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The
Genesis Of
by Rolf Badenhausen Die
Entstehungsgeschichte
Photo: The first Westrex stereo recording cartridge of 1958. |
| Already
in 1954 high requirements for audio reproduction were discussed in the
USA for improving the existing High Fidelity standard:
The Radio Designer's Handbook (Langford- Smith) was referring to a frequency response of 30 Hz to 20 kHz at a linearity required ± 0,1 dB! For this ambitious aim to better performance, the distortion factor was proposed to be less than 0.5 % (THD) at an S/N ratio of 62 dB. In principle, any three-dimensional media does offer the independent degrees for a simple analogue stereo recording, e.g. height and width for the amplitude of both channels, and length for time. However, it's the little things (or just different ways of thinking) that always cause the problems. A.D. Blümlein had developed a Single Groove Stereo disk for British E.M.I. (Electrical & Musical Industries) already in 1933, certified as British Patent No. 394 325. Later on, he continued with his work for making an improved record system at Columbia Records in the USA. There, and also in some European countries, the first stereo disks were introduced in summer 1958. At the beginning of that year, a German- English prototype had been even competing with an American version for the definite standard: The London Record Co., inspired by an idea of German Telefunken company, was pushing a rectangular cutting method for both channels, shortly called "+", while Westrex Inc., New York, was favouring a diagonal one, the "45/45" or "x". |
Bereits
im Jahr 1954 wurden in den USA hohe Anforderungen zur Anhebung der dort
vorherrschenden HiFi- Qualitätsmaßstäbe diskutiert: Im
Radio
Designer’s Handbook (Langford-Smith) war für einen anzustrebenden
Frequenzbereich von 30 Hz bis 20 kHz eine Linearitätstoleranz von
± 0,1 dB genannt worden! Für dieses ehrgeizige Ziel zu einer
besseren Musikdarbietung sollte der Klirrfaktor höchstens 0,5 % betragen.
Dazu tauchte für den Geräuschabstand ein Wert von 62 dB auf.
Grundsätzlich bietet jedes dreidimensionale Medium die Freiheitsgrade für eine einfache analoge Stereo-Aufzeichnung, z. B. Höhe und Breite für die Amplitude beider Kanäle sowie die Länge für die Zeit. Jedoch steckt auch hierbei der Teufel im Detail... A.D. Blümlein hatte bereits 1933 eine einspurige Stereoschallplatte für das britische E.M.I. Unternehmen entwickelt (British Patent No. 394 325). Er setzte seine Arbeiten zur Schaffung eines verbesserten Aufzeichnungsverfahrens später bei Columbia Records in den USA fort. Dort, wie auch in einigen europäischen Ländern, wurden die ersten Stereo-LPs im Sommer 1958 eingeführt. Noch zu Beginn jenes Jahres hatte ein deutsch- englischer Prototyp mit einer amerikanischen Version um jene endgültige Norm konkurriert: das von der London Record Co. nach einer Telefunken- Idee vorangetriebene „Tiefe/Seite“-Verfahren (Kürzel „+“) mit dem von der Westrex Inc., New York, favorisierten Diagonalverfahren „45/45“ bzw. „x“. |
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The recording system as developed by London Record Co. represents Fig. 1.1. Westrex Inc. had taken over this system in principle, but turned it to a 45 degree position. Naturally, the position of the stylus, respectively its axis, was turned back perpendicularly. This x system does guarantee equal mechanical and electrical properties for both channels, while the vertical channel of the "+" will be recognized problematical for distortion, and the horizontal for stylus force and clamping. Thus, the x-Method became world standard in the end. Fig. 1.2 shows a realization of 1.1: An industrial pickup with moving armature (respectively moving magnet) that is widely known as MM type. Crosstalk suppression for audio reproduction should not fall below 20 dB in accordance with the first standard. A measure of 30 dB (typical at that time) does mean an angular deviation below 1.5 degree for the stylus, respectively an error deflection of less than 0.04 µm at 10 kHz! However, suppression better than 40 dB was achieved later on. Regarding a basic effect of mono as well as stereo disk recording, there will be an enormously increasing stylus deflection for low frequencies, as shown by this equation:
a Stylus Deflection
Therefore,
appropriate signal compression will be necessary for an acceptable disk
capacity!
