F Miyara - Acústica y sistemas de sonido - cap 15, 23, 24 y 25.pdf

Soporte tericoCapitulos 15, 23, 24 y 25 del libro

Acstica y Sistemas de Sonido

por el Ing. Federico Miyara

Audio Digital 163

15.

Captulo 15

Audio Digital

15.1. Introduccin

Las tcnicas digitales han cobrado en las ltimas dcadas una importancia funda-mental en el desarrollo de nuevas tecnologas para la generacin, el procesamiento, elalmacenamiento y el anlisis del sonido. Ello ha sido posible gracias al avance vertigi-noso de la microelectrnica y su aplicacin a la produccin de dispositivos poderosos ycomplejos capaces de manejar y transformar cada vez ms con mayor precisin y rapi-dez la enorme cantidad de informacin contenida en el sonido.

Una de las primeras consecuencias de la aplicacin de la tecnologa digital al au-dio fue el desarrollo de sistemas de almacenamiento del sonido de gran confiabilidad,inalterabilidad y fidelidad. Otra fue el gran impulso al desarrollo de instrumentos musi-cales electrnicos de gran complejidad y versatilidad. La tercera consecuencia fue eldesarrollo y aplicacin de tcnicas para el procesamiento de la seal sonora, que permi-tieron no slo el mejoramiento de procesos que antes se llevaban a cabo analgicamentesino tambin la introduccin de nuevos procesos, entre los cuales se encuentran unagran cantidad de efectos tales como retardos, modulaciones, reverberaciones y espacia-lizaciones de gran realismo y naturalidad, cuya implementacin analgica sera muchoms costosa y por lo tanto destinada a un mercado mucho ms restringido.

La idea bsica detrs del audio digital es la de representar el sonido por medio denmeros (digital viene de dgito, es decir nmero). An antes de profundizar el anli-sis, es fcil ver que esto tiene varias ventajas. En primer lugar, se elimina el problemade la alterabilidad de la informacin. Es mucho ms fcil guardar un nmero que lamagnitud fsica que ese nmero representa. Por ejemplo, si quisiramos guardar unavarilla de 57,235 cm de longitud, tendramos serias dificultades, ya que la dilatacin acausa de la temperatura, o cualquier partcula de polvo que se adhiriera a sus extremos,o simplemente el desgaste, podran causar un error. Esto, que es vlido para la longitudde una varilla, lo es ms para el campo magntico almacenado en una cinta grabada.

En segundo lugar, existen algoritmos (mtodos de clculo) para realizar digital-mente no slo todos los tipos de procesamiento utilizados en el audio tradicional, comola amplificacin, la mezcla, la modulacin, el filtrado, la compresin y expansin, etc.,sino muchos otros ms, entre los cuales se encuentran los retardos, los sincronismos, losdesplazamientos de frecuencia, la generacin de sonidos por diversos procedimientos,etc. Estos algoritmos pueden implementarse en una computadora de propsito general obien en dispositivos especficos llamados procesadores digitales de seal (DSP).

164 Acstica y Sistemas de Sonido

En tercer lugar, el reemplazo de los procesadores analgicos por sus equivalentesdigitales permite evitar la degradacin de la seal a causa del ruido analgico, lo cual esconveniente dado que el ruido analgico es muy difcil de eliminar.

15.2. Numeracin binaria

Dado que todos los sistemas digitales se basan en la numeracin binaria, antes decomenzar a describir los procesos bsicos de muestreo y digitalizacin del sonido nosreferiremos brevemente a esa numeracin. En la numeracin decimal (el sistema queempleamos habitualmente), se utilizan diez smbolos (los dgitos 0, 1, 2, ..., 9) en unsistema posicional para representar las sucesivas cantidades. Esto significa que cadanueva cifra que se agrega tiene un peso 10 veces mayor que la que se encuentra a suderecha. Por ejemplo,

27 = 2 10 + 7 ,

306 = 3 102 + 0 10 + 6 .

En la numeracin binaria, se utilizan slo dos smbolos (los dgitos 0 y 1), tambin enun sistema posicional, slo que ahora cada nueva cifra tiene un peso slo 2 veces mayorque la anterior. Por ejemplo,

101 = 1 22 + 0 2 + 1 5 ,

11011 = 1 24 + 1 23 + 0 22 + 1 2 + 1 27 .

En esta numeracin, el 1 tiene caractersticas similares al 9 del sistema decimal, es de-cir, una vez que llegamos al 1 debemos agregar una nueva cifra 1 y cambiar la primerapor 0. En la Tabla 15.1 se muestra la conversin de decimal a binario para los nmerosdel 0 al 15.

La razn por la que se utilizan los nmeros binarios es porque elctricamente esmuy fcil codificar los 0s y los 1s. Basta utilizar un nivel de tensin alto (5 V) para un1 y un nivel de tensin bajo (0 V) para un 0. Esto hace que la representacin sea extre-madamente insensible al ruido. En efecto, la seal seguira siendo recuperable an enpresencia de un ruido de 2 V, que corresponde a una relacin seal/ruido tan baja como20 log 5/2 = 8 dB (inadmisible si el sistema fuera analgico).

15.3. Muestreo

Pasemos ahora al concepto de muestreo (sampling). Las seales acsticas (y porlo tanto las seales elctricas que las representan) varan en forma continua, lo que sig-nifica que en un intervalo de tiempo dado, por pequeo que sea, existen infinitos valoresdiferentes. Sin embargo, a los efectos del mensaje auditivo, no hace falta tanta informa-cin. Primero, porque el odo no tiene tanta discriminacin en el tiempo, y segundoporque tampoco tiene tanta discriminacin en la amplitud como para distinguir valoresque por estar muy prximos en el tiempo difieren muy poco en amplitud. No solamente

Audio Digital 165

Tabla 15.1. Conversin del sistema binario al decimal.Los ceros ubicados a la izquierda son opcionales.

Decimal Binario

0 00001 00012 00103 00114 01005 01016 01107 01118 10009 100110 101011 101112 110013 110114 111015 1111

no hace falta tanta informacin sino que desde el punto de vista prctico tampoco esconveniente ni posible manejarla. Entonces surge el concepto de muestreo (sampling).Muestrear una seal significa reemplazar la seal original por una serie de muestrastomadas a intervalos regulares. La frecuencia con la que se toman las muestras se de-nomina frecuencia de muestreo, fM, y el tiempo entre muestras, periodo de muestreo,TM. Se cumple que

MM T

1f == .

En la Figura 15.1 se ilustra el proceso de muestreo. En la grafica superior se grafica laonda original y los instantes de muestreo, y en la figura de abajo se indican las muestras.

15.4. Frecuencia de muestreo

Es intuitivamente evidente que la frecuencia de muestreo debe ser bastante alta, yaque entonces se logra un grado de detalle mucho mayor, lo cual significa que el sonidoser reproducido con mayor fidelidad al original. En realidad existe un criterio que debecumplirse obligatoriamente en todo proceso de muestreo, y es que la frecuencia demuestreo debe ser mayor que el doble de la mxima frecuencia presente en la seal. Esdecir

mxM f2f >> .


Esto es consecuencia de un teorema llamado Teorema del muestreo, que dice que unaseal muestreada puede recuperarse totalmente slo si fue muestreada cumpliendo conel criterio anterior. La frecuencia fM/2 se denomina frecuencia de Nyquist.

Figura 15.1. Efecto del proceso de muestreo sobre una onda senoi-dal. La frecuencia de muestreo es en este caso 14,7 veces mayor quela frecuencia de la onda.

Es importante comprender que la frecuencia mxima que aparece en la frmulaanterior no se refiere slo a la mxima frecuencia de inters, sino en realidad a la m-xima frecuencia que efectivamente aparece en la seal a muestrear, aunque dicha fre-cuencia provenga de un ruido de alta frecuencia que contamina la seal. En caso de nocumplirse el criterio, al intentar recuperar la seal aparecern componentes de frecuen-cia en la banda til. Para verlo, supongamos que muestreamos con una frecuencia de40 kHz una seal de audio, y que aparece un ruido (inaudible) de 35 kHz superpuesto ala seal, situacin ilustrada en la Figura 15.2. Como consecuencia del proceso demuestreo y posterior reconstruccin de la seal, aparece una frecuencia de 5 kHz que nose encontraba presente en la seal original. Esta frecuencia, que sustituye a la originalde 35 kHz, se denomina alias de aqulla. Obsrvese especialmente que la frecuenciaoriginal (35 kHz) no produca sensacin audible, pero la nueva frecuencia, no slo esaudible sino que est cerca de la regin de mxima sensibilidad del odo y por lo tantose percibir como un silbido notorio y molesto.

seal

t

sealmuestreada

t

TM

Audio Digital 167

Figura 15.2. Efecto del muestreo con una frecuencia menor que eldoble de la mxima frecuencia contenida en la seal. Una seal de 35kHz se muestrea con una frecuencia de 40 kHz; al intentar recons-truirla, aparece una frecuencia alias de 5 kHz.

El ejemplo anterior nos est sealando que si pretendemos que la seal pueda re-construirse correctamente despus del proceso de muestreo es imprescindible eliminartoda frecuencia espuria que caiga ms all del espectro de audio, es decir por encima de20 kHz. Se utiliza para ello un filtro pasabajos de pendiente muy abrupta en la banda decorte (96 dB/octava ms), denominado filtro antialias (en ingls antialiasing filter).

La eleccin como frecuencia de muestreo estndar de 44,1 kHz para audio digitalobedece precisamente a este problema de las frecuencias alias y la consecuente necesi-dad de un filtro antialias. Si imponemos una frecuencia mxima de 20 kHz para el audiode alta calidad, el filtro antialias deber tener su frecuencia de corte en 20 kHz, y comosu cada es rpida pero no infinitamente rpida, recin despus de los 22 kHz se puedeconsiderar que las seales espurias han quedado reducidas a niveles despreciables (Fi-gura 15.3). Por ello se ha adoptado una frecuencia de algo ms del doble, es decir44,1 kHz (el valor exacto de 44,1 kHz en lugar de 44 kHz surgi en los comienzos dela grabacin digital en cinta de video, para compatibilizar la norma de audio con la devideo).

Un inconveniente de los filtros antialias es su gran complejidad y el hecho de queno son del todo inofensivos para la seal dentro de la banda de paso (en este caso la deaudio). Aunque el filtro afecte slo imperceptiblemente la amplitud de la seal en dichabanda, afecta de un modo apreciable la fase, lo cual puede alterar la imagen estreo.

sealmuestreada

seal

t

t

TM

Seal original

Seal reconstruida


Adems, afecta las seales rpidamente variables agregando pequeos transitorios defrecuencias prximas a la de corte. Por esa razn, otros formatos de audio digital utili-zan frecuencias de muestreo ms altas, como 48 kHz (el DAT, por ejemplo), que re-quieren filtros menos complejos. En realidad la frecuencia de 44,1 kHz obedecelimitaciones tecnolgicas propias de la poca en que surgi el compact disc.

Figura 15.3. Respuesta en frecuencia de un filtro antialias utilizadopara audio digital de alta calidad.

