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No podía ser uno un buen científico sin comprender que un buen número de ellos no sólo son obtusos y de mentalidad estrecha, sino también simplemente estúpidos.

James Watson(1928)
Bioquímico y genetista estadounidense.
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Grabación de audio y vídeo sobre soportes magnéticos

Grabación de audio y vídeo sobre soportes magnéticos

Revisión de ferromagnetismo

Según las características magnéticas que presenten los materiales, se lo pueden clasificar en alguno de los siguientes grupos:

  • Materiales ferromagnéticos
  • Materiales paramagnéticos
  • Materiales diamagnéticos

Los materiales ferromagnéticos son materiales que pueden ser magnetizados permanentemente por la aplicación de campo magnético externo. Este campo externo puede ser tanto un imán natural o un electroimán. Son los principales materiales magnéticos, el hierro, el níquel, el cobalto y aleaciones de estos.

Los materiales paramagnéticos son materiales atraídos por imanes, pero no se convierten en materiales permanentemente magnetizados.

Los materiales diamagnéticos no son atraídos por imanes, son repelidos y no se convierten en imanes permanentes.

Si la temperatura de un material ferromagnético es aumentada hasta un cierto punto llamado temperatura de Curie, el material pierde abruptamente su magnetismo permanente y se vuelve paramagnético

Los materiales ferromagnéticos están caracterizados por curvas de magnetización y curvas de histéresis.

Considerar un material ferromagnético que en principio no este magnetizado (lo cual seria difícil, pues por lo menos fue sometido al campo magnético terrestre. Se le aplica un campo externo que va aumentando paulatinamente su intensidad. La magnetización de l material va aumentando, pero no de forma lineal, hasta llegar a un punto, en que por mas que aumente mucho la intensidad aplicada, la inducción del material prácticamente no cambia. A esta curva original se le suele llamar curva de magnetización.

Ahora, si el campo H es reducido, la inducción también se reduce, pero no sigue la curva de imanación anterior, sino que el material retiene una cierta magnetización residual llamada magnetización remanente Mr.

Eventualmente, si se sigue reduciendo el campo H (en realidad, se cambia el sentido del campo H aplicado), la inducción remanente disminuirá a cero, pero a costa de la existencia de una magnitud Hc, llamada coercitividad.

El producto Mr.Hc se suele llamar fuerza del imán.

Siguiendo con el proceso, se repite el mismo fenómeno (pero de signo contrario) y se va formando la curva que muestra el siguiente gráfico.


La línea azul corresponde a la curva de magnetización y la línea roja a la curva de histéresis.

En el caso de grabaciones magnéticas, el medio o soporte magnético, no suele ser llevado al punto de saturación completa(bordes angulosos en el primer y tercer cuadrante de la figura. Los campos aplicados se mantiene por debajo del valor de saturación y la inducción permanente es menor que el valor Mr antes visto.

Grabación sobre soporte magnético

El sistema más sencillo de grabación consiste en un electroimán con forma de anillo, con un núcleo ferroso, moviéndose a velocidad V. Como el núcleo del electroimán es ferroso, el flujo magnético existirá dentro del mismo. Por lo tanto, deliberadamente se le hace un corte al anillo, llamado entrehierro (gap), muy cerca por donde pasara la cinta a grabar. Esto da lugar a la aparición de líneas de fuerza que se cierran por el entrehierro, y alcanzan la cinta. Entonces se crea una magnetización sobre la superficie ferromagnética de la cinta soporte.

Ahora, suponer que la señal del electroimán es analógica. Esta señal creara una variación analógica de H. Como la superficie ferromagnética se está moviendo en el tiempo, entonces, las variaciones de la señal analógica en el tiempo, es trasladada en variaciones remanentes de magnetismo sobre la superficie de la cinta.

Aunque aquí se habla de cinta, es posible el mismo criterio en otros soportes.

En grabación magnética una cantidad importante es la variación espacial que corresponde a la frecuencia de la señal.

Si la señal analógica tiene frecuencia f, entonces la longitud de onda característica de la "huella escrita" sobre el medio magnético, tiene una longitud de onda de:

l = V / f

Es importante que el medio magnético elegido tenga una resolución espacial suficientemente pequeña para poder soportar el rango de frecuencias deseado a la velocidad dada.

