Was sind eigentlich Kopfspiegelresonanzen?

[andreas42]

Geneigetes Forum,

ich habe gerade eine kleine ASC-Maschine (AS 4502, also mit Halbspurköpfen) mit neuen Elkos und Trimmern versorgt und bin nun dabei, meine hausgemachten Messmethoden an ihr zu erproben.

Nach Justieren der Köpfe und Einstellung von Vormagnetisierung (gleiche Pegel von 1/10 kHz bzw. 333/6300 Hz) und Aufnahmepegel fiel mir auf, dass die gemessenen Frequenzgänge im unteren Bereich alle die gleiche Art von Welligkeit zeigten, allerdings je nach Bandgeschwindigkeit etwa um einen Faktor 2 in der Frequenz verschoben.

Deswegen habe ich sie einmal in Abhängigkeit der Wellenlänge aufgetragen:



Die x-Achse ist logarithmisch. Zur besseren Übersicht habe ich im Plot die niedrige (hohe) Geschwindigkeit um 2 dB nach unten (oben) verschoben. Nun liegen die Strukturen sichtbar übereinander, wenn auch die 19er-Kurve etwas zu größeren Wellenlängen hin verschoben zu sein scheint.

Auf der x-Achse gehen (aus dem Bauch heraus) folgende maßgeblichen Unsicherheiten ein:
- Meine Methode der Frequenzmessung beinhaltet die Gefahr, die ganze Kurve nach links oder rechts zu verschieben. Daher kommt wohl die Unstimmigkeit bei 19 cm/s.
- Leider war ich wegen der besch...eidenen Einbaulage des entsprechenden Trimmers zu faul, die Bandgeschwindigkeit zu kontrollieren und einzustellen; muss ich noch nachholen. das könnte ebenfalls die x-Achse strecken oder stauchen.


Nun geistert aus diversen Erwähnungen hier im Forum das Wort "Kopfspiegelresonanzen" in meinem Kopf herum, welche ja Welligkeiten bei niedrigen Frequenzen verursachen sollen. Auch die Größenordnung der Strukturen passt meinem Gefühl nach zum Kopfspiegel.

Leider fand ich bei meiner Suche im Forenarchiv nichts wesentlich genaueres dazu, auch mein Blick in die beiden von Hans-Joachim stets empfohlenen AFGA-Büchlein machte mich nicht schlauer.

Also habe ich folgende Fragen:

1. Was sind Kopfspigelresonanzen?
2. Treten sie bei der Aufnahme, bei der Wiedergabe oder als Kombination auf?
3. Lassen sich die oben gezeigten Welligkeiten dadurch erklären?

Weitere Graphen und auch Messungen fertige ich gerne an, wenn ich es zeitlich hinbekomme. Auch will ich versuchen, mein Messverfahren genauer zu beschreiben.

Viele Grüße
Andreas

Edit: Hinweis auf logarithmische Skala, und Tippfehler wie immer...

[peter_l]

Hallo Andreas,

find ich interessant deine Messung. Nachdem ich ähnliches auch bei meinen Uhers beobachtet habe, bin ich auch auf die Antworten auf deine Fragen gespannt.

Spontan frag' ich mich jetzt grad wie du die Frequenzen aus dem Amplitudenfrequenzgang, den du ja offenbar gemessen hast, in Wellenlängen umgewandelt hast.

Eine genauere Beschreibung deiner "hausgemachten" Messmethode würde mich auch interessieren.

Grüße

Peter

[peter_l]

halt, ziehe die erste Frage von mir zurück:

Wellenlänge = Bandgeschwindigkeit / Frequenz

Peter

spätes edit: Formel korrigiert, so müßte es richtig sein

[andreas42]

Hallo Peter,

bei Wellen gilt ganz allgemein:

Code:

Ausbreitungsgeschwindigkeit = Wellenlänge * Frequenz

Genauso gilt dann natürlich:

Code:

Wellenlänge = Ausbreitungsgeschwindigkeit / Frequenz
Frequenz = Ausbreitungsgeschwindigkeit / Wellenlänge

Beispiel Schallwellen: Eine Orgelpfeife, die einen Ton von 65 Hz (großes C) produzieren soll, muss bei einer Schallgeschwindigkeit in Luft von 330 m/s also für eine Wellenlänge von etwa 5 m gebaut sein. Aus hier nicht wichtigen Gründen passt in eine offene Pfeife gerade eine halbe Wellenlänge, was mit 2,50 m einigermaßen den bekannten 8 Fuß entspricht.

