17.1.2: Grabación

Vinil

Como se mencionó anteriormente, las primeras grabaciones de sonido se realizaron sin el uso de electrónica en absoluto; los surcos hechos por una aguja vibratoria se realizaron en un cilindro de cera caliente y estos registraron las oscilaciones del sonido siendo canalizadas a través de un cono grande. Una vez que se grabó el sonido en el cilindro se enfrió para solidificar la cera o el plástico. Para reproducir el sonido grabado, la aguja fue devuelta al inicio del cilindro ahora frío y se duplicó el movimiento del cilindro. Ahora, sin embargo, el surco fluctuante provocaría que la aguja vibre lo que provocaría que el diafragma vibre, recreando el sonido.

Las grabaciones de cilindros fueron populares desde la década de 1880 hasta la década de 1920, cuando fueron reemplazadas gradualmente por discos de vinilo en forma de disco. Usando básicamente la misma idea que la grabación del cilindro, un disco giratorio hecho de vinilo grabó la ranura fluctuante. La amplificación electrónica de las vibraciones de la aguja finalmente reemplazó el diafragma mecánico y el sistema de cono para reproducir el sonido. El movimiento de la aguja es detectado por un sistema de bobina e imán, nuevamente utilizando la ley de Faraday. Se realiza una copia metálica del disco original y se utiliza como molde para hacer múltiples copias del mismo registro. A continuación se muestra una imagen de microscopio electrónico de las ranuras en un disco de vinilo. Los discos de vinilo son grabaciones analógicas; los surcos en el vinilo varían de la misma manera que lo hizo el sonido original. Las vibraciones más rápidas del sonido producen surcos con más oscilaciones y los sonidos más fuertes producen oscilaciones más grandes.

Figura\(\PageIndex{1}\)

Para grabaciones estéreo, cada lado de la ranura graba las fluctuaciones provenientes de un micrófono diferente. También es posible grabar cuatro fluctuaciones diferentes de cuatro micrófonos en un solo surco, un proceso conocido como grabación de sonido cuadrafónico.

Los discos de vinilo tienen varias desventajas como medio de grabación de sonido. Son algo frágiles ya que pueden rayarse, romperse o fundirse fácilmente. Dejar un disco de vinilo en tu auto en un día soleado (o incluso en un lugar soleado frente a una ventana) generalmente significa que no podrás volver a tocarlo debido a la deformación del vinilo en el calor. Apilar muchos discos uno encima del otro o debajo de los libros también deformará los discos de vinilo. Los rasguños en el vinilo se traducirán en sonidos como silbido y pop que interfieren con la música grabada. Los registros deben mantenerse libres de polvo para evitar que la aguja salte la suciedad en las ranuras. Con el tiempo la aguja desgastará el vinilo, reduciendo la precisión de la grabación. La aguja también se deteriora con el tiempo; incluso las mejores agujas de diamante eventualmente se desgastan y tienen que ser reemplazadas.

Ejemplos de video/audio:

• Wikipedia en discos de vinilo.
• Página web con más fotos microscópicas electrónicas de surcos en vinil.
• YouTube algo largo sobre cómo arreglar un rasguño en un disco de vinilo.

Muestra sonora de un disco de vinilo rayado:

Cinta

La grabación en cinta magnética se desarrolló en Alemania antes de la Segunda Guerra Mundial, pero no estuvo disponible comercialmente hasta alrededor de 1950. Una cinta magnética es una pieza larga y delgada de plástico, incrustada con compuestos de hierro (óxido férrico; Fe ₂ O ₃) en forma de polvo. Las grabaciones se realizan en la cinta pasándola sobre un cabezal magnético de escritura (o grabación) que está recibiendo señales eléctricas fluctuantes de un micrófono. El cabezal de escritura es básicamente un electroimán que magnetiza el compuesto de hierro en la cinta en un patrón idéntico a la corriente fluctuante en la cabeza. La señal grabada es analógica; el campo magnético de la plancha en la cinta varía con la amplitud y frecuencia igual que lo hizo el sonido. En el siguiente diagrama se muestra un esquema de un cabezal de escritura con una vista superior de la cinta. La cinta se mueve de derecha a izquierda, desenrollándose de una bobina a la derecha (no mostrada) y rebobinando en una bobina a la izquierda (no mostrada). Los canales estéreo izquierdo y derecho se graban uno al lado del otro.

