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| Stereoplay Technik-Beilage |
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| Grundwissen Magnetband,
Teil 2 |
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Die letzte Folge zeigte, wie der Aufnahmekopf die vielen Magnetpartikel
der Tonbandschicht magnetisiert und wie dabei eine Aufzeichnung
zustande kommt. Die technische Unvollkommenheit einer Tonbandaufzeichnung
und -speicherung fällt besonders im Hochtonbereich bei
niedrigen Bandgeschwindigkeiten auf:
1. Es tritt bei der Magnetisierung des Bandes am Spalt des Aufnahmekopfes
bereits ein Selbstlöscheffekt auf. Laute (kräftig
ausgesteuerte) Töne am oberen Ende des Hörfrequenzbereiches
kann ein langsam laufendes Band nicht mehr speichern.
2. Die Magnetschicht wird nicht in optimaler Weise über
ihre gesamte Tiefe (Dicke) magnetisiert, so daß sich die
unterschiedliche Magnetisierung verschiedener Zonen gegenseitig
abschwächt.
Der zweite Teil Grundwissen Magnetband behandelt die Wiedergabe
und deren zusätzliche Verluste:
1. Die Magnetisierung der Partikel wirkt sich mit zunehmender
Entfernung vom Tonkopfspalt kaum mehr auf den Wiedergabekopf
aus. Bereits Bruchteile von einem Tausendstel Millimeter Partikel-Spalt-Abstand
stören bei Compactcassetten stark.
2. Je mehr die Spaltbreite des Wiedergabekopfes in die Größenordnung
der aufzuzeichnenden Wellenlänge kommt, um so schlechter
erkennt der Kopf die schnellen Magnetisierungswechsel bei hohen
Frequenzen - die Wiedergabeamplitude sinkt mit steigender Frequenz.
Hohe Frequenzen sind also bei der Magnetbandaufzeichnung stark
benachteiligt. Ihnen muß eine Anhebung mehr Geltung verschaffen,
und zwar entweder bei der Aufnahme oder bei der Wiedergabe oder
beiden gleichzeitig. Der Aufnahmeverstärker könnte
dafür sorgen, daß der Aufnahmekopf das Band besonders
stark (laut) im hohen Frequenzbereich bespricht. Bei der Schreibmaschine
hilft ein feines neues Farbband und gutes Papier. Größere
Drucktypen helfen auch, aber dann findet weniger Text Platz
auf dem Blatt. Beim Bandgerät bedeutet das höhere
Bandgeschwindigkeit.
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Die Feldlinien
der Magnetisierungszonen in der Bandbeschichtung schließen
sich am Spalt über den Kern des Wiedergabekopfes. Je schneller
der Magnetisierungswechsel (je höher die Frequenz), desto
höher ist die induzierte Spannung. |
| Abstandsdämpfung |
Bei hohen Tönen (hohen Frequenzen) und kleinen
Bandgeschwindigkeiten folgen die Magnetisierungswechsel
sehr dicht aufeinander. Die Länge, über
die sich ein kompletter Magnetisierungswechsel erstreckt
(Wellenlänge) beträgt bei 1 Kilohertz
48 Mikrometer, bei 14 kHz aber nur noch 3,4 µm.
Bereits bei 1 µm Abstand vom Wiedergabespalt
finden bei 1 kHz nur noch knapp 90 Prozent der Feldlinien
ihren Weg über den Tonkopf. Das bedeutet eine
Schwächung des Signals von gut 1 Dezibel. Bei
14 kHz beträgt die Verminderung immerhin 16
dB, weil der Tonkopf nur noch 16 Prozent der Feldlinien
erfassen kann. Bereits ein Abstand von einem viertel
Mikrometer bedeutet einen Hochtonverlust von 4 dB
bei 14 kHz, was schon deutlich hörbar ist.
Bereits eine rauhe Bandoberfläche schwächt
die Wiedergabe hoher Töne. Die "Berggipfel"
der Bandoberfläche liegen auf dem Tonkopf auf.
Die Magnetpartikel in den Bergen wirken auf den
Tonkopf ein, nicht dagegen die aus den entfernten
Tälern. Die Hersteller hochwertiger Bänder
walzen daher die Bandoberfläche fast spiegelglatt.
