Standardside

Lydbåndteknik 3 - Indspilningen

Af Oluf Engelstoft

(Det vil være en god ide først at læse artiklen Lydbåndteknik1!)

Indledning. I min studietid beskrev jeg jævnligt nyt lydudstyr i månedsskriftet "Populær Radio". I et af numrene (fra sidste halvdel af 1950'erne) skrev jeg i forbindelse med anmeldelsen af en båndoptager med den ny, lavere hastighed 3¾ "/s noget i retning af: Det er i grunden ejendommeligt, at ethvert teknologisk fremskridt, som muliggør en bedre lydkvalitet, i stedet bruges til at bibeholde den samme, halvdårlige kvalitet som før, blot på en lavere båndhastighed.

I dag - i digitalismens tidsalder - har vi subtile tekniske løsninger (som f.eks. et 24 bit/96 kHz format), der vel i praksis gør det umuligt at skelne det gengivne fra den originale, direkte lyd fra en god analog mikrofon (ikke en "digital" mikrofon med A/D konverter!). Alligevel belemres vi i vor hverdag med dårlig digitallyd, f.eks. MP3 formatet og DAB (med mere end 4 stereoprogrammer pr. blok), for slet ikke at tale om den i tidens løb så højt besungne "CD - kvalitet", som ved omhyggelige prøver lader sig skelne fra det sublime system. Disse formater besidder i manges ører den uforlignelige egenskab at være gode nok, nærmest som en slags laveste fællesnævner, og så er der jo dét med pengene, for gode formater fylder meget og er derfor dyre.

Muligheden for det sublime er altså til stede i dag, men sådan har det ikke altid været. Hvad der i begyndelsen præsenteredes for folk, var gennemgående "state-of-the-art", udviklingen var ikke nået længere. Chaplin gjorde grin hermed ved i en af sine tidlige film at imitere et højttaleranlæg ved at blæse lyd gennem en redekam med madpapir omkring. Efterhånden blev lydkvaliteten dog tålelig, men stadig ikke god nok for mange. En overgang var grammofonen mere velanskrevet  kvalitetsmæssig set end optagelser på magnetbånd, som havde tydelige problemer med forvrængning og støj. Disse forsvandt som ved et trylleslag ved indførelsen af højfrekvens formagnetiseringen, og dét vil vi forsøge at beskrive nærmere i det følgende. Først må vi dog se lidt på den oprindelige jævnstrøms formagnetisering.

1. Magnetisk indspilning. Hvorledes optager man egentligt noget på et magnetbånd? Man kunne måske tro, at det blot drejede sig om at sætte en forstærker i forbindelse med et indspilningshoved i kontakt med båndet og så køre løs. Imidlertid kommer der herved næsten intet signal på båndet, og det der trods alt er der, er voldsomt forvrænget. Det kan vi forstå ved at se på overføringsfunktionen, som her er en remanenskurve, dvs. sammenhørende værdier af strøm (signal) i hovedet og remanens (signal) B_r  på båndet (H=0). På fig. 1 er dette illustreret ved hjælp af kurven 1-0-2. Den fremkommer ved at måle hvor meget en påvirkning med magnetfeltstyrken H af båndets oxydlag efterlader af signal (den remanente induktion B_r). Man må forestille sig, at der anvendes et neutralt (slettet) bånd, og at målingen sker på ét lille område i oxydlaget ad gangen, svarende til området ud for spalten i indspilningshovedet, og at laget (båndet) samtidig føres forbi hovedet med båndhastigheden U_b, så der hele tiden kommer ny umagnetiske områder hen til spaltens magnetfelt.

Remanenskurven er "resterne" af en anden kurve, jomfrukurven, som udgøres af sammenhørende værdier af H og B (inden H aftager til nul). Ved oxydbånd er de to kurver næsten ens, men det er de aldeles ikke for stålbånd og (stål) tråd! Kurven ser ud til at være symmetrisk om 0, og kan i et område her omkring se ud til at være sammensat af summen af et lineært led og et led af ulige orden (nok 3.), dvs. i generel notation  y = Ax + Bx³  (A og B > 0). De virkelige forhold er mere komplicerede, således bøjer kurven om ved numerisk høje værdier af H og nærmer sig et vandret forløb som følge af mætning i oxydlaget.

