Крива́я RIAA — стандартная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) рекордеров долгоиграющей граммофонной записи и обратная ей амплитудно-частотная характеристика предусилителей-корректоров, восстанавливающая исходный спектр сигнала при воспроизведении. При записи оригинала программы на лаковый диск сигнал обрабатывается цепью предыскажений с постоянными времени 3180, 318 и 75 мкс, что соответствует частотам перегиба АЧХ 50,05, 500,5 и 2122,1 Гц. При воспроизведении пластинки электромагнитным звукоснимателем исходный спектр сигнала восстанавливается обратной цепью с теми же постоянными времени. Сложная форма кривой RIAA — компромисс, сложившийся из необходимости получить наилучшее качество воспроизведения из технически несовершенных устройств механической грамзаписи.
Первые серийные пластинки, записанные по этой схеме частотных предыскажений, были выпущены компанией RCA Victor в августе 1952 года. В июне 1953 года схема RCA была одобрена США (NARTB) в качестве национального стандарта; выбор NARTB поддержали другие отраслевые институты, в том числе Американская ассоциация звукозаписывающих компаний (RIAA). К 1956 году новый стандарт, за которым закрепилось название «кривой RIAA», вытеснил конкурирующие форматы и захватил рынки США и Западной Европы. В 1959 году кривая RIAA была одобрена, а в 1964 году стандартизована Международной электротехнической комиссией. В 1972 году стандарт в редакции МЭК был принят в СССР. В 1976 году МЭК видоизменила стандартную кривую воспроизведения RIAA в области низких частот; нововведение встретило ожесточённую критику и не было принято промышленностью. В XXI веке подавляющее большинство производителей предусилителей-корректоров следует первоначальному стандарту кривой RIAA без изменений, введённых МЭК в 1976 году.
Математическое описание
АЧХ записи Стандартная амплитудно-частотная характеристика канала записи долгоиграющих пластинок («функция анти-RIAA») описывается формулой последовательного соединения трёх частотнозависимых звеньев первого порядка — двух дифференциаторов (числитель), и одного фильтра верхних частот (знаменатель): , или ,
где — колебательная скорость смещения канавки, и — частота и угловая частота сигнала, а , и — специфические именно для стандарта RIAA постоянные времени, определяющие частоты среза , , . В литературе используются разные способы нумерации этих частот и постоянных времени; в приведённых формулах они пронумерованы в хронологическом порядке внедрения их в производство ( — 1926 год, — 1938 год, — 1948 год):
=318 мкс задаёт частоту раздела низкочастотной (режим постоянства амплитуды смещения) и среднечастотной (режим постоянства амплитуды колебательной скорости) областей, =500,5 Гц; =75 мкс задаёт частоту раздела среднечастотной (режим постоянства амплитуды колебательной скорости) и высокочастотной (режим постоянства амплитуды смещения) областей, =2122,1 Гц. Интервал между и составляет всего две октавы, поэтому «изломы» идеализированной кусочно-линейной АЧХ в действительности представляют собой плавные перегибы; =3180 мкс задаёт частоту подъёма низких частот при записи (=50,05 Гц) — с тем, чтобы при последующем воспроизведении уменьшить относительный уровень рокота и низкочастотного шума.
АЧХ записи («функция анти-RIAA»), определяемая в терминах колебательной скорости смещения канавки, на практике измеряется в сквозном тракте от линейного выхода источника записываемого сигнала до выходных зажимов эталонного электромагнитного звукоснимателя и характеризует не производственное оборудование, но его конечный продукт — грампластинку. Отклонение реальной АЧХ записи от приведённой формулы, согласно Публикации МЭК-98, не должно превышать 2 дБ.
АЧХ воспроизведения Обратное преобразование напряжения на выходе электромагнитного звукоснимателя, которое пропорционально колебательной скорости, в выходное напряжение предусилителя-корректора выполняется «функцией RIAA». Стандартный фильтр RIAA эквивалентен последовательному соединению двух фильтров нижних частот первого порядка (знаменатель) и одного дифференциатора (числитель):
, или ,
с теми же, что и в АЧХ записи, значениями постоянных времени и частот. Отклонение АЧХ реальных устройств от стандарта не нормируется исходя из предположения, что такое отклонение может быть скорректировано темброблоком усилителя. Целевое значение предельного отклонения АЧХ от стандарта, принимаемое при разработке высококачественных предусилителей-корректоров, составляет ±0,1 дБ.
АЧХ канала воспроизведения («функция RIAA») всегда сосредоточена в предусилителе-корректоре. Эти предусилители практически непригодны для воспроизведения абсолютного большинства «патефонных» пластинок на 78 об/мин из-за спада АЧХ на средних и высоких частотах. Звучание таких пластинок получается тусклым, лишённым обертонов. При воспроизведении пластинок, записанных электрическими рекордерами первого поколения с особо низкой , этот эффект усугубляется дополнительным подъёмом нижних частот.