Die Polierwalzen quetschen im Kalandrierprozeß
die Berge in die Täler und ebnen alles ein.
Zu rigoros darf allerdings nicht poliert werden,
das Band verliert dann seine Selbstreinigungswirkung,
es "schmiert".
Feinste Fremdteilchen (Abrieb, der Niederschlag
von Zigarettenrauch, Staub) kann ein zu glattes
Band nicht mehr vom Tonkopf herunterreiben. Der
Dreckfilm hebt das Band vom Tonkopf ab und verstärkt
den Hochtonverlust. Der Hersteller muß die
Oberflächenvergütung daher sorgsam dosieren.
Die Abstandsverluste erklären auch, warum die
Talgteilchen eines Fingerabdruckes auf dem Cassettenband
die Wiedergabequalität empfindlich stören.
Studiobänder mit 38 cm/s können achtmal
so große Abstände verkraften. Dort wirkt
ein Fingerabdruck, wie er beim freihändigen
Schneiden der Bänder haftenbleibt, kaum. |
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Eine Brille für den Wiedergabekopf
Eine im Hochtonbereich verstärkte Aufzeichnung könnte
der kurzsichtige Wiedergabekopf so wie randscharfe und mit hohem
Kontrast gedruckte Buchstaben besser lesen. Soll er aber kleine
Wellenlängen erkennen, die der Aufnahmekopf ohne Höhenanhebung
mit geringer Amplitude aufgezeichnet hat, wie kleine Lettern
unscharf und kontrastarm getippt, so müßte er eine
Lupe verwenden. Diese (elektronische) Lupe entspräche dann
der Anhebung der hohen Frequenzen bei der Wiedergabe.
Beide Kompensationsmethoden, Höhenanhebung bei Aufnahme
oder bei Wiedergabe, allein für sich verwendet, versagen
in der Praxis. Eine Aufgabenteilung liefert bessere Ergebnisse.
Die beste läßt sich nur empirisch finden. Bänder
sollen zwischen den Geräten austauschbar sein. Fachleute
haben sich deshalb in Normenkommissionen über eine sinnvolle
Wiedergabekompensation verständigt. Bei allen Geräten
soll der Wiedergabeverstärker die Hochtonverluste im Zusammenwirken
mit dem Wiedergabekopf gleich stark kompensieren. Die verbleibenden
Fehler muß der Aufnahmeverstärker in jedem Gerät
individuell beheben.
Verzerrt, aber nicht verklirrt
Eine beabsichtigte Frequenzgangbeeinflussung heißt Entzerrung.
Der auf dem Band vorhandene (bewußt) verzerrte Frequenzgang
wird im Idealfall zu einer linealgeraden Frequenzgangkurve zurückentzerrt.
Auf guten Cassetten-Etiketten ist die notwendige Entzerrungs-Zeitkonstante
in Mikrosekunden (70 oder 120 µs) angegeben, sie charakterisiert
die frequenzbeeinflussenden Glieder eindeutig.
Mit (nichtlinearen) Verzerrungen, wie Klirrgrad, Intermodulation
und Differenztonbildung, hat die (lineare) Verzerrung des Frequenzganges
nichts gemein. Der HiFi-Jargon geht sehr grob vereinfachend
mit dem Begriff der "Verzerrung" um.
Wenn der Aufnahmeverstärker den Hochtonverlust voll kompensieren
soll, so sind ihm zu lauten Tönen hin schnell Grenzen gesetzt.
Wenn alle Teilchen magnetisiert sind, kann die Aufzeichnungslautstärke
nicht mehr weiter steigen - das Band ist dann gesättigt.
Der Aufnahmeverstärker sollte daher den Hochtonverlust
nur so weit auszugleichen trachten, daß eine ungeschwächte
Aufzeichnung der maximal auftretenden Lautstärke (genauer:
Aussteuerung) auch in den Höhen noch gesichert ist.
