Nachfolgend möchte ich die Funktionsweisen und die Unterschiede, sowie die Geschichte der verschiedenen Tonträger, angefangen von der "Edison-Walze" über die Schallplatte, den Tonbändern, der CD und MD bis hin zur DVD erläutern.
Ich habe mich zu dem Thema entschlossen, weil ich mich auch selbst einmal über die Funktionsprinzipien beispielsweise einer CD informieren wollte.
Es war ein langer Weg, bis die erste Möglichkeit der künstlichen Schallaufzeichnung gefunden wurde. Seitdem hat sich jedoch sehr viel geändert in der Industrie, vor allem aufgrund der nach Verbesserung der bisherigen Medien verlangenden Kunden.
Seit Jahrhunderten hatten die Menschen versucht, die Stimme und Musik festzuhalten. Dichter, Wissenschaftler und Erfinder hatten über die Möglichkeit der Schallaufzeichnung und -wiedergabe nachgedacht, aber erst das Jahr 1877 ließ den Traum Wirklichkeit werden.
Nahezu zur gleichen Zeit und unabhängig voneinander erfanden zwei Männer die Sprechmaschine.
Der Dichter Charles Cros beschrieb, rein theoretisch, das Prinzip, ohne es auszuführen. Thomas Alva Edison bastelte ein Gerät, das funktionierte, unvollkommen noch, aber der Anfang war gemacht.

Im Jahr 1877 fand Thomas Alva Edison zum ersten Mal eine Möglichkeit, seine Stimme aufzunehmen, um sie dann später wieder abzuspielen.
Dazu nahm er einen Schalltrichter, lenkte den Schall

Abb. 1

gegen eine Membran, an der ein Stift befestigt war, welcher wiederum auf einer mit Wachs überzogenen, drehbaren Walze lag. Wenn man nun die Walze drehte und dabei etwas in den Trichter sprach, so übertrug die Membran die Schwingungen auf die Nadel, welche dann diese in Form von verschieden tiefen Eindrücken als wellenförmige Erhöhungen und Vertiefungen ("Tiefenschrift") in die Walze eingravierte.
Schallwellen sind Schwingungen der Luft, die sich in Form von Druckunterschieden bemerkbar machen. Je höher der Ton ist, desto höher ist die Frequenz und desto mehr Druckbäuche und Druckknoten wechseln sich pro Sekunde ab (daher auch die Einheit von Schwingungen "Hertz", was gleichbedeutend mit 1/sek. ist). Die Lautstärke hängt von der maximalen Auslenkung der Schwingung (Amplitude) ab, wenn man lauter spricht, dann wird die Amplitude entsprechend größer.
Dreht man die Walze dann wieder, verläuft der Prozess rückläufig, die Einkerbungen in der Walze versetzen dann die Nadel und somit die Membran in Schwingungen, welche dann wieder Druckänderungen der Luft hervorrufen mit den unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden.
Dadurch kann man dann wieder aus dem Schalltrichter hören, was man zuvor aufgenommen hatte.
John Kruesi, ein Modellmechaniker und Freund des Erfinders, baute dann nach Edisons Zeichnungen den "Phonographen" (Tonschreiber) (siehe Abb.1).
Da bei der Aufnahme sowie während des Abspielens der gleichmäßige Ablauf der Walze von großer Bedeutung war und das beim Kurbeln mit der bloßen Hand nicht gegeben war, fügte Edison seinem Tonschreiber noch einen Elektromotor hinzu, der diese Arbeit dann übernahm.
Sogar der ehemalige deutsche Kaiser Wilhelm II. besprach eine "Edison-Walze" mit seinen Ansichten zum vorbildlichen Verhalten eines Deutschen und schuf damit das erste bis heute erhaltene politische Tondokument der Welt.
Dies war der Anfang einer heute noch sehr bedeutenden Industrie.
Das Problem bei dieser Art der Schallspeicherung war jedoch, dass man die Walzen nicht kopieren konnte. Somit ist es schwierig gewesen, Käufer für den Phonographen zu finden.

