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| Stereoplay Technik-Beilage |
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| HiFi-Grundwissen Magnetische
Speicherung Teil 1 |
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Die Grundlagen der HiFi-Technik III zeigten, daß die Bewegung
eines Magneten an einer Spule vorbei in dieser eine Spannung
erzeugt (induziert). Die Spule reagiert aber nicht auf die Stärke
des Magnetfeldes, sondern auf die Geschwindigkeit der Änderung
des Feldes, genauer: des Magnetflusses. Ist der Magnet nah,
so ist die Wirkung des Magneten, seine Feldstärke, am Ort
der Spule hoch. Sehr viele Feldlinien treten durch die Spule
hindurch, das bedeutet einen hohen Magnetfluß. Bei weit
entferntem Magnet ist die Feldstärke vernachlässigbar,
der Magnetfluß nähert sich dem Wert Null.
Der magnetische Schallspeicher nutzt diesen Effekt. Ein "besprochenes"
Magnetband gleicht einer Kette unterschiedlich starker und unterschiedlich
gepolter, in unregelmäßigen Abständen aufeinanderfolgender
Magnete. An einer Spule (Wiedergabetonkopf) vorbeigezogen, induzieren
sie eine schwankende Spannung, ein elektrisches Abbild des magnetischen
Musters.
Die Magnetschicht des Bandes enthält Millionen winzig kleiner
magnetisierbarer Nadeln. Eine Trägerfolie sorgt für
die mechanische Stabilität. Der Bandhersteller beschichtet
den Träger mit einer Mischung von Magnetteilchen und Bindemitteln
nach streng gehüteter Rezeptur. Ein äußeres
Magnetfeld (der Aufnahmekopf erzeugt es) kann diese Ministäbchen
unterschiedlich magnetisieren.
Magnete können magnetische "Ladungen" hinterlassen.
Auch ohne Hilfe des Magneten ziehen sich Eisenteile dann hinterher
noch an, zumindest einige von ihnen sind selbst magnetisch geworden.
Darum benutzt ein Fachmann in der Nähe von Tonbändern
oder Tonköpfen nur Werkzeug, das mit Sicherheit nicht magnetisiert
oder besser unmagnetisierbar ist.
Ein ausreichend starkes Magnetfeld kann die Magnetisierung eines
Stoffes wieder verändern, nicht dagegen ein schwaches Magnetfeld.
Das magnetisierbare Band eignet sich deshalb geradezu ideal
als Speichermedium für eigene Aufnahmen. Die physikalischen
Eigenschaften erlauben einerseits ein "Löschen"
und erneutes "Aufsprechen", andererseits eine verhältnismäßig
unkritische Lagerung.
Pluralismus in der Bandschicht:
Jedes Magnetchen denkt anders
Die Teilchen eines Tonbands verlieren (glücklicherweise)
erst unmittelbar in einem starken Feld, etwa auf einem Lautsprechermagneten,
an Kraft; die Lautstärke beim Abspielen sinkt. (Allerdings
büßt die Aufnahme durchaus auch noch bei 10 Zentimetern
Abstand und langer Lagerzeit an Qualität ein.) Für
jeden Einzelmagneten in der Bandschicht - die "Nädelchen"
- gilt, daß das Ummagnetisierungsfeld erst einmal einem
bestimmten Schwellenwert erreichen, gleichsam der Widerspenstigen
Starrsinn zähmen muß, bevor sich die Magnetisierung
ändert. Dieser Eigensinn heißt Koerzitivkraft. Wird
er überwunden, "kippt" die Magnetisierung voll
um, ähnlich einem Kippschalter. Der Einzelmagnet kennt
nur zwei Zustände: plus- oder minus-magnetisiert.
Ist ein Band gelöscht, so sind die abertausend Mikro-Magnetteilchen
zwar immer noch jedes für sich voll magnetisiert, aber
möglichst ideal regellos. Ihre Wirkungen nach außen
kompensieren sich, das nach außen wirksame Magnetfeld
wird zu Null. Ein Informationsgehalt fehlt. Ähnlich wie
beim Druck, wo kleine schwarze und weiße Punkte Grau ergeben
und die Punkte selbst völlig untergehen.