Appendix
A gives detailed information about almost all different standards for
decompressing equalization. This data was published in 1958. Both 'RCA
Victor' and 'TELDEC' were applied to stereo disks. The RCA Victor standard,
"New Orthophonic", advanced to RIAA
Equalization Definition .
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Fig. 1.3 .[4] 1958: One of Europe's first magnetic stereo pickups: The Pot of ELAC: STS 200. Eines der ersten Magnetsysteme in Europa.
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Das
von der London Record Co. entwickelte Aufzeichnungsverfahren verdeutlicht
die Prinzipdarstellung des in Fig. 1.1 gezeigten Tonabnehmers. Die Westrex
Inc. hatte diese Anordnung im Prinzip übernommen, drehte diese jedoch
einfach um 45° Grad. Um den gleichen Betrag zur Senkrechten wurde selbstverständlich
die Abtastnadel bzw. deren Achse wieder zurück gedreht. Dieses x-
System garantierte für beide Kanäle gleiche mechanische wie elektrische
Eigenschaften. Dagegen erkannte man beim "+" Probleme für den vertikalen
Kanal wegen Verzerrungsanfälligkeit sowie ungünstigem Nadeldruck-
und klemmungsverhalten für den horizontalen. Damit
setzte sich das X- Schneidverfahren als Weltstandard durch.
Fig. 1.2 zeigt eine Realisation nach Fig. 1.1. Jene Ausführung stellt einen industriell gefertigten Tonabnehmer dar, und zwar mit beweglichem magnetischen Anker (armature), feststehenden Polschuhen (pole pieces) und den Spulen (coils). Alle gängigen MM-Tonabnehmer („Moving Magnet“) liegen diesem Ausführungsbeispiel zugrunde. Die Übersprechdämpfung für Wiedergabebetrieb sollte gemäß dem ersten Standard 20 dB nicht unterschreiten. Das damals übliche Maß von 30 dB bedeutet einen Winkelfehler von unter 1,5 Grad für den Stichel, bzw. eine Fehlauslenkung von weniger als 0,04 µm bei 10 kHz! Allerdings wurden noch Dämpfungswerte oberhalb 40 dB später erzielt. Grundsätzlich
gilt sowohl für Mono- als auch Stereoaufzeichnungen, dass für
niedrige Frequenzen die Nadelauslenkung in beachtlicher Größenordnung
zunehmen würde, und zwar nach dieser Gleichung:
a Nadelauslenkung
Daher ist für eine befriedigende Spielkapazität eine angemessene Signalkompression erforderlich! Anhang
A liefert detaillierte Informationen über nahezu alle unterschiedliche
Normen zur Signaldekompression bzw. -entzerrung, wie publiziert im Jahr 1958. Sowohl
der von RCA Victor eingesetzte Standard als auch der von TELDEC wurden
für Stereoplatten angewendet. Der erstgenannte, auch als "New Orthophonic"
zitiert, setzte sich durch zur
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| . |
Fig.