En muchos casos, la velocidad puede ser incrementada con el propósito de grabar las frecuencias deseadas con resolución espacial más baja.


Reproducción

El sistema de lectura más simple consiste en la misma cabeza (electroimán) anterior, viajando a la misma velocidad V, pero ahora la cabeza pasa sobre el campo magnético H, existente sobre la superficie ferromagnética de la cinta o soporte magnético.

La tensión inducida en el electroimán es proporcional a la derivada espacial (la cinta se esta moviendo) del campo magnético sobre el material.


Sistema de cinta

Un típico sistema a cinta de audio tiene 3 cabezas

Borrado

Grabación

Reproducción

Durante la grabación, la cinta primero se mueve sobre la cabeza de borrado, donde todo rastro de magnetismo remanente es eliminado (provee el mínimo ruido posible de esta manera), el entrehierro de la cabeza de borrado es grande para generar un campo fuerte. El electroimán suele ser también, alimentado con una señal AC para lograr el borrado deseado.

Luego, la cinta se mueve sobre la cabeza de grabación. Esta cabeza es usualmente fabricada con un tamaño de entrehierro del orden del grosor de la capa magnética. Esto provee un compromiso entre respuestas en frecuencia altas y bajas. Además, la señal presente en la cabeza es alterada en 2 formas de la original:

Primero, una componente AC es agregada a la señal, para linealizar la respuesta.

Segundo, el espectro de frecuencias es alterado para compensar perdidas que ocurren en el proceso de grabación para señales de corta longitud de onda (altas frecuencias). Este proceso de compensación , llamado pre-ecualización, tiene el objetivo final de dar a la grabación de la cinta una respuesta en frecuencia plana hasta su componente mas alta.

Finalmente, en reproducción, la cinta se mueve sobre la correspondiente cabeza, esta viene fabricada con un entrehierro pequeño para maximizar la respuesta de altas frecuencias. Como la señal obtenida es la derivada del flujo, por lo tanto, la señal debe ser integrada. Además se le debe agregar la post- ecualización, para compensar perdidas en el proceso de lectura. Para altas frecuencias, lográndose una respuesta plana.


Grabación AC

Como se vio antes, la relación entre campo magnético H y la inducción resultante M es netamente alineal. En consecuencia se usa una corriente de polarización alterna, considerablemente mayor que la señal, para linealizar la relación. Haciendo que el campo pico sea aproximadamente mayor a la coercitividad, se crea una curva mucho mas lineal, para valores bajos de H Esto es llamado magnetización remanente antihisteresis Mar. La frecuencia típica de polarización suele ser de 100KHz.

La curva antihisteresis suele seguir una ley polinomica de quinto orden y suele ser muy similar en la mayoría de los soportes magnéticos longitudinalmente orientados.


El medio magnético

Gran variedades de soportes magnéticos han sido usados con el correr de los años. En los primeros grabadores se uso alambre ferroso (wire recorder), sin embargo, en los equipos modernos se usa una delgada capa de material ferromagnético que es soportada por un sustrato no magnético. La capa magnética puede estar formada de partículas magnéticas en una matriz polimérica.

El uso de película magnética delgada permite varias configuraciones posibles para el sustrato. Las grabaciones de audio son hechas ampliamente en cinta, pero también es posible en tambores y discos rígidos. La grabación digital en un momento fue completamente en cinta, pero hoy se usa muchísimo mas el disco flexible y el disco rígido.

Estos soportes magnéticos suelen diferenciarse en medios duros y medios blandos. Los medios duros requieren campos aplicados grandes para lograr el magnetismo permanente. Y una vez magnetizados, otros campos intensos son requeridos para revertir la magnetización y borrar el material. Estos medios son de gran saturación remanente y alta corecitividad y tienen gran aplicación en computadoras y almacenamiento de datos.

Los medios blandos requieren relativamente bajos campos para lograr la magnetización, estas bajas remanencias y baja corecitividad son apropiados para aplicaciones de audio.

Dependiendo el soporte magnético, será la forma del entrehierro a utilizar para grabar.


