Der Magnetbandspeicher und seine Anwendung in der Schallmeßtechnik

66 Pages·1973·1.848 MB·German

by  Dipl.-Ing. D. Kutzer, Dr.-Ing. J. Leichsenring, Dr.-Ing. P. Scherer (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2360
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn
vom Minister für Wissenschaft und Forschung J ohannes Rau
Dip!. -Ing. D. Kutzer
Dr. -Ing. J. Leichsenring
Dr. -Ing. P. Scherer
Institut für Technische Akustik
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Der Magnetbandspeicher und seine Anwendung
in der Schallmeßtechnik
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1973
ISBN 978-3-531-02360-1 ISBN 978-3-663-06801-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-06801-3
© 1973 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Op1aden 1973
Inhaltsverzeichnis
Seite
1. Untersuchung der für die Schallmeßtechnik wich
tigen Eigenschaften des Magnetbandspeichers
1.1 Problemstellung
1.2 Zur Einstellung der Magnettongeräte 2
1.3 Begrenzung der Aussteuerung 2
1.3.1 Begrenzung bei großen Amplituden durch
Verzerrung 3
1.3.1.1 Linearitätsabweichung 4
1.3.1.2 Nichtlineare Verzerrungsprodukte 4
1.3.2 Begrenzung bei geringen Amplituden durch
Störspannungen 5
1.3.2.1 Betriebsrauschen 5
1.3.2.2 Modulationsrauschen 7
1.3.3 Phasen fehler 8
1.4 Konstanz der Aufzeichnung 9
1.4.1 Amplitudenschwankungen 9
1.4.2 Abweichung des Übertragungsmaßes 12
1.4.3 Frequenzschwankungen 12
2. Anwendung des Magnetbandspeichers in der Schall
meßtechnik 13
2.1 Aussteuerung und Amplitudenfrequenzfläche 13
2.1.1 Breitbandanalyse 16
2.1.2 Schmalbandanalyse 18
2.2 KonstanzprObleme der Speicherung 20
2.2.1 Einfluß von Amplitudenschwankungen und
Änderungen des Übertragungsmaßes 20
2.2.2 Einfluß von Frequenzschwankungen auf
die Schmalbandanalyse 22
Seite
2.3 Der Speicher in der Meßkette 24
2.3.1 Gerätewahl 24
2.3.2 Betrieb des Meßsystems 25
2.3.3 Wartung des Speichers 27
2.3.4 Archivierung 28
Literaturverzeichnis 30
Bildanhang 32
- 1 -
1. Untersuchungen der für die Schallmeßtechnik wichtigen
Eigenschaften des Magnetbandspeichers
1.1 Problemstellung
Bei Schall- und Schwingungsmessungen wird in zunehmendem Maße
das Meßsignal zunächst auf Magnetband gespeichert. Dieses Ver
fahren bietet zahlreiche Vorteile:
Aufnahme und Wiedergabe können an getrennten Orten vorgenommen
werden. Umfangreiche und empfindliche Meßapparaturen brauchen
nicht zum Aufnahmeort gebracht zu werden, wo meist aus räumli
chen und zeitlichen Gründen ausgedehnte Messungen kaum möglich
sind. Das gespeicherte Signal kann beliebig oft reproduziert
werden, so daß verschiedene Auswertemethoden am selben Signal
vorgenommen werden können. Der Umfang der Auswertung kann so
im Labor festgelegt werden. Von kurzen Vorgängen lassen sich
mittels Bandschleife leicht Analysen herstellen. Für spezielle
Anwendungen sind Zeit- und Frequenztransponierungen möglich.
Ein Bandarchiv gestattet rückgreifende und vergleichende
Auswertung.
Den Vorteilen der Speicherung stehen Beschränkungen vor allem
hinsichtlich des zulässigen Amplitudenbereichs entgegen. Außer
dem besteht die Gefahr, daß bei mangelnder Konstanz der Auf
zeichnung die Reproduzierbarkeit leidet.