1.5
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. |
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| Grooves
Fig. 1.6 gives a geometrical impression of the different disk standards. The 'Mono' size, known as 'Normal' (e.g. 'N78' for a disk of 78 r.p.m.) was predecessor of the monophonic 'Micro' that should be finally replaced by stereo standard. The minimum groove width was reduced from 55 µm (Micro) to 40 µm for stereo standard. The radial distance from groove to groove will be about 120 µm at an average signal level for both channels. A stereo pickup can be also used for playing mono disks (Micro standard), but a mono one would damage a stereo groove within a short time. Pinch Effect Since the cross- sectional shape of the recording stylus is a 90- degree- triangle, pinch effect will come into appearance for large groove amplitudes at high frequencies. Fig. 1.7 demonstrates the outcome of this effect: A and B represent shape and position of recording stylus that will cause differential groove width. Thus, a spherical or conical stylus can only handle this precondition by a vertical compensatory movement (see C & D) which, however, will put a disadvantageous effect on total distortion. Therefore, about 1963 or 1964, the biradial or elliptical stylus has been introduced to successfully elude this problem, cf. E & F, and reduce distortion caused by Clamping Effect (s. Appendix B). Skating Since the groove for stereo standard has been geometrically sized down, there are to consider even other physical effects which had been neglected for mono disk players or 'turntables': The vertical stylus force must be well adjustable for lower scales. Moreover, an additional mechanical system must compensate horizontal skating. This effect was going to play a very important role for gradually reduced stylus force. Fig. 1.8 explains in detail. Trackability Best reproduction of high frequencies requires lowest effective stylus mass (m) at lowest force. Therefore, highest compliance (c) of stylus rod will be needed. Both quantities define resonant frequency of the pickup:
where |
|
Plattenrillen
Fig. 1.6 vermittelt einen geometrischen Eindruck der verschiedenen Standards. Das Mono- Format, als Normal- Format bekannt mit z.B. N78 für eine Schallplatte mit 78 Umdrehungen pro Minute, war Vorläufer des monophonen "Micro", das schließlich durch das Stereoformat ersetzt wurde. Die minimale Rillenbreite wurde von 55 µm (Micro) auf 40 µm für den Stereo- Standard reduziert. Der Radialabstand von Rille zu Rille beträgt etwa 120 µm bei einem durchschnittlichen Stereosignal- Pegel. Ein Stereo- Tonabnehmer kann auch zum Abspielen von Mono- Platten (Micro- Format) verwendet werden, aber ein Mono-Abnehmer würde eine Stereorille innerhalb kurzer Zeit zerstören. Pinch Effekt Der Schneidstichel stellt in seiner Querschnittsform ein Dreieck mit einem 90° Winkel dar. Wegen dieser Form treten bei großen Rillenauslenkungen und höheren Frequenzen Rilleneinschnürungen auf, der sog. "Pincheffekt", welcher anhand Fig. 1.7 erklärt wird. Darin stellen A und B Form und Position des Schneidstichels dar, wodurch sich für die vorgenannten Auslenkungen diese besondere Abweichung für die Rillenbreite erklärt. Eine sphärische bzw. konische Nadel kann eine solche Vorbedingung aber nur durch vertikale Ausgleichsbewegungen bewältigen (s. C u. D), welche jedoch einen nachteiligen Einfluss auf die Gesamtverzerrung ausüben. Deswegen wurde um 1963/64 die biradiale bzw. elliptische Nadel eingeführt, welche dieses Problem erfolgreich umgeht (s. E u. F) und Verzerrungen durch den Klemmeffekt (s. Anhang B) reduziert. Skating Da man die Rille für das Stereoformat geometrisch verkleinerte, hatte man noch andere physikalische Effekte zu berücksichtigen, die bei den bislang gebräuchlichen Mono- Plattenspielern kaum eine Rolle spielten: Die Nadel- Auflagekraft musste für nun kleinere Größenordnungen gut einstellbar sein. Außerdem musste eine zusätzliche Konstruktion das sog. Skating (Querkrafteinwirkung auf Rillenflanke) kompensieren. Dieser Effekt war von besonderer Bedeutung für die immer weiter reduzierte Nadel- Auflagekraft. Fig. 1.8 verdeutlicht das Skating. Abtastfähigkeit-Trackability Die bestmögliche Wiedergabe von hohen Frequenzen erfordert grundsätzlich die geringste effektive Nadelmasse m bei geringster Auflagekraft. Damit besteht zugleich die Forderung nach höchster Compliance c (Nadelnachgiebigkeit). Beide Größen definieren die Resonanzfrequenz des Tonabnehmers:
worin |
| Tone
Arms