Soll aber der Wiedergabeverstärker die Verluste vollkommen
kompensieren, so wird das Rauschen zu stark. Gleichzeitig mit
den hohen Tönen hebt er leider auch das besonders im Hochtonbereich
auftretende Rauschen an. Dem Kurzsichtigen kann eine Lupe zwar
weiterhelfen, aber die Lupe zeigt gleichzeitig auch Unvollkommenheiten
von Papier und Drucktype. Der Text gewinnt an Größe
und damit an Lesbarkeit. Die Schrift bleibt allerdings immer
noch verschwommen.
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| Genormter
Bandflußverlauf (Magnetisierung nach der Aufnahme)
von Chromband (70 µsec) und Normalband (120 µsec). Den
Höhenabfall - um frühzeitige Bandsättigung
zu vermeiden - gleichen Wiedergabeabtastung und Höhenanhebung
wieder aus. |
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Lieber unsauber oder verrauscht
?
Eine optimale Kompensation ist also so aufzuteilen, daß
eine Hochtonübersteuerung möglichst selten stattfindet,
gleichzeitig sich aber das Rauschen in Grenzen hält. Die
Musik kommt hier der Unvollkommenheit der Technik zu Hilfe.
Instrumente strahlen ihren Grundton und die untersten Obertöne
mit der größten Lautstärke ab. Obertöne
im Bereich 4000 Hertz und höher werden nur noch leise abgestrahlt.
Auch dämpft die Luft diesen höherfrequenten Schall
stärker als tiefste Töne. Daher sind die Schallanteile
im Hochtonbereich schwächer.
Bandgeräte sind hinsichtlich der Entzerrung dann optimal
ausgelegt, wenn Rauschen und Übersteuerung ähnlich
stark stören. Die Fachleute in den Normenausschüssen
haben hier die Qual der Wahl. Je nach Hörgewohnheit und
Musikart verschiebt sich das Optimum.
Das Deutsche Institut für Normung (DIN) und das Internationale
Electrotechnical Committee (IEC) hat Normen ausgearbeitet. Eine
Fehlentscheidung in der Wahl der richtigen Entzerrung kann unangenehme
Folgen haben. Die Bandsorte IEC III (FeCr) ist heute fast ausgestorben,
das ist unter anderem eine Folge der ungünstig gewählten
Normentzerrung von 70 statt 120 Mikrosekunden. Auch Bänder
der Gruppe II (Cr) leiden etwas unter dieser Festlegung. Sie
werden aufgrund der um 3 bis 4 Dezibel stärkeren Entzerrung
im Präsenzbereich oft übersteuert (III auch im Hochtonbereich),
dafür rauschen sie aber auch entsprechend weniger. Doch
nur wenige Gerätehersteller haben den HiFi-Fan durch geeignete
Anzeigen bei der richtigen Aussteuerung unterstützt, aber
das greift einem späteren Kapitel vor.
| Spektrale
Verteilung der Aussteuerungsgrenzwerte |
Jedes Instrument zeigt eine andere Lautstärkeverteilung
über den Frequenzbereich. Auch durch eine veränderte
Plazierung der Mikrophone am Klangkörper ändern
sich die Werte. Besonders kritische Beispiele im
Präsenz- und Diskantbereich sind Klavier, Chor
und schmetternde Hörner. Bis in den obersten
Hochtonbereich hinein reichen Sprache (besonders
S- und Z-Laute), alle geräuschähnlichen
Instrumente wie Schlagzeug, aber auch elektronisch
verfremdete oder rein elektronische Instrumente
(E-Gitarre mit Verzerrer, Synthesizer).
Besonders im Hochtonbereich treten die Lautstärkespitzen
nur selten und nur kurzzeitig auf, impulsartig.
Aufwendige Meßmittel sind erforderlich, um
sie zu erfassen. Die Compact Disc zeigt, daß
nur bei einigen wenigen Aufnahmen (und auch da nur
selten) die volle Lautstärke im Hochtonbereich
auftritt. UKW-Rundfunk kann prinzipbedingt bei üblichem
Betrieb 10 bis 13 Dezibel weniger Spitzenamplitude
im Hochtonbereich sauber verkraften, ebenso gute
Platten und Tonabnehmersysteme.