15.5. Digitalizacin

Una vez tomada cada muestra es necesario almacenarla, y para ello debe ser trans-formada en un nmero, ms especficamente, en un nmero binario. Esta funcin lacumple un dispositivo denominado conversor analgico-digital (A/D), que conviertevalores de tensin en nmeros binarios.

Consideremos el ejemplo de la Figura 15.4, en el cual utilizamos nmeros bina-rios de 3 dgitos. Dado que un dgito binario se denomina bit (del ingls, binary digit),estaremos utilizando, por lo tanto, nmeros de 3 bits. Es fcil ver que existen 8 (= 23)nmeros de 3 bits: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 y 111. Para representar los diver-sos valores de tensin que pueden tomar las muestras, dividimos el rango de variacinde la seal en 8 niveles, y aproximamos cada muestra al nivel inmediato inferior.

En la parte central de la Figura 15.4 se comparan las muestras exactas (puntosvacos), y las muestras digitalizadas (puntos llenos), aproximndolas de la manera co-mentada. Vemos que el error mximo que se comete es de una divisin, que a su vezcorresponde a 1 bit. La forma de onda reconstruida difiere considerablemente de la ori-ginal debido a que una resolucin de 3 bits es muy pequea.

En el ejemplo anterior adoptamos, en forma arbitraria, una resolucin de 3 bits.El resultado fue, como pudo observarse, bastante deficitario, ya que la onda reconstrui-da estaba muy distorsionada. Sera interesante disponer de algn criterio ms sistemti-co para seleccionar la resolucin requerida.

El problema es similar al de decidir cuntos dgitos decimales se necesitan pararepresentar una longitud dada con suficiente precisin. Por ejemplo, si quisiramos re-presentar la longitud de objetos menores de 1 m con una precisin milimtrica, necesi-taramos 3 dgitos decimales, ya que dichos objetos podran medir entre 0 y 999 mm. Sien cambio quisiramos una precisin de dcimas de milmetro, necesitaramos 4 dgitos,ya que los objetos podran medir entre 0 y 9.999 dcimas de mm.

ganancia

f [kHz]20 22 fM = 44,1

1

Audio Digital 169

Figura 15.4. Efecto del proceso de muestreo y digitalizacin sobre unaonda senoidal. La resolucin es de 3 bits y la frecuencia de muestreo14,7 veces mayor que la frecuencia de la onda. En la figura central lospuntos vacos representan las muestras exactas y los puntos llenos lasmuestras digitalizadas. Abajo se muestra la seal reconstruida.

En audio, el criterio para determinar la precisin es la relacin seal/ruido.Analicemos desde este punto de vista el ejemplo de la Figura 15.4. Dejando de lado elruido propio que pudiera contener la seal, un efecto colateral de la digitalizacin es laaparicin de un error, el cual puede asimilarse a un ruido. Este ruido se conoce comoruido de digitalizacin. Bajo esta interpretacin, el mximo valor pico a pico de laseal es proporcional a 8, y el mximo valor pico a pico de ruido es proporcional a 1.Entonces, la relacin seal a ruido es 8/1 = 8, que expresada en dB es

seal

t

000001010011100101110111

seal muestreaday digitalizada

t

000001010011100101110111

sealreconstruida

t


S R dB/ log= =208

11810 .

Si tenemos en cuenta que en audio de alta fidelidad se manejan hoy en da relacionesseal/ruido mayores de 90 dB, podemos comprender por qu una resolucin de 3 bits espor completo insuficiente.

Supongamos ahora que aumentamos la resolucin a 4 bits. Dado que ahora hay 16posibles valores en lugar de 8, la relacin seal a ruido en dB ser ahora

S R dB/ log= =2016

12410 .

Vemos que se ha incrementado en 6 dB. Esto puede interpretarse as: si bien laamplitud de la seal no cambi, al duplicar la cantidad de niveles, cada nivel se redujo ala mitad, por lo cual el ruido de digitalizacin tambin se redujo a la mitad. Entonces larelacin seal a ruido se duplica, y una duplicacin equivale a un incremento de 6 dB.Si ahora incrementramos la resolucin nuevamente en 1 bit, llevndola a 5 bits, obser-varamos que nuevamente el ruido se reducira a la mitad, por lo que la relacin se-al/ruido experimentara otro incremento de 6 dB.

Podemos obtener una expresin general para la relacin seal a ruido. Si adopta-mos una resolucin de n bits, donde n es cualquier nmero entero, resulta

dBn6R/S bitsn == .

Aplicando esta frmula a la resolucin estndar de 16 bits utilizada en los formatos mspopulares de almacenamiento de sonido digital, resulta una relacin seal/ruido de96 dB. Esta relacin seal/ruido es, en condiciones normales, suficiente para crear con-trastes dinmicos imponentes. En efecto, tengamos en cuenta que muy rara vez se tieneen la msica un nivel sonoro de ms de 110 dB (el cual es realmente ensordecedor ypara nada recomendable). Si restamos a este valor 96 dB, obtenemos 14 dB, nivel sono-ro que probablemente pocas personas tengan el privilegio de haber escuchado, ya quean en condiciones de gran silencio durante la noche, en una habitacin interior, nor-malmente es difcil bajar de los 20 dB de nivel de presin sonora.

Es necesario advertir que aunque un sistema funcione con formato de audio digitalde 16 bits, su relacin seal/ruido no necesariamente ser de 96 dB. Esto se debe a queen los diversos componentes analgicos que forman parte de todo dispositivo se generaruido que se agrega al ruido de digitalizacin. En los equipos de bajo costo, como porejemplo los discman o los minicomponentes, la electrnica de baja costo (y baja cali-dad) utilizada en su fabricacin es particularmente ruidosa y la relacin seal/ruido reales bastante menor que 96 dB.

15.6. Reconstruccin de la seal

Veamos ahora con ms detalle el proceso de reconstruccin de la seal. El proce-dimiento ms simple consiste en obtener, mediante un conversor digital-analgico(D/A), un valor proporcional al nmero binario de cada muestra y mantenerlo constante

Audio Digital 171

hasta que llegue una nueva muestra, es decir durante un periodo de muestreo TM. Esteprocedimiento se denomina retencin simple. En la Figura 15.5 se muestra este proce-dimiento para la seal digitalizada de la Figura 15.4.

Figura 15.5. Reconstruccin de la seal digitalizada de la Figura15.4 mediante una retencin simple.

Una vez reconstruida la seal, debemos utilizar un filtro de suavizado, es decirun filtro pasabajos que quite la forma escalonada que resulta de la retencin simple.Dicho filtro debe tener caractersticas similares a las del filtro antialias que habamosintroducido para la digitalizacin, es decir, debe ser bastante abrupto para eliminar casipor completo las frecuencias superiores a los 20 kHz, y en cambio permitir pasar lasinferiores. Nuevamente, un filtro de ese tipo por un lado es complejo y por el otro pro-duce distorsiones de fase. Para resolver esta situacin se ha introducido el concepto desobremuestreo (oversampling).

El sobremuestreo consiste en intercalar, entre las muestras de la seal realmenteobtenidas o almacenadas, otras muestras calculadas por interpolacin. As, por ejem-plo, un sobremuestreo por 8 agrega 7 muestras calculadas por cada muestra real. El re-sultado equivale a una frecuencia de muestreo 8 veces superior a la original. Si fM =44,1 kHz, entonces la nueva frecuencia de muestreo es de 352,8 kHz, la cual puedeeliminarse con filtros pasabajos mucho ms sencillos y con menos efectos sobre la fasey sobre los transitorios de la seal. El sobremuestreo se utiliza hoy corrientemente enlos reproductores de compact disc, lo cual es posible porque la velocidad de la electr-nica es mucho mayor que lo que era cuando recin haba surgido esta nueva tecnologa.

15.7. Memorias electrnicas

Introduzcamos ahora algunos conceptos relativos a las memorias electrnicas.Existen bsicamente dos tipos de memorias: las memorias RAM (random access me-mory), y las memorias ROM (read only memory). Las memorias RAM son memoriasde lectura y escritura, es decir en las cuales es posible escribir (guardar) nmeros bina-rios, y posteriormente leerlos. Son memorias voltiles, es decir que una vez interrumpi-do el suministro de energa elctrica (al desconectar el equipo) la informacin se pierde.Las memorias ROM son memorias de lectura solamente, en las cuales no es posible

sealreconstruida

t


escribir. En ellas hay datos fijos de fbrica, que no se pierden al desenergizar el equipo.Se utilizan mucho para guardar formas de onda muestreadas, como en la mayora de lossintetizadores actuales.

En ambos tipos de memoria los datos se almacenan en posiciones sucesivas, cadauna de ellas identificada con un nmero binario denominado direccin. En la Figura15.6 se ilustra con un ejemplo la estructura de una memoria con datos de 4 bits y direc-ciones de 3 bits. As, en la direccin 0, es decir 000, se encuentra almacenado el nme-ro binario 0110 (en decimal, 6), y en la direccin 3, es decir 011, se encuentra

000 001 010 011 100 101 110 111

0110 0001 1110 1101 0010 1000 0001 0010

Figura 15.6. Estructura de almacenamiento de una memoria digital.La memoria se organiza en posiciones identificadas con direcciones.

almacenado el nmero binario 1101 (en decimal, 13). En la Figura 15.7 se muestran lasentradas y salidas principales de una memoria RAM . Cuando nos referimos a una en-trada de datos de 4 bits, por ejemplo, en realidad est formada por 4 lneas o cables, ypor eso tanto la entrada como la salida y la direccin se han dibujado como flechas

Figura 15.7. Entradas y salidas de una memoria RAM . Las flechasdelgadas representan seales binarias de 1 bit de control, y las flechasgruesas son datos digitales de varios bits.

gruesas. Las entradas de lectura y escritura son seales binarias de 1 bit, cuya funcines de control. Cuando la entrada de escritura toma el valor 1, el dato digital X presenteen ese instante en la entrada de datos se escribir en la direccin D indicada por la en-trada de direcciones. Para leer dicho valor, bastar volver a aplicar el valor D en la en-trada de direcciones y dar valor 1 a la entrada de lectura. El valor guardado apareceren la salida de datos.

Desde el punto de vista del conexionado, la nica diferencia entre una memoriaRAM y una ROM es que esta ltima no tiene entrada de escritura. En el caso de laRAM , despus de escribir un dato en una direccin ste quedar almacenado all hasta

MemoriaRAM

Direccin

Datos

Datos

Lectura

Escritura

Audio Digital 173

que se escriba un nuevo dato en el mismo lugar o hasta que se interrumpa el suministrode energa elctrica al circuito.

Aunque por razones conceptuales nos hemos referido a la entrada y la salida dedatos como si fueran entidades fsicamente diferentes, en realidad son el mismo con-junto de lneas cuya funcin en cada instante depende de cul de las entradas de controlvalga 1. Si ambas entradas son 0, dichas lneas se desconectan de modo de no cargar alresto del circuito.