La cinta con partículas magnéticas

Es el medio que se utilizo comúnmente en audio. Para asegurar la compatibilidad entre grabación y lectura, la señal de polarización ,como a si también la frecuencia de ecualización se estandarizan, de manera de ajustar la coercitividad, la remanencia magnética y el grosor de cinta. Para conseguir distintos rendimientos se crearon distintos estándares.

El material mas usado es un oxido de hierro llamado Gamma-Fe2O3. .Aunque se podrían usar metales o aleaciones es más difícil de controlar la morfología de los metales que los óxidos. Los metales y las aleaciones son mejor aprovechables para deposición de películas.

La gama oxido férrico debe ser preparado a partir de oxido ferroso por oxidación, el proceso lleva varios pasos pues la magnetita sintética no forma fácilmente elipsoides alargadas.

Sustitutos para cinta o medios flexibles es el poliéster, y para medios rígidos, el aluminio.

Grabadores de carrete abierto

Fueron desarrollados entre 1940 y 1950. aunque estos tipos de maquinas han sido casi suplantados por completo en el mercado de consumidores, aun sigue en uso como maquinas de estudio y profesionales.

La grabación de carrete abierto multipista de alta calidad es todavía el estándar industrial para audio profesional.

Un dispositivo llamado capstan debe girar a velocidad constante, de lo contrario se producirían variaciones de baja frecuencia (WoW) y de alta frecuencia (flutter). Las velocidades de giro, típicas son:

3.75 pps

7pps

15pps

30pps

Los motores proveen el mantenimiento del torque durante la grabación y reproducción, y también provee alta velocidad durante el avance rápido y el retroceso.

Además se suelen incluir dispositivos para reducir la vibración de la cinta.

En estos grabadores se usan casi exclusivamente la cinta de oxido férrico antes mencionada.

Los producto para consumidor usan una base de poliéster grueso de 25micras y 5 a 7 micras de material magnético. Las cintas para estudio incrementan el grosor magnético a 10 micras, para mejorar el rendimiento de largas longitudes de onda. También el espesor es de 38 micras, en estos casos.

Los dispositivos de estudio entregan una relación S/N de 60dB a 1KHz mientras que los de uso de consumo de 35 a 40 dB.

En el mercado de consumidores se usan cintas con 4 pistas (canales I y D para avance y sendos canales para la inversa. Las cintas de estudio usan mas canales, por ejemplo , las cintas de 2" usan de 16 a 24 canales separados.

Grabadores a cassette

Fueron introducidos en los 70 y remplazaron a los de carrete abierto en los 80, en el mercado de consumidores.

El cassette contiene 2 carretes de cintas que son conducidos por un eje externo, con muy baja fricción.

En la gran mayoría de los cassettes, se utilizan 4 pistas, que son las de los canales izquierdo y derecho en un sentido y en el sentido inverso.

Los cassettes de uso domestico típicos tienen materiales con 3.75 micras de espesor magnético sobre mas de 6 micras de espesor de cinta de poliéster.

En los 70 se usaban cintas con gamma oxido férrico, luego se paso a usar oxido de cromo y en los 80 cintas de cobalto. Actualmente hay cintas con doble capa magnética.

Los cassettes de alta calidad entregan una relación S/N de 50 dB a 600Hz.

VCR

Un VCR codifica señales estándar de vídeo (NTSC, PAL, SECAM) sobre cinta magnética. Las señales son grabadas en forma analógica. El principal inconveniente de la grabación de vídeo es la longitud de la cinta requerida para lograr contener suficiente tiempo de grabación.

Para lograr un ahorro considerable de cinta, se decidió rotar la cabeza de vídeo bajo la cinta. La cinta se moverá a una cierta velocidad, y la cabeza de vídeo rotara a una velocidad mucho mayor.

Grabado de la información

Hay 2 cabezas de escritura montadas para vídeo, separadas en 180 grados. La cinta abraza al tambor porta cabezales en algo mas que 180 grados. , Lo que permite un pequeño solapado (overlap) entre las cabezas. Cuando las cabezas giran, lo hacen de manera inclinada, generando pistas inclinadas. Las pistas son exploradas alternativamente por las cabezas. Cada pista corresponde a un campo de la señal de vídeo entrelazada. Existe una leve redundancia, entre las exploraciones, por lo que la envoltura de mas de 180 grados de la cinta sobre el tambor. Las 3 ultimas líneas horizontales ("negro mas negro que el negro" de la imagen) corresponde a las 3 primeras líneas de la siguiente exploración. Durante la reproducción de la cinta, las cabezas de vídeo son conmutadas para evitar una doble reproducción de la región redundante. Los pulsos de conmutación de la cabeza de vídeo, caen en la región no visible de3 la imagen de TV.

