Cosas que tus padres no te contaron de los magnetofones. Segunda parte

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Bueno, que tal la primera parte, ¿fue durilla?. Esta segunda parte no será tan dura, os hablaré de funciones de transferencia en las grabaciones magnéticas y polarización (bias) de las cintas para no dar muchos quebraderos de cabeza.

Función de transferencia:

Función de transferencia es una palabra degenerada en la sociedad actual de lo que realmente es una función de transferencia de Laplace. Con función de transferencia solemos entender la relación entre diferentes magnitudes a la entrada y a la salida de un sistema. En nuestro caso y dado que queremos entender cómo funciona un sistema de un magnetofón, lo suyo es ver la función de transferencia de una cinta, dado que es donde vamos a tener los efectos más llamativos e interesantes que solemos asociar a este tipo de sistemas como es la compresión natural.

En la siguiente figura podéis ver la función de transferencia genérica de una cinta virgen.

 

cinta1

 

Sobre el eje de las abcisas (X) encontramos el campo magnetizante H y en el eje de la ordenadas (Y) encontramos la magnetización M. Pese a que estas funciones de transferencia siempre han representado lo mismo, es cierto que a lo largo de los años, en cada eje se han nombrado con más o menos acierto la magnitud representada. Sin ninguna duda H y M (no las tiendas de ropa) son las que mejor sentido físico le dan a esta función. Así que si véis alguna vez funciones de estas, no os alarméis por si pone otras cosas, las buenas de verdad llevan H y M, las menos rigurosas pueden incluir por ejemplo una B (campo magnético) B+ (magnetización)….

Pero como interpretar esta función de transferencia, lo primero que hay que saber es que estas funciones se dan sólo en el caso de que la cinta esté totalmente desmagnetizada, una vez que se ha magnetizado, entonces ya no se usa la función de transferencia, sino el ciclo de histéresis. Por esta razón es fundamental borrar las cintas previamente a grabar de nuevo. El eje X representa el campo magnético que proporciona el cabezal en el medio, es fundamental entender que este es el campo magnético en el medio, que nuestro caso es la cinta. Entender esto es lo que diferencia un tipo que entiende del tema de un tipo que realmente sabe del tema, ya que mientras que el campo magnetico del cabezal se suele denominar como B, el campo magnetico en un medio con una permeabilidad distinta del vacio se denomina como campo de magnetización H. Es muy parecido y a nivel de entenderlo da igual, pero para un físico no es lo mismo, ya que incluye conceptos como corrientes libres y nos podrían dar un tirón de orejas. A efectos prácticos, es el campo magnético pero con permeabilidad del medio, a efectos teóricos lleva más miga, que no estoy preparado para contar.

Es decir en el eje X representamos el campo de magnetización, que es una variante del campo magnético del cabezal, en este eje haciendo una analogía con las clásicas funciones de transferencia sería la entrada. El eje Y es la magnetización de las particulas ferromagnéticas de la cinta o dicho de otra forma es el magnetismo que se queda residual en la cinta, después de grabar en ella, lo cual coincidiría con la salida.

Sobre la gráfica os he pintado las diferentes zonas que existen en esta función de transferencia. Los círculos verdes se corresponden con zonas lineales, mientras que los círculos rojos se corresponden con zonas no lineales. Lógicamente para grabar audio lo interesante es grabar en las zonas lineales y por ello vamos a comentar un poco las zonas no lineales y la razón de la existencia del bías.

Zonas no lineales de la función de transferencia: 

La función de transferencia anterior se ha visto que tiene dos zonas no lineales, las cuales vamos a verlas con más detenimiento a continuación. Empezaremos por la zona de saturación ya que es la más fácil y la más interesante para los que nos flipamos con los cacharros analógicos.

  1. Zona de saturación: la zona de saturación es la zona de la parte de arriba y la parte de abajo, son los extremos de la función de transferencia. Estas zonas se caracterizan porque se produce una saturación de la cinta. ¿Pero que es realmente la saturación de la cinta? La saturación de la cinta consiste en que el campo magnetizante aplicado es ya tan fuerte, que todos los dominios ferromagnéticos están alineados con el campo, y ningun dominio queda ya por alinear. Una vez que se aplica un campo magnetizante de tal magnitud, el campo magnético que reside en la cinta, es el máximo, no pudiendose superar. Por esta razón, si os fijais en la función de transferencia en estas zonas aunque nosotros incrementemos el campo magnetizante, la magnetización de la cinta permanece igual, o dicho de otra forma, aunque yo incremente las corrientes que alimentan el solenoide, incrementando para ello las salidas de la señal de audio, la cinta, no va a registrar niveles mayores en ella. Actuando de esta forma la propia cinta como un compresor natural.
    Esta es la razón por la que los sistemas de magnetofonés y más en concreto de cinta analógica, han sido tan alabados durante tantos años. En el mundo del audio generalmente hay muchos mitos, pero esta es una de esas pocas cosas que realmente son verdad, se escuchan y además molan. En contraposición, tienes que un magnetofón tiene unos cuidados y usos que no todo el mundo conoce, pero el que los tiene y los sabe aprovechar, consigue una compresión muy natural que únicamente depende de la cantidad de salida que se le da al magnetofón, es decir sería como un compresor con un ínico parametro, el del umbral.
  2. Zona de cruce por cero: Hace mucho tiempo escribí acerca de los bías en amplificadores de válvulas, ¿te acuerdas?, pues esto es exactamente la misma teoría. Para que sobre la cinta se produzca una magnetización, debe existir un nivel mínimo de campo magnetizante, por debajo del cual, aunque exista campo magnetizante no se producirá magnetización en la cinta. Es decir entorno al cero, existe una zona no lineal, en la cual los cambios en el campo magnetizante no se corresponde a cambios proporcionales en la magnetización de la cinta. Por esta razón debe haber un nivel mínimo de corriente por el solenoide que genere un campo magnetizante en la cinta que situe el punto de trabajo en la función de transferencia fuera de la zona no lineal (la zona roja) que está entorno al cero y la lleve a la zona lineal de la cinta. En esta zona los cambios que se produzcan en el campo magnetizante, provocan cambios en la magnetización de la cinta proporcionales, que es lo realmente interesante para las señales de audio.
    Si al solenoide se le aplicase tan solo la señal de audio, tendriamos un problema, si suponemos nuestra señal de audio como una sinusoide, para los valores de mayor amplitud de la sinusoide, el punto de trabajo en la función de transferencia podría estar perfectamente en la zona lineal, sin embargo en las zonas en la que la sinusoide está muy cercana a cero o en cero, la corriente por el solenoide no sería la sufiente y el punto de trabajo estaría en la zona de paso por cero de la función de transferencia. Por esta razón, por la misma razón que el bías en los amplificadores, se debe aplicar una corriente de bías en el solenoide, junto a la señal de audio, para que de esta forma, el valor mínimo de la corriente por el solenoide, nunca esté por debajo de la necesaria para crear una magnetización sobre la cinta.

