Equipos de Audio Moderno

Señales de Audio - Plataformas de Audio Analógicas y Digitales (LP, CC, CD-ROM, CD-ROM-XA, CD-I, Photo-CD, CD+G, LD, CD de Video, XRCD) Los Discos DVD y Dolby AC-3 - El DATy el Minidisco (MD) - Procesadores de Audio - Transductores Acústicos - Audio en el Automóvil - Instrumentos Musicales Electrónicos - Ajustes, Mediciones y Reparaciones en Audio PRESEN TA

Equipos de Audio

Modernos Nueva Nue va s Te nde nc nciia s e n el e l De De sa rroll ollo o de l Audi Audio o

Por Egon Strauss

INDICE

I NDICE

Cap ít ul o 3 Otr as pl ata atafor for m as de lectur r a ópti ca. ca... .... .... .... ..31 31

Pr efaci o ........................... ........................................................... .................................4 .4

3.1. Las normas para diferentes tipos de discos de lectura tu ra ópt óptica ica ...... ............ ............. ............. ............ ............ ............. ............. ..........31 ....31

Cap ít ul o 1

3.2. Discos CD-ROM y CD-ROM-XA...................33 3.3. Di scos CDCD-I,I, CD+ G y Photo-CD Photo-CD .................35

La Señ Señal al de audi o ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .........5 ....5 1.1. Conceptos Conc eptos gener gener ales.....................................5 1.2. La rel relaaci ción ón seña señal-ru l-ruido ido (S ( S/ N) ........................5 1.3. Sistemas Sistemas analógi nalógicos cos y digit di git ales .....................5 1.4. Natur aleza de las ond ondaas sonor sonor as...................6

3.4. Los discos láser (LD) y CD de video (CDV)37 3.5. La graba grabaci ción ón de discos CD .........................41 3.6. El El disco compacto de resoluc res olución ión ex tendida ...... ............. ............. ............ ............ ............ ..........42 ....42

1.5. Reverberación...............................................6 1.6. Tonos musicales y armónicas.......................7 1.7. Potencia de salida.........................................9

Cap ít ul o 4

1.8. Nor mas de audi udioo ........................................10

Los di scos DVD con son ido di gital

1.9. Equipos de audio para usos diversos..........10

Do l by ACAC-33 .......................... .....................................................45 ...........................45

A) Equi quipo poss convenci onales ............................10 B) Equipos de audio Hi-Fi (alta fidelidad).......11 C) Equi Equipo poss de Hi High gh End End .................................12

4.1. Prestaciones y normas del DVD Digital Video Disc...........................................45 4.2. Los sistemas sistemas Dol Dolby by Sur Sur roun roundd y sus pr oces ocesaador dores.............................................47 es.............................................47

Cap ít ul o 2 Platafor m as de audio, an an alógicas y di gi t al ales... es........ ........... ........... .......... .......... ........... ........... .......... ........... ..........13 ....13

4.3. Equi Equipo poss comerc comerciales iales de ACAC-33 y DVD ..........51

Cap ít ul o 5

2.1. Listado de las pl atafor mas a tr atar ..............13 2.2. Los di disscos de La Larga rga Dura Dur aci ción ón (LP ( LP)) .............13

Plataformas digitales, magnéticas

2.3. Los cas casetes comp act ctos os de audi audioo (CC ( CC)) ........14

y op to m agn éti cas..... cas.......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......53 ..53

2.4. Conceptos Concepto s bás básii cos de la Técni Técnica ca Di Digit git al ....17

5.1. El casete compacto digital DCC

2.5. a. a. La graba grabación ción y re r epr producci oducci ón

Digit Di git al Comp Comp act Cas Casete .....................................53

de seña señales les di digit git ales ............................................23

5.2. La ci cint ntaa digita digit al de audio audio DAT

2.5.b. La lectu lecturr a ópti ca con láser láser ...... ............. ............. .........25 ...25

Digital Audio Tape.............................................59

2.6. Los reproduc tor tores es de CD ...... ............. ............. ............ ........28 ..28

5.3. El El mi ni nidisco disco MD ...... ............ ............ ............ ............ ............. ...........61 ....61

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- EQUIPOS DE AUDIO MODERNOS - prof. Egon Strauss

INDICE

I NDICE

Cap ít ul o 3 Otr as pl ata atafor for m as de lectur r a ópti ca. ca... .... .... .... ..31 31

Pr efaci o ........................... ........................................................... .................................4 .4

3.1. Las normas para diferentes tipos de discos de lectura tu ra ópt óptica ica ...... ............ ............. ............. ............ ............ ............. ............. ..........31 ....31

Cap ít ul o 1

3.2. Discos CD-ROM y CD-ROM-XA...................33 3.3. Di scos CDCD-I,I, CD+ G y Photo-CD Photo-CD .................35

La Señ Señal al de audi o ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .........5 ....5 1.1. Conceptos Conc eptos gener gener ales.....................................5 1.2. La rel relaaci ción ón seña señal-ru l-ruido ido (S ( S/ N) ........................5 1.3. Sistemas Sistemas analógi nalógicos cos y digit di git ales .....................5 1.4. Natur aleza de las ond ondaas sonor sonor as...................6

3.4. Los discos láser (LD) y CD de video (CDV)37 3.5. La graba grabaci ción ón de discos CD .........................41 3.6. El El disco compacto de resoluc res olución ión ex tendida ...... ............. ............. ............ ............ ............ ..........42 ....42

1.5. Reverberación...............................................6 1.6. Tonos musicales y armónicas.......................7 1.7. Potencia de salida.........................................9

Cap ít ul o 4

1.8. Nor mas de audi udioo ........................................10

Los di scos DVD con son ido di gital

1.9. Equipos de audio para usos diversos..........10

Do l by ACAC-33 .......................... .....................................................45 ...........................45

A) Equi quipo poss convenci onales ............................10 B) Equipos de audio Hi-Fi (alta fidelidad).......11 C) Equi Equipo poss de Hi High gh End End .................................12

4.1. Prestaciones y normas del DVD Digital Video Disc...........................................45 4.2. Los sistemas sistemas Dol Dolby by Sur Sur roun roundd y sus pr oces ocesaador dores.............................................47 es.............................................47

Cap ít ul o 2 Platafor m as de audio, an an alógicas y di gi t al ales... es........ ........... ........... .......... .......... ........... ........... .......... ........... ..........13 ....13

4.3. Equi Equipo poss comerc comerciales iales de ACAC-33 y DVD ..........51

Cap ít ul o 5

2.1. Listado de las pl atafor mas a tr atar ..............13 2.2. Los di disscos de La Larga rga Dura Dur aci ción ón (LP ( LP)) .............13

Plataformas digitales, magnéticas

2.3. Los cas casetes comp act ctos os de audi audioo (CC ( CC)) ........14

y op to m agn éti cas..... cas.......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......53 ..53

2.4. Conceptos Concepto s bás básii cos de la Técni Técnica ca Di Digit git al ....17

5.1. El casete compacto digital DCC

2.5. a. a. La graba grabación ción y re r epr producci oducci ón

Digit Di git al Comp Comp act Cas Casete .....................................53

de seña señales les di digit git ales ............................................23

5.2. La ci cint ntaa digita digit al de audio audio DAT

2.5.b. La lectu lecturr a ópti ca con láser láser ...... ............. ............. .........25 ...25

Digital Audio Tape.............................................59

2.6. Los reproduc tor tores es de CD ...... ............. ............. ............ ........28 ..28

5.3. El El mi ni nidisco disco MD ...... ............ ............ ............ ............ ............. ...........61 ....61

2


INDICE

CAPITULO

Cap ít ul o 6

9.1. Introducción a la música electrónica.......103

Pr o cesa cesado do r es de audi o ..... ........... ........... .......... .......... ........... .......65 .65

9.3. Otros Otr os instrumentos instr umentos musicales musicales

6.1. Int roduc roducción ción ...... ............ ............ ............. ............. ............ ............ ..........65 ....65

elect ele ctróni róni cos ....... ............. ............ ............ ............ ............. ............. ............ .........112 ...112

9.2. El El órga órgano no electr óni ónico co moderno ...... ............. ..........103 ...103

6.2. Preampl i fi cadores de audi udioo ........................65 6.3. Amplificadores de potencia.......................69

Cap ít ul o 10 10

Cap ít ul o 7

Ajustess, medicio n es y r epar ac Ajuste acio io n es

Tr an ansduc sduc to r es acústi cos ..... .......... .......... .......... .......... .......... ......79 .79

10.1. Los alcances del servicio

7.1. Int roduc roducción ción ...... ............ ............ ............. ............. ............ ............ ..........79 ....79

técnico técn ico en audi udioo ..............................................115

7.2. Pic Pick-ups k-ups par par a di disscos LP LP ..............................79

10.2. La medición de la potencia de salida......115

7.3. Micrófonos..................................................81

10.3. La respuesta de frecuencia.....................116

7.4. Auriculares..................................................83

10.4. La medici medición ón de la la

7.5. Altoparlantes...............................................84

Distorsión Armóni Arm ónica ca Tota Totall (THD) ...... ............ ............. .......118 118

7.6. Baff Baff les y gabi gabi netes acústi cústicos cos ......................88

10.5. Las "s "seña eñales les"" de "r ui uido" do"...........................119 ...........................119

7.7.. Distri bución de 7.7 dell sonido

10.6. El El la l abor boraator torio io p ar a el ser service vice de audio audio ..120

en aud audii o ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .....115 115

para grandes audi udienci enciaas ....................................91 7.8. La importancia de las buenas conexiones..93

Cap ít ul o 8 Audi o y r adio del autom óvi l .. .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... .... ..95 95 8.1. Int roduc roducción ción ...... ............ ............ ............. ............. ............ ............ ..........95 ....95 8.2. Receptores y amplificadores para r adio de dell autom utomóvi óvill ...... ............ ............ ............ ............ ............ ............. ........95 .95 8.3. Parl ant ntes es para auto utomóv móvii l ..........................100 8.4. La instalación de equipos de car-stereo....101

Cap ít ul o 9 Fun da damentos mentos de i nstr um entos m usi cales electr ón i cos ... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ....103 .103

Apéndice A.1. Más Más medic medicio iones nes en equipos equip os de audi udioo ......123 A.2. Medición de la modulación cruzada........123 A.3. La medici medición ón de la i nter ntermodulación modulación ...... .........124 ...124 A.4. El El us usoo del oscilos oscil oscopi copioo pa p ar a anali naliza zarr di disstor sio iones nes de la seña señall .......................125 A.5. Medició Medic iónn de la ga ganancia nancia de tensión .........126 A.6. Medición Medici ón de la l a imp eda edanci nciaa de de entra entr ada....126 A.7. Medición Medici ón de l a sens sensib ibilil idad de entra entr ada.... da....126 126 A.8. Medición Medici ón de la l a sens sensibi ibi l idad con respecto a la carga....................................127 A.9. Medición del ancho de banda de po potenci tenci a ...........................................127

EQUIPOS DE AUDIO MODERNOS - prof. Egon Strauss -

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PREFACIO La presente obra se escribe en tiempos de gran auge de toda la gama de audio que se ofrece al consumidor en el orden mundial. Siguen vigentes, en mayor o menor medida, todas las plataformas clásicas del audio del tipo analógico, como discos LP y casetes compactos (CC), pero además se han multiplicado las plataformas digitales que, pocos años atrás, sólo comprendían los discos compactos CD y que, en la actualidad, abarcan además del CD, también el casete compacto digital (DCC), el minidisco (MD), el disco láser (LD), el digital audio tape (DAT) y el digital video disc (DVD). Muchas d e estas p lataformas d igitales posee n algún sistema de audio multicanal, como el Dolby Surround y el Dolby Surroun d Pro-logic, que son e sencialmente analógicos, y el Dolby Surround Digital AC-3, que es totalmente digital, con seis canales discretos. Este último está en plena expansión de su aplicación. Esta enorme variedad de sistemas y métodos de grabación y reproducción de señales de audio musicales y vocales, influye en que la enseñanza del tema y el entrenamiento del técnico, como así también la información para el comerciante y el amante a la buena música, deben recorrer sendas nuevas para poder transmitir, a cada uno, las nociones indispensables para allanar un camino co-rrecto entre tantas variantes y "variaciones sobre el mismo tema", como diría acertadamente un músico. Ahora se agrega también el hecho de que el tema audio abarca no sólo un caudal cuantitativo numeroso de medios, sino que comprende diferencias cualitativas al reconocer tres sistemas, a saber: audio a secas, Hi-Fi y High End, cada uno con particularidades bien definidas. Estas significan características diferentes en su aplicación destinada a mercados distintos, como también en las especificaciones técnicas y comerciales de cada una de las categorías, aspectos que influyen desde luego, también en el costo de los respectivos equipos de audio. El autor desea agradecer aquí a todas las empresas comerciales que han contribuido al éxito de esta obra, al suministrar las características y especificaciones técnicas y muchas de las ilustraciones que utilizamos en estas páginas. Este agradecimiento llega, desde luego, también a la Editorial Quark, a la Editorial Televisa y sus directivos destacados, quienes no escatimaron esfuerzos para poder realizar esta obra en los momentos difíciles que nos toca vivir. También dirigimos nuestro saludo a los técnicos, estudiantes, aficionados, comerciantes y amantes de la buena música grabada, quienes son en definitiva los destinatarios de este tratado y que esperamos disfruten de sus conceptos en sus respectivas áreas de actividad.

P REFACIO

El autor NOTA DE REDACCIÓN: Este es otro volumen de la serie: “Ediciones Especiales de Saber Electrónica” que se distribuye en todos los países de América de habla hispana; por este motivo encontrará términos (tales como cautín, carro, checar, etc.) que pueden estar escritos en modo diferente (soldador, automóvil, chequear, etc.). De la misma manera, encontrará frases que no se ajustan a la forma de hablar en su localidad, sin embargo, cada párrafo ha sido cuidadosamente revisado para que pueda ser interpretado sin dificultad por los habitantes de las diferentes regiones.