15.8. Dither

Cuando se digitalizan seales de muy bajo nivel (cercano a la resolucin del con-versor) el ruido de digitalizacin se convierte en una distorsin, cuyo efecto es msperjudicial que el de un ruido aleatorio. Por ejemplo, si se digitaliza una seal senoidalde 100 Hz y amplitud apenas menor que un escaln (Figura 15.8), se obtiene una seal

Figura 15.8. Distorsin creada al muestrear seales de bajo nivel.

que al reconstruirse ser nuy similar a una onda cuadrada, y por lo tanto contendr ar-mnicos de 300 Hz, 500 Hz, 700 Hz, etc. Si en lugar de una onda senoidal se aplicarandos o ms, aparecera, similarmente, una distorsin por intermodulacin sumamenteindeseable.

Una manera de evitar estos inconvenientes es aplicar una pequea cantidad deruido aleatorio antes del muestreo y posterior digitalizacin. Este ruido, cuyo valor efi-caz es, normalmente, menor que un escaln, se denomina dither. Si bien el efecto esempeorar ligeramente la relacin seal a ruido, desde el punto de vista auditivo trans-forma esta distorsin en un ruido aleatorio, que es mucho ms aceptable, sobre todo enniveles tan bajos.

Tambin se acostumbra a aplicar dither en los procesos de recuantizacin, es de-cir cuando, por ejemplo, se desea reducir la resolucin de una seal grabada en 20 bits a16 bits a fin de volcarla a un formato comercial como el compact disc. Si solamente setruncaran los datos de 20 bits eliminando los 4 bits menos significativos, se produciraninconvenientes similares al descripto. En ese caso, el ruido se genera digitalmente y seagrega antes de proceder al truncado.

seal

t

010

011

100

101


23.

Captulo 23

Registro magntico

23.1. Introduccin

Al hablar de registro magntico se hace referencia al registro de seales o infor-macin en cualquier tipo de soporte basado en la magnetizacin. As, al principio de lamagnetofona se utilizaban alambres y cintas de acero, y posteriormente durante algntiempo se utilizaron cintas de papel recubiertas con materiales magnticos. En la actua-lidad se utilizan cintas plsticas (por ejemplo de polister, o mylar) recubiertas por unaemulsin con partculas ferromagnticas, discos flexibles (diskettes o floppy disks), ydiscos rgidos (hard disks). Estos dos ltimos se utilizan para almacenar informaciny/o seales digitales, mientras que las cintas permiten almacenar seales analgicas ydigitales, as como informacin digital no temporal (por ejemplo el tape back up).

An cuando a mediano plazo el soporte magntico deje de tener la prevalencia deque goza hoy en da (2000) para ser reemplazado por la memoria digital integrada y losdiversos tipos de tecnologa ptica, por algn tiempo va a continuar siendo una opcineconmica para el registro de la seal de audio, tanto en su forma analgica (cinta, cas-sette) como en su forma digital (DAT, 8mm, SVHS ), y por ello es importante conocersus principios, as como sus posibilidades y sus limitaciones.

23.2. Magnetismo y electromagnetismo

Probablemente la mayora de las personas est familiarizada con algunos fenme-nos magnticos bsicos, como la atraccin que producen los imanes sobre el hierro, o laatraccin o repulsin que tiene lugar entre dos imanes segn la orientacin relativa desus polos. Sin embargo, no todos conocen la importante interaccin que existe entre losfenmenos elctricos y los magnticos.

23.2.1. Campo magntico y fuerza sobre cargas mvilesEl fenmeno ms elemental es el que permite definir el campo magntico. Se di-

ce que en un determinado punto hay presente un campo magntico cuando una cargaelctrica mvil que pasa por ese punto experimenta una fuerza que tiende a desviar sumovimiento. El ejemplo ms conocido de cargas en movimiento es la corriente elctri-ca, de manera que un cable que transporta corriente elctrica experimenta una fuerzacuando se encuentra en un campo magntico.

Registro Magntico 207

Los imanes son objetos capaces de provocar espontneamente un campo magnti-co a su alrededor, de modo que si acercamos un imn a un cable por el que circula co-rriente elctrica, se producir una fuerza sobre el cable. De hecho este es el principio deoperacin no slo del motor sino de los altavoces de bobina mvil, ya vistos en el cap-tulo 10. Tambin se ha utilizado este principio en los instrumentos de medicin analgi-cos (por ejemplo el tster o multmetro y los vmetros de algunos amplificadores,consolas, etc.). En estos casos, dado que la fuerza sobre un solo conductor es relativa-mente pequea, se utilizan varios conductores transportando la misma corriente, y paraello simplemente se arrolla el conductor en forma de bobina. As, si la bobina tiene 50espiras, a pesar de que se trata de la misma corriente que pasa por todas las espiras,desde el punto de vista de la interaccin electromagntica es como si hubiera 50 cablesindependientes, o un solo cable con una corriente 50 veces mayor. Cualquiera sea lainterpretacin, el resultado concreto es que la fuerza es 50 veces ms alta.

23.2.2. Campo magntico creado por cargas mvilesEl segundo fenmeno importante de interaccin elctrica y magntica es el hecho

de que una carga mvil crea a su alrededor un campo magntico. Dado que una co-rriente elctrica son cargas en movimiento, resulta que una corriente genera un campomagntico. Igual que en el caso anterior, cuanto mayor sea la corriente circulando en unmismo sentido, mayor ser el campo magntico generado, y por lo tanto tambin es v-lido el recurso de arrollar un mismo cable formando una bobina con varias espiras. Enla seccin siguiente veremos que tambin es posible aumentar el campo magntico pro-ducido utilizando un ncleo de hierro dentro de la bobina.

23.2.3. Fuerza electromotriz inducidaEl tercer fenmeno de interaccin electromagntica es, quizs, el ms sorpren-

dente. Cuando se tiene un circuito cerrado atravesado por un campo magntico variableaparece una fuerza electromotriz inducida en el circuito, que equivale a insertar unafuente de tensin en el circuito. Dicha tensin inducida es tanto mayor cuanto ms rpi-do est cambiando el campo magntico. Si el circuito (o parte de l) se arrolla en formade bobina, el campo magntico induce en cada espira la misma tensin, con lo cual latensin total inducida se multiplica por el nmero de espiras.

Hay dos formas sencillas en que se puede obtener un campo variable en el tiempo.La primera es moviendo el circuito cerca de un imn, alejndolo y acercndolo (el cam-po magntico es mayor cerca de los polos). Esto es lo que sucede en el micrfono din-mico. La bobina se desplaza impulsada por las variaciones de presin sonora. Tambinsucede en las dnamos. En este caso la bobina gira a causa de un movimiento impuestoexternamente, pasando alternativamente frente a un imn. El campo magntico queatraviesa la bobina vara, y sta genera tensin. La otra forma de obtener un campomagntico variable es la que se usa en los transformadores: el campo magntico es ge-nerado por otra bobina (denominada arrollamiento primario) por la cual circula unacorriente variable en el tiempo, es decir alterna.

23.2.4. Lneas de fuerzaUna forma til para visualizar un campo magntico son las llamadas lneas de

campo o lneas de flujo, o tambin lneas de fuerza. Son siempre curvas cerradas, y enlas zonas donde el campo magntico es ms intenso tienden a estar ms prximas unas


de otras. Esto permite, de un simple golpe de vista, tener idea de cmo est distribuidoel campo, como se puede ver en el ejemplo de la Figura 23.1a. En algunos casos esposible poner de manifiesto experimentalmente las lneas de campo. El ejemplo msconocido consiste en colocar un imn debajo de una cartulina y espolvorear limadurasde hierro sobre la cartulina. Las limaduras se acomodan creando un diseo muy similara las lneas de campo Figura 23.1b.

Figura 23.1. (a) Lneas de campo trazadas grficamente en el caso deun imn. (b) Las lneas de campo puestas en evidencia experimental-mente mediante limaduras de hierro.

23.3. Ferromagnetismo

Antes de enfocar el problema especfico del registro magntico es preciso incur-sionar brevemente en los aspectos bsicos del ferromagnetismo. Los materiales ferro-magnticos, como el hierro, el cobalto, el cromo, el nquel, el gadolinio, el neodimio, yalgunos compuestos y aleaciones de stos, tienen la particularidad de que al ser inmer-sos en un campo magnetizante suficientemente intenso, luego de interrumpido ste con-servan un magnetismo remanente, es decir que crean por sus propios medios uncampo magntico en sus proximidades.

La explicacin fsica de la aparicin de magnetismo espontneo sin corrientesaparentes est en el movimiento de los electrones dentro del tomo, tanto alrededor delncleo atmico (orbital) como alrededor de s mismos (spin). Estos movimientos girato-rios constituyen minsculas corrientes que producen pequeos campos magnticos (Fi-gura 23.2). En los materiales no ferromagnticos (llamados paramagnticos odiamagnticos), estos campos magnticos estn orientados al azar, por lo cual susefectos se cancelan, dando origen a campos magnticos despreciables. En los materialesferromagnticos, en cambio, existen pequeas regiones (de dimensiones normalmentede algunas centsimas de mm o menos) con la propiedad de que los campos magnticosde todos sus tomos tienen la misma orientacin, y por lo tanto se suman. Estas regionesse denominan dominios magnticos, y son comparables a pequeos pero poderososimanes (Figura 23.3).

N

S

N

S

(a) (b)


Figura 23.2. Un electrn movindose alrededor del ncleo del tomoy alrededor de su propio eje implica la existencia de minsculas co-rrientes que producen un campo magntico.

Figura 23.3. Representacin esquemtica de los dominios magnticosen un trozo de hierro como pequeos imanes orientados al azar. Elcampo magntico resultante es nulo.

En 1 cm3 de hierro virgen, es decir no magnetizado, puede haber miles de millo-nes de estos dominios, y si bien dentro de cada dominio los campos magnticos atmi-cos o moleculares estn alineados, los campos resultantes de dominios diferentes estnorientados al azar, de manera que se tiende a producir una cancelacin de dichos cam-pos. El resultado es que no existe campo magntico a nivel global.

Pero si se aplica un campo magntico externo, se producen dos fenmenos: a) losdominios cuya orientacin coincide con la orientacin del campo magntico aplicadoaumentan de tamao en detrimento de los restantes, y b) se produce una reorientacindel campo magntico de los dominios. El fenmeno a) ocurre cuando el campo aplicadoes dbil o medianamente intenso, y el b) cuando es muy intenso (Figura 23.4). Debeaclararse que la reorientacin del campo no implica movimiento mecnico de los domi-nios.

