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viernes, 6 de marzo de 2015

Grabación magnética analógica del sonido

Si bien la tendencia actual es a utilizar exclusivamente la grabación magnética digital, debido a sus enormes ventajas, esta se basa en la grabación analógica, de modo que estudiarla constituye un paso previo natural.
Los grabadores magnéticos de sonido utilizan una cinta de plástico, con el recubrimiento de una capa de limaduras de óxido de hierro como medio magnetizable (capa magnética). Dicha cinta se desplaza a velocidad constante frente a tres cabezas: la cabeza de borrado, la de grabación y la de reproducción. El espesor total de la cinta es de 50 μm y el del recubrimiento de 15 μm. (Fig.1)

Fig.1- La capa magnética de la cinta de grabación y las tres cabezas (vista de un corte sobre un plano perpendicular a la cara de la cinta magnética)
Grabación (record)
El micrófono del grabador entrega una corriente variable en el tiempo, directamente proporcional a la presión ejercida por el sonido sobre su membrana elástica.
Dicha corriente, debidamente amplificada es aplicada a la bobina enrollada sobre el toroide de la cabeza de grabación (record head). De esta manera se producirá un campo eléctrico H, que a su vez dará lugar a una inducción magnética B=μ H, también llamada densidad de flujo magnético.
Cuando la cinta pasa sobre el entrehierro del toroide de la cabeza de grabación, una parte importante de la inducción magnética B se desvía hacia el camino que le ofrece la capa magnética de la cinta, dado su baja reluctancia comparada con la reluctancia del aire, que es muy grande.
La cinta ha sido completamente desmagnetizada por la cabeza de borrado, antes de pasar sobre la cabeza de grabación. Esto significa que el material magnético de la cinta llega a la cabeza grabadora en un estado tal que se encuentra en el punto O del gráfico de la Fig.2.

Fig.2 – Lazo de histéresis y curva de magnetizacón para H positivo
Al pasar la cinta sobre el entrehierro, la señal del campo magnético positivo crecerá desde cero, haciendo que el material recorra la curva de magnetización de la Fig.2. El campo magnético de la cabeza de grabación altera la polarización magnética (no la orientación física) de las pequeñas partículas de la cinta, de manera que se alineen sus dominios magnéticos con el campo aplicado: cuanto más fuerte el campo aplicado, más partículas se alinean con el campo, hasta que todos las partículas se magnetizan.Si la señal del campo H es lo suficientemente grande hará que el material magnético alcance la saturación de la inducción magnética (Bs en la Fig.2). Cuando la señal del campo comience a bajar, no lo hará por la curva de magnetización, sino por la curva del lazo de histéresis. Cuando el campo llegue a cero, habrá desaparecido la excitación, pero la porción de cinta que pasó sobre el entrehierro  tendrá una inducción remanente Br, transformándose en un pequeño imán permanente.
A continuación del semiciclo positivo del campo, que acabamos de describir, tendrá lugar el semiciclo negativo y ocurrirá algo similar con la nueva porción de cinta que pase por la cabeza con el campo negativo, como se muestra en la Fig. 3 y en la Fig.4.

Fig. 3 – Curvas de magnetización y ciclo de histéresis
Si el valor máximo del campo magnético H no es lo suficientemente grande, como para llegar al punto de saturación, el regreso se hará por un lazo de histéresis más pequeño, dando lugar a una Br de valor menor. De modo que la intensidad máxima del campo en la magnetización de cada porción de cinta resultará proporcional al valor de Br, que por otro lado es lo único que queda almacenado de la señal. El problema es que Br es proporcional al valor máximo del campo, pero no directamente proporcional, o sea que la relación no es lineal.

Fig.4

Se puede trazar la curva de transferencia Br – H usando corriente contínua y llegando hasta distintos puntos de la curva de magnetización, también llamada curva virgen y reduciendo a cero el valor del campo H, como se muestra en la Fig.5

Fig.5 – Trazado de la curva de transferencia Br-H

La curva de transferencia entre Br y H, es la que se muestra en la Fig.6

Fig.6- Curva de transferencia Br-H

Como vemos, la curva de transferencia no es lineal, lo cual da lugar a que se produzca distorsión de la señal como se puede ver en la Fig. 7.

Fig.7- Distorsión no lineal producida por la curva de transferencia entre el campo magnético H y Br

Una de las soluciones posibles para “linealizar” la característica de transferencia es usar una corriente continua de polarización y por consiguiente un campo H constante, para hacer que la transferencia se realice en la parte recta. (Fig.8)

Fig.8- Polarización con Icc (I bias) para producir un corrimiento de la zona de operación a la parte lineal

También suele usarse una señal de radiofrecuencia sumada a la señal a ser grabada, como polarización, a los fines de que la señal pueda evitar la alinealidad de la curva, que es ocupada por la alta frecuencia. Todo este problema de alinealidad se evita con la grabación magnética digital.
Reproducción (play)
Al pasar la cinta grabada con sus pequeños imanes frente al entrehierro del toroide, de la cabeza de reproducción, induce una fuerza electromotriz, dada por la variación del flujo producido por la inducción magnética remanente de los imanes en movimiento:

E = N dΦ/ dt,

Donde E es la f.e.m, Φ = Br S es el flujo magnético inducido en el toroide y  S es la sección transversal del toroide.
Para obtener una tensión que sea proporcional al flujo, habrá que incluir un circuito integrador. De esta manera tendremos una corriente que sea proporcional a la corriente producida por el micrófono y la presión producida por el parlante en el aire será proporcional a la ejercida sobre el micrófono al grabar.
Borrado (erase)
Antes de que una señal pueda ser grabada sobre una cinta, la cinta debe ser magnéticamente neutra (virgen). Esto se logra por medio del borrado. El borrado también puede ser entendido como el grabado de la cinta con señal cero. Uno podría borrar la señal grabada en una cinta aplicando un campo fuerte sobre ella, lo que haría que todas las partículas tuvieran una completa e igual remanencia. Como resultado, la cinta no contendría ningún tipo de información de señal, pero estaría magnetizada en forma permanente y no sería magnéticamente neutra. Grabar sobre esa cinta podría implicar tener un fuerte ruido de contínua. Para obtener una cinta magnéticamente neutra, hay que proceder de la siguiente manera: primero la cinta debe ser llevada a saturación en ambas polaridades por medio de un campo magnético de alterna y después se hace disminuir en amplitud el valor del campo H haciendo que recorra varios lazos de histéresis de amplitud decreciente, hasta que finalmente se alcance el punto de remanencia cero, en forma de espiral. (Fig.9)

Fig.9- El proceso de borrado
En el grabador el borrado es hecho por la cabeza de borrado, que es alimentada con la señal de alta frecuencia que es usada para la polarzación. La frecuencia del generdor de borrado está entre 70KHz y 150KHz para diferentes equipos, pero para cada equipo la frecuencia se mantiene estable. La señal de borrado es relativamente fuerte de modo de asegurarse que la cinta es enviada a saturación cuando pasa por la cabeza de borrado (de varias decenas de voltios). El entrehierro de la cabeza de borrado es de de 100μm a 400μm. En la Fig.10 se puede ver la señal de borrado.

Fig.10- Señal de borrado

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