The recording stylus will follow a straight line from rim to the disk's centre. However, the reproducing stylus of a conventional pickup arm does leave an arc on its way to the groove's end. Turntable designers were facing this problem by making arms of special geometry, for example S- formed versions or expensive tangential constructions. Dynagroove In 1963, RCA Victor Studios of New York, in association with David Sarnoff Research Center of Princetown, USA, introduce 'Dynagroove'. This is sophisticated recording system for reduction of groove distortion that comes up when the stylus cannot correctly follow critical groove sections. The complete set includes a computer which does filter all those sections, re- calculates them, and counter- controls accordingly the recording stylus. German distributor of those disks was TELDEC company [8]. Dynaflex In 1971, RCA Corporation announces "big invention" that will enormously reduce surface noise (especially so- called 'ticking'), slippage, and other non- homogeneous properties of conventional LP disks. For field testing, more than 12 million Dynaflex Disks had been already put into circulation in the previous year. This more flexible disk has a compound that does guarantee also much better durability as well as much smoother grooves for (almost) imperceptible noise. The disk's thickness was reduced from 50 to 30 mil in its groove area, and its weight from 135 to 90 grams. Experts confirm this as big step in development [9], [10]. Final Results Considering all mechanical and electrical points of view for most efficient technical solutions, there have been statements that "a high quality turntable with a first class cartridge will leave no provable signs of wear on good vinyl disks made in the Seventies or later." |
Tonarme
Der Schneidstichel beschreibt eine Gerade vom Plattenrand zur -mitte. Dagegen hinterlässt ein herkömmlicher Tonarm eine bogenförmige Spur. Die Konstrukteure von Plattenspielern begegneten diesem Problem mit besonderen Tonarmen, z.B. S-förmigen oder aufwendigen Tangential- Ausführungen. Dynagroove Im Jahr 1963 stellen die RCA Victor Studios in Zusammenarbeit mit dem David Sarnoff Research Center in Princetown, USA, das "Dynagroove" Schneidverfahren vor. Dieses hochentwickelte System reduziert die von der Rillenaussteuerung herrührenden Verzerrungen. In diese Entwicklung war ein Prozess- Rechner miteinbezogen, der die kritischen Rillenpassagen herausfilterte, neu berechnete und den Schneidstichel entsprechend gegensteuerte. Der Plattenvertrieb in Deutschland lag bei der TELDEC [8]. Dynaflex Im Jahr 1971 kündigt die RCA Corp. eine große Erfindung an, welche das Oberflächenrauschen, insbesondere das sog. Tickern, den Schlupf sowie andere Unregelmäßigkeiten in der Zusammensetzung der herkömmlichen LPs gravierend reduzieren soll. Im voran gegangenen Jahr wurden im Feldversuch über 12 Millionen Dynaflex- Platten in Umlauf gebracht. Die Zusammensetzung dieser wesentlich biegsameren Platte garantiert sowohl höhere Lebensdauer als auch deutlich glattere Rillen für (fast) nicht mehr wahrnehmbares Rauschen. Die Plattendicke wurde im Rillengebiet von 50 auf 30 mil reduziert (1 mil = 0,0254 mm). Das Gewicht der Platte verkleinerte sich von 135 auf 90_g. Fachleute bestätigen diesen großen Entwicklungssprung [9], [10]. Endergebnisse Unter Berücksichtigung aller mechanischer wie elektrischer Gesichtspunkte für höchst effiziente technische Lösungen stellte man fest, dass "ein hochwertiges Laufwerk mit erstklassigem Abtastsystem keinerlei nachweisbaren Verschleiss auf guten Pressungen aus den siebziger Jahren oder später hinterlässt. "; z. B. [11]. |
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Nowadays, high performance calculation techniques and electronic components allow the design of high accuracy phono pre-amplifiers that are guaranteeing a frequency response of 10 to 25,000 Hz at a linearity of ±0.1 dB, and a THD factor of less than 0.001%. The S/N ratio, of special importance for digital audio, can be easily hold at nearly 100 dB by High-Tec semiconductors. LP Remastering Nonetheless, an appliance with afore-said electrical specifications might be absolutely necessary for saving valuable vinyl records to a digital audio file in order to tolerate the lowest level for some disturbing physical effects carried on even through the best pickups (see Appendix B). Generally, the special requirements for phono pre-amplifier design are much stronger than for any other audio purpose, since there is to correct a frequency dependent level range running up to 40 dB at a certain constant amplification that has to be fixed usually between 35 and 45 dB!