Una primera consecuencia es que el campo magntico se multiplica enormemente,tanto ms cuanto ms fcilmente se produzcan los fenmenos mencionados, es decircuanto mayor sea la permeabilidad magntica del material. En el hierro puro, porejemplo, la reorientacin se logra fcilmente, es decir que es suficiente un campo mag-ntico externo pequeo. El acero, por el contrario, requiere campos ms intensos. Unejemplo de esta multiplicacin del campo la constituye el electroimn. Si tomamosalambre de cobre esmaltado (como el que se usa para bobinar transformadores) y loarrollamos formando una bobina alrededor de un carretel vaco de hilo de coser, y co-nectamos los extremos (raspados para eliminar el esmalte) a una pila, circular una co-

electrn

rbita

ncleospin


rriente por el arrollamiento, generando un campo magntico bastante dbil en su inte-rior, de hecho insuficiente para atraer trozos de hierro. Pero si ahora introducimos unabarra de hierro en el orificio del carretel, el campo magntico se incrementar, obte-niendo el equivalente de un pequeo imn, que podr atraer ahora alfileres y otros ob-jetos de hierro (Figura 23.5).

Figura 23.4. (a) En un campo magntico dbil los dominios mejororientados aumentan de tamao, a costa del resto. (b) Si el campoaplicado es ms intenso, adems se reorientan los dominios, de modoque la mayora estn en direcciones prximas a la del campo.

La segunda consecuencia es que si retiramos el campo magnetizante (en el ejem-plo anterior, si desconectamos la pila) el hierro no vuelve al estado previo, sino quequeda magnetizado con un magnetismo residual o magnetismo remanente, y entoncesse obtiene un imn permanente (Figura 23.5c). En otras palabras, el fenmeno demagnetizacin no es reversible.

La tercera consecuencia es que la relacin entre el campo magnetizante y el cam-po magntico obtenido no es lineal. Si se incrementa demasiado el campo magnetizante,finalmente terminan reorientndose todos los dominios y entonces se llega al mximocampo magntico posible. Este estado del material se denomina saturacin magntica(ver la Figura 23.6).

(a)

(b)


Figura 23.5. (a) Una bobina sin ncleo por la que circula una co-rriente genera un campo magntico muy dbil para atraer objetos. (b)Al agregar un ncleo ferromagntico, se transforma en un electroi-mn. (c) Al retirar la bobina, el ncleo conserva un magnetismo re-manente, comportndose ahora como un imn.

Figura 23.6. Cuando el campo aplicado es demasiado intenso, todoslos dominios se orientan en la direccin del campo aplicado y el ma-terial entra en saturacin magntica.

Todo lo anterior puede resumirse en la curva de la Figura 23.7. En lugar delcampo magnetizante se utiliza la fuerza magnetizante, H, que difiere slo en unaconstante de aqul (lo cual equivale a un simple cambio de escala). Vemos que cuandoH es pequeo, el campo magntico resultante del cambio de tamao de los dominioscrece lentamente. Cuando H es ms intensa, el campo comienza a crecer ms rpida-mente, hasta que se alcanza el nivel en el que se reorientan los dominios, donde sobre-viene la saturacin. Al disminuir nuevamente H, el campo magntico no disminuye tanrpido como haba aumentado, de suerte que al llegar a H = 0 el campo B no se reducea 0 sino que queda en un valor residual, el magnetismo remanente, BR.

La vuelta por una curva diferente de la de ida se denomina histresis, y puede in-terpretarse como que el material ferromagntico tiene memoria de su historia magn-tica. Esta histresis es la base de la grabacin magntica, tanto analgica como digital.

Nos preguntamos ahora qu sucede si en lugar de aplicar una fuerza magnetizanteque lleva al material a la saturacin aplicamos diferentes valores menores. Resulta que

(a) (b) (c)


el magnetismo remanente depende del valor de la fuerza magnetizante aplicada (Figura23.8). Podemos trazar una curva de transferencia, graficando el valor del magnetismoremanente BR en funcin de la fuerza magnetizante mxima aplicada en cada caso. Lagrfica, presentada en la Figura 23.9 para fuerzas magnetizantes positivas y negativas,resulta bastante alineal.

Figura 23.7. Curva que da la relacin entre la fuerza magnetizante Hy el campo magntico B. A partir de 1 el aumento de tamao de losdominios se hace irreversible. A partir de 2 comienza la reorientacinde los dominios. El descenso por un camino diferente del ascenso seconoce como histresis.

Figura 23.8. Curvas de histresis mostrando cmo para diferentesvalores de la fuerza magnetizante H se obtienen diferentes magnetis-mos remanentes, al hacer luego H = 0.

Figura 23.9. Curva de transferencia entre la fuerza magnetizante y elmagnetismo remanente.

H

B

H

B

Saturacin

MagnetismoRemanente

1

2

H

BR


23.4. Principios de la grabacin magntica

La idea subyacente en la grabacin magntica es la de generar una fuerza magne-tizante proporcional a la seal a grabar, y aplicarla mediante el cabezal de grabacin enuna pequea regin de una cinta recubierta con partculas ferromagnticas. Estas part-culas reaccionan produciendo un campo magntico determinado mientras se encuentrapresente la fuerza magnetizante. Al desplazarse la cinta, la regin afectada deja de seralcanzada por la fuerza magnetizante y su campo magntico disminuye hasta llegar almagnetismo remanente (Figura 23.10). Dado que este magnetismo remanente dependedel valor de la fuerza magnetizante, y sta a su vez dependa de la seal, resulta que elmagnetismo remanente vara con la seal.

Figura 23.10. Proceso simplificado de grabacin en una cinta recubiertacon partculas ferromagnticas. En (a) se aplica un pulso de corriente a labobina. En (b) la cinta se ha desplazado, y la zona previamente sometidaa una fuerza magnetizante permanece magnetizada.

23.5. Principios de la reproduccin magntica

Una vez grabada la seal en una cinta, es necesario disponer de un mtodo parareproducirla. La idea consiste en volver a pasar la cinta frente al ncleo de una bobina,que funcionar ahora como fuente generadora de seal bajo el principio de la fuerzaelectromotriz inducida. Al pasar la regin magnetizada frente al ncleo de la bobina, elcampo magntico que la atraviesa va variando, lo cual hace aparecer una fuerza elec-tromotriz que puede aplicarse a la entrada de un preamplificador (Figura 23.11). La-mentablemente, la respuesta en frecuencia obtenida mediante este proceso dereproduccin no es plana, sino que corresponde a un filtro pasaaltos. En efecto, dadoque la bobina genera tensin slo cuando el campo vara, cuanto ms rpidamente vareste, es decir cuanto mayor sea su frecuencia, mayor ser la fuerza electromotriz induci-da. Este inconveniente se soluciona por medio de una ecualizacin, que ordinariamentese encuentra en el mismo preamplificador. Como ecualizador se utiliza un filtro pasa-bajos de un tipo particular llamado integrador. La salida de este ecualizador provee unarespuesta razonablemente plana, al menos dentro de los lmites que se comentarn msadelante.

+

(b)

Base

Emulsin

+

(a)


Figura 23.11. Proceso simplificado de reproduccin de la cinta mag-ntica de la Figura 23.10

23.6. Estructura del cabezal de grabacin/reproduccin

En el diagrama de la Figura 23.10 se dibuj el elemento transductor entre la sealelctrica y la seal magntica como un simple electroimn enfrentado a la cinta. Esteesquema tiene dos inconvenientes serios: a) hay una gran dispersin del campo magn-tico, es decir una imprecisin en la localizacin del mismo, que entre otras cosas reduceenormemente la respuesta en frecuencia del sistema, y b) si bien una fuerza magneti-zante produce un campo magntico muy intenso dentro del ncleo, fuera de l el campose atena debido a que hay demasiado aire entre uno y otro extremo del ncleo, y laslneas de campo tienden a separarse en el aire mucho ms que en el hierro (recordemosque el campo magntico es mayor donde hay gran concentracin de lneas de campo).

Estas dificultades pueden subsanarse adoptando un diseo semicerrado para elncleo de la bobina, como se ilustra en la Figura 23.12. Si el ncleo estuviera comple-tamente cerrado, el campo magntico quedara prcticamente confinado a l sin posibi-lidad de afectar a la cinta (ya que las lneas de campo no tendran por donde salir). Poresa razn, existe una pequea abertura, denominada entrehierro, que es precisamente

Figura 23.12. Estructura de un cabezal de grabacin. El ncleo se hacerrado sobre s mismo, dejando slo una pequea abertura: el en-trehierro.

Ncleo

Bobina

Entrehierro

+

Base

Emulsin

+

-

Preamplificadory ecualizador


donde el ncleo toma contacto con la cinta. Para minimizar los problemas anteriores, elentrehierro se hace muy pequeo, del orden de 2 mmm (unas 50 veces ms delgado queuna hoja de papel). De ese modo, la dispersin se reduce mucho, lo cual implica a suvez que las lneas de campo no se separan tanto (Figura 23.13). Por otra parte, cuandose apoya la cinta en el entrehierro, dado que se sustituye parte del aire por un materialmagntico (las partculas de la cinta), el campo creado ser mayor. El entrehierro nopuede hacerse mucho menor que eso, ya que el campo de dispersin en la parte ex-puesta comenzara a reducirse ya excesivamente, produciendo una magnetizacin muypobre de la cinta. Normalmente el entrehierro se rellena con un material no magntico,que puede ser un aislante o un metal como el oro, el bronce fosforoso o el aluminio. Encada instante, cada extremo del entrehierro adquiere una polaridad magntica (que seinvierte cuando la seal cambia de signo).

Figura 23.13. Las lneas de campo se dispersan algo en el entrehie-rro, pero mucho menos que en el caso de una barra.

En los grabadores profesionales se utilizan dos bobinas en paralelo en lugar deuna sola (Figura 23.14), ya que de esa forma se consigue reducir los campos magnti-cos externos, particularmente los provenientes de zumbidos de transformadores, moto-res, etc. El concepto es similar al de las lneas balanceadas. Un campo magnticoexterno tiende a atravesar todo el ncleo en la misma direccin, mientras que el campocreado por los arrollamientos es opuesto en cada lateral. El campo externo inducir (alvariar) tensiones opuestas en los dos arrollamientos. Como stos estn en paralelo, ten-der a circular una corriente, la cual generar un campo magntico opuesto al externo,contrarrestndolo. Otra ventaja de las bobinas en paralelo es que permiten circular ma-yor corriente, con lo cual la fuerza magnetizante ser mayor.

Figura 23.14. Cabezal de grabacin con dos bobinas para contra-rrestar el efecto de los campos magnticos externos.

Ncleo

Entrehierro

NS

+


Los campos magnticos externos tambin pueden contrarrestarse mediante ade-cuados blindajes magnticos. Se consigue un blindaje magntico rodeando cualquierbobina con una cubierta de material ferromagntico. En el caso del cabezal, salvo laabertura del entrehierro, se lo recubre completamente con una funda de materiales comoel mumetal (Muntz metal, aleacin de nquel, hierro y cobre de alta permeabilidad).