Beim Tonband ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit gerade die Bandgeschwindigkeit. Im konkreten Fall habe ich also die Bandgeschwindigkeit in cm/s durch die gegebene Frequenz geteilt, um die Wellenlänge in cm zu bekommen; es fehlen noch vier Nullen, und man ist bei Mikrometern.

Viele Grüße
Andreas

[andreas42]

Hallo nochmal,

Kurzfassung zur Messung des Frequenzganges:

Als Tongenerator dient mein CD-Player mit einer selbst gebrannten CD. Diese enthält unter anderem ein 2 Minuten langes Sweep-Signal, das exponentiell in der Frequenz ansteigt und 20 dB unter Bezugspegel liegt. Exponentiell deshalb, weil ich ja auf der anschließenden logarithmischen Darstellung der Frequenz jedes Frequenzintervall gleich lang messen will.

Zuerst habe ich den ebenfalls auf der CD befindlichen Bezugspegelton so eingestellt, dass der selbe Pegel über Band herauskam wie bei Abspielen des entsprechenden Bezugsbandes.

Dann habe ich ohne Verändern der Pegelregler den Sweep-Ton aufgenommen und sofort hinter Band abgehört. Das Signal ging dann per Soundkarte in den Rechner. (*)

Dort habe ich dann mit einem kleinen selbstgemachten Programm einfach die anstehenden Samples entgegengenommen und über ein wählbares Zeitintervall den RMS (quadratischer Mittelwert) gebildet und in eine Textdatei geschrieben. Im gezeigten Fall waren dies 10 Messwerte pro Sekunde, also etwa 1200 Werte in 2 Minuten. Den Nullpunkt der ausgegebenen Werte habe ich vorher am Bezugspegel auf Null geeicht.

Die erwähnte Unsicherheit dabei besteht nun darin, genau den ersten und letzten Messwert in der Textdatei zu erwischen. Dummerweise sind es auch nicht genau 1200 Werte, sondern nur zwischen 1150 und 1180; da muss ich noch mal nach Fehlern suchen.

Wenn man dann die aufgezeichneten Werte einfach gegen die Zeilennummer aufträgt, erhält man schon den gewünschten Amplitudenfrequenzgang, allerdings noch ohne Frequenzachse. Dazu muss man noch die x-Achse durch eine solche e-Funktion jagen, die aus dem ersten Messwert 20 Hz und aus dem letzten Messwert 20000 Hz macht, und die logarithmische Darstellung einschalten. Fertig. Aber leider nicht ganz robust.

Das ganze ist noch etwas umständlich und ließe sich durch ein wenig Programmierarbeit noch automatisieren. Das habe ich auch vor... (**)

(*) kurze Bemerkung zur Soundkarte: Im konkreten Fall bin ich mit dem Signal aus dem Bandgerät in meinen DAT-Recorder und von dort digital in den Rechner gegangen; das liegt aber nur daran, dass die Verkabelung so einfacher war...

Bilder folgen hoffentlich bald...

Viele Grüße
Andreas

[andreas42]

Ohne zu weit von Thema abzuschweifen hier noch kommentarlos eine Frequenzgangmessung:



Auch dazu habe ich noch Fragen, vor allem auch zum Toleranzfeld aber die sortiere ich erst und mache dann einen neuen Thread.

Viele Grüße
Andreas

[andreas42]

Hallo Peter,

noch ein letztes:

Uhers und ASCs haben teilweise ähnliche oder gleiche Köpfe: Was für eine Uher hast Du denn gemessen? Halb- oder Viertelspur? Gibt es dazu schon eine Diskussion hier im Forum?