Im Jahre 1887 entwickelte ein Herr Emile Berliner, Sohn einer jüdischer Familie, der 1870 von Deutschland nach Amerika auswanderte, ein Gerät, welches wie der Phonograph, in der Lage war, Schall aufzunehmen. Der Unterschied lag darin, dass Herr Berliner der Walze eine Scheibe vorzog, die dann auch die Möglichkeit der Vervielfältigung bot, während Edisons Medium nicht kopierbar war. Es wurde dazu eine

Abb. 2

Zinkscheibe genommen, auf der sich wiederum eine Wachsschicht befand. Die Schallschwingungen gruben sich wie eine Spirale von außen nach innen bei gleichbleibender Schnitttiefe in die Wachsschicht ein. Man spricht hier von "Seitenschrift" (siehe Abb. 2), weil die Schwingungen eine seitliche Kurve beschreiben.
Beim Abspielen wird die Nadel dann wieder auf die Platte gesetzt und man musste dann anfangs selber kurbeln, um die Platte zum Drehen zu bringen. Später erledigte dies dann, wie schon bei Edisons Phongraphen, ein Elektromotor. Dabei fährt dann die Nadel, welche meistens aus Diamanten oder Saphiren hergestellt wird, wieder der Schlangenlinie entlang und überträgt somit die Schwingungen an eine Membran, die dann wie bei Edisons Tonschreiber die Töne bzw. die Schallwellen aus einer Röhre ausgab.
Heutzutage liest nicht direkt eine Nadel von der Platte, sondern es wird zunächst ein Edelstein, meist ein Saphir oder Diamant, an der Nadel befestigt, der der Spur feiner nachgehen kann und auch noch härter ist. Außerdem werden die Töne nicht mehr direkt von der Nadel bzw. Membran ausgegeben, sondern durch die Bewegungen des Edelsteins zunächst Spannungen induziert, die dann verstärkt und ausgegeben werden.

Abb. 3

An der Nadel bzw. dem Edelstein ist ein (bei Stereo zwei) Magnet(en) befestigt, um den eine Spule gewickelt ist (siehe Abb. 3). Wenn sich der Abtastarm aufgrund der Rille auf der Platte bewegt, gleitet gleichzeitig ein Magnet durch die um ihn gewickelte Spule hin und her. Durch den Unterschied der Feldrichtung wird eine Spannung induziert, die den Schwingungen entspricht, d.h. je höher die Amplitude der Schwingung ist, desto höher ist auch die induzierte Spannung. Außerdem gilt, je häufiger sich das Vorzeichen der Spannung wechselt, desto höher ist die Frequenz.
An dem Tonarm wird eine Art Gegengewicht installiert, damit der Tonkopf besonders leicht auf der Platte liegt, denn wäre die Kraft, die auf die Rille durch den Tonarmkopf wirkt zu groß, dann würde die Aufzeichnung verzerrt abgespielt werden, da vereinzelte Schriftelemente auf der Platte nicht mehr in der richtigen Geschwindigkeit gelesen werden können.
Ein grosses Problem allerdings war die Aufnahme. Es musste in einen ca. 3 m langen Trichter hineingesungen, bzw. musiziert werden damit die Nadel die Schallwellen auf der Platte aufzeichnen konnte. Die Aufnahme eines grösseren Orchesters bereitete deshalb grosse Schwierigkeiten, da man alle Instrumente möglichst direkt vor der Öffnung des Trichters platzieren musste. Einzelne Schallwellen wurden trotzdem überhaupt nicht oder nur ungenügend aufgezeichnet. Die Aufnahmen waren außerdem flach und es fehlte ihnen an plastischer Raumtonwirkung.
Damit eine bessere Klangqualität erreicht werden konnte, nahm Berliner dann statt einer Zinkscheibe eine Scheibe aus "Schellack-Kuchen", welcher eine Mischung von Schellack, Ruß bzw. Graphit, Fasern und Gesteinsmehl ist.
Später, in den Jahren von 1945-1948, entwickelte Dr. Peter Goldmark ein neues Material auf der Basis von Polyvinylchlorid und Polyvinylazetat, welches aufgrund des Fehlens von Gesteinsmaterial den Rauschpegel stark reduziert.