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- EQUIPOS DE AUDIO MOD ERNOS - p ro f. Ego n Str a u ss

LA SEÑAL DE AUDIO

CAPITULO

1

CAPITULO

1

LA SEÑAL DE AUDIO 1.1. Conceptos generales El "leitmotiv" de todo equipo de audio es, desde luego, la señal de audio, que debe procesar en las más variadas condiciones: amplificación, atenuación, captación, reproducción, mezcla, selección, conversión analógica-digital y digital-analógica y muchas otras funciones explícitas o implícitas más. Para evaluar entonces el comportamiento de un equipo o parte del mismo, es necesario establecer en primer término la naturaleza del sonido que da lugar a la generación de la señal de audio y, a su vez, puede ser transformado desde su condición de señal eléctrica en manifestación acústica. También en este caso es necesario analizar cuidadosamente todos los parámetros involucrados, ya que el cerebro humano a través de los sentidos de la audición, del tacto y del habla, elabora las manifestaciones acústicas de acuerdo a propiedades fisiológicas bien definidas. Los límites normales de audición son generalmente aceptados como tonos de 20 a 20.000 hertz de frecuencia, si bien no todos los tono s son igualmente au dibles para todas las personas. El sexo masculino emite y escucha tonos más graves de frecuencias bajas y el sexo femenino, tonos más agudos de frecuencias más altas. También la edad influye en la capacidad auditiva. La curva de la figura 1.1 ilustra los límites del umbral de audición, establecidos como normativos.

1.2. La relación señal-ruido (S/N) Nuestro cerebro como órgano central de audio acepta con beneplácito sonidos vocales y musicales como mensaje útil, pero rechaza, al mismo tiempo, las interferencias que se producen en forma aleatoria y espúrea y, en general, todo lo que sea ajeno a este mensaje útil. Estas interferencias se designan genéricamente con el término "ruidos". El ruido puede tener muchos motivos y manifestaciones y en el presente tratado tendremos oportunidad de analizar este tema varias veces, pero queremos fijar desde ya el concepto de la relación entre la señal útil y el ruido que la acompaña eventualmente. Esta relación señal-ruido, con su sigla en inglés S/N (signal to noise ratio), generalmente aceptada también en la literatura técnica en castellano, es en realidad uno de los parámetros más importantes de todo sistema electrónico, tanto de audio como de video. Este pensamiento nos conduce a la evaluación de sistemas bajo el punto de vista de la S/N. Aquí es donde los sistemas digitales superan ampliamente los sistemas analógicos. Mientras un equipo analógico requiere que una señal de ruido no pase del 1% de la amplitud de la señal útil (una relación S/N de 40dB), un equipo digital admite una señal de ruido cuya amplitud llegue al 17,85% de la amplitud de la señal útil (una relación S/N de 15dB). Estas cifras demuestran a las claras que, en el importante aspecto de la relación S/N, los sistemas digitales Fig. 1.1 son muy superiores a los sistemas analógicos.

1.3. Sistemas analógicos y digitales A estas consideraciones puramen te técnicas se opo nen, sin embargo, las razones fisiológicas del ser humano arriba mencionadas. El ser humano posee sentidos con características analógicas y ello implica que obligadamente los transductores de entrada y salida de un sistema de audio y que están en contacto con los sentidos humanos, deben ser analógicos. Los transductores de e ntrada son aq uéllos que transforman los mensajes acústicos en eléctricos y los de salida son los que transforman las señales eléctricas en mensajes acústicos. En la figura 1.2 observamos un sistema básico que posee en la entrada un micrófono que recibe los sonidos que son aplicados a un conversor analógico-digital y a continuación elaborados en un procesador digital. A la salida del mismo son


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EQUIPOS DE AUDIO MODERNOS aplicados a un conversor digital-analógico, que finalmente los destina a un parlante como transductor de salida. El parlante transforma las señales eléctricas en acústicas.

Fig. 1.2 CAD

PROCESADOR DIGITAL

CDA

1.4. Naturaleza de las ondas sonoras Existe una similitud y analogía muy estrecha entre mensajes acústicos y señales eléctricas, si bien existen también importantes diferencias. En ambos se pueden distinguir características tales como frecuencia, fase, amplitud y contenido armónico, para nombrar sólo algunos de los más importantes. En la figura 1.3 vemos una señal sinusoidal típica, que posee los parámetros recién mencionados. Sin embargo, mientras que en las señales eléctricas se requieren conductores que pueden ser metálicos, fibras ópticas o en muchos caso simplemente el espacio libre (con o sin aire), en la propagación de las ondas acústicas se requiere un medio elástico que puede ser gaseoso, líquido o sólido, pero nunca puede ser un vacío total. La propagación más común en las comunicaciones humanas por medios acústicos, se efectúa por el aire que se encuentra en el interior de nuestra garganta y que llega, después de ser emitido por la boca, a nuestros oídos, también inmersos en el aire que nos rodea, como medio elástico de transporte. Otra diferencia importante entre on das acústicas y ondas e lectromagnéticas es la velocidad d e p ropagación. Mientras que en las segundas esta velocidad es de aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo, prácticamente independiente del medio de transporte, en las ondas acústicas, la velocidad de propagación es una función directa del medio en que se efectúa. En el aire seco, de 18°C, es de unos 342 metros por segundo (m/seg). En cambio en el agua de mar esta velocidad se eleva a 1.540 m/seg. En la Tabla 1.1 reproducimos la velocidad del sonido en diferentes medio, expresada siempre en m/seg. _______________________________________________________________________ TABLA 1.1. Velocidad del sonido en diferentes medios

Medio

Fig. 1.3

Velocidad en m/ seg

Aire seco a 18°C.......................................342 Hidrógeno.................................................130 Vapor saturado de agua...........................413 Agua de mar ..........................................1.540 Alcohol...................................................1.260 Aluminio ................................................5.100 Cobre......................................................3.970 Acero.........................................4.700 a 5.200 Vidrio ........................................4.000 a 5.300 Bronce ....................................................3.650 Made ra ......................................3.300 a 5.000 Goma ..................................................50 a 70 __________________________________________________ La velocidad finita del sonido permite la audición estereofónica y direccional, al evaluar el cerebro las diminutas diferencias en el tiempo de llegada que existen entre ambos oídos, separado s sólo po r su distancia en la cabeza. Esta diferencia es su ficiente para d etectar la dirección de donde llega el sonido. Los diferentes sistemas de sonido multicanal, como estereofonía, Dolby Surround, Dolby Surround Pro-logic, etc., que trataremos más adelante con todo detalle, están basados en esta característica del oído humano.

1.5. Reverberación Las diferentes características de velocidad de los medios elásticos de propagación influyen también en la formación de ecos o efectos de reverberación. Si las ondas acústi-

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EQUIPOS DE AUDIO MODERNOS

Fig. 1.5

CAPITULO

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cas encuentran en su trayecto obstáculos, pueden rebotar desde los mismos y regresar en parte a su lugar de origen. Como un eco recorre el camino dos veces, una vez de ida y otra de regreso, existe u na d iferencia de tiemp o e ntre ambas o ndas, la directa y la reflejada, con el consiguiente efecto de eco o reverberación. Este efecto se produce en forma espontánea en la naturaleza. Todas las montañas del mundo, desde los Alpes europeos hasta los Alpes neozelandeses poseen lugares escénicos que son visitados por los turistas para disfrutar del eco natural que exhiben. El efecto de reverberación se presenta sin embargo, también en recintos cerrados con los retardos típicos que se pueden observar en la figura 1.4. Como, además, el efecto en recintos cerrados es regulable, vemos en la figura 1.5 unos 18 anillos de acrílico que penden sobre el escenario en una de las salas de la ópera de Sydney (Australia). Estos anillos son regulables en su altura y modifican así las características acústicas de la sala. En el caso de la ópera de Sydney existen en la misma unos 26.400 metros cúbicos de aire, que otorgan a la misma un tiempo de reverberación de dos segundos. Recordamos que éste es el tiempo que la energía acústica de la música tarda en envolver a la audiencia a través del aire como medio elástico. El efecto de reverberación natural o artificial especialmente notable en los tonos de 250 a 4000 hertz. Como atractivo adicional de los anillos de acrílico, en función de reguladores de reverberación, debemos señalar que se puede lograr efectos selectivos que privilegian a los instrumentos de cuerdas, los de viento, de lengüetas o de percusión, o todos en conjunto, a voluntad del director de la orquesta sobre la cual penden los anillos.

1.6. Tonos musicales y armónicas Si bien los sentidos humanos de la vocalización, del habla y de la escucha son innatos, sus características pueden ser alteradas por costumbre, enseñanza o de otra manera. El niño "aprende" a hablar y una cantante con registro de soprano "practica" para lograr el máximo grado de perfección en el "bell canto". Nuestro cerebro, nuevamente como sede central de todos nuestros sentidos, puede ser educado para apreciar expresiones vocales y musicales. En este proceso de educación han influido también diferentes culturas y civilizaciones que han privilegiado diferentes formas musicales en diferentes épocas. En música se usa e l término ton o p ara indicar una frecuencia de audio determinada. Este tono musical Fig. 1.4 puede ser una onda sinusoidal pura o puede estar acompañado por sobretonos o armónicas. El conjunto de frecuencia base y frecuencias armónicas pares o impares altera la forma de o nda original, de sinusoidal a otra forma diferente, como vemos en la figura 1.6. Cuando se agregan a la fundamental sólo armónicas impares, la forma de onda resultante será del tipo de onda rectangular o cuadrada. Cuando se agregan sólo armónicas pares, la forma de onda resultante será parabólica y, finalmente, si se agregan a la fundamental armónicas pares e impares, la forma de onda total será del tipo diente de sierra. El agregado de armónicas puede ser completamente espontáneo y natural, como, por ejemplo, en el caso de ciertos instrumentos musicales. Los instrumentos del tipo de lengüetas y cuernos suelen producir ondas


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EQUIPOS DE AUDIO MODERNOS dientes de sierra, mientras que el clarinete produce generalmente ondas rectangulares, etc. Cada instrumento musical produce un conjunto de fundamentales y armónicas que le dan su timbre característico. Si se eliminan estas armónicas típicas por medio de un filtro, el instrumento respectivo perdería su timbre. Por otra parte, la perfecta predecibilidad del contenido armónico es la base para la creación de instrumentos musicales electrónicos con tonos sintéticos, que emulan cualquier tipo de instrumento musical e incluso son capaces de sintetizar tonos que no existen en ningún instrumento musical. A veces se combina estos tonos con efectos especiales, como el trémolo o el vibrato. El primero es el efecto de una modulación de amplitud de muy pocos hertz sobre el tono fundamental y el segundo, el vibrato, es una modulación de frecuencia de estos tonos. Los efectos de trémolo y vibrato son usados ampliamente en los órganos electrónicos que poseen, a veces, un teclado de 97 notas de 16 a 8.372 hertz. El piano normal abarca generalmente 88 notas, de 27,5 a 4.186 hertz. Más adelante ampliaremos estos conceptos. Lamentablemente, existen también otras fuentes de distorsiones que introducen armónicas, pero en este caso ajenas a la pieza musical original. Lamentablemen te, existen también otras fuentes de distorsiones qu e introducen armónicas, pero en este caso ajenas a la pieza musical original. Hay casos típicos en amplificadores de estado sólido en los cuales la mayoría de las distorsiones puede producir armónicas impares. En los amplificadores a válvula, en cambio, la aparición de distorsiones p roducirá con preferencia armónicas pares. Muchos entendidos en música sostienen que esta característica le brinda al sonido reproducido por amplificadores a válvula un timbre más suave y parejo al confundirse las armónicas pares con la fundamental original. En cambio, en los amplificadores de estado sólido se pueden producir efectos de recorte y saturación que pueden causar eventualmente un cansancio o molestia auditiva. Deseamos aclarar especialmente que en ambos casos se trata de distorsiones de valores mínimos dentro de las tolerancias de cada equipo. Si fueran superiores, obviamente constituirían un defecto al salir el equipo de especificaciones. Las especificaciones en el rubro distorsiones mencionan el valor de THD (Total Harmonic Distorsion = distorsión armón ica total), que es el valor máximo admitido en todo concepto. Las notas musicales están organizadas, en la música occidental moderna, en octavas de 12 semitonos que se distribuyen en forma equidistante y de tal manera, que una determinada nota musical posea, en la octava siguiente, una frecuencia igual al doble de la misma nota de la octava anterior. Al existir entre ambas notas una relación de 2 a 1 igual a 2, el factor con el cual debe multiplicarse la frecuencia de cada nota para llegar a la nota siguiente, es la doceava raíz de dos, ya que sólo así se cumple la premisa de que las doce notas de la octava se diferencian en la relación de 2 a 1. La doceava raíz de dos es igual a 1,059463094, o escrito de otra manera, 12√2 = 1, 059463094. La base de la música occidental moderna, se denomina escala bien templada y sus 12 notas surgen de la Tabla 1.2. La octava ilustrada en esta Tabla es la octava central, pero en total existen, en el rango musical de 20 a 20.000 hertz, unas 9 octavas. Las notas indicadas en esta Tabla están marcadas con su nomenclatura italiana, alemana y americana y se indica también su frecuencia en hertz. _________________________________________________________

Fig. 1.6

TABLA 1. 2.Las notas de la escala musical central Nomenclatura Italiano Alemán Americano

DO DO# RE

8

C C# D

C C# D

Frecuencia H ertz

He rtz

440xf-9 440xf-8 440xf-7

262 277 294


EQUIPOS DE AUDIO MODERNOS RE# MI FA FA# SOL SOL# LA LA# SI DO'

CAPITULO

D# E F F# G G# A A# H C'

D3 E F F# G G# A A# B C'

440xf-6 440xf-5 440xf-4 440xf-3 440xf-2 440xf-1 440xf0 440xf1 440xf2 440xf3

1

311 330 349 370 392 415 440 466 494 524

______________________________________________

donde f = 1,05946 y LA es la nota de referencia

Fig. 1.7

En la figura 1.7 vemos el aspecto de un teclado de piano que contiene 88 notas y abarca, por lo tanto, más de 7 octavas de la escala musical bien templada. Asimismo se aprecia, en esta figura, el rango tonal de la voces humanas, tanto femeninas (contralto, mezzo-soprano y soprano) como masculinas (bajo, barítono y tenor). Se observa también el alcance musical de varios instrumentos musicales importantes. Se indican las frecuencias fundamentales y las armónicas. Finalmente se aprecia también la notación acostumbrada de las diferentes notas de la escala musical. Si bien estos simples ejemplos no transformarán a nadie en un músico experto, creemos conveniente que todos los interesados (técnicos, estudiantes, aficionados y comerciantes) posean los conocimientos básicos, necesarios para una evaluación valedera de un equipo de au dio bajo el pun to de vista musical. El sistema musical de los 12 semitonos está en vigencia en el mundo occidental desde el siglo XVII. Anteriormente se usaban octavas de 5 y 7 notas y los antiguos griegos usaban un sistema musical de 21 notas. Los antiguos árabes usaban 17 notas y aún hoy existen sistemas musicales diferentes al occidental en algunos países de Oriente. Teóricamente, un sistema musical perfecto debería contener en opinión de algunos musicólogos, 53 notas en cada octava, pero en este caso hipotético sería muy difícil ejecutar la música actual con los instrumentos musicales convencionales. De todas estas consideraciones surge una conclusión: cualquiera que sea el sistema musical en vigencia, es imprescindible tomarlo muy en cuenta, tanto en la composición de las piezas musicales, como en la ejecución de las mismas. El arte de la música es, en última instancia, nada más y nada menos, un concepto matemático, tan antiguo como la misma humanidad.