Область определения и нормирование Обе формулы определены в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц; за его пределами АЧХ не регламентируется. Формальная экстраполяция за пределы звукового диапазона показывает, что с уменьшением частоты ниже 20 Гц модуль АЧХ записи асимптотически приближается к единице, а с ростом частоты выше 20 кГц он растёт бесконечно, прямо пропорционально частоте. В реальных рекордерах, помимо фильтров записи RIAA, неизбежно присутствуют не предусмотренные стандартом фильтры, которые блокируют прохождение постоянного тока, инфразвуковых, ультразвуковых и радиочастот на приводы резца и не влияют на передачу звуковых частот. Например, в наиболее распространённом усилителе записи Neumann SAL 74B высокочастотные помехи отсекаются фильтром Баттерворта второго порядка с частотой среза 49,9 кГц. Вносимое им затухание в звуковом диапазоне, менее 0,1 дБ на 20 кГц, не ощутимо на слух и не требует какой-либо компенсации в канале воспроизведения.
На практике обе формулы всегда исчисляются в децибелах и нормируются относительно частоты 1 кГц. На этой частоте нормированные значения АЧХ и записи, и воспроизведения равны 0 дБ; нормированное значение АЧХ воспроизведения на частоте 20 Гц составляет +19,274 дБ (усиление в 9,198 раз относительно уровня на 1 кГц), а на частоте 20 кГц оно падает до −19.62 дБ (ослабление в 9,572 раз). Таким образом, коэффициенты усиления предусилителя RIAA на частотах 20 Гц и 20 кГц различаются на 39 дБ, или в 88 раз. Распространённое утверждение о том, что на частотах и нормированная АЧХ воспроизведения принимает значения +3 дБ и −3 дБ, не верно. Оно справедливо для одиночных фильтров первого порядка, но не для цепи последовательно соединённых фильтров с достаточно близкими частотами среза. Точные значения функции RIAA на и равны соответственно +2,648 дБ и −2,866 дБ.
Предназначение частотной коррекции
Особенности долгоиграющей звукозаписи
Классический технологический цикл производства стереопластинок начинается с нарезания оригинала грамзаписи в тонком слое нитроцеллюлозного лака, нанесённого на алюминиевый диск. Треугольный в плане, принудительно нагретый до 200—300 °С сапфировый резец, закреплённый на массивном тангенциальном «тонарме» рекордера, управляется двумя лёгкими, но мощными электромагнитными приводами, охлаждаемыми струями воздуха или гелия. Частотные искажения, собственный резонанс и нелинейность подвижной системы рекордера эффективно подавляются цепью электромеханической обратной связи, разработанной в конце 1930-х годов и ставшей де-факто отраслевым стандартом к середине 1960-х годов. Резец перемещается от края к центру диска строго по его радиусу, а ось симметрии резца всегда направлена по касательной к нарезаемой канавке.
Сигналы обоих стереоканалов кодируются поперечным (горизонтальным) смещением резца. Смещение внешней, ближней к краю пластинки, стороны канавки соответствует правому каналу, внутренней стороны — левому. Приводы резца ориентированы под углами +45° и −45° к оси резца, а подаваемые на них сигналы скоммутированы таким образом, что при записи монофонического (синфазного) сигнала изменяется только поперечное смещение канавки; её ширина и глубина остаются неизменными. Смещение резца в глубину лакового слоя и обратно соответствует разности сигналов левого и правого каналов. В ходе сведения фонограммы амплитуда вертикального перемещения ограничивается, чтобы избежать скачков иглы. Эта система стереофонической записи, получившая имя «системы 45/45», стала безальтернативным мировым стандартом в 1958 году.
Расстояние между канавками варьирует от 200 до 65 мкм (130—390 канавок на дюйм), что на скорости 33⅓ об/мин обеспечивает длительность воспроизведения одной стороны пластинки от 13 до 40 минут. Предельное поперечное смещение канавки в 1950-е годы ограничивалось величиной 25 мкм; по мере усовершенствования звукоснимателей оно постепенно увеличивалось. В стандарте СССР 1972 года предельное горизонтальное смещение канавки составляло 40 мкм, предельное вертикальное — не более 20 мкм; к 1978 году допустимое поперечное смещение выросло до 50 мкм. В XXI веке ширина немодулированной канавки практически никогда не опускается ниже 50 мкм; на громких фрагментах канавка расширяется до 80—90 мкм, а при записи синглов на 45 об/мин ширина канавки может достигать 125 мкм.
Верхняя граничная частота записи определяется высокочастотным резонансом резца и не превышает 25 кГц. На частотах выше этой границы амплитуда записываемых колебаний спадает столь быстро, что можно полагать, что записанный сигнал не содержит полезных ультразвуковых составляющих. Исключение — квадрофонические пластинки системы CD-4, в которых спектр полезного сигнала простирается до 45 кГц. Лаковые оригиналы этих пластинок нарезались обычными резцами при замедленной в два раза скорости вращения диска с замедленной в два раза магнитной фонограммы. Предельная частота записи составляла 22,5 кГц, но при воспроизведении на стандартной скорости она преобразовывалась в 45 кГц.
Геометрические ограничения при записи
Перемещение резца при нарезании канавки должно укладываться в три ограничения — по предельной амплитуде смещения канавки, по её предельной колебательной скорости и по предельному ускорению. Первое из них действует в равной мере на всей площади пластинки, отведённой для записи. Ограничения скорости и ускорения устанавливаются для наихудшего случая — канавок, ближайших к центру пластинки. Чем ближе канавка к центру, тем выше вероятность перегрузок и искажений, и наоборот: чем дальше канавка от центра, тем меньше плотность записи колебаний, что делает возможным тщательно рассчитанное превышение пределов скорости и ускорения.