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Magnetische
Abtastung
Der Wiedergabekopf "saugt" nahe Feldlinien in den
magnetisch leitenden Kern. Bewegt sich das Band, so ändert
sich die magnetische Durchflutung Φ der Spule, und eine
Spannung u wird induziert. Die Frequenz f hängt ab von
der Wellenlänge λ, der magnetisehen Information
und der Bandgeschwindigkeit v. |
In der Magnetschicht sind die Magnetteilchen aber
nicht so gleichmäßig verteilt und durch äußerst
verzwickte Feldlinien verwoben. Da die Beschaffenheit der Magnetschicht
sich in mikroskopischen Längeneinheiten von Bandstück
zu Bandstück etwas unterscheidet, "erspürt"
der Wiedergabekopf noch ein schwaches Rauschen. Die Magnetisierung
schwankt
doch noch ganz geringfügig um Null.
Wird das Band voll durchmagnetisiert (gesättigt), so sind
alle Magnete in die gleiche Richtung polarisiert. Alle Nadeln
zusammen können nun außen einen starken Magnetfluß
hervorrufen.
Nur gemeinsam sind sie
stark: gleichgepolt zur Bandsättigung
Eine Löschdrossel gestattet Magnete wieder zu entmagnetisieren.
Ähnlich aufgebaut wie ein Transformator, jedoch nur mit
einer vom Netzwechselstrom durchflossenen Wicklung und einem
offenen Eisenkern, erzeugt sie ein äußeres Wechselfeld.
In die Nähe eines magnetischen Teiles gebracht, muß
das einwirkende Feld so kräftig sein, daß alle Magnetteilchen
fortwährend hin- und hergepolt werden.
Entfernt sich die Drossel, schwächt sich das Feld ab, und
es werden immer weniger Teilchen umgepolt, weil quasi deren
Starrköpfigkeit unterschiedlich stark ausgeprägt ist.
Einige bleiben in Plus-, andere in Minus-Richtung magnetisiert
zurück. Bei langsamer, gleichmäßiger Entfernung
der Drossel wird sich ein Gleichgewicht der Teile mit den beiden
Magnetisierungsrichtungen einstellen, nach außen hin ist
der Gegenstand nicht mehr magnetisiert. Mit ein wenig Übung
gelingt es so, Tonköpfe und Bandführungen, aber auch
Werkzeuge, durch eine Lautsprechermontage magnetisiert, zuverlässig
wieder zu "löschen".
Beim Löschkopf im Bandgerät passiert genau dasselbe,
nur bewegt sich das magnetische Band, und die Entmagnetisierdrossel
in Form des Löschkopfs bleibt stehen. Er ist freilich etwas
raffinierter aufgebaut als die einfache Drossel, das Feld konzentriert
sich an einem Spalt des Spulenkerns, genau dort, wo das Band
drübergleitet. Das Feld muß hier sehr viel schneller
wechseln, damit trotz der kleinen Magnetisierungszone eine vorbeigleitende
Bandstelle im abnehmenden Feld neben dem Spalt noch genügend
viele Polaritätswechsel erfährt. Gespeist wird der
Löschkopf daher mit einem hochfrequenten Strom.
Beim Aufsprechen hat man nun zunächst versucht, einfach
Musiksignale über den Spulenstrom (nicht: -spannung) und
das zugehörige Magnetfeld auf das Band einwirken zu lassen.
Ein geringes Magnetfeld bei Pianostellen würde aber (fast)
kein Magnetteilchen umkippen (Feldstärke unter der kleinsten
Koerzitivkraft). Ab einer gewissen Magnetfeldstärke fielen
dann aber fast alle gleichzeitig um (Feldstärke im Bereich
der mittleren Koerzitivkraft). Dieses "nichtlineare"
- quasi digitale - Verhalten führte zu extremen Verzerrungen
des Tons, geringe Lautstärken könnten überhaupt
nicht abgespeichert werden.
| Wie
ein Kippschalter |
Ein leichtes Wackeln am Hebel ist fast immer ohne
Auswirkung. Erst eine gehörige Bewegung läßt
den Kontakt umschlagen. Und beim Zurückschalten
reagiert der Kippfedermechanismus auch wieder erst
nahe der Endstellung des Hebels.
