnetisch.
Erforderlich ist dazu eine Trägerschicht (ein Tonband), auf die eine sehr dünne, magnetisierbare Schicht aufgebracht ist. In dieser magnetisierbaren Schicht befinden sich Elementarmagnete, die zunächst völlig ungeordnet sind.

Die Aufnahme von Schall erfolgt so: Das Tonband wird gleichmäßig an einem Aufnahmekopf vorbeibewegt (Bild 3). Das ist ein kleiner Elektromagnet, dessen Magnetfeld sich im Rhythmus der Schallschwingungen verändert. Das wird erreicht, indem man Schall mithilfe eines Mikrofons in Schwankungen der elektrischen Stromstärke umwandelt und diesen Strom dem Aufnahmekopf zuführt. Durch das sich im Rhythmus der Schallschwingungen ändernde Magnetfeld erfolgt eine entsprechende Magnetisierung der Schicht auf dem Tonband.

Bei der Wiedergabe wird das Tonband an einem Wiedergabekopf vorbeibewegt. Das ist eine kleine Induktionsspule. Verändert sich durch das Vorbeibewegen das Magnetfeld um die Spule, so wird in ihr nach dem Induktionsgesetz eine Spannung induziert, die ihrerseits einen Strom hervorruft. Da die Induktion entsprechend der Magnetisierung des Tonbandes erfolgt, schwankt die Induktionsspannung und damit der Induktionsstrom im Rhythmus der ursprünglichen Schallschwingungen. Der Strom wird zu einem Verstärker geleitet. Über einen Lautsprecher werden die Stromschwankungen wieder in Schall umgewandelt.

Heute wird dieses Verfahren noch bei Diktiergeräten und Kassettenrecordern angewendet. Auch bei Videobändern nutzt man das Verfahren, wobei dort je nach den verwendeten Geräten zum Teil analoge und zum Teil digitale Signale aufgezeichnet und gespeichert werden.

CD und DVD - Speicherung auf optischem Wege
Die Compaktdisc (CD) ist das heute am weitesten verbreitete Speichermedium. Entwickelt wurde sie in den siebziger Jahren und 1979 erstmals vorgestellt. Abspielgeräte sind seit 1981 im Handel. Mit 650 MB Speichervermögen kann sie große Datenmengen aufnehmen und ist als CD-ROM auch wichtiger Datenspeicher für Computerdaten.
Eine CD ist eine durchsichtige Kunststoffscheibe mit einer Reflexionsschicht aus Aluminium (Bild 4). Die Daten sind in einer von innen nach außen verlaufenden Spiralspur in Form von kleinen Vertiefungen (Pits) und Stegen zwischen ihnen (Lands) gespeichert. Der Spurabstand beträgt 1,6 Mikrometer, das sind 0,0016 mm. Damit befinden sich auf 1 mm Radius 625 Spuren nebeneinander.

Ausgelesen werden die Daten mithilfe eines fein gebündelten Laserstrahls (Bild 5). Das reflektierte Laserlicht wird je nach Auftreffpunkt unterschiedlich reflektiert. Beim Auftreffen auf eine Vertiefung (Pit) wird es teilweise gestreut. Die Intensität des reflektierten Lichtes ist dann geringer. Das reflektierte Licht gelangt über den halbdurchlässigen Spiegel zu einer Fotodiode, wird dort in elektrische Signale umgewandelt und verstärkt. Der Schall ist dann über einen Lautsprecher wieder hörbar.
Neben der einfachen CD gibt es heute einmalig beschreibbare CDs (CD-R) und mehrfach beschreibbare CDs (CD-RM). Die neueste Entwicklung sind wieder beschreibbare CDs (CD-RW).

Noch größere Speichermengen ermöglicht die DVD (Digitale Video-Disc). Die Spurbreite ist noch geringer als bei der CD. darüber hinaus sind Speicherschichten in zwei Ebenen angeordnet, sodass ein Speichervermögen bis 8,5 GB erreicht werden kann.