State
of the Art:
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Heutzutage gestatten sehr hochwertige Berechnungsverfahren und elektronische Bauelemente die Dimensionierung hochpräziser Phono- Vorverstärker, die einen Frequenzbereich von 10 Hz bis 25.000 Hz bei einer Linearität von ±0,1 dB und einem Klirrfaktor von weniger als 0,001% garantieren. Der insbesondere für Digital-Audio wichtige Rauschabstand kann mit 'HighTec' Halbleitern leicht bei ca. 100 dB gehalten werden. "LP Remastering" Eine technische Ausstattung mit den vorgenannten elektrischen Eigenschaften dürfte zum Speichern wertvoller Plattenaufnahmen in digitale Datenformate dennoch unerlässlich sein, um insgesamt noch die kleinstmögliche Größenordnung von einigen auch mit dem besten Tonabnehmer übertragenen Störfaktoren (s. Anhang B) hinzunehmen. Die besonderen Anforderungen an die Phono- Vorverstärker Entwicklung sind wesentlich höher als für alle übrigen Audioanwendungen, weil frequenzabhängige Pegelspannen von bis zu 40 dB bei einer konstanten Grundverstärkung, zumeist zwischen 35 und 45 dB, entzerrt werden müssen! Stand
der Technik: Tonabnehmer & Vorverstärker
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1
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Old
European Characteristic: "250"
HMV N78 (His Masters Voice) and Columbia N78 produced by E.M.I. England. CETRA N78, Italy. This standard may be also applied to records by English Parlophone, Brunswick, ... Time Constant: 636 µs (250 Hz). |
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2
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Old
European Characteristic: "500"
Applicable to many European records produced before 1950, and also to many U.S. companies except RCA Victor, Columbia. Time Constant: 318 µs (500 Hz). |
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3
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Columbia
N78
Time Constants: 530 µs (300 Hz) and 100 µs (1,590 Hz). |
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4
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Columbia
LP M33
HMV M33, produced in England. Vanguard, Bach Guild, Cetra M33, Vox. Time Constants: 1,590 µs (100 Hz), 318 µs (500 Hz), and 100 µs (1,590 Hz). |
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5
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NAB
National
Association of Broadcasters.
Time Constants: 318 µs (500 Hz) and 100 µs (1,590 Hz). |
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6
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NARTB
National
Association of Radio and TV Broadcasters, has replaced
NAB standard. Applicable to Artist, Capitol, MGM, Westminster (see disk
cover), Tempo M33 (approximate char.)
Time Constants: 2,720 µs (60 Hz), 318 µs (500 Hz), and 100 µs (1,590 Hz). |
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7
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AES
Audio Engineering Society, made in 1951 this reproduction definition for
compatibility to standards mostly used in the USA.