Normalmente, el ncleo se fabrica laminado (igual que el ncleo de un transfor-mador), lo cual significa que se utilizan delgadas lminas con la forma mostrada en laFigura 23.12 superpuestas hasta obtener el espesor requerido (Figura 23.15). Esto espara evitar la generacin de corrientes inducidas en el propio ncleo, llamadas corrien-tes de Foucault. Estas corrientes aparecen porque al ser el ncleo conductor elctrico,se forman miles de pequeos circuitos que son atravesados por un campo magnticovariable. Entonces en cada uno se genera una fuerza electromotriz que hace circularcorriente. Las corrientes de Foucault tienen dos inconvenientes: crean campos magnti-cos que se oponen al que se quiere producir, y generan potencia que se disipa en formade calor. El resultado es una disminucin del campo efectivo y un calentamiento delncleo. Al dividir el ncleo en lminas, los circuitos se reducen, por lo cual el campomagntico que abarcan es menor, haciendo disminuir estas corrientes parsitas.

Figura 23.15. Ncleo laminado para reducir las corrientes de Fou-cault (por simplicidad se muestran slo tres lminas).

La estructura del cabezal de reproduccin es muy similar, y de hecho en la mayo-ra de los grabadores de cassette se utiliza un solo cabezal que cumple alternativamenteuna y otra funcin. Cuando se utilizan cabezales separados, como en los grabadoresprofesionales, la diferencia es que el cabezal de reproduccin puede tener un entrehierroms pequeo, lo cual favorece, segn veremos, la respuesta frecuencial (seccin 23.8).

Otra diferencia estriba en la forma de conexin de las bobinas. Para la reproduc-cin se conectan en serie y no en paralelo, porque as se obtiene mayor salida de seal, yen cambio se cancelan las tensiones, opuestas, debidas a campos parsitos externos.

23.7. Polarizacin con corriente continua y alterna

La curva de la Figura 23.9 muestra que la relacin entre la seal aplicada al cabe-zal (que es proporcional a la fuerza magnetizante H) no es lineal, lo cual implica que laseal se grabar con grandes distorsiones, como se muestra en la Figura 23.16, a me-nos que hagamos algo al respecto. La primera idea es sumar a la seal una componente


Figura 23.16. Distorsin producida sobre una onda senoidal por lacurva de transferencia no lineal entre la fuerza magnetizante y elcampo magntico remanente. Para referencia se ha incluido en lneade puntos la onda que se obtendra si no hubiera distorsin.

constante de modo de llevar la operacin a la zona entre los puntos a y b, que es bas-tante lineal, lo cual se muestra en la Figura 23.17. Segn se puede observar, previa-mente es preciso reducir el nivel de la seal, lo cual repercute negativamente en larelacin seal/ruido (disminuye la seal pero no el ruido). Este tipo de accin por lacual se desplaza el punto de operacin de un sistema para obtener alguna mejora en sucomportamiento se denomina polarizacin. En este caso se trata de una polarizacincon corriente continua, dado que se est sumando una corriente continua.

La seal grabada posee una componente constante, ya que est desplazada en sutotalidad hacia las magnetizaciones positivas. Esto carece de importancia, dado que elcabezal de reproduccin es sensible slo a las variaciones de campo, como ya se ha se-alado, por lo tanto es lo mismo que las variaciones se produzcan entre un valor negati-vo y otro positivo que entre dos valores positivos, en tanto la velocidad de variacin seala misma.

La polarizacin de corriente continua, si bien permite resolver el problema de lalinealidad, adolece del problema ya comentado de una pobre relacin seal/ruido. Estose debe a que de toda la curva de magnetizacin se est utilizando una zona muy res-tringida, y dado que la cinta es un medio inherentemente ruidoso (ver la seccin 23.10),en la prctica es muy difcil lograr una relacin seal/ruido mayor de 30 dB, lo cualpara los estndares de audio de buena calidad es inadmisiblemente bajo.

H

BR

H

t

t

BR

Curva detransferencia

no lineal

b

a

Salida

Entrada


Figura 23.17. Efecto de linealizacin de una polarizacin de co-rriente continua.

Afortunadamente, todava en los albores de la grabacin (1927), Carlson y Car-penter propusieron un mtodo de polarizacin por corriente alterna que mejor nota-blemente las posibilidades de la grabacin en cinta magntica. Esta polarizacinconsiste en superponer a la seal una senoide de alta frecuencia (tpicamente mayor de70 kHz, llegando inclusive a ms de 250 kHz) de amplitud entre 5 y 25 veces mayorque el nivel mximo de grabacin (Figura 23.18).

Aunque las razones por las cuales este tipo de polarizacin funciona no son tansencillas de explicar como en el caso de la polarizacin con corriente continua, la ideaes la siguiente. El nivel de polarizacin aplicado es tan grande, que el material ferro-magntico de la cinta es obligado, mientras la cinta est pasando frente al cabezal degrabacin, a ir una y otra vez entre la saturacin en un sentido y la saturacin en el otrosentido. Esto hace que se describa un ciclo de histresis completo una y otra vez, comose muestra en la Figura 23.19. Cuando la cinta est abandonando el entrehierro, la fuer-za magnetizante efectiva que recibe la cinta se va haciendo cada vez menor, y entoncesel ciclo de histresis se reemplaza por una espiral de histresis que tiende a un valorlmite de magnetismo remanente (Figura 23.20). Resulta que ese valor lmite est rela-cionado mucho ms linealmente con la seal que sin polarizacin, con la ventaja conrespecto a la polarizacin con corriente continua de que se aprovecha casi todo el rangomagntico del material de la cinta.

H

BR

H

t

t

BR

Curva detransferencia

no lineal

b

a

Salida

Entrada


Figura 23.18. Forma de onda de una polarizacin con corriente alter-na. En lnea de puntos, la seal. En lnea llena, la seal ms la polari-zacin (en este ejemplo de frecuencia 5 veces mayor que la seal).

Figura 23.19. Ciclo o lazo de histresis, formado al llevar las part-culas ferromagnticas hasta saturacin en uno y otro sentido repetiti-vamente. Hc es la denominada fuerza coercitiva, y Br, laremanencia.

23.8. Borrado

Para el borrado de la cinta se utiliza un principio similar al de la grabacin, sloque en este caso se graba una seal nula, pero con una polarizacin de corriente alter-na de nivel mucho ms alto. En general se utiliza el mismo oscilador de la polarizacindel cabezal de grabacin, pero ms amplificado. La idea es que la cinta experimente unaserie de ciclos de histresis como los de la Figura 23.20 pero que la lleven a un valornulo. Este proceso se conoce como desmagnetizacin de la cinta.

H

t

B

HHc

Br


Figura 23.20. Proceso de grabacin con polarizacin de alta frecuen-cia. Se ha supuesto un valor positivo de seal. Cuando la cinta vaabandonando el entrehierro del cabezal, se produce una espiral dehistresis que tiende a un valor lmite de magnetizacin remanente.

Una razn por la cual hace falta una polarizacin de mayor nivel reside en que separte de un valor original pregrabado, y en el fenmeno de histresis el valor inicialtiene influencia an muchos ciclos despus. Con una mayor seal se logra entrar repeti-damente en una saturacin ms profunda, lo cual ayuda a que el material olvide sumagnetizacin previa. Otra razn estriba en que cuanto mayor sea el nmero de ciclosdel proceso de desmagnetizacin, ms perfecta ser sta, razn por la cual conviene queel entrehierro sea ms bien ancho, por ejemplo 100 mmm (es decir 0,1 mm), lo cual ate-na el campo considerablemente, a menos que se eleve la fuerza magnetizante.

En la Figura 23.19 se introduce el concepto de fuerza coercitiva, Hc, que corres-ponde al valor de fuerza magnetizante opuesta a una magnetizacin dada para llevar elcampo magntico a 0. Si bien esto no es equivalente a borrar la cinta (dado que al eli-minar la fuerza magnetizante externa el magnetismo vuelve a aumentar), el valor de lafuerza coercitiva influye en la facilidad o dificultad de borrado. As, un material conpequea fuerza coercitiva se desmagnetizar fcilmente, en tanto que uno con alta fuer-za coercitiva lo har con dificultad.

23.9. Respuesta en frecuencia

Una consideracin muy importante en el proceso de grabacin es la respuesta enfrecuencia del sistema. Veremos que depende del ancho del entrehierro del cabezal dereproduccin y de la velocidad de la cinta. Tambin depende del espesor de la emulsinferromagntica sobre la cinta y de su composicin.

B

H

Valorlmite


Antes de obtener relaciones entre los parmetros mencionados y la respuesta enfrecuencia, tengamos en cuenta que si grabamos una senoide de frecuencia f en unacinta que se mueve a una velocidad v, dado que un ciclo demora un tiempo T = 1/f, ladistancia recorrida por la cinta durante un ciclo ser

d v Tv

f= = .

Esto significa que cada ciclo ocupar sobre la cinta una longitud igual a d. Por ejemplo,si la cinta se mueve a una velocidad de 7,5 /s, es decir 190,5 mm/s, un ciclo de fre-cuencia 20 kHz ocupar

d mm m= = =1905

20000000952 952

,

., , mm

Por cada ciclo grabado habr sobre la cinta un polo norte y un polo sur, correspondien-tes al mximo y al mnimo de la senoide. La distancia entre estos polos ser d/2, que ennuestro ejemplo corresponde a 4,76 mmm.

Ahora bien, dado que en el entrehierro slo hay dos polos, el entrehierro del cabe-zal reproductor deber abarcar como mximo una distancia d/2 para obtener una res-puesta aceptable de la bobina. Para comprender mejor esto, supongamos que elentrehierro ocupa una distancia igual a d, como se muestra en la Figura 23.21. En estecaso ambos lados del entrehierro estn siempre sometidos al mismo valor de magnetiza-cin, ya sea positivo (polo norte), negativo (polo sur) o cero, de manera que la diferen-cia es siempre cero. Al no haber variacin del campo magntico dentro del ncleo, nopuede haber tensin inducida en las bobinas del cabezal, por lo que la respuesta es nula.

Figura 23.21. Si el entrehierro es demasiado ancho, ambos lados es-tn sometidos siempre al mismo campo magntico, por lo tanto nohay variaciones de campo y no se induce tensin en los bobinados.

Si, en cambio, se cumple la condicin de que el entrehierro tenga un ancho e me-nor que d/2, el resultado es que siempre sern captadas correctamente las diferencias demagnetizacin, obtenindose una respuesta aceptable.

Emulsin

e

N S

Base

h


En la prctica existen otros factores que hacen que la longitud efectiva del en-trehierro sea mayor que la real, como el hecho de que en presencia de la cinta el campomagntico se dispersa un poco a ambos lados del entrehierro, por lo que es recomenda-ble que el ancho fsico del entrehierro cumpla en realidad

ed v

f< =

5 5 .

En nuestro ejemplo anterior, resultar necesario un ancho de aproximadamente unos2 mmm para asegurar la reproduccin satisfactoria de los 20 kHz.

Despejando f de la desigualdad anterior, se puede obtener la frecuencia mximaque ser reproducida si se conoce la velocidad de la cinta y el entrehierro:

fv

emx=

5 .

Esta frmula es interesante porque indica que la respuesta en frecuencia aumenta alaumentar la velocidad de la cinta y al reducir el entrehierro.