Abb. 4

Es gibt verschiedene Arten von Schallplatten (siehe Abb. 3), solche mit "normalen Rillen" bestehen noch aus Schellack und drehen sich mit 78 U/min (mit Æ 30cm), mit "Mikro-Rillen" bestehen aus Vinyl und drehen sich mit 45 U/min (mit Æ 17,5 cm) bzw. 33 U/min (mit Æ 30cm). Die letzte Art ist die Stereorille, sie wird in den heutigen Schallplatten verwendet. Diese Schrift ist eine Mischung aus Seiten- und Tiefenschrift, wobei sich die Abtastnadel nicht mehr nur horizontal, sondern nun auch vertikal, wie dies beim Phonographen der Fall ist, bewegt.
Hierbei wird das linke Stereo-Signal in der zum Plattenmittelpunkt zeigenden Rillenflanke und das rechte Stereosignal in der zum äußeren Rand liegenden Flanke eingeschnitten (siehe Abb. 10). Beide Signale werden von einer Abtastnadel gemeinsam abgetastet, erst im Abtastsystem werden die Stereokanäle wieder getrennt.
Eine Abbildung eines modernen Schallplattenspielers sieht man in Abb. 11.

Das Medium für die magnetische Tonspeicherung ist eine aus Kunststoff bestehende Folie auf der eine Schicht aus magnetisierbaren Teilchen aufgebracht wurde.
Das erste kommerzielle Gerät, welches diesen Vorgang benutzt ist das Magnetophon K1 von AEG, welches 1935 öffentlich vorgeführt wurde.
Die Spieldauer einer (Tonband-) Spule von 30 cm Durchmesser betrug 20 Minuten. Das Magnetophon K1 wog mit drei Koffern (Laufwerk, Verstärker und Lautsprecher) fast einen Zentner. Die ersten Tonbandgeräte wurden zuerst bei Rundfunkanstalten zur Vorbereitung von Programmen und zum Mitschneiden von Direktsendungen eingesetzt.
Bei der Aufnahme auf magnetische Speicher geht der Schall zunächst durch ein Mikrofon wo er in elektrische Stromstöße umgewandelt wird, welche dann wiederum durch Spannungs- oder Induktionsstöße magnetische Feldstärkeänderungen erzeugen, mit denen in ein Tonband eingebettete Mikromagnete aus einem ungeordnet gelagerten Richtungszustand in einen geordneten und wo diese dann verschieden stark magnetisiert werden.