Aufgabe dieser Untersuchung ist es, die für die Schallmeßtech
nik wichtigen Speichereigenschaften zusammenzustellen und
schließlich die Bedingungen anzugeben, unter denen im Betrieb
die besten Ergebnisse erzielt werden. Dazu wird ein Meßsystem
beschrieben, das bei den heute üblichen Aufzeichnungsverfahren
große Betriebsvorteile bringt. Am Beispiel des direktaufzeich
nenden Verfahrens mit Hochfrequenzvormagnetisierung /2/,/3/,
/4/,/5/,/6/,/7/,/8/ wird gezeigt, daß dieses System es gestat
tet, den Speicher optimal zu nutzen und so zu kontrollieren,
daß für die Verläßlichkeit der Messung über die gesamte Meßket
te hinweg Zahlenangaben gemacht werden können. Dabei ist es un
erheblich, welcher Zeitraum zwischen Aufnahme und Auswertung
liegt. Die geringe Toleranzbreite der kontrollierten Meßkette
erlaubt Schallpegelmessungen mit gleicher Genauigkeit wie bei
Verwendung eines Präzisionsschallpegelmessers nach DIN 45633
/1/.
- 2 -
1.2 Zur Einstellung der Magnettongeräte
Ein Magnettongerät wird vor der Auslieferung vom Werk auf sei
ne Betriebsdaten eingestellt. Bei der Verwendung eines solchen
Gerätes zur Messung muß diese Einstellung häufiger kontrolliert
und korrigiert werden, da sie nicht unveränderlich ist.
Für das direktaufzeichnende Verfahren mit Hochfrequenzvormagne
tisierung bestehen genormte Einstellvorschriften und Einstell
mittel, die DIN-Bazugsbänder nach DIN 45513 /9/. Mit Ihrer Hil
fe werden Wiedergabe- und Aufsprechverstärker und die Einstel
lung der Spalte von Wiedergabe- und Aufsprechkopf eines Ton
bandgerätes kontrolliert und korrigiert.
AUßerdem ist es notwendig, den Arbeitspunkt des Hochfrequenz
vormagnetisierungsstroms auf seinen günstigsten Wert einzustel
len, da eine Reihe von Ubertragungseigenschaften des Speichers
wie Empfindlichkeit, Klirrdämpfung und Modulationsrauschen von
diesem Arbeitspunkt abhängt. Da jede der genannten Eigenschaf
ten ihren optimalen Wert bei einem anderen Strom erreicht/10/,
kommt ein Einstellbereich zustande, innerhalb dessen die Fest
legung des Arbeitspunktes sinnvoll ist. Der Bereich zu kleine
ren Strömen hin ist durch eine starke Verschlechterung aller
Eigenschaften gekennzeichnet. Es wird daher in Anlehnung an die
Einstellrichtlinien der ARD /11/ für die Messungen ein Arbeits
punkt bei 1,2 Iopt festgelegt. Dabei ist Iopt der Vormagneti
sierungsstrom, der bei 1 kHz und der verwendeten Bandgeschwin
digkeit maximale Empfindlichkeit ergibt. Für die folgenden Un
tersuchungen wurden stets nach DIN 45513 eingestellte Magnet
tongeräte verwendet.
1.3 Die Begrenzung der Aussteuerung
Den Aussteuerungsbereich in Abhängigkeit von der Frequenz und
der Amplitude, der für die Aufzeichnung geeignet ist, kann man
durch eine "Amplitudenfrequenzfläche" darstellen, wie sie in
Bild 1 gezeigt ist. Die obere Grenze dieser Fläche ist durch
die zulässigen Nichtlinearitäten des Ausgangssignals, die unte
re durch die Störspannungen festgelegt. Welche Nichtlinearitäten
und Störspannungen zulässig sind, hängt von der Meßaufgabe und
der geforderten Genauigkeit ab. Besonders die untere Grenze va
riiert stark mit der Meßaufgabe. Die in den folgenden Abschnit-
- 3 -
ten beschriebenen Meßergebnisse geben die Grundlage zur Kon
struktion spezieller Amplitudenfrequenzflächen.