Viele Grüße
Andreas

[peter_l]

Hallo Andreas,

danke für die ausführliche Beschreibung deiner Methode.
Schau dir vielleicht mal diesen link an:

http://www.heise.de/ct/projekte/fgang/

Ich meine, das Programm macht genau das was du oben beschrieben hast. Hab selbst schon damit gemessen, funktioniert ganz gut. Ist vielleicht auch zum Vergleichen mit den Meßwerten aus deinem Verfahren ganz gut geeignet.

Eine aktuelle Frequenzgang-Messung von einer meiner 4-Spuhr RdL's bei 19 cm/s findest du hier (ganz unten).

http://forum2.magnetofon.de/f2/showtopic...eadid=8633

Weiter diskutiert wurde die Messung aber nicht.

Grüße

Peter

edit: links haben nicht funktioniert

[Frank]

´
Ist es nicht so, dass Kopfspiegelresonanzen erst bei hohen Bandgeschwindigkeiten (>38,1 cm/s) zum Problem werden?

Ich werde meine Nase mal in die Webers stecken müssen.

[uk64]

andreas42 postete

1. Was sind Kopfspigelresonanzen?
2. Treten sie bei der Aufnahme, bei der Wiedergabe oder als Kombination auf?
3. Lassen sich die oben gezeigten Welligkeiten dadurch erklären?

1. Bedingt durch die große Wellenlänge (Dreidimensional) niedriger Frequenzen kommt es nicht nur durch die Bandstelle über den Kopfspalt zu einer Induktion,
Auch andere Teile des Kopfes, hauptsächlich der Teil mit Bandkontakt, fangen ein Magnetfeld auf.
diese Magnetfelder heben sich Teilweise auf oder addieren sich.
Das Ganze ist abhängig von den geometrischen Maßen des Kopfes, von der Fläche des Band -
Kopfkontaktes, von der Bandumschlingung.
Kopfspiegelresonanzen lassen sich nicht verhindern, man kann sie durch die Bauart des Kopfes, der Kernpakete, des Kopfspiegels nur minimieren.

2. Darüber habe ich noch nicht nachgedacht, sie sollten aber bei Aufnahme und Wiedergabe auftreten.

3. Ja. Aber eine Gegenfrage, stimmen die Skalierungen an deinen Graphen?


Gruß Ulrich

[Friedrich Engel]

Also, um mal wieder auf die Ausgangsfrage zurückzukommen: es geht hier um ein verzwicktes Problem, das schon manchem Magnetkopfentwickler schlaflose Nächte bereitet haben wird. Eine leichtverständliche Erklärung habe ich auch nicht, also greife ich zu Winckel, Technik der Magnetspeicher (1. Auflage) und schreibe aus dem Schmidbauer-Beitrag S. 57 folgendes ab:

Bei der Abtastung [des Magnetbandes] ist nun nicht allein die Spaltbreite, sondern auch die räumliche Ausdehnung des Kopfes von wesentlicher Bedeutung. Für eine Reihe von Kopfformen [...] gelingt es, den Einfluß auf den abgetasteten Nutzfluss im Kopf theoretisch zu ermitteln. Diese Berechnungen basieren jedoch alle auf der hierbei nicht mehr zulässigen Annahme, daß die Wellenlänge in dem betrachteten Gebiet noch hinlänglich klein seien gegenüber der Breite des Bandes [...].

Schmidbauer erläutert nun anhand von drei Abbildungen, wie die Kopfform (Kreisringform, mit Kanten begrenzter Kopf, Schneidenform - diese mit der größten Welligkeit) sich auf die Frequenzgang-Welligkeit bei langen Wellenlängen auswirkt und lässt dem einige recht komplexe Formeln folgen.

Weshalb man hier von Resonanzen spricht, ist mit allerdings nicht ganz klar - Schmidbauer benutzt diesen Ausdruck auch nicht.