Abb. 5

In Abbildung 5 wird gezeigt, wie die Magnetschicht ausgerichtet wird beim Bespielen einer Magnetschicht. Die Rechte Seite zeigt in starker Vergrößerung die magnetisierte Schicht einer Computer-Festplatte, wo die Daten ähnlich gespeichert werden wie auf einer Kassette.
Das heißt im Klartext, dass das Magnetband die Schwingungen speichert, indem die Elementarmagneten auf dem Band in bestimmte Richtungen ausgerichtet werden.
Beim Abspielen wird das Band dann mit der gleichen Geschwindigkeit wie bei der Aufnahme an einem "Hörkopf" (siehe Abb. 5) vorbeigeführt. Dieser reagiert auf die wechselnde Stärke und Ausrichtung der Magnetfelder, welche die Frequenz und die Intensität der Töne darstellen, die dann in elektrische Impulse umgewandelt werden. Dies geschieht wieder so, wie ich bereits bei der Schallplatte beschrieben habe. Die induzierten Spannungen werden dann noch verstärkt und in hörbare Schallwellen über den Lautsprecher ausgegeben werden.
Damit man die Daten auf einer Kassette wieder löschen kann, besitzt ein handelsüblicher Kassettenrecorder neben einem Aufnahme/Lese-Kopf auch noch einen Lösch-Kopf. Gelöscht wird, indem man das Band an einem Dauermagneten vorbeilaufen lässt und die Elementarmagnete dabei wieder gleichmäßig magnetisiert.
Grosse Vorteile des Magnettonverfahrens gegenüber der bis dahin vorhandenen Aufnahmeverfahren sind die gute Wiedergabetreue auch nach häufigem Abspielen sowie die Möglichkeit, den Tonträger immer wieder löschen und neu beschreiben zu können und die grosse Verschleiß- und Bruchfestigkeit.
Für den Heimbenutzer war die Möglichkeit, endlich auch selber etwas aufnehmen zu können ein Novum. Der Kassetterecorder bzw. das Tonbandgerät erfreuten sich demnach großer Beliebtheit. Heutzutage sind die Kassetten aber fast vollständig von der CD vertrieben worden.

Der Standard der CD wurde 1980 von den Firmen Sony und Philips entschieden. Sie wurde in Europa und Japan im Herbst 1982 eingeführt, in den USA im Frühjahr 1983. Die CD basiert auf einer Kunststoffschicht aus Polycarbonat mit der Datenstruktur. Auf diese Datenstruktur wird eine Aluminiumschicht aufgedampft, damit der Laser reflektiert wird. Die letzte Schicht soll die Daten vor Schmutz und Kratzern schützen, damit besitzt die CD eine Dicke von ca. 1,2 mm. Auf der Polycarbonatschicht sind Vertiefungen, sogenannte Pits, die 0,83 µm (1µm = 0,001 mm) bis 3,05 µm lang, 0,5 µm breit und 0,12 µm tief (=l/4 der Lichtwellenlänge) sind. Die einzelnen Spuren der Pits sind nur 1,6 µm voneinander entfernt. Die normale Ebene wird "Land" genannt. Auf der ganzen CD werden insgesamt ca. 6 km an Daten gespeichert.
Die CD wird im Gegensatz zur Schaltplatte von innen nach außen gelesen und der größte Unterschied ist, dass die Daten digital gelesen werden. Während bei der Schallplatte ein Lesekopf dem Verlauf der Schwingungen folgt und diese dann mehr oder weniger direkt über einen Lautsprecher ausgibt, werden die Daten auf einer CD von einem Laser abgetastet, wobei dieser nur zwei Zustände erkennt: "1" oder "0".
Die Tiefe eines Pits beträgt genau ein Viertel der Lichtwellenlänge.

Abb. 6

Das heißt, die reflektierten Lichtstrahlen von Pit und Land heben sich Aufgrund von Interferenz beinahe auf, da der Phasenunterschied des Lichts von Land und Pit l/2 ist (siehe Abb. 6) , was wiederum bedeutet, dass immer dann ein Unterschied der Lichtintensität erkannt wird, wenn der Lichtpunkt die Grenze zwischen Land und Pit überschreitet.
Durch die verschiedenen Reflektionsarten können die unterschiedlichen Daten festgestellt werden. Dabei gibt es, wie bereits erwähnt, nur zwei Werte, nämlich 1 oder 0, "Eins" ist dann, wenn der Laser von einem Pit zu einem Land wechselt (und umgekehrt), also wenn sich die Intensität des Lichtes ändert, "Null" wird der Wert dann, wenn der Laser auf einem Land oder in einem Pit bleibt. Daher sind die unterschiedlichen Längen der beiden Ebenen von Bedeutung für die Informationen, die auf der CD gespeichert sind.
Die CDs werden normalerweise nicht beschrieben, sondern gepresst. Dafür wird zunächst eine Fotoschicht mit einem starken Laser "durchlöchert", wobei nur die Stellen erhalten bleiben, die nicht vom Laser berührt wurden. Diese Scheibe nennt man Master, denn von ihr werden dann Negativ-Kopien erstellt, die als Pressmatrize fungieren. Der leere CD-Rohling wird dann damit gepresst, danach kommt noch eine schützende Lackierung darüber und die CD ist fertig zu Vertrieb und fertig zum Benutzen in herkömmlichen CD-Spielern.
Auf einer CD können 74 Minuten Musik gespeichert werden, was ca. 650 MB an Daten entsprechen.