Vi kan nu illustrere, hvad der sker når man prøver at indspille en sinustone (kurve 3-4 på fig. 1) direkte på båndet. Vi "spejler" simpelthen kurven 3-4 i overføringskarakteristikken 1-0-2 og får herved en remanens på båndet svarende til kurven 5-6, og denne kurve ser jo unægtelig - som ventet - ud til både at være "svag" og stærkt forvrænget, sammenlignet med den oprindelige kurve 3-4.

2. Jævnstrøms (DC) Formagnetisering. Ved at betragte remanenskurven på fig. 1 (kurve 1-0-2) får man let den idé, at det kunne være en fordel at forskyde arbejdspunktet 0 at stykke op (eller ned) på kurven (hvor den er stejlere, har vendepunkt og er mere "ret") ved at overlejre signalet med et konstant felt W (eller -W) fra en jævnstrøm i indspilningshovedets vikling. En spejling som før (nu af kurven 7-8) bekræfter dette. Den  spejlede sinuskurve (9-10) er nu meget "større" end  7-8 og ser uforvrænget ud. Metoden har utvivlsomt været anvendt, men lider bla. af den ulempe, at gamle optagelser ikke slettes ordentlig ved indspilningen og først må slettes på anden vis.

En bedre metode vises i det følgende på fig. 2. Der anvendes her et egentligt slettehoved som båndet passerer inden det når indspilningshovedet. Der sker følgende: Først møder vort område i oxydlaget slettefeltet, kurve A-B-C.  På strækningen A-B bevæger arbejdspunktet sig langs jomfrukurven fra 0 til 1 i BH - diagrammet foroven på figuren. Var området i forvejen magnetiseret følges en anden kurve, som under alle omstændigheder ender i 1: Området er slettet. Slettefeltet er nemlig så kraftigt, at det når den såkaldte grænsehysteresekurve. På turen ud af slettefeltet (B-C) bevæger punktet sig fra 1 langs grænsehysteresekurven til 2, som angiver båndets maksimale remanens B_m (det påtrykte ydre felt er nu H=0). Turen fortsætter hen til indspilningshovedet, hvor oxydområdet møder jævnfeltet fra formagnetiseringen. Dette felt vender den modsatte vej af slettefeltet og fører arbejdspunktet fra 2 langs grænsekurven til 3 (når signalets øjebliksværdi = 0). Vort område forlader nu indspilningsfeltet, mens arbejdspunktet bevæger sig fra 3 til 4 på B - aksen ad den punkterede kurve, og magnetiseringen (indspilningen) af det pågældende område er hermed fastlagt. Er signalets øjebliksværdi forskellig fra nul, nås i stedet et punkt i nærheden af 3, inden det ad en anden punkteret kurve når B aksen. De punkterede kurver er ikke rette linier men dele af forskellige hysteresekurver, og 4 (karakteristikkens midtpunkt på B - aksen) kan godt afvige fra H - aksen med en værdi B_0.  Vi kan nu (som i fig. 1) spejle en sinuskurve (5-6) og se den resulterende kurve.

Denne metode giver det største udstyringsområde med den laveste forvrængning med DC - teknik og anvendtes i de første AEG Magnetophoner fra 1935 til omkring 1940.

Metoden virker bedst ved lave frekvenser (lange bølgelængder). Ved højere frekvenser (kortere bølgelængder) deformerer indspilningsspalten det indspillede signal med stærk lige ordens forvrængning til følge, som adderes til den allerede eksisterende forvrængning fra den ulineære overføringskarakteristik samtidig med at dennes nulpunkt (B₀) forskydes nedad. Det er samme mekanisme som kendes fra et optisk lydspor på en filmstrimmel, med den karakteristiske "Clash"- og "Donner"-effekt  (lyder ikke kønt!).