PCM-Heimrecorder erreichen eine relative Höhenaussteuerbarkeit
von knapp -10 Dezibel. Bandgeräte mit Studiogeschwindigkeit
können bei noch geringen Verzerrungen ungefähr
5 Dezibel weniger maximalen Hochtonpegel verarbeiten
als im Grundtonbereich.
Cassettenrecorder bilden auch heute noch eindeutig
das Schlußlicht. Bei mit Bandgeräten
vergleichbaren Verzerrungen verkraften sie um 25
bis 35 Dezibel schwächere Höhen als Tiefen,
gute Geräte mit Dolby-C und Metal-Tape schaffen
10 Dezibel mehr. Das ist erschreckend wenig, entspricht
aber den Tatsachen.
Da das Ohr bei Bandgeräten auch höhere
Verzerrungen toleriert, kann bei Cassetten der Bereich
bis ungefähr -10 Dezibel ausgenutzt werden.
Das setzt allerdings gute Geräte und Bänder
voraus. Nur die Gutmütigkeit des Ohrs erlaubt
es, ausreichend gute Aufnahmen von Schallplatte
und Rundfunk auf Cassette zu machen (leider nutzt
der Rundfunk die Schallplatten nicht technisch aus).
Bei wirklich sauber durchgezeichneten Cassettenaufnahmen
muß aber die Aussteuerung deutlich vermindert
werden. |
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| Die
genormten Entzerrungswerte |
In Mikrosekunden: Baß/Höhen
Compactcassette:
Typ l 3180/120
Typll/lll/IV 3180/70
Spule
4,8 cm/s 3180/120
9,5 cm/s 3180/90
19 cm/s HiFi/NAB 3180/50
19cm/s CCIR ∞/70
38cm/s NAB 3180/50
38 cm/s CCIR ∞/35
Diese Entzerrungswerte dürfen nicht mit ähnlichen
Angaben für die Vorverzerrung (Preemphasis)
bei UKW und PCM und die Schneidkennlinie bei Schallplatten
gleichgesetzt werden. Bei Bändern kennzeichnet
die Zeitkonstante eine Absenkung des Hochtonbereiches,
in den anderen Fällen dagegen eine Anhebung
bei der Aufnahme oder Sendung.
Übrigens bewirkt erst die Verminderung der
Zeitkonstante ein geringeres Rauschen (zum Beispiel
Spezialentzerrung der Tandberg 20 A-SE und den professionellen
Nagra-Geräten). 38 cm/s NAB etwa rauscht stärker
als 19 cm/s NAB, da zwar die gleiche Zeitkonstante
verwendet wird, der Hauptrauschanteil sich aber
mehr in den hörbaren Bereich verschiebt.
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Exakt im Osten liegt die Wahrheit
In der Praxis kann noch aus einem weiteren Grund ein Hochtonverlust
auftreten: wegen des Azimutfehlers. Dieser Begriff ist der Astronomie
entlehnt. Der Azimutwinkel bezeichnet die Winkelabweichung der
Beobachtungsrichtung eines Himmelkörpers gegenüber
Osten. Bei einem Bandgerät soll der Azimutwinkel des Tonkopfspaltes
exakt Null betragen. Nun soll der Spalt wohl kaum in die Himmelsrichtung
Osten zeigen, sondern in den magnetischen Osten. Ein Band ist
in Längsrichtung magnetisiert, und die Polung solcher Mini-Magnete
kennzeichnet man an den Enden mit Nord oder Süd. Osten
liegt dann genau querab, 90 Grad zur Bandbewegung. Ein Tonkopfazimut
von Null bedeutet, daß der Spalt exakt senkrecht zur Bandlaufrichtung
oder Bandkante steht.
Prinzipiell spielen geringe Abweichungen von der Senkrechten
eine untergeordnete Rolle. Wichtig zur Eigenaufnahme ist nur,
daß die Spalte bei Aufnahme und Wiedergabe genau gleich
ausgerichtet sind. Damit jedoch Bänder leicht von Gerät
zu Gerät austauschbar sind, müssen alle Wiedergabeköpfe
gleich stehen. Geringste Abweichungen zwischen Aufnahme und
Wiedergabe ergeben bereits deutlich hörbare Hochtonverluste.