Mit anderen Worten: Form und Größe des Magnetkopfs (im Verhältnis zur längsten zu verarbeitenden Wellenlänge) haben Einfluss auf den Frequenzgang im Tieftonbereich. Durch geschickte Formgebung und Wahl der Größe des Kopfspiegels ist es möglich, auch in diesem Bereich einen relativ ebenen Frequenzgang zu erzielen (wenn ich mich recht erinnere, hat hier die "hyperbolische" Kopfspiegelform Verbesserungen gebracht).

Das dürfte auch einer der Gründe sein, warum die Magnetköpfe in Cassettenrecordern um so vieles kleiner sein können als die von Studiomaschinen, auf denen auch mit 76,2 cm/s gearbeitet wird.

Vielleicht hat jemand noch eine griffiger formulierte Definition?

F.E.

[andreas42]

Lieber Peter, Frank, Ulrich und Friedrich, wertes Forum,

vielen Dank für alle Beiträge und Anregungen - sie sind durchaus beruhigend: Es scheint gar nicht so einfach zu sein...

Peter:

www.heise.de/ct/projekte/fgang/

Ja, ich erinnere mich dunkel, da muss ich mal in meinem c't-Archiv kramen. Auch wenn es wohl ein Windows-Programm sein wird: Ein Blick in den Quelltext kann ja nicht schaden. Danke für den Hinweis!

Frank:

Ist es nicht so, dass Kopfspiegelresonanzen erst bei hohen Bandgeschwindigkeiten (>38,1 cm/s) zum Problem werden?

Nach den Beschreibungen hier würde ich vermuten, dass sie erst bei hohen Geschwindigkeiten wegen der langen Wellen zum nicht umgehbaren Problem werden, aber vielleicht trotzdem auch bei langsamerem Band zumindest zu sehen sind?

Ulrich:

Aber eine Gegenfrage, stimmen die Skalierungen an deinen Graphen?

Ich hoffe es, kann aber natürlich nicht 100% sicher sein. Auf der Frequenzachse habe ich noch die beschriebenen Probleme, die sich aber durch mehr Geduld (mit Einzelfrequenzen messen) beheben ließen. Die Pegelachse sollte relativ genau sein, punktuell habe ich z.B. getestet, ob eine Spannungshalbierung 6 dB entspricht. Eine Vorbandmessung habe ich nicht zur Hand, kann sie aber noch heraussuchen, sie war im Prinzip glatt. Alle weiteren Skalierungen stehen dabei.

Mir scheinen aber die Erhöhungen unter 100 Hz im Vergleich zum Höhenabfall ziemlich groß. Was genau hat denn Dein Mißtrauen erregt - vielleicht ist es ja ein wichtiger Hinweis auf einen systematischen Fehler?

Friedrich:

Weshalb man hier von Resonanzen spricht, ist mit allerdings nicht ganz klar - Schmidbauer benutzt diesen Ausdruck auch nicht.

Das war durchaus ein Punkt, der mich gedrückt hat. Ich glaube gerne daran, dass es diverse schwer vorhersagbare Effekte in der Wechselwirkung zwischen Band und Kopf gibt, aber ausgesprochene Resonanzstruktur hätte man ja doch verstehen wollen...

Vielleicht käme man ja mit heutigen Simulationsmethoden weiter? Wenn man komplette Autos in haufenweise finite Elemente zerlegen und gegen die Wand fahren kann, sollten doch ein paar Kopfgeometrien mit einem halbwegs aktuellen Rechner zu verdauen sein...


Zur Frage Aufnahme/Wiedergabe noch ein Bild mit dem verwendeten Bezugsband dazu (wieder der besseren Übersicht wegen nach oben und unten verschoben):



Erstmal scheint mir im linken Kanal noch nicht alles ganz in Ordnung zu sein. Kein Wunder auch, denn ich habe beim Einstellen nicht auf das justiert, was ich vorher (oder gar nachher?) mit Bezugsband gemessen habe, sondern auf möglichst gute Vor-/Hinterband-Übereinstimmung. Ganz oben ist übrigens jeweils der linke Kanal zu sehen.