El tercer parmetro que afecta la respuesta en frecuencia est dado por el espesorh de la emulsin ferromagntica de la cinta, ya que las altas frecuencias slo utilizan laparte ms superficial de la emulsin. Si la emulsin es gruesa, se vern favorecidas lasbajas frecuencias, pero no las altas. Esto es equivalente a un filtro pasabajos con unafrecuencia de corte dada por

fv

hc=

2pp,

donde v es, nuevamente, la velocidad de traccin de la cinta, y h es el espesor de laemulsin. Este valor suele ser demasiado bajo para ser admisible. Por ejemplo, para unespesor tpico de 440 micropulgadas, es decir 11,2 mmm, resulta una frecuencia de corte

f Hzc = =

1905

2 001122707

,

,.

pp .

Esto se soluciona por medio de un ecualizador en el circuito de grabacin que aumentala respuesta en alta frecuencia (por encima de la frecuencia de corte), compensando estacada. Es habitual especificar este valor como una constante de tiempo, T:

Th

v= ,

lo cual permite seleccionar la red de ecualizacin para cada tipo de cinta. En las cintasde los cassettes, por ejemplo, estas constantes suelen ser de 120 mms para cintas normalesy 70 mms para cintas de cromo o de metal.

Es conveniente aclarar que a la ecualizacin llevada a cabo en el grabador seagregan otras cuatro componentes de ecualizacin en el sistema:


a) Una compensacin de las prdidas en el cabezal de grabacin.b)Una compensacin de las prdidas en el cabezal de reproduccin.c) Una cada en alta frecuencia incluida en el preamplificador de reproduccin,

denominada integracin, necesaria para compensar la mayor respuesta de unabobina a campos magnticos de alta frecuencia.

d)Un par de curvas de ecualizacin complementarias (una en el grabador y la otraen el reproductor), normalizadas por la NAB (National Association of Broa-dcasters) para las cintas abiertas y por DIN (Deutsche Industrie Norm) para loscassettes.

Estas ecualizaciones son transparentes al usuario, es decir que el usuario no ad-vierte su presencia ni tiene control sobre ellas.

Otro elemento que influye en la respuesta en frecuencia de la cinta es el borradoresidual que produce la propia polarizacin con corriente alterna, el cual se manifiestams en alta frecuencia, ya que la seal de alta frecuencia se registra con menor nivel.Podemos concluir, entonces, que las cintas con una gran fuerza coercitiva, y que por lotanto resisten ms la desmagnetizacin, poseern mejor respuesta en alta frecuencia.

El ltimo factor que incide en la respuesta en frecuencia de un sistema de graba-cin en cinta es el azimut del entrehierro, es decir el ngulo que forma ste respecto asu posicin normal (perpendicular a la direccin de movimiento de la cinta; ver Figura23.22). En general siempre hay un pequeo ngulo de azimut, debido imprecisiones enlos ajustes o al desgaste o aflojamiento de los tornillos de sujecin. La respuesta en bajafrecuencia se ve poco afectada por el azimut, pero la respuesta en alta frecuencia es su-mamente sensible a dicha inclinacin, reducindose considerablemente.

Figura 23.22. (a) Posicin normal del entrehierro, perpendicular a ladireccin de movimiento de la cinta. (b) Entrehierro inclinado uncierto ngulo, denominado azimut.

23.10. La cinta magntica

La cinta magntica est formada, como se indic, por una base plstica, general-mente de mylar (tereftalato de polietileno), y una emulsin o revestimiento magntico.

La base debe poseer una gran resistencia a la tensin, y una muy baja deformacinpor estiramiento, para evitar fluctuaciones de la frecuencia grabada, conocidas comoflutter (flameo). Estas fluctuaciones se deben a estiramientos desparejos, que hacen queciclos originalmente iguales queden registrados ocupando longitudes diferentes, por locual se reproducen con duraciones diferentes. Tambin es preciso que la base no expe-

cinta cinta

cabezal cabezal

azimut

(a) (b)


rimente dilataciones con la temperatura, que conduciran a un desplazamiento de la fre-cuencia reproducida y un consecuente cambio en la duracin del registro.

Respecto al espesor de la base, por un lado conviene que sea pequeo, para per-mitir una mayor cantidad de cinta por carrete, lo cual posibilita mayor tiempo de graba-cin o mayor velocidad (con la consecuente mejora en la respuesta en alta frecuencia).Por otro lado, un espesor demasiado pequeo implica la posibilidad de que el magne-tismo remanente de una capa de cinta afecte a la capa vecina, produciendo una filtracinde seal (en ingls, print-through). En algunos casos esto puede producir lo que sedenomina preeco, es decir una anticipacin de la seal durante un pasaje en silencio.Otro inconveniente de las cintas delgadas es la tendencia a vibrar, produciendo peque-os silbidos que pueden ser audibles y pueden inclusive quedar grabados.

La emulsin debe estar formada por partculas ferromagnticas de pequeo tama-o (menor de 1 mmm), con forma acicular (de aguja), distribuidas uniformemente sindefectos como grumos (acumulaciones), burbujas o zonas no cubiertas. La razn para elreducido tamao es que se pretende que en cada ciclo de la mxima frecuencia a regis-trar (20 kHz) haya por lo menos 10 partculas, y la forma de aguja es para lograr quecada partcula se comporte como dominio simple, lo cual requiere que estn separadasentre s. Otra ventaja del tamao reducido de las partculas est en la reduccin del rui-do de fondo de la cinta.

Para mejorar an ms la respuesta de la cinta, dado que los materiales utilizadosson fuertemente anisotrpicos (es decir que las propiedades magnticas dependen de laorientacin), se somete a la cinta durante el proceso de secado de la emulsin a unfuerte campo magntico que reorienta fsicamente las partculas en la direccin longitu-dinal de la cinta.

La respuesta en alta frecuencia de la cinta depende entre otras cosas del espesorde la emulsin y de su fuerza coercitiva (ver Figura 23.19), segn ya se coment.

Un factor de gran importancia en la seleccin de cintas es el mximo nivel demagnetizacin con respuesta lineal (se sobreentiende que se utiliza polarizacin de co-rriente alterna). Este parmetro depende muchsimo de cmo est formulada la emul-sin. As, tenemos tres composiciones bsicas. La de xido frrico gama rojo (Fe2O3)es la ms comn. A partir de 1960 comenzaron a introducirse las cintas de dixido decromo (CrO2), que tienen una fuerza coercitiva ms alta, lo cual permite obtener mejorrespuesta en frecuencia. El nivel mximo de magnetizacin tambin es mayor mejoran-do la relacin seal a ruido. En 1972 se introdujeron las cintas de metal, que contienenpartculas de hierro o hierro y cobalto en estado metlico. Logran una mayor coercitivi-dad (y por lo tanto mayor respuesta en frecuencia) y un mayor nivel de magnetizacinque las de dixido de cromo.

El nivel de grabacin se define como el nivel de magnetizacin aplicado a la cin-ta, y se lo expresa en dB respecto a cierto valor estndar, que corresponde a 0 dB (nodebe confundirse este valor con un nivel de tensin, ni mucho menos con un nivel depresin sonora). En las cintas resulta importante el mximo nivel de grabacin sin dis-torsin, es decir sin que la cinta llegue a su saturacin magntica. Dicho nivel dependefuertemente de la composicin de la cinta. As, las cintas normales (xido frrico) ad-miten un nivel de hasta 3 dB sin distorsin apreciable, mientras que las de cromo per-miten 6 dB y las de metal, 10 dB. En general el mayor nivel de grabacin repercutefavorablemente en la relacin seal/ruido, por lo cual las cintas de cromo y las de metalposibilitan registros ms limpios de ruido.


Tcnicamente se define un parmetro denominado mximo nivel de salida (ma-ximum output level, MOL) para las cintas magnticas. Este valor es bastante mayorque los mencionados anteriormente, ya que en su medicin se admite un 3% de distor-sin de tercer armnico (es decir que si se graba una senoide pura, aparece un tercerarmnico cuya amplitud es un 3% de la amplitud de la senoide, es decir unos 30 dBmenor). Esta distorsin es apreciable, y normalmente debera evitarse, considerndoseel MOL como un parmetro de la cinta, no como una condicin aceptable de operacin.

23.11. Especificaciones de los grabadores de cinta

Las especificaciones de un grabador incluyen algunos parmetros generales co-munes a otros equipos, como la respuesta en frecuencia y la distorsin, y otros parme-tros especficos, como el nmero de pistas, los tamaos y tipos de cinta soportados, etc.

23.11.1. Parmetros generalesLa respuesta en frecuencia de un grabador depende del tipo y composicin de la

cinta, de la velocidad de arrastre en caso de tener ms de una velocidad, y del nivel degrabacin. As, siempre que se haga la comparacin sobre cintas de igual calidad defabricacin, las cintas de cromo ofrecen una mayor respuesta en frecuencia que las nor-males (de xido frrico), y las cintas metlicas mayor que las de cromo. Ya se comentla relacin bastante directa entre la velocidad de la cinta y la respuesta en frecuencia.Sin embargo, debe tenerse en cuenta que una duplicacin de la velocidad no necesaria-mente duplica la mxima frecuencia. Por ltimo, la respuesta en frecuencia empeora (sereduce) cuando se incrementa el nivel de grabacin. Generalmente se especifica la res-puesta en frecuencia para dos o ms niveles. En la Figura 23.23 se muestra un ejemplo.

Figura 23.23. Ejemplo de la variacin de la respuesta en frecuenciade un grabador con el tipo de cinta (cromo y metal) y el nivel de gra-bacin (0 dB y - 20 dB respecto al nivel estndar de grabacin).

Con respecto a la distorsin, tambin se especifica indicando el tipo de cinta uti-lizado, la frecuencia (en general 1 kHz), y el nivel de grabacin (generalmente, 0 dB).

Hz20 100 500 1000 5000 10000

10

0

- 10

- 20

- 30

dB

0 dB

-20 dB

MetalCromo


Se puede especificar la distorsin total armnica, THD, o la distorsin de tercer arm-nico, K3. Esta ltima es la relacin porcentual entre el tercer armnico causado por ladistorsin y la fundamental (primer armnico). Por supuesto, siempre es THD > K3.

La relacin seal/ruido, S/R, se especifica en general filtrando previamente elruido con un filtro denominado CCIR/ARM (introducido por el International RadioConsultive Committee, Comit Internacional Consultivo de Radio). Dicho filtro enfatizalas frecuencias entre 2 kHz y 10 kHz, atenuando las restantes, y su propsito es medirno la magnitud elctrica del ruido, sino el efecto perceptivo de la molestia que ocasionadurante la escucha de msica. Se especifica a frecuencias determinadas, por ejemplo a1 kHz y a 5 kHz, indicando el tipo de cinta, y si se us algn reductor de ruido.

En el caso de grabadores multicanal, se especifica la separacin de canales, odiafona, debiendo indicarse si son canales contiguos o no, as como las condiciones demedicin (frecuencia, nivel de grabacin, presencia o no de reductor de ruido).

Por ltimo existen especificaciones de carcter administrativo, como el tipo deconectores, las impedancias de entrada y salida, consumo de energa elctrica, peso,dimensiones, etc.