Figura\(\PageIndex{2}\)

El cabezal de lectura de un reproductor de cinta hace lo contrario del cabezal de escritura. A medida que la cinta con una señal magnética pasa sobre un bucle de hierro induce un campo magnético oscilante en el hierro. El campo magnético cambiante en el hierro hace que la corriente fluya en una bobina envuelta alrededor del hierro (nuevamente la ley de Faraday). El esquema para este proceso se vería idéntico al diagrama anterior (y de hecho algunos reproductores de cinta tienen un solo cabezal de lectura/escritura que realiza ambas funciones).

La cinta magnética se convirtió en un estándar de la industria de grabación porque el sonido de muchos micrófonos se podía grabar simultáneamente en una cinta ancha como pistas separadas -hasta 16 pistas podrían grabarse simultáneamente. La misma técnica permitió grabar video en una pista y audio en otra. Los videograbadores comenzaron a estar disponibles en la década de 1960. Poder mover la cinta a diferentes velocidades también es una ventaja. El uso de cinta que se mueve más allá del cabezal de escritura a una velocidad más rápida permite grabar frecuencias más altas con mayor precisión. El compromiso es que se tiene que usar más cinta para la misma cantidad de grabación.

Existen varios inconvenientes con el uso de cintas magnéticas como medio de grabación. El plástico puede estirarse, romperse o fundirse. El tamaño de los granos metálicos compuestos en la cinta significa que no se pueden registrar fluctuaciones muy rápidas en el campo magnético. Como resultado, la cinta magnética no graba muy bien las frecuencias altas excepto a velocidades de cinta muy altas que introducen otros problemas. Si la cinta está expuesta a un campo magnético, la información se cambia o se pierde. Poco a poco, el hierro magnetizado puede perder su campo a medida que los campos magnéticos de las regiones vecinas de la cinta interactúan entre sí. La mayor parte de la cinta magnética se enrolla en un carrete para que una capa pueda afectar las capas por encima y por debajo, creando “sonidos fantasmas”. A medida que la cinta se mueve más allá de la cabeza de lectura, recogerá campos magnéticos orientados aleatoriamente de los compuestos de hierro, incluso en regiones de la cinta donde no se graba ningún sonido. Esto se escucha como silbido de cinta y es especialmente notable en secciones silenciosas de la música.

Se han desarrollado varias formas inteligentes de suprimir el ruido en cintas magnéticas. El método más común es amplificar partes más suaves de la música cuando se graban y luego reducir su volumen a medida que se reproducen. Como se muestra en el diagrama a continuación, las partes ruidosas no se amplifican cuando se graban y se reproducen a volumen normal pero los sonidos con menor amplitud se amplifican primero antes de la grabación.

Figura\(\PageIndex{3}\)

Ejemplos de video/audio:

• Wikipedia en cinta de carrete a carrete.
• Wikipedia en cinta de casete.
• Wikipedia sobre reducción de ruido.

Muestra de sonido de silbador de cinta:

Muestra de sonido de distorsión de cinta:

Muestra de sonido de distorsión de cinta:

Digital

Debido a que los discos de vinilo y la mayoría de las cintas magnéticas se utilizan para capturar las amplitudes reales y frecuencias vibracionales de los sonidos que están grabando, se les conoce como grabaciones analógicas. Los surcos en el disco o los campos magnéticos de los compuestos de hierro en la cinta tienen variaciones proporcionales en tamaño y frecuencia a la música que han grabado. Una forma completamente diferente de grabar sonido llamada grabación digital se desarrolló a partir de finales de la década de 1950.

Veamos un voltaje de onda sinusoidal (la curva azul en la figura a continuación). Esto podría representar la señal proveniente de un micrófono que está captando el sonido de un diapasón. La señal varía de\(1000\) milivoltios (\(\text{mV}\)) o\(1\) voltios a\(-1000\text{ mV}\) (\(-1\)voltios). En lugar de registrar la forma real de la curva, supongamos que se muestrea la amplitud (en milivoltios) de la curva en muchos momentos diferentes. Entonces, por ejemplo, podríamos registrar el voltaje cada\(0.1\) milisegundo (\(\text{ms}\)). Esto nos daría la curva roja, en forma de escalera en la figura de abajo. Para la primera\(0.1\text{ ms}\) la tensión registrada es cero, a\(0.1\text{ ms}\) la tensión es\(250\text{ mV}\), a\(0.2\text{ ms}\) la tensión es\(500\text{ mV}\), a\(0.3\text{ ms}\) la tensión es\(750\text{ ms}\), y así sucesivamente. Esta lista de números (\(0,\: 250,\: 500,\: 750\)etc.) con los tiempos que fueron tomados (\(0.1\text{ ms},\: 0.2\text{ ms},\: 0.3\text{ ms}\), etc.) sería una representación aproximada de la curva original en forma numérica.