Ein magnetisches Teilchen schaltet bei geringen
Feldstärken kaum um. Eine Ummagnetisierung
bedarf höherer Feldstärken. Positiver
und negativer Kippunkt liegen aber beim Kippschalter
auseinander, die Spanne dazwischen heißt Hysterese.
Ihre Kurvendarstellung kann außer dem "Schaltverhalten"
auch noch andere Eigenschaften eines Magnetteilchens
abbilden.
 Die
Koerzitivkraft Hs gibt die notwendige
Feldstärke (H) an, bei der das Teilchen umgepolt
wird. Auch nach Wegnahme des äußeren
Feldes bleibt eine Magnetisierung (Polarisation
J), die Remanenz JRS, bestehen. Der Hebel
eines Kippschalters, um die halbe Strecke zurück
in Mittelposition gebracht, verändert ja auch
den Schaltzustand noch nicht. |
Koerzitivkraft, ¡HC
> 20 000 A/m (Ampere je Meter)
Sättigungsremanenz BS >0,1 T(Tesla)
Remanenter Sättigungsbandfluß (äußere,
auf die Spurbreite bezogene magnetische Gesamtwirkung)
ΦRS >1000 nWb/m (Nanoweber je
Meter) |
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| Meinungsvielfalt
im Band |
Der Bandhersteller kann leider
keine Magnetteilchen mit genau gleichen magnetischen
Eigenschaften produzieren. Zudem beeinflußen
sie sich magnetisch gegenseitig. Das Magnetband
zeigt als Folge der Überlagerung vieler verschiedener
Kurven eine verschliffene Hysteresekurve. Verstärkt
wird dieser Effekt dadurch, daß das Magnetfeld
H am Aufsprechkopf in der Tiefe der Magnetschicht
schwächer wird. Das Bild zeigt die "Scherung"
der idealen eckigen Hysteresekurve allein schon
aufgrund der unterschiedlichen Anordnung der Magnetstäbchen
in der Bandschicht:
a. in Bandlaufrichtung,
b. ungeordnet,
c. parallel zum Spalt.
Bei allen heutigen Bändern werden die Magnetteilchen
beim Gießen der Magnetschicht ausgerichtet.
Das besorgt ein kräftiger Magnet während
des Austrocknens der Beschichtung. Auch jede Abweichung
von der idealen Nadelform bedeutet ähnlich
wie eine fehlerhafte Ausrichtung einen Verlust in
der nach der Aufzeichnung zurückbleibenden
Magnetisierung, der Remanenz. (Vergleiche den Punkt
JRS aus der Hysteresekurve für Einzelteilchen
und die Verschlechterung von Kurve a. auf c.)
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Beim Gleichschritt
bleibt die Dynamik auf der Strecke
Die Entwicklungsgeschichte der Bandaufzeichnung kennt einige
Etappen, in denen die Klangqualität jeweils sprunghaft
anstieg. Die Gleichstromvormagnetisierung war der erste Meilenstein:
Ein zusätzliches konstantes (Gleich-)Feld am Aufsprechspalt
muß so eingestellt werden, daß gerade ein Viertel
aller Teilchen in Plus-Richtung umkippt. Da vorher jeweils eine
Hälfte in der einen oder anderen Richtung magnetisiert
war (gelöschtes Band), verläßt das Band den
Aufsprechspalt daher zu drei Vierteln plus- und einem Viertel
minus-aktiviert. Auf den Wiedergabekopf wirkt dann konstant
die Hälfte des maximal möglichen (Sättigungs-)Feldes.
Ein tonfrequentes Wechselfeld kann das Band jetzt entweder entmagnetisieren
oder voll durchmagnetisieren. Der Bandfluß kann also zwischen
Null und voller Plus-Sättigung schwanken.
Wenn auch die Verzerrungen gegenüber der direkten Aufzeichnung
stark abnehmen, so befriedigt der Dynamikumfang überhaupt
nicht. Feinste Schwankungen in der Magnetisierbarkeit des Bandes
modulieren die Gleichmagnetisierung und führen zu starkem
Rauschen. Die Vollaussteuerungsgrenze liegt niedrig, der volle
Magnetisierungsspielraum (nach minus hin) kann nicht ausgenutzt
werden.