1.7. Potencia de salida Otro de los parámetros que debemos tomar en cuenta en las especificaciones de equipos de audio, es la potencia de salida que se puede producir en el equipo, con una


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EQUIPOS DE AUDIO MODERNOS tolerancia determinada de la THD que vimos anteriormente. Se basa esta medición en el hecho de que, teóricamente al menos, las formas de onda de audio son básicamente sinusoidales. Partiendo de esta premisa podemos expresar correctamente que la potencia de una tensión alterna de forma sinusoidal, es su valor RMS al cuadrado, dividido por el valor de la resistencia de carga. Repetimos, teóricamente, esta fórmula de Prms = E2rms/Rc, nos brinda aquella potencia alterna que, aplicada sobre los extremos de un resistor de carga, nos proporciona la misma potencia que una tensión continua del mismo valor, aplicada sobre la misma resistencia de carga. Esta potencia RMS, o potencia sinusoidal, es una indicación válida y aceptada por la mayoría de las marcas mundiales que fabrican equipos de audio, siempre que esté acompañada por la indicación de la impedancia de carga (resistiva) y el porcentaje de la THD que debemos obtener. Sin embargo, en la práctica también nos encontramos, muchas veces, con otras indicaciones sobre la potencia de salida de un equipo de audio. Nos referimos a los términos Potencia Musical de Cresta. La primera de ellas se debe al hecho de que, en efecto, la información de salida de un equipo de auido no es en realidad una señal sinusoidal pura, sino que posee formas de onda complejas y aleatorias. Esto significa que la potencia no es medida con una señal sinusoidal y la premisa de la equivalencia con una tensión continua en rigor de verdad no se cumple. Este concepto puede parecer razonable, pero la potencia obtenida en estas condiciones de medición no es un valor fijo, si no se indica la grabación con la cual se efectúa. En general, el valor de la Potencia Musical es mayor que el valor de la Potencia RMS. Esto puede prestarse a confusiones y no permite en realidad una comparación válida entre diferentes equipos. Con una medición a partir de señales sinusoidales, producidas por un generador, esta incertidumbre desaparece. El tercer valor mencionado, finalmente, de la Potencia Musical de Cresta, es sólo una expresión comercial que indica únicamente cuál es la potencia instantánea y transitoria que podemos elaborar con el equipo, pero no indica nada con respecto a la potencia permanente y continua entregada por el equipo con su resistencia de carga y THD especificada. El valor numérico de la Potencia Musical de cresta es el más alto de los tres mencionados y sólo tiende a confundir a los incautos, quienes creen tener un equipo con una potencia que en realidad no existe.

1.8. Normas de audio Para lograr un poco de orden y seriedad en las especificaciones de los equipos de audio que ellos fabrican, muchos fabricantes refieren sus datos a normas internacionalmente reconocidas; lo que, desde luego, facilita también las exportaciones a todas partes del mund o. En este aspecto las normas más reconocidas y respetadas po r los fabricantes en todo el mundo, son las normas alemanas DIN (Deutscher Industrie Normenausschuss = norma del comité de la industria alemana). Esto es perfectamente aceptable, ya que estas normas, en especial la DIN 45500, son utilizadas en forma universal y son la base de muchas otras normas de otros países. Otras normas de gran prestigio son también las normas norteamericanas EIA (Electronic Industries Association = asociación de las industrias electrónicas), especialmente la EIA RS234, para medir la potencia de salida de equipos de audio y también las normas del IHF (Institute of High Fidelity = instituto de alta fidelidad) de los Estados Unidos, pero repetimos, las normas DIN son las más usadas en forma universal.

1.9. Equipos de audio para usos diversos Podemos distinguir tres grandes grupos de equipos de audio en cuanto a sus fines y aplicaciones. Estos grupos son: A) equipos convencionales, B) equipos Hi-Fi y C) Equipos High End. A continuación indicamos sus respectivos campos de acción. A) Equipos convencionales En este tipo de equipos de audio se incluyen principalmente pequeños amplificadores

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monoaurales y estereofónicos con una potencia menor a 6 watts, aproximadamente, y una THD mayor al 1%. La gama de frecuencias que abarcan es limitada generalmente al rango de unos 100 a 10.000Hz, con límites de -2dB, o más, en cada extremo. En esta categoría entran también equipos de audiocasete y tocadiscos con especificaciones similares. Los límites de WOW (lloro) y FLUTTER (trino) son generalmente mayores al 0,2% y la relación S/N es del orden de los 40dB o menos. Los parlantes de estos equipos convencionales se encuentran muchas veces incorporados dentro de los mismos equipos, pero aún con baffles separados; si no cumplen con los demás requisitos de la categoría Hi-Fi, que veremos más adelante, en este mismo capítulo, no pueden considerarse de alta fidelidad. Lo mismo se puede afirmar también con respecto a la potencia de salida, ya que existe en el mercado una gran cantidad de equipos de potencia elevada, pero que no cumplen con otros requisitos exigidos por HI-Fi. Un caso típico son, por ejemplo, los equipos para disc-jockeys que se destacan generalmente por su elevada potencia de salida, a veces superior a los 100 a 250 watts de audio y una gran cantidad de conectores de entrada para toda clase de reproductores de grabaciones (discos LP, discos CD, casete de audio, micrófono, etc.), pero que muchas veces poseen una cantidad de parámetros completamente ajenos al concepto Hi-Fi. Cuando se usan con los equipos de audio tocadiscos para LP, conviene recordar que en la categoría "convencional", se puede encontrar pickups con un peso sobre el disco mayor a 2 gramos y con cifras de WOW, FLUTTER, RUMBLE y HUM muy elevadas y hasta molestas.

Fig. 1.8

B) Equipos de audio Hi-Fi (de alta fidelidad) Las normas DIN45500 y varias otras especifican claramente los requisitos necesarios para que un equipo de audio pueda considerarse de Hi-Fi. Algunos de los más significativos se indican a continuación. Los equipos de HiFi deben tener amplificadores estereofónicos con una potencia de salida mayor a 2 x 6 watt y una THD igual o menor al 2%. La gama de frecuencias con una variación de ±1,5dB debe ser igual o mejor que 40 a 16.000 hertz. La modulación cruzada debe ser igual o menor que el 3% y la relación señal-ruido en 20 watt debe ser igual o menor que 50dB. La separación de canales en 1000 hertz debe ser igual o mayor que 40dB y en la gama de 250 a 10.000 hertz debe ser igual o mejor que 26dB. La sensibilidad de entrada de baja impedancia debe ser igual o menor que 5 milivolt en 47 kilohm. La sensibilidad de entrada de alta impedancia debe ser igual o menor a 500 milivolt en 470 kilohm. Los parlantes deben estar ubicados en baffles separados y deben poseer los tipos de woofer, squawker y tweeter necesarios para cumplir con los requisitos de respuesta de frecuencia arriba mencionados. Cabe mencionar que, desde luego, también las secciones de sintonizadores y otras etapas del equipo de HiFi deben estar en concordancia con las normas generales de este sector importante de audio. En la figura 1.8 vemos la ilustración de un típico amplificador estereofónico de la marca Macintosh, modelo MC300, producido en 1996, que posee las prestaciones propias del audio Hi-Fi modernos, como ser: amplificador de audio de dos canales de 300 watts de potencia por canal. Corriente de pico de la señal de audio de 85 amperes, distorsión armónica y de intermodulación menor al 0.005% y con cargas de salida seleccionables de 2, 4 y 8 ohms. Se en cuentran en el equipo dos instrumentos de aguja que permiten la lectura de la salida verdadera en watts y amperes, independientes para cada canal. Los circuitos de entrada permiten la conexión de fuentes balanceadas y no balanceadas y se provee también un control de potencia del tipo por tensión continua. En la figura 1.9 vemos una unidad de control y sintonizador modelo MX130, también Macintosh que complementa el amplificador de la figura 1.8. Este receptor de control posee control remoto y tiene incorporado decodificadores de Dolby Surround Pro-Logic y permiten el agregado de un módu-


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EQUIPOS DE AUDIO MODERNOS lo de THX-M de Macintosh que permite el procesamiento de la señal de acue rdo a las normas de l THX que veremo s más adelante. El mod elo MX130 posee una impedancia de salida de 600 ohm y una respuesta de frecuencia de 20 a 20.000 hertz con una tolerancia menor al +0 y -0,5dB. La distorsión armónica y por intermodulación es menor al 0,005%. En FM posee una sensibilidad de 11,25dBF y una distorsión e n FM del 0,08% en 1.000 hertz. La distorsión en Am es del 0,5% como valor máximo con un modulación del 30%. la relación S/N es de 50dB con una modulación del 30% y de 60dB con una modulación del 100%. El sistema de control permite manejar el sintonizador, entradas de audio y otras señales diversas. Se observa que los equipos de Hi-Fi modernos son muy amplios en sus prestaciones, que muchas veces están orientadas al Teatro del Hogar u otras aplicaciones sofisticadas. Los diferentes ajustes de ecualización y reverberación que los equipos de Hi-Fi permiten, pueden introducir en la música reproducida efectos muy interesantes y a veces asombrosos, sobre todo en los equipos de Hi-Fi destinados a radio del automóvil que por su naturaleza se desarrollan en ambientes muy ruidosos y de tamaño reducido. En la figura 1.10 vemos algunos de los efectos que se pueden lograr con equipos de Hi-Fi para automóvil y que incluyen los siguientes: sala de concierto de dos variantes, una para música clásica y canto y la otra p ara conciertos en gen eral, efecto de estadio dep ortivo, también en dos variantes, especiales p ara conciertos en "vivo" y otra para música de grandes orqu estas. El efecto de "iglesia" con sus efectos de música sacra, el efecto de música de "disco" para música de baile y rock dinámico y el efecto de "live" para simular ambientes más reducidos, para solistas vocales e instrumentales. Los logros de esta elaboración de las señales de audio superan muchas veces los efectos de la música natural en vivo.

Fig. 1.9

C) Equipos de High End Un equipo es considerado High End cuando el equipo de audio cumpla, además de todos los requisitos de la categoría Hi-Fi, algunos otros requisitos adicionales. Por lo pronto, todo lo que se dijo más arriba sobre Hi-Fi, también se aplica rigurosamente a la categoría High End, pero además se limita el concepto fuentes de audio sólo a aquéllas que poseen un tratamiento lineal de las señales, por ejemplo el DAT y el CD. No se aceptan aquellas fuentes o plataformas que introducen una compresión de la señal, como el DCC, el MK, el Dolby Surround Digital AC-3 y otros con compresión de señal. Se da, entonces, el caso de que el High End acepta el Dolby Surround Pro-logic, pero rechaza el Dolby Surround Pro-logic Digital AC-3, como señalamos más arriba, que es, en realidad, la plataforma más reciente de todas, con sus seis canales discretos y separados de información de audio. En esta categoría de High End encontramos e n la actualidad también algunos equ ipos con amplificadores de válvulas. Por ejemplo el e quipo de la marca Silsonic que está prep arado p ara reprod ucir CD y otras fuentes con Dolby Surround Pro-logic y se indica que sus características intrínsecas mejoran notablemente el sonido de los propios CD. En la actualidad también existen modelos de combinaciones de reproductor de CD y amplificador a válvula que ha tenido mucho éxito cuando la marca Dynaco lo lanzó al mercado a principios de 1996. Otro tema singular de la categoría High End que también afecta, en parte, los equipos de Hi-Fi en general, es el tema de los cables de conexión, especialmente aquéllos que conectan los parlantes al amplificador. Estas conexiones pueden llevar bajo ciertas circunstancias corrientes de au diofrecuen cias de 80 o más ampe res como vimos anteriormente y, por lo tanto, es imprescindible usar los conductores adecuados a esta intensidad de corriente. Esto no sólo afecta el diámetro de dichos conductores, sino también su terminación superficial que, en muchos casos, incluye baños de oro u otros metales preciosos. Esto es comprensible y necesario y no es simplemente un slogan publicitario, como muchos opinan. En los equipos de Hi-Fi es un requisito importante, pero en los de High End es simplemente imprescindible.

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P LATAFO RMAS DE AUDIO ANALO GICAS Y DIG ITALES

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P LATAFOR MAS DE AUDIO, ANALOGICAS Y DIGITALES 2.1. Listado de las plataformas a tratar En la actualidad están en vigencia varias plataformas analógicas y digitales. Las analógicas son principalmente el disco de larga duración (LP) y el casete compacto de audio (CC). Entre las digitales encontramos el disco compacto (CD), el casete compacto digital de audio (DCC), la cinta digital de audio (DAT), el minidisco (MD), el disco láser (LD) y el disco digital de video (DVD) con su sonido digital Dolby AC-3. Las dos analógicas mencionadas ya son bastante añejas, pero siguen en plena vigencia, motivo por el cual trataremos de resumir brevemente sus características más importantes. En cambio los medios digitales serán tratados con todo detalle.