Und da größere Abweichungen von der Senkrechten die
effektive Spaltbreite vergrößern, liegt nichts näher,
als die senkrechte Spaltstellung als Bezugsnormal zu wählen.
Einige Rauschverminderungssysteme reagieren auf solche Azimutfehler
kritisch und erzeugen außer einer weiter verminderten
Hochtonwiedergabe noch andere Fehler. Zwei abwechselnd benutzte
Bandgeräte zeigen besonders dann schlechte Ergebnisse,
wenn ihre Tonköpfe in die jeweils andere Richtung aus der
Senkrechten heraus gekippt sind. Der Frequenzgangfehler wächst
gegenüber dem Winkelfehler stark überproportional
an.
Mit dem Azimutfehler ist aber nicht nur ein dumpfes, ausdrucksloses
Klangbild verbunden, sondern auch ein Ortungsfehler bei Stereo.
Der linke und rechte Kanal verlieren ihren festen und exakten
zeitlichen Bezug zueinander (Phasenverschiebung). Die Mitteninformation
verschwimmt. Ein in der Mitte der Stereobasis fast aus einem
Punkt erklingender Triangel wird zu einer breiten, hin und her
pendelnden Klangwolke.
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Wenn das Band
am Spalt schief vorbeiläuft, tastet der Spalt bei hohen
Frequenzen (kleinen Wellenlängen) gleichzeitig entgegengesetzt
magnetisierte Zonen ab. Die Wiedergabespannung sinkt. |
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Band und Tonkopf
müssen exakt zueinander
ausgerichtet sein:
A. Symmetrie der Umschlingung,
B. Tonkopfhöhe,
C. Tonkopf-Zenit;
D. Eintauchtiefe des Kopfes
E. Azimut. |
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Die richtige Einstellung von Tonkopf und Wiedergabefrequenzgang
(Entzerrung) bietet alleine aber noch keine Gewähr für
ein vollendetes Klangerlebnis - die Eigenschaften der Bänder
sind zu unterschiedlich. Gerät und Magnetband bilden eine
Funktionseinheit, und beide müssen gut einander angepaßt
sein. Ein gutes Gerät mit einem ungeeigneten Band ist genauso
HiFi-unfähig wie ein Primitivgerät mit einem Superband.
Bei einigen Geräten können Frequenzgangfehler über
die Vormagnetisierung (Bias) von außen korrigiert werden.
Intern ist das prinzipiell bei jedem Gerät möglich,
jedoch garantiert diese Methode keinen sinnvollen Vormagnetisierungs-Arbeitspunkt
im Hinblick auf die Aussteuerbarkeitsgrenzen des Bandes. Optimal
wäre es, die Vormagnetisierung so einzustellen, daß
die Höhenaussteuerbarkeit (14-Kilohertz-Sättigung)
mit Kompander etwa 10 Dezibel unter der Tiefenaussteuerbarkeit
(315 Hertz, 3 Prozent Klirr) liegt, Frequenzgangfehler muß
dann die Aufnahmeentzerrung kompensieren, die ja an den Aus-steuerbarkeiten
nichts mehr ändert.
Diese Methode, den optimalen Arbeitspunkt zu finden, ist allerdings
selbst für Einmeßcomputer kompliziert - und zu teuer,
daher optimieren die meisten den Frequenzgang im Hochtonbereich
mittels des Bias, vornehmere biegen noch zusätzlich das
obere Frequenzgangende mit der Aufnahmeentzerrung gerade (Dreipunkt-Messung).
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Die wichtigsten
Bandeigenschaften, die von der Vormagnetisierung abhängen:
Aussteuerbarkeit bei 315 Hertz sowie 10 und 12,5 Kilohertz (A315,
A10, A 12,5 ); Bandempfindlichkeiten bei
denselben Frequenzen und Ruherauschen für Eisenoxid (gestrichelt),
Chromdioxid (fett) und Metallband (gepunktet). |
| Was
die Vormagnetisierung alles ändert |
Viele Daten eines Tonbandes sind abhängig
von der Stärke der Vormagnetisierung. Besonders
aufschlußreich ist daher ein Diagramm (oben),
das die Datenkurven über der Vormagnetisierung
zeigt. Es führt die drei wichtigsten Bandklassen
(Eisenoxid = I; Chromdioxid = II, Metallpigment
= IV) auf. Vertikal ist der Magnetfluß umgerechnet
auf 1 Meter Spurbreite aufgetragen (in Nanoweber
pro Meter). 0 Dezibel entsprechen dem DIN-Normalpegel
von 250 nWb/m, der Dolby-Pegel liegt ungefähr
1,2 Dezibel darunter.