Forvrængningen skyldes et samspil mellem bølgelængden, indspilningsspalten og DC- formagnetiseringen. Remanensen fastlægges af den maksimale feltstyrke over indspilningsspalten. Er spalten f.eks. ⅛ af den indspillede bølgelængde og indspilles en sinustone, sker dette derfor ved den forreste spaltekant når signalet går "opad", og ved den bagerste, når det går "nedad". Det er som om indspilningen følger to sinuskurver forskudt spaltebredden fra hinanden - en ad gangen - og skiftet mellem dem sker i kurvens bund og top. I bunden sker det med ca. konstant remanens, mens den næsten konstante (negative) maksimalværdi af H vandrer fra den bagerste til den forreste spaltekant og medfører, at den indspillede (sinus) kurves bund bliver bredere. En lignende, modsatrettet proces sker brat i toppen og gør denne lidt mindre og tilspidset. Kurven er altså kraftigt forvrænget. Øges spalten til ½ bølgelængde, er de to sinuskurver nu i modfase og gør den indspillede kurves flade bund ligeså bred og toppen formindskes til kun at nå nullinjen. Kurven indeholder nu kun negative værdier (og et DC - "bump"). Med bølgelængde = spaltebredde indspilles kun DC - bumpet! DC - formagnetisering kan altså kun indspille frekvenser op til denne grænse, i praksis nås vel allerhøjst ca. 85% heraf.

3. Jævnstrøms (DC) Støj. Optagelser med jævnstrøms formagnetisering lider af endnu en mangel i form af lavfrekvent kogende og buldrende baggrundsstøj. Den skyldes ikke en principiel fejl ved indspilningen, men en teknologisk defekt ved båndet: Kunne det fremstilles homogent uden "klumper" og "huller" i oxydlaget og ujævne, ru overflader, ville støjen være væk. Man kan sammenligne indspilningshovedet og det omliggende oxydlag med en "lommemagnet" (hesteskomagnet) og det tilhørende åg af blødt jern. Åget har til opgave at holde magnetfeltet tæt ved magneten når den ikke skal samle søm mv. op, så det ikke breder sig ud og måske laver ulykker i omgivelserne. Oxydlagets evner som åg er langtfra så gode, men ujævnhederne i laget formår alligevel ved passagen over indspilningsspalten at ændre magnetfeltet fra formagnetiseringen på en ganske uregelmæssig måde som om der blev indspillet et støjsignal. Karakteren af denne støj hænger nøje sammen med transporttiden for en forstyrrelse forbi spalten. Har båndet omkring spalten kontakt med hovedet over en strækning på 5 mm (det såkaldte "spejl") og er båndhastigheden 15 "/s (38,1 cm/s), tager det 0,5/38,1 sekunder eller godt 13 millisekunder. Som frekvens altså ca. 76 Hz og støjspektret har da også sit udprægede maksimum her omkring. Støjen falder både ved lavere og højere frekvenser. Båndhastigheden afgør, hvordan det lyder: Et "hul" i båndet høres ved lav hastighed som et sådant (drop out) og ved høje som en lyd. Lidt akademisk sagt kan jævnstrømsstøjen opfattes som sidebåndene fra en amplitudemodulation af bærefrekvensen 0 (nul) Hz med støjsignalet. Det negative sidebånd tænkes spejlet op og overlejret det andet i det positive frekvensområde..

4. Resumé. Anvendelsen af jævnstrøm til formagnetiseringen ved optagelser på magnetbånd giver problemer med kraftig forvrængning ved højere frekvenser og et dårligt signal/støj forhold, også ved højere båndhastigheder som 30 "/s. Det må derfor ikke undre, at samtidige optagelser på grammofonplade generelt betragtedes som værende af bedre kvalitet.