2.2 Los discos de Larga Duración (LP)

Fig. 2.2

Fig. 2.1

El disco Long Play (LP) de vinílico y con 33,33 revoluciones por minuto (RPM) fue uno de los primeros medios de alta fidelidad Hi-Fi, en la década 1940-50. En 1948 la Columbia dio a conocer sus "LP record specifications", con lo cual se establecieron las normas prácticas, dimensionales y eléctricas, que siguen en vigencia aún hoy. Si bien la aparición del CD en el mercado ha reducido notablemente el uso y la fabricación del LP, el mismo sigue disfrutando del favor de muchos audiófilos. También se efectúan grabaciones nuevas y regrabaciones de títulos agotados, para deleite de una numerosa masa de fanáticos. El rango de frecuencias más usado en la mayoría de las grabaciones recientes es del orden de 30 a 10.000 hertz, pero grabaciones LP más antiguas abarcan sólo 50 a 8000 hertz, aproximadamente. La grabación en los surcos del LP se efectúa en las paredes laterales y para su correcta reproducción se requieren púas y pick-ups adecuados, con un peso del orden de los 2 gramos. Las dimensiones de surco y púa de unos 3 milésimos de pulgada (0,0762 mm) y un ángulo de cerca de 40 grados. Algunas púas suelen tener una punta más reducida de 2 milésimas de pulgada (0,05 mm), pero su uso está limitado a grabaciones de fecha reciente. Los límites de la velocidad normal de 33,33 RPM son de ±0,5% en redes de 50 hertz y de ±0,3% en redes de 60 hertz, de acuerdo a las normas NAB (National Association of Broadcasters). El ruido producido por la púa sobre la superficie del disco LP es del orden de los 56dB por debajo del nivel máximo de grabación. Esto es aceptable en medios analógicos, pero este nivel sólo se logra con la reproducción de sonidos fuertes de cierto volumen. Con pasajes de muy bajo volumen, el nivel de ruido puede eventualmente ser objetable. Esto limita desde luego el rango dinámico de las grabaciones en discos LP. Además e l nivel de ruido au menta con el desgaste p or uso de discos y púas. Se comprueba que el ruido de superficie de un disco LP de vinílico aumenta en 2dB después de 200 pasadas de los microsurcos. El diámetro normalizado d el LP es de 12 pu lgadas (30 cm). La imped ancia de salida de un reproductor de discos depende del tipo d e pick-up usado y es del orden de 0,5 Megohm o más en pick-up de cerámica o cristal y del orden de 0,5 Megaohm o más en pick-up electromagnéticos. Este aspecto es muy importante para una correcta conexión del tocadisco al amplificador. Se observa que un tipo de pick-up requiere una impedancia alta y el otro, un a imped ancia baja. En la figura 2.2 vemos un tocadisco moderno de la marca Wilson Benesch con un brazo de pick-up de fibra de carbón que reúne gran solidez y estabilidad mecánica combinadas con muy bajo peso. La velocidad constante del disco LP de 33,33 RPM, implica que la longitud de onda de las frecuencias grabadas en el surco externo de 292 milímetros de diámetro sea diferente a la que correspond e al último surco interno de só lo 96 mm de diámetro. En el primer caso la velocidad de transporte v es de v = d x 60/33,33 = 1651 mm/seg. y en el último caso es de 542,9 mm/seg., asumiendo e l diámetro del surco externo e n 292 mm y el del surco inter-


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PLATAFO RMAS DE AUDIO ANALO GICAS Y DIGITALES

no en 96 mm. Estas cifras nos dan una longitud de onda de 342 mm en el aire con su velocidad de 342 m/seg. y una frecuencia de 1000Hz, mientras que esta misma frecuencia tiene en el surco externo una longitud de onda de 1,65 mm y en el surco interior tiene una longitud de onda de 0,54 mm. Esta diferencia se debe a la velocidad constante del LP con surcos de diferente diámetro y longitud. Además de la velocidad de transporte del disco, con respecto a la púa existe también un movimiento lateral de la misma que es proporcional a la frecuencia grabada, si se mantiene constante la amplitud de la excursión con una potencia de salida constante. Como este método sólo es aconsejable para frecuencias bajas, se recurre a un proceso combinado de amplitud constante y velocidad constante. En esta última la amp litud d e cresta del mo vimiento es p roporcional a la frecuencia grabada. La frecuencia de cruce entre ambos sistemas es del orden de los 500Hz. Para ecualizar la reproducción, se introduce durante la grabación un pre-énfasis de las frecuencias altas y un desénfasis durante la reproducción. Un disco LP grabado e n estas cond iciones permite un tiempo máximo de grabación/reproducción del orden de los 25 a 30 minutos por lado.

Fig. 2.3

2.3. Los casetes compactos de audio (CC) Si bien la grabación en cintas magnéticas es conocida desde hace mucho tiempo, para los fines de la grabación sonora, recién alrededor de 1960 creó Philips el casette compacto de audio (CC), cuyo aspecto se observa en la figura 2.3. Las dimensiones del CC son 100, 4x63, 8x12 mm y este casete contiene una cinta magnética de 3,78 mm de ancho que es transportado a una velocidad de 4,76 cm/seg. El ancho de la cinta permite la grabación de 4 pistas de 0,7 mm de ancho, cada una, y su recorrido se efectúa en ambas direcciones. En cada pasada se usan dos pistas para poder grabar señales estereofónicas. Debido a esta distribución de las pistas, un casete de 45 minutos de duración se graba con un total de 90 minutos de música en su recorrido completo. Este casete de 90 minutos (45 + 45 minutos) es un o de los más pop ulares, pero también e xisten casetes de 30, 60 y 120 minutos de tiempo total. El material de base de la cinta magnética es de poliéster del tipo del polietileno teraftálgico (PET), con un espesor nominal normal de 25,4µm (micrometros). El espesor de la cinta de 120 minutos es, sin embargo, menor y no es muy recomendable para un uso frecuente. El recubrimiento magnético de la cinta puede ser uno entre tres tipos: I - Oxidos férricos del tipo Fe2O3, II - Dióxido de cromo CrO2 y III - Metálicos de hierro puro. Como la composición química de los productos usados en cada recubrimiento es diferente, también existen importantes diferencias en sus características magnéticas. No todas las cintas son aptas para todo tipo de grabador de casete. Se requieren diferentes tipos de energía magnetizante, de bo rrado y de polarización previa. Para este último requ isito se usa una señal continua de alta frecuencia de unos 60 a 80kHz. Las cintas del tipo I de óxidos férricos pueden usarse en todos los equipos que no tienen leyendas específicas al respecto. En cambio, los equipos para el tipo II de cromo, llevan expresamente una leyenda alusiva. Los del tipo de metal puro son los más delicados y sólo pueden usarse cuando especifican expresamente METAL COMPATIBLE. En otros equipos se pueden usar las cintas metálicas de la categoría IV en la p osición d e cromo, p ero sólo p ara reprodu cción y no para grabación. Conviene an alizar el motivo d e la diferencia de l comportamiento en tre cintas de óxidos, tanto férricos como de cromo, y las cintas de metal puro. En la figura 2.4 vemos el aspec-

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Fig. 2.4

Fig. 2.5

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to de la distribución molecular en la capa magnética de ambos tipos de cinta. Se aprecia que el espacio disponible está cubierto en las cintas de óxidos por moléculas de metal y de oxígeno. En cambio en las capas magnéticas de metal puro, sólo se encuentran las partículas metálicas, con el consiguiente aumento de la densidad magnética. Si bien esto requiere diferentes condiciones de magnetización, también brindan mejores resultados en la reproducción del material grabado. En la fig. 2.4.B vemos los 3 tipos de CC. La calidad de reproducción de los casetes CC es superior en varios aspectos al LP, sobre todo al desaparecer el ruido de púa y en muchos casos puede mejorar aun más con sistemas de reducción de ruido (Noise Reduction = NR) de Dolby. El principio de los sistemas Dolby de NR es que son complementarios. Esto significa que en la grabación se introduce una expansión de la señal de audio en el rango superior a los 5000Hz, aproximadamente y en la reproducción se introduce una compresión complementaria que devuelve a la señal su nivel de respuesta original, pero reduce el ruido. En los circuitos integrados típicos para esta función se logra en el modo de grabación una S/N de 72dB y, en el modo de reproducción, una S/N de 82dB. Existen varios tipos de Dolby NR, siendo el Dolby A típico para películas cinematográficas y los Dolby B y C, indicados para cintas magnéticas y recepción de señales de FM. En la figura 2.5 podemos apreciar el modus operandi del Dolby NR con mayor detalle. En la parte A de la figura vemos que la señal de audio E posee un nivel plano durante la grabación, pero al agregarse durante la reproducción el ruido propio del proceso, la relación S/N desmejora. En la parte B de la figura 2.5 vemos el agregado del proceso Dolby que introduce la expansión en la parte superior de la gama de frecuencias de la señal. También en este caso se agrega, desde luego, el ruido propio del proceso, pero al producirse la compresión de la señal, ésta vuelve simplemente a su nivel original, debido al carácter comp lementario d el Dolby. Como la compresión a fecta también al ruido, el mismo que no pasó por la etapa de expansión, se reduce notablemente con los valores ya indicados. El resultado final es una señal con una S/N muy superior a la original. Se observa esto también en el diagrama de la figura 2.5.B. Lógicamente, el proceso de NR de Dolby debe comenzar en la grabación, motivo por el cual existen muchos equipos que producen este efecto y el usuario puede marcar su introducción sobre el mismo casete. A su vez, los casetes comerciales pregrabados, poseen esta indicación de fábrica. En la figura 2.6 vemos un casete CC con una indicación de NR en su etiqueta. Esto permite marcar en el mismo casete si se introduce o no, la NR. La diferencia principal entre Dolby B y C es su respuesta de frecuencia, que es más plana en el modo B que en el C. Ambos son, sin embargo, compatibles con equipos que no poseen Dolby, pero se manifiesta en este caso una ligera reducción en la respuesta de agudos en los casetes grabados con NR y reproducidos en equipos sin NR. Bajo el punto de vista constructivo de los equipos, cabe recordar que existen en el mercado numerosos circuitos integrados que incluyen en la misma cápsula sistemas Dolby completos para dolby B y C, con conmutación automática, con dos canales independientes para estéreo y con conmutación para grabar y reproducir. La introducción de los circuitos integrados de la compensación Dolby agrega apenas un 0,1% de desme-


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jora en la relación S/ N. En algun os eq uipos de audio de reciente diseño se encuentra también un tercer tipo de NR, el Dolby S que abarca una gama de frecuencias mayor que los tipos B y C. El Dolby S actúa también en las frecuencias bajas donde el Dolby B y el Dolby C no actúan. Tal es así que en el Dolby S se agrega una reducción del ruido de 10dB en las frecuencias bajas y, en general, posee una reducción el ruido (NR) máxima de 24dB. En la figura 2.7 vemos una comparación relativa entre las curvas de respuesta de NR para Dolby B, C y S. Como en todos los equipos de grabación magnética de audio y video, existe también en los grabadores de CC la posibilidad de una magnetización indebida y perjudicial, causada p or campo s magnéticos externos. Para eliminar este efecto nocivo se puede recurrir al uso de un desmagnetizador de cabezas, como el que se observa en la figura 2.8. También existen para este fin casetes especiales con un desmagnetizador incorporado. Se recomienda efectuar una d esmagnetización cada 50 horas de uso d el grabador. Otro problema muy frecuente en los grabadores de casete es la acumulación de suciedad, a veces producida por el desprendimiento de pequeñas partículas de los mismos casetes introdu cidos en el grabador. Esto afecta especialmente a las cabezas magnéticas y también al resto del recorrido de la cinta magnética con sus ejes y rodillos. Se recomienda una limpieza cada 10 horas de funcionamiento, aproximadamente, usando para este fin un hisopo empapado ligeramente en alcohol isopropílico o un casete limpiacabezas, como el que vemos en la figura 2.9. Muchos modelos de pasacasetes poseen en la actualidad una prestación muy interesante, el autoreverse (autorreversa), que se puede aplicar en grabación y en reproducción. Esta reversión automática de la marcha permite el recorrido de ambos lados del casete, sin necesidad de sacarlo del grabador. En estos equipos existen dos rodillos impulsores con sus respectivos capstans (ejes impulsores) que permiten el avance de la cinta en ambas direcciones. Además es, desde luego, indispensable que existan también las cabezas magnéticas adecuadas, ya que en un caso se graban o reproducen las dos pistas superiores y en el otro caso las dos pistas inferiores. En la figura 2.10 vemos el aspecto de cabezal para autoreverse que abarca en su ancho todo el ancho de la cinta de 3,8 mm y no sólo la mitad, como en los cabezales convencionales de dos pistas. Al llegar al final de un recorrido, la presión de la cinta detenida momentáneamente, en los equipos más antiguos, o el detector de fin de cinta en los equipos modernos, activan la marcha inversa y efectúa también al mismo tiempo la conmutación de cabezas. El detector de fin de cinta es un dispositivo que funciona en base a las diferentes características ópticas de la cinta magnética dentro del casete. La parte cubierta con la capa magnética posee un determinado grado de opacidad o transparencia, mientras que al comienzo y al final de la cinta esta opacidad es diferente. Muchos casetes poseen un "leader" (guía) transparente, otros lo tienen de un color distinto del de la parte activa de la cinta. Lo importante no es el color en sí, sino la diferencia de transparencia u opacidad de ambos sectores. En la figura 2.11 vemos un circuito de detector de fin de cinta típico que posee un sensor en base a un led (diodo fotoemisivo) y un fototransistor que activan un circuito detector de tal manera que pue da activar otras secciones, p or ejemplo: la detención de la cinta, el autoreverse (autorreversa), la conmutación de cabezas, etc. El detector funciona en base a dos estados lógicos: con la salida constante de la cinta en marcha, el circuito está en H (High) equivalente a un uno binario y con la presencia de

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Fig. 2.6

Fig. 2.7

Fig. 2.8

Fig. 2.9



Fig. 2.10

Fig. 2.12

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la cinta leader se transforma en L (Low) igual a un cero binario. Más adelante profundizaremos estos conceptos. Otra característica de los casetes, las lengüetas de protección contra el borrado o regrabación accidental, son ampliamente conocidos. Los casetes donde se eliminan una o las dos de estas lengüetas, sólo pueden ser reproducidos, pero no regrabados. Algunos equipos poseen doble casetera para poder efectuar el copiado directo de un casete a otro dentro de la misma máquina. En estos equipos suele usarse sólo uno de los mecanismos para grabar y reproducir. El otro es usable sólo para la reproducción. Muchos de estos equipos efectúan el copiado en doble velocidad (copiado rápido), lo que facilita y acelera esta operación en forma notable. La calidad tonal no es afectada en forma significativa y desde luego, la reproducción del casete copiado se realiza con la velocidad reglamentaria. En los últimos años también se han introducido, en algunos modelos de grabador de casete, otras prestaciones que seguraFig. 2.11 mente fueron inspiradas por los reproductores de CD que conoceremos más adelante. En el grabador de casete se usan las siguientes funciones: SCANAND-PLAY y RANDOM-MEMORY-PLAY, que en algunos modelos poseen diferentes designaciones, pero cumplen las siguientes funciones. La función scan-and-play significa "explorar y reproducir" y se efectúa de esta manera: se necesita un casete grabado con la característica que introduce un intervalo silencioso de 3 segundos entre cada trozo de música grabada. Esto permite después explorar la cinta y reproducir los primeros 10 segundos de cada intervalo musical. Con ello se facilita la búsqueda de una determinada pieza musical en pocos segundos. Si queremos usar entonces esta pieza musical en la reproducción, se activa una tecla de memoria, con lo cual el reproductor de casete reconoce el lugar donde está grabada esta pieza (segundo, tercero, etc., por ejemplo). Al terminar el recorrido qued an registradas las piezas seleccionadas. Se rebo bina y se rep roduce las piezas marcadas en forma automática en el orden que fueron grabadas. Aquí entra a jugar la prestación de random-memory-play, que significa "reproducción con memoria aleatoria". En esta variante se puede alterar el orden de las piezas marcadas en la memoria y en lugar de reproducir 1, 2, 3, etc., se puede ordenar la ejecución de 8, 3, 7, etc. El equipo se encarga de ejecutar esta orden en forma automática. Para lograr estas prestaciones es necesario disponer de un equipo con procesadores digitales, tipo µP, aun cuando la música sea grabada en forma analógica. Esta unión de técnicas digitales y analógicas la vamos encon trar con mucha frecuencia en los equipos de audio mod ernos. En la figura 2.12 vemos el aspecto de un equipo de estas características, el modelo CT-W79 de la línea Elite de Pioneer que posee éstas y muchas otras funciones de última generación. Este tipo de equipo posee generalmente también displays iluminados que indican en forma visual las prestaciones que se están realizando. Muchos grabadores portátiles para audiocasete poseen micrófonos incorporados para posibilitar la grabación de programa propios.

