The Genesis Of 
Vinyl Stereo Record. 
 
 

Updated 2011-12-08
(Vinyl Remastering)

by Rolf Badenhausen

Die Entstehungsgeschichte 
der Stereoschallplatte 
 

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 sollte der Klirrfaktor höchstens 0,5 % sowie der Geräuschabstand mindestens 62 dB betragen. 

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“.
 

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
 s  Stylus Rapidity (const.)
Angular Signal Frequency

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 .
.

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
 s  Nadelschnelle (const.)
Signal-Kreisfrequenz

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
RIAA- Entzerrungskennlinie .
.

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:

= (mc)-0.5

where  is angular resonant frequency [3]. Its influence on low frequencies range can be taken from Fig. 2.6 of document VSR1Pickups.htm that has been linked farther below.
.

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:

= (mc)-0.5

worin  die Resonanzkreis- frequenz bezeichnet [3]. Deren Einfluss im Tieftonbereich kann Fig. 2.6 im Dokument VSR1Pickups.htm entnommen werden, das weiter unten verlinkt wurde..

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."

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].

Vinyl 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! 

In some cases an effective "Line-In" level control will be necessary when using less expensive PC sound cards, see E021111.cd.lyt.pdf . 
 
 

State of the Art:
Pickups & Pre-Amps
Examples from the Sixties to the Seventies:
              Pickups
     Pre-Amplifier

"Vinyl 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!

Unter Umständen ist in Verbindung mit handelsüblichen PC-Soundkarten die Verwendung einer "Line-In"-Pegelreglung erforderlich:
E021111.cd.lyt.pdf.

Stand der Technik: Tonabnehmer & Vorverstärker
Beispiele aus den Sechziger bis Siebziger Jahren:
             Tonabnehmer
             Vorverstärker

Characteristics Of Different Standards

Note: A table is given farther below.

Schneidkennlinien unterschiedlicher Normen
(Tabelle weiter unten.)
Hierzu wird auf die englischsprachigen Erläuterungen verwiesen.

 v_(f) = v₁ + v₂ + v₃ + c_{Normalization (0 dB =1 kHz)}

 where
{low audio frequency deemphasis: Eq #4,6,8,10,11,12}

---

---

Calculation example for Eq #5 (NAB Standard):

t₂ = 318 µs     t₃ = 100 µs   f  = 10 kHz

v_(f) = v₂ + v₃ + c_{Normalization (0 dB =1 kHz)}

c_{Normalization (0 dB =1 kHz)}= - (v_{2 (1 kHz)} +  v_{3 (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.

A theoretical view to the harmonic distortion factor k (respectively d) shows that it cannot be reduced to zero for geometrical and physical relations [12]:

 s   Rapidity of Stylus
 r  Radius of Stylus
Angular Frequency
 v  Groove Velocity

Note that 's' represents the rapidity at maximum level. The so-called "Clamping Effect", which is standing in connection with quadratic distortions, also depends on rapidity, stylus radius, and groove velocity. This effect is caused by stylus force against the apex at the zero transition. The clamping is

Clamping has length measure. This equation was found in [2].

Die theoretische Betrachtung des Klirrfaktors einer Schallplatte zeigt, dass dieser wegen geometrisch- physikalischer Verhältnisse nicht auf Null reduziert werden kann [12]:

  s   Schnelle 
  r   Radius der Abtastnadel 
Kreisfrequenz
 v   Rillengeschwindigkeit 

Für die Schnelle ist ihr Vollaussteuerungswert (8...10 cm/s) anzusetzen. Der mit quadratischen Verzerrungen im Zusammenhang stehende sogenannte „Klemmeffekt“ ist ebenfalls von Schnelle, Nadelradius und Rillengeschwindigkeit abhängig. Dieser Effekt entsteht durch Druck der Abtastnadel gegen den Scheitelpunkt an den Nulldurchgängen. Die in Längeneinheit definierte Klemmung ist nach [2]: 

  [1] Funkschau 1958, Nr.11, S.273ff.
  [2] Telefunken Publikation: Phono-Service: TV206A/TV212A.
  [3] Funkschau 1969, Nr.2, S.99.
  [4] Funkschau 1958, Nr.13, S.624.
  [5] Funkschau 1958, Nr.10, S.249ff.
  [6] Funkschau 1958, Nr.15, S.359ff.
  [7] Funkschau 1958, Nr.16, S.386.
  [8] Funkschau 1963, Nr.22, S.630.
  [9] Radio-Bulletin, July 1971.
[10] Funkschau 1971, Nr.18, S.582.
[11] "Meiers erklärte Technik", Bd. 1, S.388ff.; Hrsg.: Bibliografisches Institut Mannheim.
[12] Editorial-Publikation: Funkschau 1957, Nr.16, S.745.

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.
[ii] AES Standard Playback Curve; Audio Engineering 35 (1951), No.1, P.22,44,45.
[iii]Pickering: Effect of Load Impedance on Magnetic Pickup Response; Audio Engineering 37 (1953), No.3, 
       P.19,20,60-63.
[iv]Brown: Hi-Fidelity Phonograph Preamplifier Design, Audio Engineering 37 (1953), No.4, P.19,20,65-67.
[v] Moyer: Evolution of a Recording Curve,  Audio Engineering 37 (1953), No.7, P.19-22,53-54.
[vi]Villchur: Handbook of Sound Reproduction, Chapter 14. (Audio Engineering 37 (1953), No.11, P.25-28, 
       61-63.)
[vii]Hempstead-Barhydt: Accurate Design of Phono Equalizers, Audio Engineering 38 (1954), No.8, P.22-24;
        and No.9, P.24,25,65.
[viii]Crowhurst: Equalizer Design,  Audio Engineering 41 (1957), No.8, P.17-19.
[ix]  Smith: Disc Recording Characteristics, Wireless World 62 (1956), P.526-528.
[x]   Boegli: Equalizer Design Chart, Electronics 23 (1950), No.4, P.114.
[xi]  Bernard: Distortion in Voltage Amplifiers, Audio Engineering 37 (1953), No.2, P.28,29,55.