6 Dezibel mehr Aussteuerung brachte dann der nächste Schritt
in Gestalt der Grenzkurven-Vormagnetisierung durch die Einbeziehung
aller Teilchen in den Prozeß der Ummagnetisierung. Das
Band wird nur "pseudo" gelöscht, indem es voll
magnetisiert wird. Eine Plus-Sättigung verwischt jeden
Informationsinhalt.
Auch hier ist eine Gleichfeld-Vormagnetisierung vorgesehen.
Sie ist jedoch stärker als bei der einfachen Gleichfeldvormagnetisierung
ausgelegt und polt die Hälfte der Teilchen wieder zurück
nach Minus, so daß sich die Wirkung der Magnetnadeln nach
außen hin wieder kompensiert. Im Idealfall (und ohne Tonsignal)
verläßt das Band den Aufsprechspalt nach außen
hin unmagnetisch. Das tonfrequente Magnetfeld kann den gesamten
Bereich zwischen voller Plus- oder Minus-Magnetisierung ausnutzen.
Dieser Trick funktioniert unter nicht idealen Bedingungen allerdings
auch kaum zufriedenstellend. Das Rauschen ist immer noch zu
hoch.
Der Zufall gibt oft der Evolution die Sporen, und so wurde dank
eines fehlerhaften, schwingenden Aufsprechverstärkers die
hochfrequente Vormagnetisierung erfunden oder besser gefunden.
Ähnlich wie am Löschkopf - nur etwas schwächer
- werden die magnetisierten Bandmagnetchen blitzschnell hin-und
her magnetisiert. Der zusätzlich überlagerte Tonfrequenzstrom
führt aber dazu, daß nicht nach "Null"
entmagnetisiert wird, sondern auf einen bestimmten Wert, der
von der momentanen Signalamplitude abhängt. Sie bestimmt
also, wie viele Nadeln mit Plus- und wie viele mit Minus-Polung
beim Verlassen der Aufsprechspaltzone liegenbleiben. Die nach
außen wirksame Magnetisierung, hervorgerufen durch die
Summe aller Teilchen, stellt die gespeicherte Information dar.
Mit dem HF-Vormagnetisierungsverfahren kann heute eine hervorragende
Qualität in der analogen Tonaufzeichnung erreicht werden.
Der mögliche Aussteuerbereich wird zumindest bei tiefen
und mittleren Frequenzen gut genutzt. Das Rauschen in Musikpausen
ist nur geringfügig höher als bei einem gelöschten
oder vollkommen jungfräulichen Band.
Als wesentliche Weiterentwicklung wäre hier nur noch "Dolby
headroom-extension Professional" (HX professional) zu nennen.
Diese Regelelektronik beeinflußt die Stärke des Vormagnetisierungsstroms
in Abhängigkeit vom aufzunehmenden Tonsignal. Das gestattet,
einige der noch vorhandenen feinen Fehler der analogen Bandaufzeichnung
weiter zu verringern.
Das Feld um den Aufsprechspalt nimmt mit der Entfernung ab.
Genauso wie der Löschvorgang findet die Aufzeichnung in
Laufrichtung gesehen hinter dem eigentlichen Spalt statt, dort,
wo die Feldstärke des Vormagnetisierungsfeldes nicht mehr
ausreicht, um den jeweiligen Einzelmagneten umzupolen. In der
vollen Tiefe der Bandschicht werden - je nach Höhe der
eingestellten Vormagnetisierung - einige Teilchen möglicherweise
überhaupt gar nicht erreicht. Das heißt, die Feldstärke
genügt nicht mehr zum Umkippen dieser Magnete.
Das wirkt sich insoweit auch positiv aus, als immer eine gleichmäßig
dicke Schicht, wenn auch nicht die volle Schichtdicke, magnetisiert
wird. Eine starke Vormagnetisierung beeinflußt bei einer
schwankenden Schichtdicke wie einer rauhen hinteren Schichtoberfläche
(Zwischenfläche zum Träger) den Ton (Modulation).