2.4. Conceptos básicos de la Técnica Digital Habiendo terminado en grandes rasgos la descripción de algunos equipos analógicos de audio, nos encontramos ante la necesidad de entrar en el análi-


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sis de los equipos digitales de audio. Esto es un paso muy importante, tal vez de mayor importancia que la transición de equipos de válvulas a equipos de estado sólido. En este paso trascend ental, visto bajo la luz de la historia, simplemente camb iamos una "caja ne gra" grande y caliente, por otra más pequeña y fría. El contenido de estas cajas, sin embargo, no cambió en forma significativa. En cambio, en la transición de analógico a digital, el aspecto y tamaño de los equipos se modificaron poco, pero su contenido electrónico se modificó en forma sustancial. Por otra parte, ya hicimos en el presente tratado alusiones repetidas a las técnicas digitales e incluso encontramos en los equipos analógicos modernos, etapas digitales para el procesamiento de señales analógicas de audio o para el eficiente cumplimiento de prestaciones auxiliares. En primer término, debemos recordar que las señales digitales y sus etapas de procesamiento no son precisamente una novedad en la historia de la ciencia en general y de la electrónica en particular, afirmación que ilustraremos a continuación. La base de todo proceso digital, de computación y de otras disciplinas, es el sistema numérico binario, que sólo reconoce dos magnitudes: el "1" y el "0". El inventor de este sistema numérico fue el científico alemán Gottfried Wilhelm Leibniz (1646-1716), quien lo creó en 1673. Otro matemático que se ocupó de los números binarios y las leyes que los gobiernan fue el científico británico George Boole (1815-1864). El Algebra de Boole lleva su nombre. También en la aplicación de la técnica digital existen antecedentes, la primera compuerta lógica AND (Y) fue creada por el Mayor Edwin H. Armstrong (1890-1954), investigador n orteamericano, quien en 1918 desarrolló e l superheterod ino. Este dispositivo, analizado bajo el punto de vista de la electrónica moderna, posee en la etapa conversora el primer circuito implícito de la compuerta lógica mencionada. El científico norteamericano Harry Nyquist creó en 1933 el "criterio de Nyquist" que establece la relación entre u na frecuencia de mu estreo y la frecuencia a mue strear, al expresar que la primera debe ser igual o mayor que el doble de la segunda (Fs ∆ 2 . Fmáx.). Se observa que algunos conceptos de la técnicas digitales ya existían y eran conocidos mucho antes de crearse los primeros equipos digitales. Conviene recordar también que la primera computadora electrónica del mundo, ENIAC, se construyó en 1946 con 19.000 válvulas electrónicas. El transistor y los demás semiconductores, que son la base de la computación electrónica actual, fueron inventados en 1947 y llegaron a su auge muchos años después. Con estos antecedentes históricos, no nos debemos sorprender del avance vertiginoso que tuvieron las técnicas digitales con el advenimiento de los circuitos integrados MOS-LSI (Metal Oxide Semiconductor-Large Scale Integration). El primer paso en los equipos digitales que deben funcionar con señales analógicas, es la conversión analógico-digital. Esta conversión se basa en el muestreo de las señales analógicas para evaluar debidamente su frecuencia, su amplitud y su fase y trasladar estos parámetros al do minio digital. Basándonos en el criterio de Nyquist, vemos cómo cualquier señal de audio puede analizarse por "partes", cada una de los cuales constituye una muestra que junto con las demás muestras, permite reconstruir nuevamente la forma de onda original. El proceso ilustrado se comp one de varias etapas. La primera mue stra la forma de ond a compleja que deseamos muestrear. El segundo paso es la aplicación de pulsos de muestreo con lo cual obtenemos diferentes amplitudes de acuerdo a las características instantáneas de la señal a muestrear en el momento de aplicarse el pulso de muestreo. En el tercer paso retenemos la amplitud de cada pulso de muestra individual hasta la llegada del pulso de muestreo siguiente. Este proceso se denomina "muestreo y retención" = sample and hold, y su resultado es una serie de valores que corresponden a la frecuencia, fase y amplitud de la señal analógica y los que deben ser transformados en números binarios para poder entrar al procesador digital.

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Fig. 2.14

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El muestreo debe efectuarse con absoluta regularidad y para ello es necesario que los pulsos del mismo provengan de una fuente con exactitud de cristal. El generador que se usa para este fin se denomina "clock" (reloj). El término clock es inglés pero se ha incorporado también al idioma castellano para designar el generador de pulsos de todo sistema digital. En la figura 2.14 vemos el clock ubicado en el circuito del procesador digital. Para llegar ahora al siguiente paso de la "digitalización" o "cuantificación", se designa un valor digital a cada muestra, por ejemplo, los valores analógicos decimales 2, 3, 4, etc., se transforman en los valores binarios 0010, 0011, 0100, 00101, etc. Como se sabe, en el sistema binario se usan sólo las potencias de 2. Su posición indica el valor del exponente de potencia, contando de derecha a izquierda y la indicación "0" o "1" indica si está presente o no . En el núme ro binario 0011, marcado recién, tenem os cero 23, cero 22, un 21 y un 20, quiere decir: 2 + 1= 3. La indicación 1.110 en escala binaria significa en escala decimal: 1x23 + 1x22 + 1x20= 8 + 4 + 2 + 0= 14. 1.111 en binario, es 15 en decimal. Cada posición es un dígito binario, llamado abreviado BIT. En el sistema digital usado en el disco compacto CD, se usan 16 bits, lo que resulta en un valor máximo de 216 = 65.536. Esta es la cantidad de valores que puede adquirir cada bit en una "palabra" digital de 16 bits. El dígito binario que se encuentra a la izquierda de la palabra binaria, es el "bit más significativo" (216 = 65.536) y el que se encuentra a la derecha es el "bit menos significativo" (20 = 1). Las muestras obtenidas por el muestreo se deben realizar con un clock cuya frecuencia debe ser mayor que el doble de la frecuencia máxima a muestrear, de acuerdo al criterio de Nyquist. En un sistema de 20.000 hertz como frecuencia máxima, el valor de 44,1kHz como frecuencia de muestreo se ajusta a este criterio y es usado en el CD. En otras plataformas digitales se usan valores diferentes que se observan en la Tabla 2.1. En la Tabla hemos incluido varias alternativas, tanto de sistemas lineales, donde a cada bit de la señal original corresponde un bit de la señal grabada o transmitida, como también en aquéllos donde se efectúa una compresión de señales. Estos conceptos serán ampliados más adelante. _______________________________________________________________ TABLA 2.1 Diferentes valores de la frecuencia de muestreo

Se rvicio

F rec. de muestre o F re c. máxima Tip o de sistema

CD (disco) DAT (cinta)

44,1kHz 20kHz lineal 48kHz 22kHz lineal 44,1kHz 20kHz lineal 32kHz 15kHz lineal DCC (cinta) 48kHz 22kHz con compresión 44,1kHz 20kHz con compresión 32kHz 15kHz con compresión MD (disco) 4,1kHz 20kHz con compresión NICAM (TV) 32kHz 15kHz con compresión AC-3 (disco y TV) 48kHz 22kHz con compresión ______________________________________________________________ Recordamos a nuestros lectores que, por ahora, los sistemas con compresión de señal (no lineales), son rechazados por los adeptos al audio High End, al menos en momentos de redactar este texto. La longitud de las "palabras" digitales es finita, por ejemplo: de 16 bits en el CD y mayor


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o menor en otras plataformas. Por este motivo la cuantificación sólo se aproxima al valor real exacto de cada muestra y no es necesariamente idéntico al mismo. Esta pequeña diferencia es imperceptible para el oído humano, pero introduce en la señal una componente de ruido, llamado "ruido de cuantificación". Este ruido no estaba presente en la señal analógica original y se trata de eliminarlo. Uno de los métodos para este fin es el incremento de la cantidad de bits, por ejemplo de 16 a 20 bits. Esto, sin embargo, es muy costoso y se usa solamente en equipos de punta. Otro método está basado en la predictibilidad de los sistemas digitales, en los cuales se puede conocer perfectamente el monto del ruido que se va a generar con un a cierta cantidad de bits. Para contrarrestar este efecto, se agrega en algunos modelos, antes de la cuantificción, una señal adicional, llamada dither (temblor), que al ser procesada junto con la señal principal compensa el ruido de cuantificación. Usando una analogía con otros procesos similares, podemos considerar el dither como una polarización previa, similar a la señal de alta frecuencia que se usa como biasado para mejorar la relación S/N y la distorsión armónica. En las cintas magnéticas el biasado de alta frecuencia es obligatorio, en cambio la aplicación del dither es sólo optativo. La señal digital debe ser codificada de acuerdo a ciertas normas. Este proceso es necesario para lograr un ordenamiento total de la información digital. Con ello logramos una identificación no sólo de la información de audio propiamente dicha, sino tamibén de su ubicación sobre el disco o la cinta magnética que se usan como soporte. Para lograr este propósito se agregan a los bits de audio las informaciones auxiliares para la identificación de cada pista, del comienzo y final de cada pieza musical grabada o segmento de la misma y otras informaciones que contribuyen a la compatibilización de los discos y reproductores producidos por diferentes fabricantes. En un CD sólo el 40% o menos de la cantidad total de los bits grabados, corresponden a la información de audio propiamente dicha. El resto cumple funciones de sincronización, modulación, paridad, corrección de errores y otros. Estas funciones son , desde luego, indispensables para u na correcta reprod ucción del CD en todos los aspectos. Todo CD contiene, al comienzo de su recorrido, en el centro del disco, un índice que se denomina TOC = Table Of Contents, que informa al reproductor del CD cuántos capítulos o segmentos p osee, la duración de cada un o de ellos y la duración total y otros datos. Esta característica es, a su vez, la clave para una búsqueda rápida de cada segmento del disco, que es una de las prestaciones sobresalientes del CD y de otros medios digitales. Con medios analógicos no se logra generalmente este tipo de performance. Debemos recordar un detalle de las grabaciones del CD. El comienzo de la grabación del mismo está en el centro y el final está en el borde externo. Recordermos que en los discos LP esta situación es a la inversa. En todo procesador digital existe una relación muy estrecha entre la frecuencia de la señal de muestreo y la señal de audio. Para evitar interaccione s nocivas entre ambas señ ales es necesario introducir un filtrado muy cuidadoso. En el conversor analógico-digital debe evitarse que la frecuencia máxima de audio pase del límite establecido, por ejemplo, de 20kHz en el CD. Si el filtrado no es correcto, pueden producirse señales indeseadas, producidas por el batido entre la frecuencia de muestreo y la frecuencia de audio. Estas señales espúreas se conocen con el nombre de aliasing (aliasado) o seudónimo y se usan filtros de antialiasado para eliminarlos o evitar que se produzcan. Estos filtros se pueden introducir en la parte analógica para limitar el rango de audio en forma abrupta. En otros casos, se puede recurrir al sobremuestreo, para lograr que eventuales señales "falsas" caigan fuera del rango audible. Ambos sistemas se usan, a veces, en forma combinada para evitar que el sonido de los CD tenga una sensación de dureza que algunos audiófilos consideran existentes en la música digital.