23.11.2. Parmetros especficos de los sistemas de grabacinLos grabadores pueden tener pequeas fluctuaciones de velocidad, que se mani-

fiestan ocasionando fluctuaciones lentas de la frecuencia de un tono grabado, o varia-ciones ms rpidas que producen una especie de vibrato parsito. Estos fenmenos sedenominan Wow y Flutter respectivamente, y pueden especificarse como variacinporcentual. Por lo general no se discriminan, brindndose un dato nico que representalos dos fenmenos conjuntamente. Ese dato puede suministrarse como porcentaje envalor eficaz (RMS) o en valor de pico (peak), o ambos valores.

Tambin se especifican la polarizacin y la ecualizacin de los cabezales, espe-cialmente cuando se provee al usuario la posibilidad de ajustarlas.

Otros datos se refieren a las velocidades disponibles, tiempo de retroceso o avancerpido, y rango de los ajustes finos de velocidad en caso de haberlos.

Tambin se especifica el nivel de borrado, es decir el nivel de ruido residual pordebajo del nivel estndar de grabacin, en dB.

Por ltimo, puede haber especificaciones como la vida til de los cabezales en ho-ras de uso continuo, tiempo recomendado entre operaciones de limpieza y desmagneti-zacin de los cabezales, etc.

23.12. Reductores de ruido

La grabacin analgica en cinta magntica adolece de un serio inconveniente: elexcesivo ruido originado, entre otras causas, por la granularidad del material magnticode la emulsin y por la polarizacin de corriente alterna. Debido a este ruido, el rangodinmico que puede obtenerse resulta demasiado bajo para aplicaciones de un mnimode calidad. De hecho, es difcil obtener una relacin seal a ruido mayor de 55 a 60 dB.Esto implica que el registro en cinta magntica sera inviable para aplicaciones serias sino existieran dispositivos reductores de ruido.

Existen dos tipos de reductores de ruido: los reductores complementarios, y losreductores no complementarios. Los reductores complementarios procesan la seal


antes de grabarla, de manera de hacerla ms inmune o insensible al ruido del proceso degrabacin/reproduccin, y luego aplican el procesamiento inverso para devolver a laseal sus caractersticas originales, pero con menos ruido. Los reductores no comple-mentarios, en cambio, toman la seal ya grabada y la procesan (durante la reproduc-cin) de manera de reducir el ruido, o bien su efecto perceptivo, en general por mediode tcnicas basadas en el enmascaramiento. Segn veremos a continuacin, ambos tiposde reductores de ruido responden a principios que hemos estudiado anteriormente.

23.12.1. Reductores de ruido complementariosLos reductores complementarios se basan en el concepto de la compresin y ex-

pansin. Ya vimos oportunamente cmo la compresin puede ayudar a que la seal re-sulte ms inmune al ruido. Simplemente, las seales de alto nivel, que por su propionivel enmascaran al ruido, no se modifican, y en cambio las de bajo nivel, que caeranpor debajo del piso de ruido, son amplificadas, incrementando su nivel conveniente-mente por encima del ruido. La seal as tratada se graba en la cinta. Al reproducir lagrabacin, interviene un expansor que restituye el rango dinmico primitivo de la seal,para lo cual deja intactas las seales de alto nivel y atena las de bajo nivel. Como elruido es un componente de bajo nivel, resulta atenuado, lo cual incrementa la relacinseal/ruido del sistema. El compresor acta como un codificador, y el expansor comoun decodificador.

Figura 23.24. (a) Diagrama de bloques de un sistema de reduccin deruido complementario (b) Ejemplo de su operacin.

Para ilustrar esta operacin, consideremos una seal que vara entre 0,01 mV y100 mV (Figura 23.24), es decir cuyo rango dinmico es de

Saturacin

Ruido

100 mV

0,01 mV

1 mV

0,1 mV

0,001 mV(b)

GrabadorReproductorCompresor Expansor

(a)


20100

00120 10000 8010 10log ,

log .mV

mVdB= = .

Supongamos que la saturacin del sistema est precisamente en 100 mV, y que su ruidoes de 0,1 mV, lo cual significa que su relacin seal/ruido es

S RmV

mVdB/ log

,log .= = =20

100

0120 1000 6010 10 .

Evidentemente, las porciones de la seal que se encuentren entre 0,01 mV y 0,1 mV seperdern si no se utiliza alguna estrategia de reduccin de ruido. Para ello, comprimi-mos aplicando una ganancia 1 a las seales intensas y 100 a las seales dbiles. Ahora,toda la seal variar entre 100 0,01 mV = 1 mV y 1 100 mV = 100 mV.

Durante el proceso de grabacin y reproduccin se agrega un ruido de 0,1 mV,que estar muy por debajo del valor mnimo de la seal (que ahora es 1 mV en lugar de0,01 mV). Para reponer el rango dinmico original, las seales intensas se mantienen,mientras que las dbiles se atenan en 100 veces. En otras palabras, el nivel mximocontinuar siendo 100 mV, y el mnimo pasar a valer 1 mV / 100 = 0,01 mV, que essu valor primitivo. Pero dado que el ruido es una seal pequea, tambin se reducir100 veces, llegando a un valor de 0,1 mV / 100 = 0,001 mV.

Como resultado del sistema de compresin y posterior expansin complementariase obtiene una relacin seal/ruido

S RmV

mVdB/ log

,log .= = =20

100

000120 100000 10010 10 ,

valor mucho ms alto que el original de 60 dB, lo cual muestra la eficacia del sistemade reduccin.

Dentro de los reductores de ruido complementarios, los ms clebres son el siste-ma Dolby, en sus diversas variantes, y el dbx. El primero ha tenido difusin masiva enlos sistemas de grabacin profesionales y de cassette compacto, y el segundo en los sis-temas profesionales de grabacin multicanal (multipista) analgicos.

En la Figura 23.25 se muestra el diagrama de bloques simplificado de la seccincompresora (codificador) del sistema Dolby B. El objetivo de esta seccin es comprimirsolamente las seales de alta frecuencia, bajo la hiptesis de que el ruido de cinta es unruido de alta frecuencia. Dado que este dispositivo trabaja en funcin del contenido dealta frecuencia de la seal, es importante eliminar el ruido de frecuencias ultrasnicasque sta pudiera contener. Ese objetivo lo cumple el filtro pasabajos de entrada. Elpreamplificador que sigue eleva el nivel de la seal, reduciendo as el efecto del ruidoelctrico generado en el propio circuito. Luego la seal se enva simultneamente a unade las entradas de un sumador, y a un filtro pasaaltos controlado por una cadena late-ral.

Cuando la seal tiene poco contenido de alta frecuencia, la cadena lateral tiene unnivel bajo, lo cual implica que la frecuencia de corte del filtro es baja (cerca de 1 kHz),y entonces el filtro deja pasar todas las componentes de alta frecuencia de la seal.stas se sumarn, amplificadas, a la seal directa, por lo cual el nivel de las altas fre-cuencias se ver incrementado.


Figura 23.25. Diagrama de bloques simplificado de la seccin decompresin (codificador) de un sistema Dolby B.

Cuando, en cambio, la seal tenga un alto contenido de alta frecuencia, la cadenalateral recibir un nivel alto. Esto implica que la frecuencia de corte del filtro pasaaltosaumentar, dejando pasar slo las frecuencias muy altas (de hecho, slo las frecuenciasfuera del espectro audible, que ya haban sido eliminadas por el pasabajos). Entonces laseal de salida del sumador ser prcticamente la seal directa sin alteracin.

En resumen, las altas frecuencias de bajo nivel resultan amplificadas, y en cambiolas de alto nivel atraviesan el sistema sin modificaciones. Las bajas frecuencias (pordebajo de 1 kHz), no se modifican en ningn caso.

La seccin expansora (decodificador) del sistema Dolby B se ilustra en la Figura23.26. La diferencia estriba en que la seal que va al filtro pasaaltos no es la de entradasino la de salida, previamente invertida.

Cuando la seal original tenga un gran contenido de alta frecuencia, y por lo tantoel codificador no haya actuado, la salida de este expansor contendr tambin abundantealta frecuencia, la cual se reinyecta (invertida) a la entrada del filtro pasaaltos controla-do. Debido a su alto nivel, el filtro se cierra (aumenta su lmite inferior de frecuencia), ypor lo tanto prcticamente no deja pasar ninguna seal al sumador. La salida del decodi-ficador sigue siendo igual a su entrada.

Figura 23.26. Diagrama de bloques simplificado de la seccin expan-sora (decodificador) del sistema Dolby B.

SSPasabajos

Pasaaltoscontrolado

Detectorde nivel

SSPasabajos

Pasaaltoscontrolado

Detectorde nivel

--1


Cuando, en cambio, la seal original sea dbil (y por lo tanto su nivel haya sidoincrementado por el compresor), tendremos a la salida de este expansor un menor nivel.Esta seal, invertida, se reinyectar a la entrada del pasaaltos. Debido a su nivel mode-rado, el filtro se abre (baja su lmite inferior de frecuencia) dejando pasar sus compo-nentes de alta frecuencia. Dado que estaba invertida, se restar ahora de la sealdirecta, reduciendo la salida de alta frecuencia hasta su nivel previo a la compresin.

El sistema Dolby B logra un incremento de ms de 10 dB para las seales mayo-res de 5 kHz de bajo nivel (--40 dB respecto al nivel de grabacin estndar). Las sealesde alto nivel (0 dB), cualquiera sea su frecuencia, permanecen casi inalteradas (ver Fi-gura 23.27). Esto significa que en alta frecuencia la mejora de la relacin seal/ruidosupera los 10 dB.

An cuando estos resultados puedan parecer slo una mejora modesta, permitenalcanzar relaciones seal/ruido cercanas a los 70 dB, lo cual se considera ya como altafidelidad para equipos de consumo masivo. La incorporacin del sistema Dolby B con-dujo a la difusin masiva del cassette compacto, compitiendo con el disco de vinilohasta la aparicin y posterior popularizacin del disco compacto.

El sistema Dolby C, aplicado en equipos de grabacin de cassette ms sofistica-dos, equivale esencialmente a un doble sistema Dolby B, por lo cual consiguen mejorasde hasta 20 dB en la relacin seal/ruido a 5 kHz. El Dolby A, para uso profesional,subdivide la seal en 4 bandas de frecuencia, optimizando la compresin y la descom-presin en cada una de ellas.

Figura 23.27. Curvas que muestran el comportamiento de la seccinde compresin del sistema Dolby B. Los niveles de grabacin altos(0 dB) permanecen prcticamente inalterados, mientras que los nive-les bajos (--40 dB) experimentan refuerzos de ms de 10 dB en altafrecuencia, particularmente arriba de 5 kHz.