Die Mini-Disc ist ein Tonträger, der auf Grund der Möglichkeit der Wiederbeschreibbarkeit und der geringen Größe (Cartridge: 7 cm x 6,75cm x 0,5 cm, Plattendurchmesser: 6,4 cm) bei gleichbleibender Länge und Qualität der Tonaufnahme (74 min) und auch wegen des schnellen Zugriffs auf einzelne Lieder, wie bei der CD, ein großes Potential besitzt. Sie wurde 1988 von der Firma Sony erfunden.

Abb. 7

Die MD ist eine Mischung aus Magnetischem und Optischem Speicher und hat eine sehr starke Ähnlichkeit mit der 3½´´-Computer-Diskette.
Damit die MD die gleiche Spieldauer wie die CD besitzt, welche wesentlich größer ist, werden die Daten durch den ATRAC-Datenreduktionschip (Adaptive TRansform Acoustic Coding) auf ca. 1/5 verringert.
Die MD besitzt im Gegensatz zur CD, die einen Frequenzgang von 20 - 20.000 Hz hat, lediglich ein Frequenzspektrum von 100 - 15.000 Hz, was auch der normalen Hörleistung des menschlichen Gehörs entspricht. Dies wird dadurch erreicht, dass der ARAC-Chip die Speicherung der Daten ausserhalb de akustisch-wahrnehmbaren Bereichs unterbindet.
Außerdem werden beim Musikhören bestimmt leise Töne durch lautere Töne überdeckt, d. h. manche Töne werden gar nicht wahrgenommen. Auch diese löscht der ATRAC-Chip ebenfalls, bevor auf der MD gespeichert wird.
In Bezug auf die Datenreduktion unterscheiden sich die Meinungen. Sony sagt, es sei kaum ein Qualitätsunterschied feststellbar auf der MD im Vergleich zur CD, während dies wahre Klangliebhaber nicht bestätigen können und die Qualität der MD inakzeptabel finden.
Ein großer Vorteil der MD ist auch die praktisch schockfreie Wiedergabe der Musik. Während die CD noch sehr empfindlich gegenüber Stößen und Erschütterungen war, besitzt ein MD-Spieler standardmäßig ein Antischock-System, welches die Daten bereits ca. 3 Sekunden im voraus liest und in einem Speicher zwischenlagert. Wird der Lesestrom einmal durch einen Stoß, z.B. beim Joggen, unterbrochen, wird erst der Zwischenspeicher gelesen und ausgegeben, bevor die Aufnahme dann wirklich kurzzeitig unterbrochen wird. Diese Technik wird jetzt ebenfalls in modernen CD-Spielern eingesetzt.
Grundsätzlich gibt es zwei unterschiedliche Medien für die Mini-Disc: bereits beschriebene sowie leere, bzw. wiederbeschreibbare Medien. Discs, auf denen schon Musik vorhanden ist, entsprechen der Herstellungstechnik einer CD, es werden dort die einzelnen Pits eingebrannt. Ein Löschen bzw. ein Wiederbeschreiben der Aufnahme ist nicht möglich.
Die beinahe beliebig oft wiederbespielbare MD arbeitet nach dem magneto-optischen Verfahren, wo durch einen Laser die Magnetische Schicht der MD erhitzt und ein Aufnahmekopf diese dann neu ausrichtet. Die Nord-/Südausrichtung entspricht hierbei, wie bei der CD, den Daten "0" und "1".
Während der Wiedergabe läuft der Laser des MD-Gerätes wieder über die Rillen, jedoch nicht mit so einer starken Intensität wie bei der Aufnahme, und die Daten werden eingelesen, indem Veränderungen des Lichtes gemessen werden, das von den zuvor magnetisierten Bereichen reflektiert wird.
Um eine Wiedergabe sowohl von vorbeschriebenen als auch von beschreibbaren Medien zu ermöglichen, sind alle MD-Geräte so ausgestattet, dass je nach Disc-Typ sowohl eine veränderte Reflexion als auch eine andere Polarisierung erkannt wird.