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Fig. 2.15



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Contribuye a esta situación también otro defecto que se puede presentar en los conversores analógico-digitales y que son los llamados errores de apertura. Este problema se presenta por el retardo que se experimenta en el circuito de muestreo y retención, para reconocer el nivel de cada una de las muestras obtenidas, y en la retención de esta muestra que también debería ser instantánea, hasta que se repita el proceso con la muestra siguiente. Sucede, sin embargo, que se tarda un cierto tiempo en cargar el capacitor responsable de la retención y a este tiempo se llama "Tiempo de Apertura". Como el tiempo necesario, para que se establezca un nuevo valor de la carga almacenada por dicho capacitor, depende de la intensidad del cambio que se produzca en el nivel de amplitud de dos muestras sucesivas, el tiempo de apertura variará en función de la velocidad de cambio del nivel de la señal muestreada, siendo más elevado en las señales de frecuencia más alta y mayor amplitud. Por otra parte, el momento en que se inicia el proceso de muestreo, es decir: el instante en que se abre la ventana de muestreo, tampoco está definido de una manera exacta. A esta incertidumbre se llama jitter o "temblor". Dicho de otra manera, la falta de precisión en el sincronismo del proceso de muestreo puede provocar errores de amplitud en señales sometidas a cambios rápidos, como las que se encuentran en algunas interpretaciones musicales. Dichos errores tienen que ver con el tiempo de apertura, con la incertidumbre en dicho tiempo y con el "jitter". El resultado acumulado de estos fenómenos se plasma en la eventual aparición de distorsiones en la señal muestreada, que crecen en función de la frecuencia. En la figura 2.15 se observa una ilustración de esta situación. Para tener una idea más con creta sobre la ubicación circuital de las etapas mencionadas, observamos, en la figura 2.16, el aspecto del esquema en bloques de un equipo para grabación a partir de fuentes estereofónicas analógicas. Se observan las entradas de audio analógicas de izquierda y derecha que conducen a sendas etapas de amplificación de línea (1). En este punto se agrega, a las señales analógicas, la señal de dither (2) que permite reducir el ruido de cuantificación. A continuación se ubican los filtros de antialiasado (3) o filtros de seudónimos, como las llama una parte de la literatura técnica en español. A continuación se cumple el primer paso de la digitalización mediante lo circuitos de sample and hold (4) y estas señales se conducen al conversor analógico-digital (5) con sus circuitos de cuantificación. Ambas señales, de canal de izquierda y de canal de derecha, idénticamente procesados, llegan ahora a un circuito de multiplexado (6), donde las señales de cada canal son colocados en serie para obtener un único flujo de bits. Como las unidades de bits de cada canal se suceden en un ritmo de 136µs por cada frame o cuadro, la información de izquierda y derecha es prácticamente simultánea para el oído humano y brinda una separación de canales del orden de los 100dB, debida a las etapas analógicas. Un frame es el bloque de señales más pequeño que el reproductor del CD maneja en cada momento y contiene unos 588 bits. Un CD puede contener unos 34 millones de frames en una duración de 74 minutos. Una vez multiplexadas las señales, las mismas son sometidas a un proceso de corrección de errores (7) y a la modulación (8) mediante un modulador del tipo PCM (Pulse Code Modulation). El esquema de la figura 2.16 corresponde a la grabación. En la figura 2.17 vemos el esquema en bloques que Fig. 2.16 corresponde a la repro-


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ducción. En este esquema en bloques, las etapas son similares a las usadas en el proceso inverso, d estacándose, sin e mbargo, el con versor digital-analógico (9) q ue debe mos an alizar más a fondo debido a que este bloque es el que más desarrollos y mejoras ha tenido en los últimos años y que además es un circuito que se encuentra en todos los reproductores de CD y también en otros equipos digitales. En el proceso de la conversión digital-analógica nos encontramos nuevamente con la posibilidad de la generación de señales espúreas. En la figura 2.18 vemos en la parte superior cómo se presenta más allá de la frecuencia de la señal de audio de 20kHz la frecuencia de muestreo de 44,1kHz y las armónicas siguientes de esta frecuencia. Para eliminar estas frecuencias superiores a 20kHz debemos contar con un filtro pasabajos muy elaborado que es difícil y costoso en su construcción. Este filtro debe esar ubicado en la salida analógica del demodulador.. En la figura 2.17 está marcado con el número (10). Si en cambio usamos una frecuencia de muestreo cuatro veces mayor a la normal (44,1 x 4 = 176,4kHz), logramos que en la sección analógica se presenten señales armónicas recién en esta frecuencia y superiores, lo que facilita su filtrado. Se combina este hecho con el uso de un filtro cuya respuesta de (sen x/x)2 atenúa la armónica de 176,4kHz aún más, como vemos en la parte central e inferior de la figura 2.18. El sobremuestreo de 4 a 8 veces es común en muchos equipos de CD y brinda muy buenos resultados. Se logran, sin embargo, resultados mejores aun si se reduce la cantidad de b its por p alabra de 16 a 1. En este método se adopta un flujo de datos de alta velocidad que en lugar de la señal de 16 bits y una frecuencia de muestreo de 256 x 44,1 = 11,2896MHz. En otros circuitos se usa un sobremuestreo de 384 veces con una frecuencia de muestreo de 384 x 44,1 = 16,9344MHz. Con este tipo d e mu estreo se con servan, desde luego, las características originales de la música grabada, pero la frecuencia tan elevada del muestreo permite una salida sin errores en tiempo muy breve. Un bit sólo puede tener dos estados posibles ("1" y "0") y, por lo tanto, se obtiene un resultado más exacto que en 16 bits, que pueden asumir 65.536 estados diferentes. Este proceso introduce una formación del ruido que mejora también la relación S/N inherente al proceso. Se agrega en este paso un bit como dither, cuya función habíamos visto más arriba. Diferentes marcas usan diferentes designaciones para este tipo de conversor digitalanalógico. Philips llama este proceso Bitstream de 1 bit, Marsushita con sus marcas Panasonic, Technics y Quasar y la firma NTT (Nippon Tlephone & Telegraph) lo llaman MASH (Multistage Noise SHaping) de 1 bit y Pioneer lo llama DLC (Direct Linear Conversion). Todas las marcas poseen también circuitos integrados como procesadores específicos para esta función. Algunos de estos tipos de CI son el SAA7320 de Philips, el MN6472 de Matsushita y el PD2026 de Pioneer. En la figura 2.19 vemos la curva de respuesta de la señal de PWM (Pulse Width Modulation), propio de estos procesadores de 1 bit. Los equipos que funcionan en base a estos procesadores pueden usar en el bloque (10) de la figura 2.17, un filtro pasabajos muy sencillo y con excelentes resultados. El Fig. 2.17 circuito de Philips usa PDM (Pulse Density Modulation). Algunos equipos utilizan para la conversión digital-analógica etapas de 18 ó 20 bits, aun cuando la señal sólo tiene 16 bits. Esto ofrece la ventaja qu e se logra una m ejor linealidad total de la señal convertida. La linealidad del procesador se especifica como porcentaje del bit menos significativo (LSB). Un conversor D/A de 18 bits que es lineal dentro de ±0,5LSB, será cuatro veces

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más lineal que otro conversor D/A de 16 bits, con la misma especificación de ±0,5LSB. Visto de otra manera, el cambio de señal más pequeño posible en un conversor D/A de 16 bits es 1LSB, pero es de 4LSB con un conversor D/A de 18 bits.

2.5. La grabación y reproducción de señales digitales

Fig. 2.18

Con todos los requisitos ya mencionados para la conversión analógico-digital y digital-analógica es, sin embargo, necesario prever otras medidas adicionales que permiten una fácil y confiable grabación y lectura de las señales registradas en el CD. En las figuras 2.16 y 2.17 están previstas estas funciones en los bloques (7), (8), (-7) y (-8). Veamos este aspecto a continuación. Las manifestaciones de ondas sonoras audibles, tanto vocales como musicales, son transformadas en un transductor de entrada (micrófono) en señales eléctricas analógicas. Para su registro en medios digitales deben ser convertidos en señales digitales y para que éstas puedan ser transferidas y registradas en sus respectivas plataformas, es necesario adoptar ciertos métodos confiables. En el caso del CD y otros, se efectúa esta transferencia por medio de una cadena de pocitos y planos que representan la señal digital. Un cambio de pocito a plano o viceversa, representa el número binario "1". Una superficie plana en el fondo de un pozo o sobre un plano, representa el número binario "0". En la figura 2.20 vemos el aspecto de este orden amiento en la superficie del disco. Las dimensiones de pocitos y planos son variables, de acuerdo a la información digital a grabar y la velocidad a la cual gira el disco. La longitud mínima de los pocitos es de 0.833µm con una velocidad de giro de 1,2 metros por segundo (m/seg) y llega a 0,972µm con 1,4 m/seg. La longitud máxima, a su vez, varía entre 3,054 µm en 1,3 m/seg hasta 3,65µm en 1,4 m/seg. El ancho de los pocitos es de aproximadamente 0,5µm y su profundidad es de 0,11µm. Los pozos y planos están ubicados en forma secuencial en una gran espiral que se llama pista. La distancia entre cada vuelta de la pista es de 1,6µm. La velocidad del Cd en el centro es de 500 RPM, equivalentes a 1,4 m/seg y en el borde externo es de 200 RPM a 1,2 m/seg. Este tipo de giro implica una velocidad lineal constante (CLV = Constant Linear Velocity). Para apreciar estas dimensines debemos considerar que en el surco de un disco LP pueden caber 60 pistas de CD con una densidad de cerca de 6.250 pistas por centímetro. Las dimensines indicadas son muy reducidas, como pod emos ap reciar, y esto exige toda clase de consideraciones en cuanto a la consistencia Fig. 2.19 estructural del material del CD y los medios de lectura. También influye en la estructuración de la señal que debe someterse a un proceso especial de modulación y a otro de corrección de errores. Se denomina error toda falla, omisión o partícula incorrecta en el camino de la lectura de las pistas del CD que pudiese alterar el contenido leído. Muchos de los errores previstos en el CD son causados por el material del disco, debido a burbujas minúsculas encerradas en el material durante el proceso de su fabricación, pero también se refiere a fallas o daños externos que se producen durante el uso, después de la fabricación. Para lograr que estas eventuales fallas no produzcan daños audibles en la reproducción del CD, se adoptan dos


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medidas: la modulación de ocho a catorce EFM (Eight-toFourteen Modulation) y los sistemas de corrección de errores. En la etapa de la modulación EFM (bloque (8) de la figura 2.16), se transforma las palabras digitales originales de 8 bits, en palabras digitales de 14 bits. En la figura 2.21.A vemos el caso típico en el cual se representa una secuencia 10101, etc., que podemos considerar una situación crítica, ya que sería muy difícil de registrar y de leer en el caso real. Para superar esta situación se establece que no debe haber menos de dos ceros ni más de 10 ceros entre dígitos de uno. Para poder cumplir esta regla de dos a diez, se efectúa la transformación de 8 a 14 bits. Se establece un periodo mínimo, llamado Tmín, que consiste en dos ceros seguidos por un uno (001). Cuando el flujo normal de bits indica menor distancia, se agrega un cero y cuando indica mayor distancia se agrega un uno. El valor del período máximo es entonces Tmáx y se presenta cuando existen 10 ceros seguidos por un uno (00000000001). En una palabra de 8 dígitos existen 256 diferentes combinaciones de ceros y unos, pero sólo 100 de ellas cumplen con el requisito de la regla de dos diez. En cambio, en una palabra digital de 14 bits existen 16.384 combinaciones de ceros y unos y 267 de ellas cumplen con el requisito del dos a diez. Esto es desde luego uno de los motivos por los cuales se efectúa la EFM. En la figura 2.21.B se observa una palabra digital en el código de 14 bits. En la detección y corrección de errores existen varios pasos y los más fundamentales están basados en la compuerta lógica "0-exclusivo", cuyos símbolos y Tabla de Verdad se observan en la figura 2.22. La salida de esta compuerta es 1 cuando sus componentes son diferentes y es 0 cuando sus dos componentes son iguales. Se utiliza esta compuerta y sus derivadas establecer el concepto del bit de paridad. En el sentido más simple, la paridad es la suma, en un módulo de dos, de todos los bits dentro de una palabra codificada. En una palabra de 4 bits, podemos detectar un error si le agregamos un bit de paridad. No podemos detectar dos errores, pero existen formas de ampliar este concepto para cubrir prácticamente todos los casos necesarios. En la figura 2.23 vemos la aplicación de un bit de paridad. En el CD se usan los bits de paridad junto con un método de detección y corrección de errores, llamado Reed-Solomon Code que usa símbolos de 8 bits y una aritmética con un módulo de 256 en lugar de 2. Este código es ampliado por la introducción de un método de cruzado o entrelazado de cuadros de tal manera que el código usado en definitiva se denomina Cross-Interleaved-Reed-Solomon-Code (código Reed-Solomon de entrelazado cruzado), abreviado CIRC. En la figura 2.24 vemos cómo actúa el CIRC para corregir errores de grabación en el CD. Mediante este proceso se pueden corregir hasta siete bloques de datos de 32 bytes cada uno por bloque. Para ampliar el tema de la corrección de errores debemos agregar que los errores de corta duración se corrigen por medio de los bits de paridad en dos for-

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Fig. 2.20

Fig. 2.21



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mas: una de acuerdo a la suma de los componentes de cada bloque y la otra por la multiplicación de los mismos. Los errores de larga duración son más difíciles de corregir, pero el entrelazado cruzado soluciona la mayoría de estos errores o fallas. En la mayoría de los casos esta corrección se efectúa en forma silenciosa, sólo en pasajes de alto volumen se manifiesta eventualmente un ruido adicional o, en un caso extremo, el silenciamiento eventual de la salida. En el proceso de la EFM y el CIRC es necesario sincronizar las diferentes partes de la señal para poder reconstruirla después de las diferentes modificaciones introducidas en ambas operaciones. Se logra este cometido mediante el agregado de los bits de sincronismo en cada frame y de los bits de combinación (Merging bits) en cada modificación interna. Una palabra de sincronización contiene 24 bits agrupados en la siguiente forma particular: 100000000001000000000010. Esta secuencia se ajusta a las normas del Tmín y Tmáx (dos a diez), vistas anteriormente, pero difícilmente pueda presentarse en otra combinación digital en la práctica. El contenido total de un frame comprende, entonces, las siguientes palabras digitales:

Fig. 2.22

Fig. 2.23

Palabra de sincronismo . . . . . . . . . . .24 + 3 = 27 bits Palabra de control . . . . . . . . . . . . . . .14 + 3 = 17 bits Símbolo de au dio . . . . . . . . . . . . . . .(14 + 3) x 12 = 204 bits Paridad P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(14 + 3) x 4 = 68 bits Símbolo de au dio . . . . . . . . . . . . . . .(14 + 3) x 12 = 204 bits Paridad Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(14 + 3) x 4 = 68 bits To ta l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .588 b its Se observa que entre cada sector se introducen los tres bits de combinación (Merging bits). Los 588 bits de cada frame intervienen en 7350 frames por segundo, con un total de 4,3218 Megabits por segundo, como datos digitales.