Die Stärke des Vormagnetisierungsfeldes wirkt sich stark
auf die Klangqualität aus. Viele Hersteller haben auch
heute noch Schwierigkeiten, bei der Justage einen sinnvollen
Kompromiß zu finden. Ist die Vormagnetisierung zu niedrig,
können nicht alle in der Schichtdicke zur Verfügung
stehenden Teilchen genutzt werden, die maximale Magnetisierung
- das ist die Vollaussteuerung - liegt dann tief. Ist die Vormagnetisierung
aber zu hoch, so können kurze Wellenlängen nur schwach
aufgezeichnet werden; schon während der Aufzeichnung tritt
verstärkt ein Selbstlöscheffekt auf.
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| Jede
Frequenz hat ihre Länge |
Um den unterschiedlich schnellen
Wechsel des Luftdrucks bei einem Ton beschreiben
zu können, wurde der Begriff der Frequenz eingeführt.
Bezogen auf ein Magnetband, ändert sich aber
die Magnetisierung nicht mit der Zeit, sondern über
die ablaufende Bandlänge. Je höher der
aufgesprochene Ton, um so dichter folgen die Magnetisierungswechsel
aufeinander, und um so kürzer sind die als
Kette aufgereiht gedachten Magnete, die am Tonkopf
vorbeigleiten. Die Bandgeschwindigkeit "transformiert"
die Zeitdauer in eine Wegstrecke und umgekehrt.
Aus der Periodendauer T eines Schwingungszuges wird
die Wellenlänge λ. Da die Periodendauer
der Kehrwert der Frequenz f ist, gilt:
λ = v*T =
v/f
f = 1/T = v/λ
Wellenlängen:
CompactCassette 4,8 cm/s
20 Hz = 2,4 µm
15 kHz = 3,2 µm
Studiomaschine 38 cm/s
20 Hz = 19 mm
20 kHz = 52 µm
Die Spaltbreiten zum Vergleich:
Wiedergabe Cassette:
bis < l µm
Aufnahme Studio:
7 bis 35 µm
Die Banddicken zum Vergleich:
Schichtdicke: 3 bis 18 µm
Trägerdicke:
6 bis >23 µm
Rückseitenmattierung:
keine oder 2 oder 7 µm
Gesamtdicke:
9 bis >50 µm |
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| So
nicht ! |
 Bei
der direkten Aufzeichnung führen leise Töne
zu keiner Magnetisierung, laute Töne sind stark
verzerrt. Als Kennlinie der Aufnahmemagnetisierung
H wird die Remanenzkurve der "Neukurve"
verwendet. Sie gibt die zurückbleibende (remanente)
magnetische Polarisation J an, die sich nach einer
unterschiedlich hohen Magnetisierung eines "jungfräulichen"
(ideal gelöschten) Bandes einstellt.
In vielen Büchern wird auch die Aufzeichnungsart
mit HF-Vormagnetisierung anhand der Remanenzkurve
erklärt. Diese Theorie versagt dort jedoch,
sie wird quantitativ grob falsch. Wesentlich genauer
beschreibt das von G. Schwandtke überarbeitete
Modell des Physikers F. Preisach den Magnetisierungsvorgang.
Die angegebene Fachliteratur erlaubt, diese Theorie
bis in alle Details kennenzulernen. |
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Durch dick und dünn. Kleine und große Wellenlängen
Hohe Frequenzen bei niedrigen Bandgeschwindigkeiten ergeben
eine besonders kleine Wellenlänge, und die läßt
sich nur schwierig speichern, ein "geometrisches Problem":
Wird die Wellenlänge so klein wie die Spaltbreite oder
die Magnetschichtdicke, so kann kaum mehr der gesamte Magnetfluß
den Wiedergabekopf durchdringen. Die Wiedergabespannung wird
fast Null. Doppelte Bandgeschwindigkeit bedeutet Wiedergabe
der doppelten Frequenz bei gleicher Qualität (durch gleiche
Wellenlänge) oder, wie in der Praxis genutzt, die gleiche
hohe Frequenz mit gesteigerter Qualität (durch doppelte
Wellenlänge) zu übertragen.