Der Begriff Digital-Versatile-Disc bedeutet soviel wie digitales, vielseitiges Medium.
Da eine DVD die gleichen Ausmaße einer CD hat, sind die meisten DVD-Spieler bzw. DVD-Laufwerke abwärtskompatibel zur CD.
Der wesentliche Unterschied zwischen CD und der DVD liegt in der dichter gepackten Speicherung der Daten. Während bei der CD ein Spurabstand von 1,6 µm und eine minimale Pit-Länge von 0,83 µm Pflicht waren, ist der Spurabstand auf 0,74 µm reduziert worden, auch die minimale Länge eines Pits ist mit 0,4 µm nur noch knapp halb so lang wie die der CD.
Diese Verkleinerungen erfordern auch einen feineren Laser mit kürzerer Wellenlänge um die Daten abtasten zu können (bei der CD: Infrarotlaser mit 780 nm Wellenlänge, bei der DVD: Roter Laser mit 640 nm Wellenlänge).
Es gibt unterschiedliche Speicherarten bei den DVDs, eine DVD mit einer Speichermenge von 4,7 GB (1 GB = 1024 MB = 1024*1024 KB = 1024³ Byte) ist einseitig beschrieben und besitzt nur eine Leseschicht. Die höchste Speichermenge ist bist jetzt 17 GB, wobei diese auf beiden Seiten bespielt ist und dort jeweils zwei Leseschichten hat. Dazwischen gibt es noch DVDs mit 8,5 GB Speicher (einseitig und zweischichtig beschrieben) und 9,4 GB (zweiseitig und einschichtig beschrieben).
Mehrschichtige DVD heißt, dass nicht nur eine beschriebene Schicht mit Vertiefungen vorhanden ist, sondern mehrere halbdurchsichtige übereinander. Der Laser liest diese nacheinander und greift einfach durch unterschiedliche Fokussierungen auf die einzelnen Schichten zu.
Aufgrund der hohen möglichen Datenmengen wird die DVD hauptsächlich als Videospeicher für Filme, weniger aber als Tonträger genutzt. Die beiden Firmen Philips und Sony entwickeln gerade einen neuen Standard der Musikindustrie, die Super-Audio-CD (SACD). Sie soll die neue mögliche Datenmenge ausnutzen, um noch bessere Klangqualitäten als auf der CD zu erhalten. Das gute an der SACD ist aber, dass man sie auch mit normalen CD-Playern abspielen kann, allerdings nicht mit der durch die dichter gespeicherten Daten erhöhten Qualität. Die SACD nutzt momentan nur zwei Kanäle, jedoch sieht die SACD-Technologie auch Mehrkanal-Aufnahmen vor.
Ein Konkurrent dieses Formates ist die DVD-Audio, diese soll das Mehrkanal-Klangerlebnis auch für Musik einführen. Hier waren bisher nur Stereoaufnahmen möglich aufgrund der geringen Speichermenge der CDs. Es gibt sogar schon erste Geräte, sowie Medien, welche die DVD-A abspielen können, beispielsweise sind gerade Beethovens Symphonien 4 & 5 erschienen, welche eine zuvor nie dagewesene Klangqualität versprechen.