2.5 La lectura óptica con láser

Fig. 2.24

Varias de las plataformas digitales mencionadas en el sector 2.1. de este capítulo poseen lectura óptica por medio de láser. Nos referimos a los discos compactos CD, a los discos láser LD, el minidisco y el disco digital de video DVD con su sonido Dolby Surround Digital AC-3. Conviene recordar que, en principio, el láser es un medio de lectura que permite obtener lecturas tanto de una información digital, como analógica, siempre que su registro se efectúe en la forma de pocitos y planos (Pits y Lands), que vimos anteriormente. En los discos láser, esto se ha llevado a la práctica, como veremos más adelante. La espiral típica de los pocitos está ubicada en el CD de 120 mm de diámetro, de tal manera que extendida ocuparía una longitud de más de 5 km, dato que recuerda nuevamente la elevada densidad de este tipo d e grabación. Las dimensiones


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reducidas de los pocitos y planos obligan a usar medios de lectura adecuados, donde incluso la longitud de onda del medio, el rayo láser, debe estar en concordancia con el conjunto, para obtener valores de lectura significativos. Las investigaciones muestran que con rayos láser de unos 780nm de longitud de onda, se puede lograr un diámetro de 0,8µm = 800nm sobre la pista cuyos pocitos poseen un ancho de 0,5µm y al tener una distancia entre pistas adyacentes de 1,6µm brinda una tolerancia adecuada para la lectura. En la figura 2.25 observamos esta distribución de los pocitos en la superficie del CD y en la figura 2.26 se indica en un corte transversal del disco la forma en que impacta el rayo láser sobre la parte activa del CD. En esta figura se aprecia también que el espesor total de 1,2 mm del disco está dividido en la base transparente de policarbonato de 1,1 mm y la capa activa de 0.1 mm. En esta parte superior se encuentra la etiqueta y una capa protectora encima de la zona donde están depositados los pocitos y planos. El recubrimiento reflectivo de aluminio de los mismos permite la acción del láser. El cambio súbito entre el fondo del pocito y plano o viceversa, refleja el rayo de diferente manera que el impacto del mismo sobre las zonas planas. Este cambio es detectado en el dispositivo del láser que veremos a continuación y es interpretado como consecuencia de ceros y unos. El material transparente del policarbonato de la base posee también características ópticas que reducen el diámetro del láser de 1 mm, en la superficie del disco, a 0,8µm en la pista de pocitos y planos, como ya vimos más arriba. Esta reducción óptica del tamaño posee también la virtud de reducir el tamaño de eventuales rayaduras en la superficie externa del disco. Una rayadura de 1 mm de ancho abarca, en la superficie cerca de 600 pistas con sus respectivos bordes (1,6µm cada una), pero debido a la reducción óptica repercute sólo en una pista (0,8µm) y es fácilmente corregible por los medios de detección y corrección de errores arriba mencionados. Con respecto al láser usado en las plataformas mencionadas, debemos señalar que el mismo es del tipo de estado sólido. Este tipo de láser fue desarrollado a partir de 1962, en los laboratorios del Instituto Tecnológico de Massachussets, el famoso MIT, en los laboratorios de la General Electric y de la IBM. Los desarrollos de los laboratorios mencionados estaban, sin embargo, basados en el postulado de Albert Einstein (1879-1955), quien en 1916 predijo las condiciones bajo las cuales se podía obtener una emisión estimulada de fotones, si bien aún no existía ningún dispositivo preparado para este fin. En la actualidad se usan dispositivos de semiconductores con una juntura de materiales adecuados y bajo condiciones de polarización directa para producir efectos ópticos. Los diodos led son un ejemplo para este tipo de radiación de fotones. De acuerdo a los materiales usados se podían obtener diferentes longitudes de onda en estas radiaciones. Entre 400 y 700 nanometros (nm), la radiación emitida es de luz visible. Debajo de los 400nm es ultravioleta y encima de los 700nm es infrarroja. Esta luz es, sin embargo, incoherente y omnidireccional. Para lograr una radiación monocromática, coherente y en un único haz de rayos, es necesario elegir los materiales adecuados, por ejemplo arseniuro de galio (GaAs) y fofuro de galio (GaP). Una mezcla típica de estos componentes posee la estabilidad térmica necesaria y un umbral propicio para que un juntura p-n de este material semiconductor funcione como láser. Un compuesto GaAs (x) P (1-x), donde el factor x es mayor de 0,5, es uno de los más usados para la construcción de diodos láser de estado sólido. En un diodo láser típico se encuentra en algunos casos 10 lagunas por centímetro cúbico y 3 x 10 electrones por cm3. Estas son cantidades muy elevadas que explican el motivo porque entran en estado de láser con

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Fig. 2.25

Fig. 2.26



Fig. 2.27

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relativa facilidad. Un diodo GaAs de 1 x 1 x 0,2 mm posee capas p y n con un espesor de 0,1 mm y una separación de 1µm. Con temperaturas bajas, este compuesto permite lograr radiaciones de rayos infrarrojos de 630nm. Otros comp uestos llegan a 780nm, que es el tipo de luz coherente que se usa en el láser para CD. La tolerancia térmica de estos compuestos es también alta, ya que recién entran en una desorganización interna ceca de los 480°C. Como se sabe, existen en los semiconductores bandas de valencia separadas por una barrera de potencial. En los distintos diodos láser esta barrera es del orden de los 1,4 volt y al aplicar tensiones de polarización aptas para superar esta barrera, el diodo irradia una emisión estimulada en la cual se liberan fotones que salen del conjunto en forma de rayo co herente mono cromático. Este comp ortamiento ya indujo a Einstein al titular el fenómen o co mo Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplificación de luz por emisión de radiación estimulada). Las siglas de este nombre en inglés forman la palabra LASER. En la figura 2.27 vemos el esquema básico de un diodo semiconductor. Para su aplicación en un reproductor de CD, es necesario montar el láser en un soporte junto con un sistema óptico y un fotodetector para poder transformar los rayos infrarrojos del láser reflejados por el disco en una señal eléctrica correspondiente. Esta señal debe cumplir tres funciones. Primera: debe contener la señal digital grabada en el disco, segunda: de be indicar la p osición lateral del pick-up ó ptico y, tercera: la distancia del mismo del disco. En la figura 2.28 vemos esquemáticamente este soporte del láser con sus componentes. Se observa que este conjunto se denomina pick-up de láser ya que cumple funciones similares al pick-up de un tocadisco. Veamos e n p rimer término las partes que lo compo nen . El diodo láser (1) está ubicado en la parte inferior del soporte, a continuación sigue un prisma semirreflectivo (2), una lente colimadora (3), la lente del objetivo (4) y el disco CD (5). El prisma deja pasar los rayos del láser en su camino ascendente, desvía los rayos refle jados proce dentes de l disco y lo con cen tra sob re el fotod etector (6). La salida de Fig. 2.28 este fotodetector es una señal digital de pulsos e intervalos que reproduce la señal óptica produ cida por los p ocitos y planos de la parte activa del d isco y leída p or el rayo láser. Esta señal incorpora las tres componentes de RF (señal), posición lateral (tracking) y posición vertical (foco) de tal manera que se puede procesar estas tres componentes para recuperarlas en forma separada. A ello contribuye también la forma del haz y del fotodetector, que vemos en la figura 2,29. En la parte superior observamos que existen en el detector del rayo láser 6 secciones separadas, designadas A, B, C, D, E y F. La señal de RF que representa la información digital del disco se forma por la suma de las salidas de A + B + C + D. La salida de E y F representa el error horizontal o error de tracking radial. Si la diferencia de F-E = 0, no existe ningún error radial y el haz del láser está en el centro de la pista. Si por otra parte, la salida es una tensión positiva o negativa, diferente a cero, existe una diferencia radial que el sistema magnético de l pick-up, ubicado e n la p arte superior del p ick-up debe corregir. Esta corrección exige, desde luego, que exista un servomecanismo de corrección radial que transforma la indicación del fotosensor (F-E) en una tensión apta para la corrección. En la parte superior de la figura 2.28 se observa, en forma esquemática, las bobinas de corrección del error radial y del error vertical. El error vertical se manifiesta como error de foco y su mecanismo surge de la parte inferior de la figura 2.29. Cuando no hay error de foco, el haz del láser cae justo en el centro de las celdas A, B, C y D del detector. La salida de las cuatro es idéntica y la suma y resta de (A + B) - (C + D) = 0. Cuando existe una incli-


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nación o desvío del haz, la salida de las cuatro celdas se desequilibra, dando lugar a una tensión de control positiva o negativa que se aplica al sistema de corrección de foco para corregir esta situación, hasta qu e la d iferencia sea cero. En algunos modelos se obtiene, mediante medios ópticos, una división del haz del láser de tal manera que en la superficie del disco impacte un rayo principal y dos rayos auxiliares, llamados respectivamente Main Beam y Sub Beam. En la figura 2.30 se observa esta situación. En este caso se aplcia el fotosensor de seis segmentos de la figura 2.29. En otros modelos se usan fotodetectores de sólo cuatro segmentos con un rayo de único y en este caso se aplica el esquema de la figura 2.31, que es muy similar al anterior. Ambos sistemas, el láser de un haz único y el láser de tres haces (un haz dividido), funcionan correctamente y se usan en la actualidad en los modelos comerciales. Sin embargo, en los modelos de reproducción de CD de mayor precio, se suele usar el modelo de tres haces. Los sistemas de servo de los reproductores de CD abarcan las funciones ya mencionadas de enfoque y tracking (seguimiento de pistas), pero también involucran el control de velocidad que, como se sabe, debe modificarse desde su rotación inicial de 500 RPM en el centro hasta los 200 RPM en el borde exterior del CD, donde termina la pista grabada. Todas las secciones del servo están generalmente incluidas en circuitos integrados LSI, a veces todos en un solo procesado r ded icado. El servo pue de ser analógico o digital, pero en este último caso es necesario que existan sendos conversores analógico-digitales y digital-analógicos, ya que las señales y tensiones de corrección son analógicas, aun cuando el procesador puede ser digital. Más adelante en esta obra presentaremos varios circuitos de aplicación en equipos comerciales.

Fig. 2.29

Fig. 2.30

2.6. Los reproductores de CD Con los elementos funcionales y circuitales expuestos, podemos ahora analizar algunos modelos comerciales de reproductores de CD. Estos equipos poseen muchas veces prestaciones mucho más sofisticadas que las mínimas requeridas, sobre todo en momentos de gran competencia en el mercado donde el usuario exige cada vez más características de conveniencia y privilegia los modelos que las contienen. Uno de estos casos es el modelo SL-SW4004 de reproductor portátil de CD de Panasonic. En la figura 2.32 observamos el aspecto de este modelo que se destaca, entre otras prestaciones, por su capacidad de almacenar información para poder absorber golpes y cierto maltrato, propio de los modelos portátiles destinados al mercado juvenil y deportivo. Esta posibilidad se agrega al conversor digital-analógico MASH de 1 bit por medio de una memoria adicional con capacidad para 10 segundos de música. Esta memoria es la qu e en trega, en realidad, la música al oyente y no el CD en forma directa. Por lo tanto, si el equipo recibe un golpe o una sacudida que impide momentáneamente al pickup del láser de proveer una lectura continua, el oyente seguirá escuchando la música a través de la memoria intercalada y la interrupción pasará desapercibida. La memoria “antisacudida” hace que el CD gire a una velocidad ligeramente superior a la normal para poder almacenar los datos de reserva.

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Fig. 2.31



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Esto no afecta la reproducción, ya que la misma se efectúa a partir de

Fig. 2.32 la memoria y no a partir del disco.

El equipo posee también un circuito reforzador d e graves tipo XBS que mejora notablemente también la reproducción a través de los auriculares que acompañan el equipo. El equipo posee varios modos de reproducción que se visualizan en el display del modelo SL-SW4004. Estos modos poseen efectos especiales que permiten ejecutar las pistas en forma aleatoria o repetir algunas o el disco completo. La posición RESUME permite resumir la reproducción en el punto donde se había interrumpido. El disco está colocado en forma firme sobre el eje y requiere una presión sobre el mismo para liberarlo. Esto evita también que el disco se deslice en forma accidental y se caiga al abrir la tapa. El gabinete es semihermético y tiene protección contra arena y agua. Posee también dos pilas tipo AA de 1,5 volt cada una, para un funcionamiento completamente portátil, pero puede funcionar también con un adaptador de alterna que está incluido con el equipo. Para el uso en automóviles existe un adaptador especial, en forma de casete, que permite la interconexión con la radio del vehículo donde está instalado. Otro adaptador permite la alimentación desde la batería del automóvil. En los modelos de mesa de reproductores de CD encontramos una amplia gama de prestaciones adicionales, como podemos observar en la figura 2.33 que muestra el modelo PD-59 de la línea Elite de Pioneer. Este modelo posee un conversor digital-analógico de 1 bit, una construcción extra-estable del mecanismo y del plato del disco y como agregado especial, la conversión especial que Pioneer denomina Legato Link. En la conversión del Legato Link se introduce cada 20,8µs un algoritmo sofisticado que permite extrapolar los sonidos superiores a 20kHz que pudiesen existir en las muestras anteriores. Este muestreo adicional de 48kHz enriquece la gama de frecuencias de reproducción al obtener una ampliación de las frecuencias muestreadas a 22kHz, de acuerdo al criterio de Nyquist, al obtener una forma de onda de transferencia más cercana a la música original, lo que extiende el rango de frecuencias más allá del rango audible. El equipo posee también un control remoto para mayor comodidad del oyente. En el amplio surtido de modelos de reproductores de discos compactos, se destacan también los equipos del tipo multidisco. Existen modelos de 3 a 100 discos que pueden estar destinados al hogar o al Fig. 2.34 automóvil. El carácter digital de los CD es muy indi-

Fig. 2.33


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cado para un registro del contenido de cada disco, lo que facilita su reproducción controlada y orde nada. En la figura 2.34 observamos e l aspecto d el mod elo PD-F1004 de Pionee r que permite la carga y reproducción de 100 discos CD, colocados en fila, en grupos de 25 CD, cada uno. La reproducción puede ser controlada por control remoto en forma individual o preprogramado por medio de la memoria incorporada. Al estar colocados en grupos de 25, es factible cambiar tres grupos de discos con u n total de 75 discos, mientras el cuarto grupo se está ejecutando. Este mode lo y otros similares de varias marcas, se están h aciendo populares en los Estados Unidos, ya que no sólo permiten la ejecución de los discos, sino también su almacenaje. De esta manera se reduce notablemente el espacio necesario. En los modelos para automóviles se destaca la posibilidad de colocar todo el equipo en el baúl del vehículo y, al tener una gran cantidad de discos CD para reproducir, tener música hasta en un viaje muy largo de varias horas de duración. Casi todas las marcas que fabrican radio para automóvil ofrecen también este tipo de cambiador de discos CD, con capacidad de hasta 100 discos.