Figura\(\PageIndex{4}\)

¿Cómo podemos conseguir un conjunto de números que esté más cerca de la onda sinusoidal original? Supongamos que en lugar de muestrear cada\(0.1\text{ ms}\) muestra el doble de frecuencia o cada\(0.05\text{ ms}\)? Esta es la curva verde en la figura anterior. Entonces en todavía\(0\text{ ms}\) tenemos\(0\text{ mV}\) pero al\(0.05\text{ ms}\) obtenemos\(100\text{ mV}\), al\(0.1\text{ ms}\) registramos\(200\text{ mV}\), al\(0.15\text{ ms}\) grabamos\(300\text{ mV}\), etc. ahora tenemos más números y los saltos son más pequeños (\(100\text{ mV}\)aumentos en lugar de\(250\text{ mV}\) aumentos). ¿Y si queremos acercarnos aún más a la curva original? De hecho podemos hacer una representación tan precisa como queramos simplemente tomando más puntos a una frecuencia de muestreo más corta. Este es el primer paso en el proceso llamado conversión analógica a digital; convertimos una señal analógica en una serie de números.

Hay un par de detalles más al proceso de grabación en formato digital. Las computadoras sólo pueden trabajar con números binarios; es decir, números que son uno o cero. Esto se debe a que los estados electrónicos dentro de un chip de computadora están encendidos o apagados. Esto no es realmente un problema porque hay un número binario para cada número ordinario. A continuación se muestra una tabla de números binarios de uno a\(15\).

Número	Equivalente binario
\(0\)	\(000000\)
\(1\)	\(000001\)
\(2\)	\(000010\)
\(3\)	\(000011\)
\(4\)	\(000100\)
\(5\)	\(000101\)
\(6\)	\(000110\)
\(7\)	\(000111\)
\(8\)	\(001000\)
\(9\)	\(001001\)
\(10\)	\(001010\)
\(11\)	\(001011\)
\(12\)	\(001100\)
\(13\)	\(001101\)
\(14\)	\(001110\)
\(15\)	\(001111\)

Mesa\(\PageIndex{1}\)

Otra limitación es el número de pasos de voltaje disponibles para dividir la amplitud de la señal. El muestreo más a menudo no sirve de nada si los pasos de voltaje no se pueden hacer lo suficientemente pequeños. En los primeros convertidores analógicos a digitales el tamaño del paso de voltaje estaba limitado por el número de unos y ceros (\(\text{bits}\)) que podían caber en una ranura de memoria y esto se llamaba profundidad de bits. Un mayor número de bits (mayor profundidad de bits) significa que puede dividir el voltaje de cualquier muestra dada en pasos más pequeños y así tener una imagen más precisa de la onda de sonido. La mayoría de los voltajes ahora se dividen en el número de pasos representados por el mayor número que se puede almacenar usando\(16\text{ bits}\) (en otras palabras, el número binario más grande con\(16\) dígitos que resulta ser el número\(65535\)). La tasa de bits, generalmente medida en\(\text{kbps}\) (mil bits por segundo) es el número de bits por muestra (la profundidad de bits) multiplicado por la frecuencia de muestreo. Para el sonido muestreado\(44.1\text{ kHz}\) con\(16\text{ bit}\) un convertidor A a D produce una tasa de bits de\(44.1\text{ kHz}\times 16\text{ bits} = 705.6\text{ kbps}\) (para estéreo de dos canales la tasa de bits sería el doble de esto).

Una vez que tenemos grabada una cadena de números binarios, ¿cómo recuperamos el sonido? Para reproducir la onda grabada digital alimentamos la lista de números a un dispositivo que produce un voltaje igual al número que lee. Los voltajes cambiantes son amplificados y alimentados a un altavoz para reproducir el sonido. Esto se llama conversión digital a analógica. Observe que esto significa que la onda sinusoidal reproducida no será exactamente la misma que la original. En cambio, ahora será una de las ondas de escalón que se muestran arriba. Sin embargo, si la onda reproducida está lo suficientemente cerca de la original, nuestro sistema oído-cerebro se engaña.

Los discos de computadora, tanto el disquete obsoleto como la tecnología actual de disco duro registran información usando el mismo método que la cinta magnética. Un medio plástico está incrustado con compuestos de hierro que me pueden magnetizar a medida que pasan por debajo de una bobina. La información es leída (de nuevo la ley de Faraday) por una bobina sostenida muy cerca de la superficie del disco (un accidente de computadora originalmente significaba literalmente que o bien la cabeza de lectura o la cabeza de escritura golpeaban la superficie del disco). En lugar de grabar información analógica (variaciones que son proporcionales a las variaciones de sonido), los datos se almacenan como encendido (un campo magnético) o apagado (un campo magnético invertido). En otras palabras, los datos se almacenan como información binaria.