3.'
1. Begrenzung bei großen Amplituden durch Verzerrung
Bei geringer Aussteuerung mißt man an einem Magnetbandgerät ei
nen nahezu konstanten Übertragungsfaktor. Bei Übersteuerung des
Magnetbandes ist das Verhältnis U2/U, jedoch nicht mehr kon
stant. Diese Nichtlinearität hat in der meßtechnischen Anwen
dung zwei Folgen:
a) Oberhalb einer bestimmten Grenze bewirken Änderungen der
Eingangsspannung U, nicht mehr proportionale Änderungen
der Ausgangsspannung U2. Die Ausgangsspannung bleibt um
die "Linearitätsabweichung" unter dem durch den konstanten
Übertragungsfaktor festgelegten Wert (Bild 3) .
b) Bei einem sinusförmigen Signal entstehen durch die Krümmung
der Kennlinie Klirrspektren, enthält das Signal mehr als
einen Grundton, zusätzliche Differenztonspektren. Stärke
und Lage dieser Spektren hängen von der Zusammensetzung
des Signals und der Krümmung der Kennlinie ab. Hier ent
stehen - soweit es das Magnetband betrifft - nur Verzer
rungen ungerader Ordnung.
Ublicherweise beschreibt man in der Elektroakustik die Nicht
linearitäten durch Angabe der Klirr- bzw. Differenztondämpfung.
Die Beschreibung durch die Linearitätsabweichung ist dagegen
bei der Verwendung des Magnettongerätes in der Meßtechnik dann
von Bedeutung, wenn es auf die richtige Wiedergabe von Effek
tivwerten ankommt.
Die Nichtlinearität der Kennlinie hängt vom eingestellten Vor
magnetisierungsstrom, vom verwendeten Bandmaterial und von der
aufgezeichneten Bandwellenlänge des zu speichernden Signals ab.
Bänder gleichen Typs verschiedener Hersteller zeigen nur gerin
ge Unterschiede, die meist im Bereich der Meßungenauigkeit lie
gen. Sehr viel größere Unterschiede ergeben sich zwischen ver
schiedenen Bandtypen, z.B. zwischen normalen Studiobändern,
hier als Bandtyp A bezeichnet und hochaussteuerbaren Studio
bändern, Bandtyp B.
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1.3.1.1 Linearitätsabweichung
In Bild 3 sind Linearitätsabweichungen, die an einem Band des
Typs A gemessen wurden, dargestellt. Die Linearitätsabwei
chung hängt danach deutlich von der Signalart ab, ferner von
der Bandmittenfrequenz und der Bandbreite des aufgezeichneten
Signals. Bei vergleichbarer Aussteuerung ergeben sich mit spit
zenwertanzeigenden Meßinstrumenten höhere Werte als mit effek
tivwertanzeigenden. Ferner ist die Linearitätsabweichung um so
größer, je breitbandiger das Signal ist. Der Bandbreitenein
fluß ist bei Effektivwertanzeige geringer als bei Spitzen
wertanzeige.
Wegen dieser Vieldeutigkeit ist die Linearitätsabweichung vor
allem bei großen Aussteuerungen zur Kennzeichnung der Nicht
linearität in Abhängigkeit von der Frequenz nicht geeignet.
Die Festlegung der Aussteuerungsgrenzen geschieht besser mit
Hilfe der Differenztondämpfung. Dagegen gibt die Linearitäts
abweichuhg, z.B. mit Oktavrauschen (Bandmittenfrequenz 1 kHz)
mit Effektivwertanzeige gemessen, einen guten Anhalt für die
Verfälschung des Pegels, da sehr viele Geräusche in diesem
Frequenzbereich ihr Energiemaximum haben. Zur Einhaltung der
in DIN 45633 angegebenen Toleranzen von dB im mittleren
~1
Frequenzbereich ist es sinnvoll, die maximal zulässige Lineari
tätsabweichung auf 0,5 dB festzulegen.