5. Højfrekvens (HF) Formagnetisering og Sletning. Denne metode blev mere eller mindre tilfældigt fundet og indført i Tyskland ved begyndelsen af 2. Verdenskrig. I forvejen var den beskrevet i et arbejde fra 1927 publiceret af Carlson og Carpenter. Med ét slag blev den magnetiske lydoptagelse med HF- bias takket være sin stærkt formindskede forvrængning og støj den bedste, hørbart bedre end optagelse på grammofonplade.

Metoden er enkel: I princippet skal den hidtil benyttede jævnstrøms formagnetisering (se afsnit 2 og 3) blot erstattes af en højfrekvent vekselstrøm af den "rigtige" størrelse (for indspilningshovedet ca. det dobbelte af LF- signalets) og med en frekvens mindst ca. 5 gange højere end den indspillede lyd. Med vekselstrøm forstås gerne sinusformet vekselstrøm, og det er da også en sådan, der benyttes i praksis. Andre kurveformer lader sig udmærket anvende i stedet, blot de ikke indeholder et jævnstrømsled, der jo vil virke som en jævnstrøms formagnetisering og give forvrængning og støj som tidligere beskrevet. Kurveformen skal være symmetrisk og fri for faseforskudte harmoniske af lige orden. HF- signalet fra slette- og indspilningshovedet skal ikke indspilles på båndet. Det øger kun chancen for ekstra støjkomponenter. Så frekvensen må evt. tilpasses båndhastigheden. Generelt giver en højere frekvens i indspilningshovedet (flere MHz) lavere støj, men kræver specielle magnetiske materialer.

6. Anhysteresisk Magnetisering. Magnetisk lydoptagelse ved hjælp af højfrekvens formagnetisering (HF- Bias) forstås som et specialtilfælde af den gammelkendte anhysteresiske magnetisering, som er en metode til at styre magnetiseringen af en prøve af et magnetiserbart materiale. Prøven udsættes for to magnetfelter samtidig, et svagt konstant felt og et vekselfelt, som vokser op fra nul til en meget stor værdi og derefter klinger af igen til nul, hvorefter det andet felt fjernes. Prøven er herefter magnetiseret med en styrke, som er en rimelig lineær funktion af dette svage felts styrke.

7. Indspilningen. Vi kan nu beskrive selve indspilningsprocessen. Som "prøve" bruger vi ligesom i Lydbåndteknik1 et område i båndets oxydlag ud for indspilningsspalten "af  praktisk betydning" med ca. 25 millioner magnetiske enkeltpartikler (ad gangen - båndet bevæger sig jo).  Hver enkelt partikel påvirkes af det resulterende felt fra alle de andre partikler i området med en normal fordelt komposant i længderetningen. Nogle partikler står derfor på grænsen til at "klappe om" (skifte deres nord- og sydpol), mens andre er langt fra. Vi antager først, at det svage felt er nul. Ved passagen af spalten møder området derfor kun det pulserende HF- felt, som adderer sig til partikelfeltet og først tvinger alle partiklernes poler til at følge med uafhængig af den oprindelige polfordeling og dernæst, under sin aftagen, til efterhånden at stoppe igen afhængig af partikelfeltets størrelse på den enkelte partikel. Først stopper polerne på partiklerne med de numerisk største påvirkninger fra partikelfeltet, dernæst dem med noget mindre osv. Denne proces strækker sig over et feltstyrkeinterval på ca. 4:3 i en indspilningszone. Området i oxydlaget efterlades derfor "med statistisk succes" magnetisk neutralt udadtil, området er "afmagnetiseret".

Er det svage felt forskellig fra nul (dvs. et LF- signal er tilstede) adderer dette felts øjebliksværdi sig til HF- og partikelfeltet ved områdets passage af indspilningsspalten og indspilningszonen. Området efterlades derfor ikke magnetisk neutralt som før, men med en "skæv" polfordeling og er dermed magnetisk udadtil, afhængig af det svage felts styrke. Indspilningen lejres derfor hen langs båndets oxydlag i et uhyre antal små områder med magnetiseringer svarende til LF- signalets tidsmæssige forløb. Det viser sig, at der er en meget lineær sammenhæng mellem LF- signalets øjebliksværdi og den magnetiske remanens i et stort niveauområde, væsentlig større end med jævnstrøms (DC-) formagnetisering.