Bías:

El bías que se utiliza hoy en día para la grabación magnética es una evolución de dos sistemas anteriores basados en bías con corrientes continuas, hasta que por casualidad se descubrió el sistema de bías con corriente alterna. Rápidamente se dieron cuenta de todas las ventajas que ofrecía los sistemas con corriente alterna frente a los sistemas corriente continua, así que los sistemas con bías de corriente continua desaparecieron y comenzaron a proliferar los de corriente alterna. Para no marear mucho más la perdiz entraré directamente a comentar este último sistema de bías, saltandome los anteriores, para no meter mucho más rollo, pero que quede claro, el bias actual, es una evolución de los dos sistemas anteriores con bastantes mejoras, y os podéis documentar acerca de ellos en los documentos que os he adjuntado al final.

El sistema de bías actual se basa en la inyección de una señal de muy alta frecuencia junto a la señal de audio a través del solenoide del cabezal de grabación. La frecuencia de la señal de bías es fija y suele estar entorno a 5 veces por encima de la frecuencia máxima de la señal de audio. El sumar ambas señales provoca el efecto de que la señal del bías de muy alta frecuencia posea una envolvente que coincide con la señal de audio. Dada la lentitud en la evolución de la señal de audio, frente a la del bías, se produce el efecto de que la señal de bías, posee una evolución en su envolvente que coindide con la señal de audio. Si por un casual estás pensando en una modulación de tipo AM, estás bastante alejado de la realidad, la modulación AM aunque en principio pueda parecer lo mismo, es diferente.

 

 

En la siguiente figura se muestra el campo magnetizante y la magnetización originada por la señal de audio más la señal de bías. La señal de bías cumple unas determinadas condiciones, la primera es que su frecuencia debe estar por encima de las frecuencias audibles. La segunda es que en cuanto a la amplitud de pico, tiene que ser tal, que en la ausencia de la señal de audio tiene que alcanzar la mitad de la función de transferencia, para de esta forma ser simétrico respecto a la zona lineal de la función de transferencia. Esto es necesario para que la señal de audio, que es simétrica por si misma, posea la misma linealidad cada uno de sus semiciclos cuando se introduzca en la función de transferencia. En el caso de que la amplitud de pico de la señal de bías no recaiga justo en el centro de la zona lineal, sino que esté desplazada respecto a este punto, es posible que se produzca una distorsión asimétrica, debido a que o bien un semiciclo puede entrar en la zona de saturación o bien un semiciclo puede entrar en la zona de cruce por cero.

Pero esto no es lo único que se debe verificar, además de esto, la señal de entrada deberá estar limitada en amplitud para que sus excursiones de pico a pico, no superen unos determinados niveles, que hagan que la suma de la señal bías+audio salga de las zonas no lineales, hacia las zonas de cercanas al cruce por cero o las cercanas a la zona de saturación.

A continuación podéis ver la diferencia de registrar una señal sin bías y con bías, observad la diferencia en la cercania al eje X

 

 

En esta otra figura podéis apreciar el resultado a la salida del cabezal de lectura y del circuito que elimina el bías. El circuito que elimina el bías es básicamente un filtro paso bajo encargado de eliminar la señal de alta frecuencia propia del bías.

 

Un último asunto, en algunos libros, hacen una lectura erronea de la señal que se obtiene a la salida, ya que observando la envolvente de la señal de bías, estiman que existen dos envolventes (una por encima y otra por debajo) y por tanto son dos señales. Esto no es del todo cierto, el resultado de que se puedan observar dos envolventes de la función de transferencia proviene de la propia suma de la señal de audio y la del bías, y por tanto es única señal la resultante cuando es eliminada la señal de bías. La mejor forma que he encontrado de entender esta diferencia es basarse en el principio de superposición y hacer la suma de ambas señales para cada instante de tiempo. Independientemente de que se entienda este concepto o no, no se debe confundir el que la señal suma tenga dos envolventes por arriba y por debajo, a que cada una de estas envolventes sean dos señales por sí mismas, la existencia de dos envolventes es consecuencia de una única señal de audio que modifica de la misma forma a las envolventes simultaneamente tanto por arriba como por abajo de la señal de bías al realizar la suma, pero es una única señal de audio, y así es recuperada, después del filtro que elimina la señal de bías.

Os dejo aquí a continuación tres artículos bastante interesantes

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