Sin embargo puede observarse un desajuste vertical, o sea, los pulsos de sincronismo vertical se mueven dentro del área visible.

Bandas de guarda y desplazamiento azimutal

Es importante para las cabezas, leer solo la señal sobre sus propias pistas y no las adyacentes. Por lo tanto, en modo SP, se incorporan bandas de guarda entre pistas, sin señal grabada. Sin embargo, las bandas de guarda reducen significativamente el tiempo de reproducción de la cinta. Entonces, se recurre a un truco para evitar que las cabezas señales adyacentes: las cabezas son orientadas con ángulos diferentes respecto de la cinta. La cabeza A esta típicamente orientada a -6 o -7 grados y la cabeza B a +6 o +7 grados (dependiendo del tipo de cinta). No confundir este angulo con el Angulo que toma la pista respecto de la cinta de vídeo

La idea detrás del Angulo azimutal es maximizar la señal. El uso de ángulos azimutales permite paquetes de pistas más cercanos.

En modo LP, las pistas son empaquetadas sin bandas de guarda y con 9 micras de solapamiento.

Múltiples cabezas

Cuando se introdujo el modo SLP (Super Long Play), las pistas fueron empaquetadas a muy alta densidad. Para poder cumplir con esto, se crearon cabezas más pequeñas, lo que significo que la calidad de la imagen fuera reducida en modo SP.

Entre los fabricantes introdujeron 2 juegos de cabezas (las maquinas de 4 cabezales); 2 para SP y 2 para LP/EP y se dieron cuenta que mezclando tamaños de cabezales resulto una mejor reproducción.

Pausa durante la reproducción

Cuando se presiona el botón "pausa", la cinta se detiene pero el tambor porta cabezales sigue girando, de manera que la misma pista sea leída y releída. Bajo condiciones normales, el Angulo de la pista es la suma vectorial de la velocidad de la cinta y el Angulo de inclinación de la cinta sobre la cabeza.

Al pararse la cinta, el ángulo se vuelve un poco más empinado, porque la velocidad de la cinta es removida.

A pesar de la ayuda provista por el ángulo azimutal, en "pausa", la imagen es degradada.

Avance y reversa

En estos casos, la velocidad de la cinta es incrementada de 3 a 10 veces.

Durante el avance, varios cuadros aparecen bajo la cabeza de lectura como si fuera la exploración de la cinta.

Lo mismo pasa durante el retroceso, pero la dirección es tal que el ángulo de exploración es aumentado.

Codificación de color

Recordar que la señal NTSC (algo semejante pasa con PAL) esta codificada con una portadora de luminancia Y y otra portadora de crominancia C (o subportadora color). La intensidad de la portadora Y esta relacionada con la intensidad de la señal y la fase de la portadora color esta relacionada con la información de color de la imagen.

El ancho de banda del canal de TV es 8en general) de 6MHz. La subportadora color esta a 3.58Mhz ((4.43Mhz en otros sistemas) de la portadora Y. Para evitar interferencias con canales adyacentes (cross-talk) hay una separación de 0.25Mhz al borde superior y 1.25Mhz al inferior.

El problema es que la información de color esta ubicada a muy alta frecuencia dentro del canal, frecuencias a la que la cinta magnética distorsiona.

Entonces para grabar con un VCR, se hacen 2 grandes cambios en la señal:

  • la señal Y es modulada en FM y centrada en aproximadamente 3.5MHz
  • La señal C es movida hacia abajo en frecuencia y centrada en 600 Hz.

Los valores exactos de las portadoras de Y y C cambian según la tecnología del VCR.

La señal C se mantiene intacta, solo se cambia la subportadora.

Las mejores resoluciones, como se dan en formato S-VHS y SuperBeta se obtienen con la rotación de las regiones espectrales de las bandas laterales de la señal Y.

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