Time Constants: 398 µs (400 Hz) and 64 µs (2,500 Hz). |
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8
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London
London
Gramophone Corporation:
London M33 & M45, Decca (most possibly). Time Constants: 1,590 µs (100 Hz), 318 µs (500 Hz), and 57 µs (2,800 Hz). |
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9
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CCIR
Recommendation
No. 134
by VIIth Plenary Assembly, 1953: Germany 1952-1955: DGG 33 1/3 LP. Time Constants: 450 µs (350 Hz), and 50 µs (3,180 Hz). |
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10
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IEC
A recommendation of 1955 for playing N78 disks, according to B.S. No. 128 (British Standard). Time Constants: 3180 µs (50 Hz), 450 µs (350 Hz), and 50 µs (3,180 Hz). |
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11
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RCA
Victor & IEC No.98
refers to this "New Orthophonic" standard since 1952. Recommendation of 1953 by NARTB, of 1955 by IEC No.98, and B.S. No. 128. World standard since 1967. Time Constants: 3180 µs (50 Hz), 318 µs (500 Hz), and 75 µs (2,120 Hz). |
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12
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TELDEC
Telefunken and Decca founded a record company that used a characteristic proposed for German DIN-Standard on July 1957: DIN45533, DIN45536, DIN45537. Time Constants: 3180 µs (50 Hz), 318 µs (500 Hz), and 50 µs (3,180 Hz). |
Table
1.1
Characteristics
of Different Standards
Equalization
Data for Play Mode [6] [7]
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Hz |
1
250 dB |
2
500 dB |
3
Col.M78 dB |
4
Col.M33 dB |
5
NAB dB |
6
NARTB dB |
7
AES dB |
8
London dB |
9
CCIR dB |
10
IEC N78 dB |
11
RCA dB |
12
TELDEC dB |
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30
40 60 120 250 500 1 k 2 k 4 k 6 k 8 k 10 k 12 k 15 k . |
+18.2
+15.7 +12.3 +7,0 +2.7 +0.7 0 -0.2 -0.3 -0.3 -0.3 -0.3 -0.3 -0.3 . |
+23.5
+21.0 +17.5 +11.6 +6.0 +2.0 0 -0.7 -0.9 -1.0 -1.0 -1.0 -1.0 -1.0 . |
+21.1
+18.7 +15.2 +9.7 +4.9 +2.0 0 -2.9 -7.5 -10.7 -13.1 -15.0 -16.5 -18.4 . |
+14.1
+13.9 +13.2 +10.8 +6.7 +2.9 0 -3.4 -8.1 -11.3 -13.7 -15.6 -17.1 -19.0 . |
+25.0
+22,5 +19.0 +13.1 +7.4 +3.1 0 -3.4 -8.1 -11.3 -13.7 -15.6 -17.1 -19.0 . |
+18.0
+17.3 +16.0 +12.2 +7.1 +3.0 0 -3.4 -8.1 -11.3 -13.7 -15.6 -17.1 -19.0 . |
+22.5
+20.0 +16.6 +10.9 +5.5 +2.0 0 -2.0 -5.5 -8.3 -10.5 -12.3 -13.8 -15.7 . |
+13.2
+13.0 +12.3 +10.0 +5.9 +2.3 0 -1.9 -5.1 -7.9 -10.0 -11.8 -13.3 -15.1 . |
+21.3
+18.8 +15.3 +9.7 +4.6 +1.5 0 -1.4 -4.2 -6.7 -8.8 -10.5 -11.9 -13.8 . |
+15.5
+14.7 +13.1 +9.0 +4.5 +1.5 0 -1.4 -4.2 -6.7 -8.8 -10.5 -11.9 -13.8 . |
+18.6
+17.8 +16.1 +11.8 +6.7 +2.6 0 -2.6 -6.6 -9.6 -11.9 -13.8 -15.3 -17.2 . |
+18.1
+17.3 +15.6 +11.3 +6.2 +2.3 0 -1.8 -4.7 -7.2 -9.3 -11.0 -12.4 -14.3 . |
| v(f)
- Verifying the equalization curves(play mode)
v(f) = v1 + v2 + v3 + cNormalization (0 dB =1 kHz) where
 
{low-mid audio frequency emphasis: Eq #1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}
{high audio frequency deemphasis: Eq #3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}
t1 > t2 > t3 Calculation example for Eq #5 (NAB Standard): t2 = 318 µs t3 = 100 µs f = 10 kHz v(f) = v2 + v3 + cNormalization (0 dB =1 kHz) cNormalization (0 dB =1 kHz)= - (v2 (1 kHz) + v3 (1 kHz)) = - (0.971 - 1.445) dB = + 0.474 dB v(10 kHz) = 0.011 - 16.072 + 0.474 dB = -15.587 dB Note: The given table of equalization standards was calculated manually in 1958 at an accuracy of max. +/- 0.1 dB. |
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References – Zitierte Quellen
[1] Funkschau 1958, Nr.11, S.273ff.
Historical publications recommended for audio designers: [i]
Boegli: New developments in Phono Equalizers; Radio and Television News
49 (1953), No.4, P.54-56,103.
|
| H O M E |
Angular
Signal Frequency
{low audio frequency deemphasis: Eq
#4,6,8,10,11,12}