1.3.1.2 Nichtlineare Verzerrungsprodukte
Die hier an der nichtlinearen Kennlinie entstehenden zusätzli
chen Frequenzanteile sind in der Hauptsache kubische Klirr
und Differenztonspektren. In der Praxis ergeben sich also fast
immer komplizierte Mischspektren.
Zwischen dem Band, das bei normalem Betrieb Ursprung der Ver
zerrungen ist, und dem Ausgang des Gerätes sind erhebliche
Frequenzgangkorrekturen erforderlich, die bei Klirrfaktormes
sungen berücksichtigt werden müssen. Deshalb mißt man hier
zweckmäßig den Differenztonfaktor nach DIN 45403 /12/, dessen
Verzerrungsprodukte in ihrer Frequenz so nahe beim Nutzsignal
liegen, daß Korrekturen nicht notwendig sind.
Klirr- und Differenztondämpfung werden in Abhängigkeit von der
Ausgangsspannung U2 dargestellt, die dem remanenten Bandfluß
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proportional ist. Außerdem ist es vorteilhaft, sich stets auf
den Pegel des DIN-Bezugsbandes /9/ zu beziehen, wodurch die
Meßwertangabe unabhängig von Ungenauigkeiten in der Einstellung
der Aufsprech- und Wiedergabeentzerrung wird.
Bei hohen Aussteuerungen und entsprechend großen Verzerrungen
unterscheiden sich die Zahlenwerte von Klirr- und Differenzton
dämpfung kaum, während bei einer Aussteuerung entsprechend
200 mM:6,25 mm Bandbreite die Differenztondämpfung um etwa
2 dB geringer ist als die Klirrdämpfung (Bild 4).
Bild 2 zeigt die Aussteuerungsgrenzen in Abhängikgiet von der
Frequenz für vorgegebene Differenztondämpfung. Diese fallen im
Bereich kleiner Bandwellenlängen steil ab. Die Kurven wurden
für Bandtyp A gemessen. Bezüglich der Aussteuerbarkeit ergeben
sich keine nennenswerten Unterschiede bei Bändern verschiede
ner Hersteller. Stark abweichende Ergebnisse liefern hochaus
steuerbare Bänder, vgl. /13/. Die größere Aussteuerbarkeit ist
hier jedoch l€ider nur bis zu mittleren Bandwellenlängen gege
ben, so daß sich dieser Bandtyp sinnvoll nur bei 76 und evtl.
noch bei 38 cm/s Bandgeschwindigkeit einsetzen läßt.
1.3.2 Begrenzung bei geringen Amplituden durch Störspannungen
Die untere Grenze der Amplitudenfrequenzfläche wird durch Stör
spannungen festgelegt. Wir unterscheiden nach ihrem Ursprung
zwei Arten von Störspannungen:
Störspannungen 1. Art sind unabhängig vom Nutzsignal und hängen
nur vom Bandmaterial und der Einstellung der Maschine ab. Stör
geräusche dieser Art bezeichnen wir als Betriebsrauschen.
Störspannungen 2. Art (z.B. Modulationsrauschen) werden durch
das Niederfrequenzsignal selbst hervorgerufen. Die Stärke und
Frequenzlage dieser Störspannungen hängt von der Art des Nutz
signals ab.
1.3.2.1 Betriebsrauschen
Das Betriebsrauschen stellt die absolute Grenze dar, unterhalb
der die Aufzeichnung eines Nutzsignals nicht mehr sinnvoll ist,
falls nicht Methoden der Signalaufbereitung angewandt werden.
Das Betriebsrauschen setzt sich zusammen aus dem Grundrauschen