Die Magnetisierung des Bandes unterscheidet sich in den verschiedenen
Schichttiefen. Bei besonders dicht aufeinanderfolgenden Ummagnetisierungen
können sich die Magnetfelder aus verschieden tiefliegenden
Schichten gegenseitig abschwächen. Nicht überall verlaufen
die am Aufsprechspalt austretenden Feldlinien ideal in Längsrichtung
des Bandes. Die Aufzeichnung auf der Oberfläche eilt der
Aufzeichnung in der Schichttiefe voraus, weil die Aufzeichnungszone
in unmittelbarer Nähe des Aufsprechspaltes weiter ausgedehnt
ist. Bei kleinen Wellenlängen wirkt sich diese Verschiebung
und unterschiedliche Ausrichtung der Magnetisierung deutlicher
aus.
Manchmal eine gewichtige
Feinheit: die Hochtonqualität
Bei hohen Frequenzen und geringer Bandgeschwindigkeit (also
kleinen Wellenlängen) ähnelt die Aufzeichnung mit
HF-Vormagnetisierung immer mehr den Verhältnissen beim
Löschvorgang. So ändert sich der Magnetfeldpegel des
aufzusprechenden Signals schon deutlich, während die Magnetteilchen
die Aufzeichnungszone auf dem Kopfspiegel nach dem Spalt noch
durchlaufen (die Aufzeichnungszone ist nicht mehr klein gegenüber
der Wellenlänge). Gerade ein starkes Hochtonsignal zusammen
mit dem Vormagnetisierungsfeld verursacht ein teilweises Selbstlöschen
schon während der Aufzeichnung - die Aufnahme kommt quasi
gar nicht mehr zustande. Das Aufzeichnungsverfahren erzeugt
in diesem speziellen Fall zu viele falschherum polarisierte
Teilchen, die das Magnetfeld der anderen schwächen.
Die Selbstlöschung zeigt sich beim starken Aussteuern von
Cassettenbändern: Eine noch weiter erhöhte Aussteuerung
im Hochtonbereich führt wieder zu vermindertem Wiedergabepegel.
Aus allen diesen Punkten erklärt sich die verminderte Leistungsfähigkeit
eines Bandes bei der Aufzeichnung des Hochtonbereiches.
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| Ohne
Tiefenwirkung |
| Der Wiedergabekopf
kann nur die magnetischen Feldlinien abtasten, die aus
der Bandoberfläche auch austreten können. Aufzeichnungen
kurzer Wellenlängen in der Tiefe der Schicht kann
er nicht mehr erfassen. |
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| Nur die
Magnetteilchen nahe der Bandoberfläche speichern
daher bei kurzen Wellenlängen die Nutzinformation,
ein Grund für die kritische Qualität im Hochtonbereich
bei langsamlaufenden Bändern. |
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| Für
Leser, die sich in das komplizierte Preisach-Diagramm
einarbeiten möchten und ausführlichere
Informationen suchen, hat stereoplay Literatur zusammengestellt. |
Schallspeicherung
auf Magnetband
AGFA-Gevaert Nr. 727 (vergriffen, Bücherei)
(ausführliche theoretische Grundlagen und praktische
Hinweise)
Entzerrung in der magnetischen Schallaufzeichnung
AGFA-Gevaert Nr. 751 (vergriffen, Bücherei)
(Alles rund um den Frequenzgang und Wiedergabeverluste)
Fritz Winckel (Herausgeber)
Technik der Magnetspeicher Springer-Verlag
(Wissenschaftliches Grundlagenwerk, teurer, aber
umfassend)
Friedrich Engel,
Compact Cassetten
Laterna Magica Verlag (+ BASF) (Allgemeine Grundlagen
bis zu wissenswerten Details. Nicht ganz so technisch
tiefschürfend, gerade deshalb gut verständlich.
Sinnvolle Informationen auch für HiFi-Fachleute) |
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| Bilder aus: Agfa Schallspeicherung
auf Magnetband |
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In
der nächsten Folge: Tonkopfjustage Entzerrung Aussteuerbarkeit
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aus: Stereoplay 7/1984, Seite
67 ff.
Herzlichen Dank an die Motorpresse
Stuttgart für die Erlaubnis, diesen Artikel hier zu
veröffentlichen. |
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