Figura\(\PageIndex{5}\)

Un Disco Compacto o CD graba la información digital como una serie de divots llamados pozos (mostrados arriba en una imagen de microscopio electrónico) que se queman en la superficie de un disco de plástico. Las regiones planas entre fosas se llaman tierras. Un hoyo corto podría representar el número binario cero y un hoyo más largo el número uno. Tres (o más) rayos láser, ligeramente desviados entre sí, se utilizan para grabar y leer los datos. En la etapa de lectura el haz central se refleja del disco en un fotodetector a medida que el disco gira por debajo de él. La reflexión se detecta como un haz que se rompe alternativamente por un corto periodo de tiempo (un hoyo corto) o un periodo de tiempo ligeramente más largo (un hoyo largo). Dos haces a cada lado de la viga de lectura mantienen la viga central alineada en la fila de divots como se muestra en el diagrama a continuación.

Figura\(\PageIndex{6}\)

La tecnología CD necesitaba el desarrollo del láser para poder funcionar. Los primeros láseres de estado sólido fueron infrarrojos, seguidos de láseres rojos. Los láseres de otros colores tardaron más en desarrollarse debido a dificultades técnicas. La tecnología de discos Blu-ray, que utiliza un láser azul, no estuvo disponible hasta principios de la década de 2000 después del desarrollo de los láseres azules. La razón por la que estos discos contienen más información es que los pozos son más pequeños y están más cerca entre sí. Recordemos del Capítulo 7 que las ondas interactúan con objetos cercanos al tamaño de su longitud de onda; la luz láser no se difracta a través de una puerta porque la abertura es mucho mayor que la longitud de onda. La longitud de onda de la luz roja es demasiado larga para leer los pequeños pozos en un disco Blu-ray, pero los pozos se pueden leer por las longitudes de onda más cortas de la luz láser azul. Los CD regulares usan luz con una longitud de onda de\(780\text{ nm}\), los DVD usan longitudes de onda de\(650\text{ nm}\) y Blu-ray usa\(405\text{ nm}\) luz.

Un problema obvio con la grabación digital es la compensación entre la frecuencia de muestreo y la velocidad de bits. Supongamos que la onda sinusoidal en nuestro ejemplo anterior oscila a\(60\text{ Hz}\) (\(60\)oscilaciones por segundo). Si la frecuencia de muestreo es\(60\text{ Hz}\) (\(60\)muestras por segundo) cada muestra capturará el mismo punto en la onda sinusoidal por lo que la lista de números será constante y la señal no se registra. En general se tiene que muestrear una onda sinusoidal al menos dos veces al ciclo para poder registrar la variación (en la onda sinusoidal por encima de ésta sería cada\(0.5\text{ ms}\) cual registraría un pico seguido de un canal seguido de un pico, etc.). E incluso entonces los voltajes de reproducción constituirían una onda triangular de la misma frecuencia que la onda sinusoidal original en lugar de una curva sinusoidal. La frecuencia de muestreo mínima necesaria para registrar una frecuencia dada se denomina tasa Nyquist. La frecuencia más alta que se puede registrar es la mitad de la tasa Nyquist y se llama la frecuencia Nyquist.

Los humanos con una audición perfecta pueden escuchar hasta\(20,000\text{ Hz}\) por lo que una frecuencia de muestreo\(40,000\text{ Hz}\) debería ser suficiente para la mayoría de la música grabada. La industria discográfica se estableció en una frecuencia de muestreo\(44.1\text{ kHz}\) (\(44,1000\text{ Hz}\)) como estándar de la industria para grabaciones de CD. Sin embargo, la velocidad de grabación utilizada en los estudios de música suele ser\(48\text{ kHz}\) o superior. También se utilizan frecuencias de muestreo más altas para señales que no son de audio, por ejemplo, las frecuencias de muestreo de audio DVD y Blu-ray son a veces\(96\text{ kHz}\) o\(192\text{ kHz}\).