El otro sistema de reduccin de ruido que ha alcanzado gran popularidad es el de-nominado dbx. A diferencia del sistema Dolby, se trata de un compresor/expansor debanda ancha, es decir que la compresin se realiza en todas las frecuencias de audio yno solamente en las altas. Este sistema comprime el nivel de la seal en dB (relativo al

20 100 500 1000 5000 10000 Hz

0

- 10

- 20

- 30

- 40

dB

0 dB

-10 dB

-20 dB

-30 dB

-40 dB

50


nivel estndar de grabacin) a la mitad (Figura 23.28). Esto implica que los nivelesmayores que el estndar se reducen y los menores se incrementan. Se diferencia de uncompresor tradicional en que no tiene umbral, y por lo tanto siempre comprime (salvo elnivel estndar).

Figura 23.28. Curvas complementarias de compresin y expansin deun reductor de ruido dbx.

La seccin expansora, por su parte, expande el nivel en dB de la seal que recibeen un factor 2, de manera que las seales que estn por encima del nivel estndar sernamplificadas y las que estn por debajo sern atenuadas, restituyendo la seal a su di-nmica original.

Como ejemplo de operacin, consideremos una seal que vara su nivel entre-60 dB y +10 dB. Como resultado de la compresin, la seal codificada variar entre--30 dB y +5 dB. Esta seal es registrada en la cinta, agregndose un ruido de, porejemplo, -50 dB. Si no se utilizara un sistema de reduccin de ruido, las partes ms d-biles de la seal quedaran inmersas en el ruido de cinta. Al utilizar dbx, las seales msdbiles tienen ahora un nivel de --30 dB, es decir que estn muy por encima del ruido decinta. Al decodificar la seal mediante la seccin expansora, la seal de --30 dB es ate-nuada hasta su valor original de -60 dB. El ruido, por su parte, de --50 dB ser atenua-do hasta --100 dB, con lo cual el nivel de ruido resulta muy bajo (en la prctica no seobtienen niveles tan bajos debido al propio ruido del decodificador, y al hecho de que laexpansin no puede mantenerse lineal en un rango de niveles tan amplio).

23.12.2. Uso parcial de reductores de ruido complementariosEs importante hacer algunas observaciones sobre el uso parcial de los sistemas

complementarios, como podra ser grabar sin Dolby y reproducir con l, o viceversa.Dado que los sistemas complementarios son, precisamente, complementarios, slo pue-de esperarse que brinden resultados satisfactorios si se los utiliza tal como fueron con-cebidos. Por ese motivo, la utilizacin parcial puede tener peores consecuencias sobre laseal que si no se utilizara ningn sistema reductor de ruido.

Analicemos ahora algunos ejemplos. El primer caso se da al reproducir sin Dolbyuna grabacin hecha con Dolby. Las seales dbiles tendrn, en general, un exceso deagudos, sin que por ello se reduzca el ruido durante la reproduccin. Las seales inten-sas no experimentarn modificaciones importantes. La solucin que a veces se propo-

0-60 - 30-60

-30

0

Nivel desalida [dB]

Nivel deentrada [dB]

compresin

expansin


ne de bajar el control de agudos, puede funcionar para el caso de seales pobres en agu-dos, pero no para seales con gran contenido de altas frecuencias, que perdern buenaparte de su brillo. El caso recproco, grabar sin Dolby y reproducir con Dolby, en laesperanza de reducir el ruido, implica que las seales pobres en altas frecuencias termi-narn perdiendo el escaso brillo que tenan. Es cierto que el ruido se reduce, pero con ltambin la fidelidad de lo grabado. Cuando la seal es rica en agudos, la presencia deldecodificador Dolby es irrelevante, ya que no produce ningn cambio.

El caso del dbx difiere en que su efecto no vara con la frecuencia. Si se utilizaslo el codificador dbx, es decir se comprime la seal, el rango dinmico se reducir,con consecuencias similares a las discutidas en el caso de los compresores. Si se utiliza,en cambio, slo el decodificador, las seales dbiles terminarn por volverse inaudibles.

23.12.3. Reductores de ruido no complementariosLos reductores de ruido no complementarios se apoyan en el mismo principio de

las compuertas, estudiado oportunamente. Cuando existe una seal importante, se supo-ne que en general sta enmascara al ruido, hacindolo casi imperceptible. Cuando nohay seal, se reduce la ganancia del sistema de reproduccin, reducindose por consi-guiente el ruido agregado. La mayor dificultad consiste en discriminar de un modo con-fiable cundo hay y cuando no hay seal.

En la figura 23.29 se muestra el diagrama de bloques de un reductor de ruido nocomplementario, el DNR (dynamic noise reduction system) de National Semiconductor.

Figura 23.29. Diagrama de bloques simplificado del DNR, un re-ductor de ruido no complementario.

El bloque central del sistema es un pasabajos controlado por tensin. Cuando en su en-trada de control (cadena lateral) se aplica una tensin pequea, el filtro se cierra, dejan-do pasar solamente las frecuencias menores de 800 Hz. Si dicha tensin de controlcomienza a aumentar, el filtro se va abriendo paulatinamente (aumenta su frecuencia decorte) hasta que finalmente deja pasar toda la seal de audio.

La seal de control del filtro se obtiene del nivel de las componentes de alta fre-cuencia de la seal. As, si la seal tiene poco contenido de alta frecuencia, el filtro secierra, impidiendo el paso del ruido. Si, en cambio, tiene gran contenido de alta fre-cuencia, el filtro se abre permitiendo el paso de la seal, que ahora est en condicionesde enmascarar al ruido. Podra pensarse que en el primer caso se est adulterando laseal, al quitarle sus componentes de alta frecuencia. Sucede que dichas componentesson comparables al ruido, por lo cual no se obtendra ningn beneficio conservndolas.

Pasaaltos6,6 kHz

Pasabajoscontrolado

800 Hz a 20 kHz

Detectorde nivel

Registro digital 233

24.

Captulo 24

Registro digital

24.1. Introduccin

Una de las primeras ventajas del audio digital es la de proveer una forma de codi-ficar la informacin incorruptible mientras el canal de transmisin (es decir cualquierdispositivo a travs del cual pasa la informacin) no sea excesivamente ruidoso. Estacaracterstica es particularmente interesante a la hora de almacenar dicha informacin,ya que en general los medios de almacenamiento o registro agregan ruido y distorsionanla seal, lo cual para una seal analgica es particularmente destructivo (an para dis-torsiones o niveles de ruido moderados).

Existen en la actualidad diversos medios o soportes fsicos para almacenar audiodigital, algunos de los cuales se detallan en la Tabla 24.1.

Tabla 24.1. Medios disponibles para el almacenamiento de se-ales de audio digital, con sus caractersticas y aplicaciones.

Medio Caractersticas y aplicaciones

Memoria RAMAlmacenamiento temporario (voltil) de seales. Seutiliza en los procesadores de efectos digitales.

Memoria ROMAlmacenamiento permanente y definitivo de seales.Se utiliza en los bancos de sonidos de los sintetizado-res.

DiskettesAlmacenamiento permanente, grabable y borrable, desonidos para samplers y fragmentos cortos

Discos rgidosAlmacenamiento permanente grabable y borrable detomas completas para su procesamiento y masterizado

Cinta magntica (DAT)Almacenamiento permanente grabable y borrable detomas completas para su procesamiento y masterizado

Disco ptico de slo lectura (CD)Almacenamiento de msica de alta calidad sonorapara el consumo

Disco ptico de una sola escrituraDuplicacin o copiado de audio digital almacenado enotros medios (disco rgido, cinta, disco ptico)

Disco ptico de lectura y escritu-ra

Almacenamiento permanente y editable del sonido.Permite su procesamiento

Tarjetas ROMAlmacenamiento definitivo de seales. Puede utilizarsepara bancos de sonidos o de efectos


24.2. Clasificacin de los sistemas de grabacin digital

Existen varias clasificaciones. En primer lugar pueden clasificarse segn el tipo deprincipio o fenmeno fsico involucrado. Desde este punto de vista tenemos sistemaselectrnicos (memorias RAM y ROM , cartuchos o tarjetas), magnticos (cintas,diskettes, discos rgidos) y pticos (discos compactos, minidisc). Actualmente, los sis-temas electrnicos se utilizan como medio de transicin y no definitivo, salvo aplica-ciones para el consumo como juguetes o aparatos que hablan. Los sistemasmagnticos (DAT) no son de difusin masiva para el consumo, pero s para la produc-cin y edicin de msica grabada. Los medios pticos, particularmente los discos com-pactos (CD), han alcanzado una amplia difusin como soporte para el consumo.

En segundo lugar podemos dividir los sistemas en temporarios (memoriasRAM ), editables (cintas y discos magnticos) y definitivos (memorias ROM , discospticos de slo lectura). Los medios temporarios se utilizan como complemento de sis-temas como los procesadores de efectos que requieren almacenar intervalos cortos detiempo. Los medios editables son de preferencia en los estudios de grabacin, ya quepermiten guardar grandes cantidades de informacin, posibilitando su procesamientohasta llegar al master final (es decir la versin definitiva lista para su duplicacin in-dustrial). Los medios definitivos son los preferentemente utilizados para la circulacincomercial del producto terminado.

Por ltimo, los sistemas pueden tambin clasificarse en mviles (cintas, discos dediversas naturalezas) y estticos (memorias electrnicas, tarjetas). En la actualidad, lossistemas estticos se usan para almacenamiento temporario o de cantidades moderadasde informacin definitiva, generalmente intercambiable (por ejemplo bancos de sonidosde sintetizadores, muestras para samplers, etc.). Es posible vaticinar que a mediano pla-zo los sistemas estticos reemplazarn a los mviles, conforme siga evolucionando laminiaturizacin. Otro posible desarrollo es a travs de la mecatrnica, es decir la mi-niaturizacin de mecanismos por medio de tecnologas derivadas de la microelectrnica.

24.3. Principios de la grabacin digital

La primera idea en grabacin digital es la de registrar en orden sucesivo los datosbinarios correspondientes a cada muestra. En audio digital de alta calidad cada muestrade sonido estereofnico requiere 32 bits de informacin, ya que por cada canal se utili-zan 16 bits (lo cual permite lograr una mxima relacin seal/ruido de 96 dB). En elcaso de las memorias electrnicas, estos datos se descomponen en 4 datos de 8 bits,denominados bytes (dado que las memorias estn organizadas por bytes, es decir, a ca-da direccin le corresponde un byte), y se almacenan en un orden preestablecido, porejemplo primero el byte menos significativo y despus el ms significativo, y primero elcanal derecho y despus el izquierdo.

En el caso de otros medios, como el magntico o el ptico, dado que el almace-namiento est organizado por bits individuales sucesivos, es necesario grabar las 32seales binarias sucesivamente. Para ello se utiliza una transformacin que convierte losbits en paralelo (es decir simultneos) en bits en serie (es decir sucesivos). Esta trans-formacin se denomina modulacin de cdigo de pulsos, PCM (en ingls, pulse codemodulation). Para ello, a cada bit simplemente se le asigna una posicin sucesiva en el

Registro digital 235

tiempo, y se lo representa con una tensin que puede tomar dos valores posibles: unvalor alto (por ejemplo 5 V) para representar un 1, y un valor bajo (0 V) para represen-tar un 0. En la Figura 24.1

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