Abgesehen davon scheint mir aber der zumindest die Struktur zwischen 1 mm und 3 mm auch beim Abspielen des Bezugsbandes vorhanden zu sein.

Nun, um also weitere Einflüsse auszuschließen, werde ich wohl - wenn auch nicht mehr heute Abend - noch folgende Schritte ausprobieren:
- anderen Kopfträger (dann eben Viertelspur) messen
- diesen Kopfträger auf der anderen Maschine (AS 5004) messen
- Wiedergabeverstärker der beiden Maschinen vertauschen
- nicht gleichzeitig aufnehmen und messen, sondern nacheinander (Gleichlaufschwankungen?)

Ich meine mich zu erinnern, ähnliche Strukturen auch bei der anderen AS 5004 gesehen zu haben, was aber noch zu untersuchen wäre.

Was außer den vermuteten Kopfspiegeleffekten könnte noch zu diesen Wellenlängenabhängigen Strukturen führen?

Vielen Dank für dieses tolle Forum!

Viele Grüße
Andreas


Edit: Tippfehler

[Jürgen Heiliger]

Kopfspiegelresonanzen stehen immer im Zusammenhang mit der Kopfspaltbreite (für welche Geschwindigkeit wurde optimiert), der Spurbreite und der jeweils gewählten Geschwindigkeit.
Soll heißen, je kleiner die Kopfspaltbreite und je höher die Geschwindigkeit wirken mehr im höhrbaren Bereich, dies heißt die Frequenz und ihre "Lautstärke" nehmen zu. Diesem kann man zum Beispiel mit einem breiteren Kopfspalt (für höhere Geschwindigkeit optimiert, aber ein absinken der hohen Frequenzen sowohl bei der Aufnahme und der Wiedergabe, deshalb auch dann schlechtere Wiedergabe und Aufnahme bei hohen Frequenzen).
Somit wird ein jeder Hersteller versuchen bei seinen Köpfen einen bestmöglichen Kompromiss zwischen der Bedämpfung der Kopfspiegelresonanzen und der Ausgeglichenheit im Frequenzgang in den Höhen hinzubekommen.

So stellt auch die 38er Geschwindigkeit einen bestmöglichen Kompromiss, zwischen einer sehr guten Aufnahme-/Höhenwiedergabe und einem möglich ausgeglichenem Frequenzgang im Bassbereich, dar.
Deshalb nutzen die Profis die 76er Geschwindigkeit beim Mastern auch nur dann, wenn sie in diesem Falle auch auf breiteres Band/Spurbreiten ausweichen können. Anzutreffen ist dann meist 1"/½-Spur-Stereo.

[uk64]

andreas42 postete

Was genau hat denn Dein Mißtrauen erregt - vielleicht ist es ja ein wichtiger Hinweis auf einen systematischen Fehler?

Das war mehr so eine Art Bauchgefühl da ich nicht nachgerechnet habe, die Pegeleinbrüche scheinen mir aber bei zu kleiner Wellenlänge aufzutreten.
Der Graph mit dem Frequenzgang passt auch nicht ganz zu dem Ersten mit den Wellenlängen.


Gruß Ulrich

[PhonoMax]

Zur guten Nacht vielleicht noch ein Hinweis von mir.

Wie Friedrich oben schon uneingeschränkt zutreffend andeutete, haben die Kopfspiegelresonanzen nicht das geringste mit "Resonanzen" zu tun. Oszillografisch sehen sie zwar wie eine gedämpfte Schwingung aus, sind es aber nicht. Vielmehr handelt es sich hier um magnetisch-induktive Nebenschlüsse über den Kopfkern insgesamt, also nicht mehr über den Kopfspalt allein. Damit handelt es sich um ein Wiedergabephänomen, das abhängig ist von der Gestalt des Kopfspiegels und seiner Breite (Jürgen spricht oben im Eifer des Gefechtes von Kopfspalt, was er sicher nicht gemeint hat, denn der Spalt spielt im Gegensatz zum Kopfspiegel hier keine ursächliche Rolle).