Dado que la mayoría de la gente no puede escuchar frecuencias por encima\(15,000\text{ Hz}\) muy bien, el audio muestreado a frecuencias de muestreo más bajas a menudo no suena muy diferente. De igual manera, dividir la muestra en pasos de\(65535\) voltaje no siempre es necesario para capturar los cambios en la señal, especialmente si la señal no cambia rápidamente. Entonces, ya sea la frecuencia de muestreo o la profundidad de bits se pueden bajar sin degradar la calidad del sonido lo suficiente como para notar para la mayoría de las personas. La mayoría del software para grabar (extraer) un CD para poner música en un reproductor MP3 (por ejemplo iTunes) permite al usuario elegir la velocidad de bits para que el tamaño de los archivos se pueda ajustar para permitir que se ponga más música en el dispositivo de almacenamiento. En la mayoría de los casos la frecuencia de muestreo permanece fija pero se modifica el número de bits utilizados para determinar el tamaño del paso de voltaje. iTunes, por ejemplo, permite al usuario seleccionar velocidades de bits de\(320\text{ kbps}\) hasta\(64\text{ kbps}\). Una reducción de\(320\text{ kbps}\) a\(64\text{ kbps}\) reducirá el tamaño de archivo de una grabación de canción típica a un tercio de su tamaño inicial ya que no se están grabando tantos pasos de voltaje por muestra. Para mucha música no se nota la menor calidad de sonido de una tasa de bits más baja.

Una segunda forma de grabar música digital usando menos memoria de computadora o espacio en CD es mediante el uso de software de compresión. Aunque algunos de los detalles de software utilizados comercialmente no se hacen públicos, la idea general detrás de MP3 (MPEG-3) para audio, JPEG para imágenes y películas así como otros algoritmos de compresión es bastante simple. Supongamos que digitaliza una señal analógica en un flujo de números (binarios). Al mirar la corriente se nota que simplemente sucede que hay una secuencia de diez números\(2\text{s}\) seguidos. Simplemente podría grabar los diez números en la unidad de CD o computadora y estar listo. O podrías grabar\(10\times 2\) para indicar una repetición del número\(2\), diez veces. Esta última forma ocupa menos espacio porque solo hay que grabar dos números en lugar de\(10\). Cuando se decodifica la grabación, el software produce el flujo de\(10\) números\(2\text{s}\) cuando lee el código\(10\times 2\) para que se reproduzca el voltaje correcto en el altavoz. Otras estrategias para la compresión incluyen eliminar sonidos que probablemente no sean audibles para un oído humano y usar el reconocimiento de patrones para predecir las frecuencias que ocurrirán en lugar de grabar con precisión todos los patrones en la muestra de sonido. La compresión es sin pérdidas si se registran todos los datos originales. En una compresión con pérdidas se descartan algunos datos que se supone que no afectan a la calidad del sonido.

Existe un tipo especial de señal digital que se utiliza internamente en instrumentos electrónicos como teclados, cajas de ritmos, secuenciadores de música y computadoras conectadas a estos dispositivos. MIDI significa Interfaz Digital de Instrumentos Musicales y es un estándar de la industria para la comunicación entre dispositivos de música electrónica. Una grabación MIDI es un poco como grabar la partitura a una pieza musical en lugar del sonido real. Cuando se presiona una tecla en un teclado electrónico, se recopila información sobre cuánto tiempo se presiona la tecla, qué tan fuerte y posiblemente otra información física sobre el movimiento de la tecla. Esta información es digital en forma (binaria) y puede ser grabada por una computadora, manipulada por un programa de computadora, o enviada a un dispositivo de salida que convierte la señal digital en una señal analógica que puede amplificarse y enviarse a un altavoz o auricular. Debido a que la salida está controlada por computadora, la secuencia de teclas se puede utilizar para controlar cualquier sonido, por ejemplo, sonidos de flauta o sonidos de trompeta, etc. Los archivos MIDI suelen ser mucho más pequeños que los archivos de audio, lo que puede ser una ventaja. Una desventaja es que la gama completa de frecuencias musicales analógicas no se puede grabar de esta manera.

Ejemplos de video/audio:

• Una comparación de CD, DVD, HD DVD y Blu-ray.
• Muestras sonoras de una canción de un CD, grabadas a diferentes frecuencias de muestreo. El archivo original tenía formato AIFF,\(52.5\text{ MB}\). Todas las grabaciones se realizaron a velocidad fija. El primer número es la tasa de bits en kilobites por segundo, el segundo número es la frecuencia de muestreo, el tercer número es el tamaño del archivo.
• La historia de Wikipedia de la elección de 44.1 kHz.
• Una explicación más detallada del MIDI.
• Un archivo MIDI. Puedes descargarla, abrirla con Audacity y comparar el archivo con un mp3 normal. También se abrirá con GarageBand y otro software.