Oben im Diagramm liegen die Kurven für die
Aussteuerungsgrenze (A), jeweils für 315 Hz,
10 kHz und 12,5 kHz. Deutlich ist an den tiefer
liegenden Kurven die verminderte Aus-steuerbarkeit
bei hohen Frequenzen zu erkennen. Steigende Vormagnetisierung
verschlechtert die Höhenaussteuerbarkeit, insbesondere
im Vergleich zur Kurve bei 315 Hertz. Im mittleren
Feld liegen die Empfindlichkeitskurven (E) auch
für die gleichen drei Frequenzen. Die Empfindlichkeit
bestimmt den Frequenzgang. Die Differenz zwischen
diesen Kurven muß durch den Aufsprechverstärker
kompensiert werden.
Liegen diese Kurven insgesamt höher, so wird
die Wiedergabe bei gleicher Aufnahmeaussteuerung
lauter und umgekehrt. Für das spiegelbildliche
Funktionieren der Rauschverminderungssysteme ist
es wichtig, daß der Aufsprechverstärker
solche Lautstärkeunterschiede ausgleichen kann.
Grundempfindlichkeit und Frequenzgang sind über
lEC-Reference-Tapes (Bezugsbänder) genormt.
Wichtig sind auch die Rauschkurven (R) unten im
Diagramm. Sie geben zusammen mit den Aussteuerungskurven
(A) die Dynamikspanne an.
Zu beachten sind bei Chromdioxid die feinen zusätzlichen
Linien. Diese liegen beim Rauschen und bei 10 und
12,5 kHz ungefähr 4 Dezibel über den fett
gezeichneten Linien. Diese Werte zeigen die Daten
der Bänder aus der Klasse II, wenn sie wie
bei hochwertigen Musikcassetten mit 120 statt 70
Mikrosekunden entzerrt verwendet werden. |
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Die Verzerrungsgrenze bildet die obere und die
Rauschgrenze die untere Begrenzung der Dynamik eines Bandes.
Keine Rolle spielt es, ob ein geringes Rauschen zusammen mit
einer schwachen Aussteuerbarkeit oder ein deutliches Rauschen
mit einer hohen Aussteuerbarkeit auftritt. Die Aufnahme muß
nur entsprechend schwächer oder stärker ausgesteuert
werden. Graues Papier schont bei gleißendem Licht die
Augen, bei sparsamer Beleuchtung bietet dagegen ein weißes
Blatt den besseren Kontrast. Das ideale Band bietet gleichzeitig
Rauscharmut und eine hohe Aussteuerbarkeit (in allen Frequenzbereichen).
Eine Anmerkung zum Thema Klirrgrad: Die Diskrepanz zwischen
Verstärkern und Bandgeräten fällt auf: Verstärkertests
kritisieren Klirrwerte von 0,1 Prozent und weniger, bei den
Bandgeräten geben sich jedoch Tester mit 3 Prozent zufrieden.
Der Unterschied erklärt sich aus dem Hörvorgang. Die
harten Verzerrungen eines Verstärkers sind bei reinen Tönen
(Sinuston) oft bereits unterhalb von 0,1 Prozent deutlich wahrnehmbar.
Beim Tonbandgerät dagegen fallen sie erst oberhalb 5 Prozent
auf, denn sie haben andere Ursachen, setzen weicher ein.
Arndt Klingelnberg
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aus: Stereoplay 8/1984, Seite
71 ff.
Herzlichen Dank an die Motorpresse
Stuttgart für die Erlaubnis, diesen Artikel hier zu
veröffentlichen. |
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