Processen afviger fra den anhysteresiske magnetisering derved, at det svage felt (LF- feltet) ikke er konstant under HF- feltets udklingning, men aftager sammen med dette, mens området forlader spalten. Havde feltet været konstant, ville det lineære område være endnu større!

8. Turen forbi Hovederne. Vi vil nu beskrive, hvad der sker med båndet på turen mellem båndmaskinens afvikle- og opsamlespole. Oxydlaget vender således, at det har direkte kontakt med hovederne. Vort lille område i laget med omkring 25 millioner magnetiske partikler når efter passage af diverse ruller og båndstyr frem til det første hoved, slettehovedet. Det har en bred frontspalte (op til 200 µm) fyldt med umagnetisk materiale, så magnetfeltet fra hovedets kerne breder sig godt ud i rummet foran spalten og for det meste løber i båndets længderetning, som jo er retningen, båndet ønskes indspillet i (og ikke i dybden eller på tværs!). Herved sikres en kraftig sletning og kun ringe slettestøj. Desuden sikrer det brede slettefelt, at feltet  fra "gamle" dybe toner (lange bølgelængder) ikke kan række tværs over slettefeltet og genindspille sig selv på den anden side dér, hvor feltet klinger ud.

Således renset for gamle indspilninger fortsætter båndet det korte stykke vej til indspilningshovedet. Det har en smal umagnetisk frontspalte (7 - 14 µm)  for at kunne danne et indspilningsfelt (HF- Biasfelt) bedre egnet til kortere bølgelængder (højere frekvenser). Vort lille område i oxydlaget får som nævnt sin magnetisering fastlagt ved passagen af indspilningszonen over den bagerste spaltekant, dér hvor feltstyrken aftager i forholdet ca. 4:3 omkring en kritisk værdi (se også afsnit 7).

Fig. 3 illustrerer magnetiske feltlinier ved indspilningsspaltens bagkant. De er krumme bortset fra området omkring spaltemidten, hvor de stort set går i båndets længderetning. Fig 4 viser igen feltlinierne, nu tegnet med det indbyrdes forhold 4:3 svarende til en indspilningszone (skraveret). Den følger feltlinierne og er derfor krum. Ideelt burde den havde været ret og stået vinkelret på oxydlaget. Zonen flytter sig frem eller tilbage, når Bias ændres og skifter samtidig tykkelse (se fig. 4). Det har ikke i tidens løb manglet på forslag til at rette indspilningszonen ud og derved forbedre kvaliteten. F. eks. kunne man fylde spalten med kobber og øge  biasfrekvensen til 5 - 7 MHz, så induktionslinierne kan deformere biasfeltet i ønsket retning.

Atter en kort tur og passagen af et båndstyr bringer båndet frem til det sidste hoved, afspilningshovedet. Det har den snævreste spalte (ca. 5 µm med umagnetisk materiale) af hensyn til afspilningen af de højeste frekvenser. Her kan vort lille område i oxydlaget sende sin magnetiske fluks rundt i kernen - fra spaltekant til spaltekant -  som så sammen med fluksen fra naboområderne giver de fluksændringer som inducerer  spænding i hovedets vikling og dermed gengiver det indspillede signal. Kontakten mellem hoved og oxydlag skal være perfekt. Hver µm øget afstand (fra støv, snavs mv.) nedsætter høje toners (korte bølgelængders) styrke betragteligt ved afspilningen, så jævnlig rensning af hele båndgangen er nødvendig. Afspilningshovedet er tit forsynet med en ekstra skærm (af µ-metal) som klapper op mod båndets bagside og hindrer ydre støjfelter i at genere afspilningen. Generelt er hovederne afskærmet magnetisk, om ikke for andet så for at selve Jordens magnetfelt under de rette forhold ikke skal give jævnstrømsstøj! Magnetiseret værktøj og strømstød i elektronikken kan gøre hovederne magnetiske med samme ulempe og de må derfor jævnligt afmagnetiseres med en slettedrosselspole. (Prøv endelig ikke denne metode med datamedier - de bliver som regel ødelagt!).