Kopfspiegelbreite und physikalische Dimension des Kopfes sind aber ebenso wie die Bandgeschwindigkeit fix, weshalb sich das Phänomen jener Welligkeiten im Frequenzgang in direkter Abhängigkeit von der aufgezeichneten Wellenlänge (also der Bandwellenlänge) niederschlägt. Solange die Bandwellenlängen klein sind gegenüber der Kopfspiegelbreite, für die wiederum wegen eines guten Tiefenfrequeunzgangs eine Mindestspiegelbreite nicht unterschritten werden sollte, tritt das Phänomen nicht auf. Sobald die aufgezeichnete Wellenlänge aber in den Bereich der Kopfspiegelbreite gerät, kommt es zu den besagten Nebenschlüssen (= die Kraftlinien treten nicht nur am Spalt, sondern im gesamten Bereich beider Kopfjoche mit Bandkontakt in den induktiven Wandler Tonkopf ein), bei denen ganzzahlige Vielfache der Halbwellenlängen ihr Wirken entfalten und jene periodischen Überhöhungen und Absenkungen im Frequenzgang auslösen.

Unkorrigierte Abweichungen können bei hohen Bandgeschwindigkeiten -das sind hier 38 und 76- durchaus > 4 dB erreichen. Nachdem hier aber mehrere Phänomene zusammenspielen (unter anderem Kopfspiegelbreite, Kopfspiegelbeschaffenheit in Symmetrie und Schliff, ja selbst das Abschirmgehäuse um den Kopf wirkt ein; etc.), versucht man diese so auszulegen, dass die Minima des einen Störphänomens auf die Maxima des anderen treffen. Da lässt sich kompensatorisch allerlei umso mehr 'hinbiegen', als dies Problem seit den Äraren von Schüller und Krones also faktisch von Anfang an detailliert erkannt und nach dem jeweiligen Stand von Technik und Qualitätsgebot behandelt ist.


Bei den obigen Beispielen dürften Kopfspiegel-"Resonanzen" kaum zum bildlich dargestellten Ergebnis geführt haben.
Die Bandwellenlänge ist bei 19 cm/s nämlich schon so kurz, dass das Phänomen nur bei sehr guten Bandgeräten mit exquisitem Tiefstfrequenzgang noch so lala nachzuweisen ist. Bei 9,5 (von 4,75 ganz zu schweigen), üblichen Kontaktflächen zwischen Band und Kopfspiegel und den entsprechenden Frequenzgängen nach unten hin versumpfen die Probleme bereits im magnetanalogen Nirwana. Man ist zumindest einer Sorge enthoben; es sind ja ohnehin noch genug andere Probleme zu bewältigen....

Bei 38,1 cm/s hingegen und erst recht bei 76,2 cm/s reicht die messbare Welligkeit aber soweit in den selbst musikalisch relevanten Audiobereich hinein (Orgeln weisen nicht nur den 8', sondern durchwegs den 16' -C = 32 Hz-, manchmal gar den 32' -C=16 Hz- auf, der Schwachsinn beginnt nicht erst beim 64' -C = 8 Hz-...), dass man etwas tun sollte und auch etwas tut, um die (dann ja ohnehin) professionellen Spezifikationen einzuhalten.

Hans-Joachim

[peter_l]

Hallo Kollegen,

weil's mich interessierte hab ich die Frequenzgänge meiner Uher RDL bei 19 und 9,5 cm/s auch mal über der Wellenlänge dargestellt:



Erkenntnis 1: aha, die tiefen Frequenzen sind ja jetzt rechts im Diagramm.

Erkenntnis 2: hopla, mehrere Buckel sind eindeutig wellenlängenabhängig (1000 µm, 600 µm und evtl. auch noch 400 µm) !

Erkenntnis 3: äußerst unvorteilhafte Auftragung für meine RdL, bei 100 dB Skalenumfang käme sie deutlich besser weg ;-)

Grüße

Peter