Den sidste korte tur bringer båndet ind mellem kapstanakslen og gummitrykrullen, hvor det modtager det træk, som er grundlaget for hele den konstante båndtransport, inden det efter passagen af de sidste ruller lægger sig til hvile på opsamlespolens båndvikling. 

9. Støjtyper ved HF- formagnetiseringen. I forbindelse med magnetisk lydoptagelse forekommer en række former for støj, som rent summarisk nævnes her. De måles bedst med ørekurve, f. eks. CCIR 468 med quasi-spidsværdi-visende instrument.

Forstærkerstøj. Afspilningsforstærkeren lader sig konstruere med så lav egenstøj, at den er forsvindende i forhold til grundstøjen.

Grundstøj. Den bedste afmagnetisering (sletning) sker ikke på selve maskinen, men ved at anbringe  båndspolen i et specialudstyr, som udsætter hele båndet for et magnetisk vekselfelt, som langsomt klinger af til nul, skærmet fra jordens magnetfelt mv. Et sådant bånd giver alligevel ved afspilning på maskinen en støj (susen), som tydeligt skiller sig ud fra forstærkerstøjen. Den statistiske fordeling af  polretningerne i oxydlager er åbenbart lidt "grovkornet"?

Slettestøjj. Startes slettefeltet (og kun det), tager støjen et tydeligt spring opad og ændres også lidt i karakter. Slettefeltet er altså trods sin størrelse ikke helt neutralt.

Biasstøj. Startes nu yderligere indspilningshovedets biasfelt, tager støjen et ret stort hop opad i styrke og bliver ret lys (spids, engelsk "hiss"). Dette felts evne til at udglatte statistikken er altså ikke så god, eller også når sidebånd fra biasfrekvensen måske helt ned i det hørbare område. Dette fører os direkte til den sidste støjform:

Modulationsstøj. Uden LF- signal høres summen af alle ovennævnte støjformer. Støjen fra  DC- formagnetisering findes også ved HF- formagnetiseringen, men i stedet for at lægge sig som sidebånd til frekvensen 0 (nul) Hz (repræsenteret af en jævnstrøm), findes den nu som sidebånd til signalfrekvenserne og høres derfor ikke i pauserne (bortset fra som nævnt et muligt, lille bidrag fra biasfrekvensen). Især høje toner bliver derfor lidt "uldne" at høre på, jo mindre desto mere homogent båndet er, og forsvinder ved det perfekte bånd. Men det samlede indtryk er trods alt langt bedre end med DC- formagnetisering.

10. Andre Båndfænomener.

Der findes yderligere en del fænomener i forbindelse med magnetisk lydoptagelse, hvoraf følgende blot skal anføres:

Båndekko (kopieffekt, "afsmitning"). Kopiering af kraftige signaler mellem båndvindingerne.

Baskrøllen. Afspilning af lave frekvenser ved høje båndhastigheder.

Spaltefunktionen. Indflydelsen fra en endelig spalte og ikke-parallelle spalter ved ind- og afspilning.

Deformerede spalter. Indflydelsen fra deforme ind- og afspilningsspalter.

Båndfejl. Indflydelsen fra diverse ujævnheder i båndet.

 Ovenstående artikel omtaler bla.  AEGs Magnetofoner og deres betydning for udviklingen af den magnetiske lydregistrering. Billedet viser  to sådanne i det nybyggede Radiohus ca. 1942. Appara­terne var oprindelig forsynet med formagnetisering ved hjælp af jævnstrøm. Statsradiofoniens la­boratorium ombyggede dem til den nyopfundne tyske metode med formagnetisering ved hjælp af højfrekvent strøm (HF-magne­tisering).  Lydkvaliteten steg herved som beskrevet i artiklen kraf­tigt med et langt bedre signal/støj forhold og en meget lavere  forvrængning til følge.