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O TRAS PLATAFO RMAS DE LECTURA O PTICA

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OTRAS PLATAFORMAS DE LECTUR A OP TI CA 3. 1. Las normas para diferentes tipos de discos de lectura óptica Uno de los motivos del rápido éxito mundial de los discos compactos CD fue, además de su indiscutida calidad, la introducción de las normas para su fabricación y uso, e n forma simultánea en todo el mundo desde el mismo comienzo. En otro producto de la electrónica de consumo, el videocasete, estas normas no estaban uniformadas al principio, motivo por el cual el mercado estuvo dividido durante muchos años y se ofrecían tres diferentes formatos al público: VHS, Betamax y Video 2000. El mismo mercado se encargó posteriormente de eliminar el Betamax y el Video 2000, quedando en la actualidad sólo el VHS de aquellos tres formatos, como modelo predominante. La industria aprendió aparentemente la lección y al introducirse en 1982 el CD, creado por Philips y Sony, las normas para este tipo de disco de lectura óptica estaban establecidas y en plena aplicación. Estas normas quedaron fijadas en el Libro Rojo y, en la Tabla 3.1, reproducimos los parámetros más importantes del mismo. En la figura 3.1 vemos el aspecto de un disco CD. _______________________________________________________________ TABLA 3.1. Las normas para el disco compacto CD

Pa ráme tro s Características físicas del CD Diámetro Diámetro del agujero central Tiempo de ejecución Rotación Velocidad de rotación Distancia entre pistas Espesor del disco Area para la grabación Area de la señal Material de recubrimiento

Profundidad del pozo Ancho del pozo

120 mm 15 mm aproxim. 74 minutos por lado en sentido del reloj, visot de arriba 500 a 200RPM, 1,2 a 1,4 m/seg. 1,6µm 1,2 mm 46 hasta 117 mm 50,9 hasta 116 mm transparente, con un índice de refracción de 1,5 0,833µm (1,2 m\ seg) hasta 0,972µm (1,4 m/seg) 3,05µm (1,2 m/ seg) hasta 3,65µm (1,4 m/seg) aproxim. 0,11µm aproxim. 0,5µm

Características d el sistema óp tico Longitud de onda normalizada en el CD Profundidad de foco Diámetro del haz en la superficie Diámetro del haz para la señal Fuente óptica Sistema de enfoque

780nm ±2µm 1,0 mm, aprox. 0,8µm, aprox. láser semiconductor astigmático o tipo Foucault

Longitud mínima de los pozos Longitud máxima de los pozos

Fig. 3.1

Unidades

Características del formato de la señal Cantidad de canales

2 canales (4 canales grabados a doble velocidad)


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Cuantificación Temporización de la cuantificación Frecuencia de muestreo Cantidad de bits de canal Cantidad de bits de datos Relación entre bits de datos y bits de canal Filtrado Código de corrección de errores

16 bits, lineal concurrente para todos los canales 44,1kHz 4,3218 megabits por segundo 2,0338 megabits por segundo 8 a 17 analógico o digital CIRC (Cross-Interleaved-ReedSolomon Code) con una redund ancia del 25%

Sistema de modulación Cantidad máxima de pistas Cantidad máxima de índices

EFM (Eight-to-Fourteen Modulation = modulación de 8 a 14) 99 99

Especificaciones de la señal de audio Teóricas: Respuesta de frecuencia 5 20.000Hz ±0dB Rango dinámico 96dB Relación señal-ruido 97,5db Distorsión armónica menor que 0,003% (en 1kHz) Separación de canales 96dB (en 1kHz) Wow/flutter inferior a los límites medibles Típicas: Respuesta de frecuencia 20 a 20.000Hz +0,4 -0,2dB Rango dinámico 93dB Relación señal-ruido 92dB Distorsión armónica menor que 0,01% (en 1kHz) Separación de canales 90dB (en 1kHz) Wow/flutter inferior a los límites medibles __________________________________________________________________________ A estas normas siguieron, en 1985, las normas para el CD-ROM, en el Libro Amarillo, y en 1988 las normas para el CD-I (Compact Disc Interactivo), en el Libro Verde. El CD de audio contiene información de audio para 74 minutos de música y sólo muy poca información de video, principalmente para visualizar en el display el contenido y la duración de cada pista o programa. La tasa de errores para este fin fue de 10-5 a 10-6 por bit, pero con ayuda de las normas del Libro Rojo se pudo reducir esta tasa de errores a 1011 ó 10-12 errores por bit. En la figura 3.1 observamos esta situación, que corresponde a las normas IEC908 o ECMA-180. En el Libro Amarillo del CD-ROM se redujo esta tasa aun más, a 10-15 a 10-16 errores por bit y se aumentó el contendio a 650 Megabytes. Esto equivale a 150.000 páginas escritas a máquina en el formato A4 de 210 x 297 mm. Cabe destacar que el tamaño de estos discos derivados del CD es de 120 mm de diámetro. En el Libro Verde para el CD-I (Compact Disc Interactivo) se establecen también los headers (encabezamientos) con varios subheaders en los cuales se fija la información necesaria para la presentación en tiempo real de la información del CD-I. En el Libro Amarillo se fija también la distribución de los bits de canal de tal manera que se establecen sectores de información de 2.352 bytes cada uno. Esta información digital puede elaborarse en varios modos operativos. En el Modo 1 se puede corregir más errores que en el CD convencional del Libro Rojo debido a que cada sector contiene 288 bits de paridad adicionales. Este modo es tan confiable que sólo puede quedar sin corrección un error en cada 100 millones de discos. El Modo 2 no es tan perfecto y se usa prin-

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cipalmente para almacenar información en la cual un error ocasional no produce problemas serios, como por ejemplo, en las señales de audio y video. Para los datos digitales se usa siempre el Modo 1. El Libro Verde fija también normas para el hardware y software de los discos CD-I. Estas normas adicionales son necesarias para lograr un diálogo con el usuario en tiempo real y afecta audio, video y texto. El papel de los headers en este campo ya fue mencionado. Los formatos Form 1 y Form 2 del CD-I, establecidos en el Libro Verde, posibilitan la corrección de errores de manera similar al Modo 1 y Modo 2 del CD-ROM, fijados en el Libro Amarillo. Esta información está presente en los subheaders. En principio se usa el Form 1 para video y datos de computación y el Form 2 para información de audio y video. Un sector del Form 2 puede contener más información porque no posee los 288 bits de paridad adicionales y usa todos los bits de este sector para la información. En definitiva, el CD-ROM se rige por las normas ISO9660 del grupo HIGH-SIERRA, aprobadas el 28 de mayo de 1986. Estas normas se conocen como ISO9660/HSG. En la TABLA 3.2 vemos una comparación entre los diferentes soportes usados como ROM de computación. La base de todos los Libros (Rojo, Verde y Amarillo) es siempre el Libro Rojo del CD, motivo por el cual todos los discos que siguen las normas derivadas de estos libros permiten la reproducción del CD, además de las aplicaciones específicas de cada tipo de disco en particular, como CD, CD-ROM, CD-ROM-XA, CD+G, FOTO-CD, CDI, etc. Un capítulo aparte forman los discos compactos grabables, como el CD-R (Compact Disc-Recordable). Estos discos grabables siguen las normas de un Libro Naranja que se aplica a los discos grabables sólo una vez (WO = Write Once). El CD-R y el Foto-CD pertenecen a este grupo. El Foto-CD sigue a los Libros Verde y Naranja. En la figura 3.2 vemos un esquema que refleja en forma concisa la situación de los discos compactos mencionados y su dependencia a sus respectivos libros. _______________________________________________________________ TABLA 3.2 Diferentes plataformas usadas como ROM

Tipo de disco

d iám e tro

densidad de grabación

cap acidad

disco flexible para PC

5,25 (13,33 cm)

---

360.000 bytes

disco flexible de alta dens.

5,25 pulg. (13,33 cm)

38 pistas/ cm

1,2 Megabyte

disco magnético duro

5,25 pulg. (13,33 cm)

197 pistas/ cm

10 a 30 Mbytes

CD-ROM 12 cm 6300 pistas/ cm 500 a 600 Mbytes ___________________________________________________________________________________

3.2. Discos CD-ROM y CD-ROM-XA Una de las empresas que desarrollaron el CD-ROM, Hewlett-Packard, define el CD-ROM como una tecnología destinada para la grabación de señales de audio y aplicada a la computación para almacenar datos de computación. Las características más destacadas del CDROM son su elevada capacidad para almacenar datos, su gran durabilidad y permanencia en el tiempo, el proceso rápido para su producción y su costo relativamente reducido. Su capacidad de almacenaje fue incrementado con la introducción del tipo CD-ROM-XA (disco compacto ROM de arquitectura extendida) y los CD-ROM grabados a velocidades múltiples de cuatro o seis veces la velocidad original.


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El CD-ROM es ideal para almacenar datos que supuestamente no cambiarán rápidamente. Manuales de instrucciones con software para computación, diccionarios, enciclopedias y otros documentos de referencia muy extensos, catálogos completos de una marca o línea de productos y todo otro material informativo extenso y de distribución masiva. Como ejemplo de esta última aplicación debemos mencionar que en las recientes exposiciones de electrónica en Europa y en Estados Unidos, el informe de prensa (el Presskit) fue distribuido en forma de CD-ROM, con gran beneplácito de los periodistas quienes ya no tuvieron necesidad de transportar grandes y pesadas cargas de papel impreso. Un disco CD-ROM en el portafolio reemplazaba impresos e ilustraciones. Otra aplicación cada vez más frecuente son los videogames con su gran capacidad operativa y con sonido e imagen cada vez más perfectos. En la figura 3.3 vemos el aspecto de un modelo Play-Station de Sony. Este modelo de juego electrónico de 32 bits permite elaborar unos 500 millones de operaciones por segundo y supera así los juegos que habitualmente funcionan con sólo 16 bits. La amplitud del almacenaje de bits permite también un funcionamiento con imágenes tridimensionales y, desde luego, en colores y con un sonido con calidad de CD. También otras marcas producen mode los basados e n e l CD-ROM, como por ejemplo Panasonic, Atari, Goldstar, Amiga, Sega y otros en cantidad cada vez mayor. Debemos recordar que los videogames con base de CD-ROM poseen la ventaja adicional de permitir la reproducción de los CD de audio, lo que constituye una ventaja nada despreciable en el mercado al cual están dirigidos. El secreto de la notable reducción en la tasa de errores del Libro Amarillo que normaliza el CD-ROM y que ya se ilustró en la figura 3.2, es la introducción de los códigos de detección de errores y corrección de errores EDC/ECC (Error Detection Code/Error Correction Code). Estos códigos existen también en principio en el CD de audio, pero en éste abarcan sólo 1/75 de segundo (0.0133 de segundo) de datos de audio, equivalentes a 1.176 muestras de audio de 16 bits. en el CD-ROM se amplía este segmento mínimo de lectura a 2.352 bytes de datos digitales, denominados un sector del disco. Se especifican también tres modos para sectores dentro de las pistas de datos. Estos modos poseen todos un header de 12 bytes de datos de sincronización, tres bytes de datos de dirección (minutos, segundos y cuadros) y un byte de modo (00,01 ó 02). Los headers del sector en el modo 0 son seguidos por 2.336 bytes de ceros. Estos sectores se usan como entrada al comienzo del disco, salida al final del disco y en la transición entre señales de audio y datos digitales. La Tabla de Contenido (TOC) para cada disco está contenida en una parte del área de entrada. Los headers para el modo 1 son seguidos por 2.048 bytes de datos del usuario y 288 bytes de datos EDC/ECC. Estos bytes de EDC/ECC son los que agregan la protección adicional contra errores y que constituyen una de las diferencias entre las normas de los Libros Rojo y Amarillo. Finalmente, en el modo 2 los headers son seguidos por 2.336 bytes de datos del usuario. En la figura 3.5 vemos el aspecto tan característico de los discos CD-ROM. Fig. 3.3 El modo 1 es el de mayor protección

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Fig. 3.2



Fig. 3.4

Fig. 3.5

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contra errores que lleva la tasa de errores por bit a 10-15 ó 10-16. El proceso de codificación del CD-ROM comprende el cálculo de los bytes de EDC y paridad para cada sector de 2.048 bytes. En la figura 3.6 vemos la organización de los 288 bytes del EDC/ECC en el modo 1. La parte del EDC consta de cuatro bytes de control de redundancia cíclica (CRC = Cyclic Redundancy Check) y de ocho bytes de ceros. En este proceso se efectúa una suma de control del header de 16 bytes (12 bytes de sincronización más 4 bytes del header) y los 2.048 bytes de datos del mismo. El CRC calcula el valor y almacena el resultado en el campo CRC de cuatro bytes. Además, se usan bytes de paridad P y Q en un código Reed-Solomon de producto. Se observa que la acción combinada de códigos de suma y de producto posibilita un mayor grado de eficiencia en el código de corrección de errores. En este algoritmo se aplica la corrección de errores a los cuatro bytes del header y modo, los 2.048 bytes de datos del usuario, los cuatro bytes de control del EDC y los ocho bytes del intervalo, todo lo que suma 2.064 bytes. No se aplica corrección de errores a los 12 bytes de sincronización. Los 2.064 bytes se ordenan en dos matrices de 1.032 bytes, una matriz para los bytes pares y otra para los bytes impares. Para el cálculo de los bytes de paridad P, las matrices se disponen en 24 filas y 43 columnas. Se usa para ello un código Reed-Solomon del tipo (26, 24), creando dos matrices de 26 filas por 43 columnas. Los bytes de paridad Q se calculan a lo largo de las Fig. 3.6 diagonales de estas matrices, utilizando un código Reed-Solomon del tipo (45, 43). Esto produce dos matrices de 26 filas por 45 columnas con 2.340 bytes de paridad P y Q. El agregado de los 12 bytes de sincronización, produce el sector típico del CD-ROM de 2.352 bytes, que ya fue mencionado más arriba. En el proceso de fabricación del CD-ROM, se efectúa la codificación por medio del código Reed-Solomon de producto al agregarlo a los bits de información antes de los pasos de codificación CIRC 1 y CIRC 2. Durante la decodificación, la situación se invierte y la decodificación del Modo 1 se aplica al final. El código RS-PC (Reed Solomon Product Code) posee un sistema de corrección diez veces mayor que el usado con los CD. Una variante del CD-ROM es el CD-ROM-XA, en el cual se han introducido algunas modificaciones estructurales para lograr el efecto "XA" de arquitectura extendida. La capacidad de almacenaje de este tipo de CD-ROM se incrementó y su reproducción requiere equipos aptos para sus características. Las normas del CD-ROM-XA fueron aprobadas en 1990 en forma conjunta por Philips y Sony como expansión del CD-ROM. Los discos CDROM-XA permiten una lectura de mayor velocidad.

3.3. Discos CD-I, CD+ G y Photo-CD En los discos del epígrafe se agregan las normas indicadas por el Libro Verde, pero se mantiene la compatibilidad con los discos compactos de audio CD y, por lo tanto, poseen este atractivo adicional. En la figura 3.8 vemos el aspecto de un disco compacto interactivo CD-I. En el aviso comercial de presentación, a fines de 1991, Philips anuncia que el mismo puede contener "las obras completas de Shakespeare, Dickens y Mark Twain" en un


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solo disco. Este dato es suficiente para indicar que la capacidad de almacenaje del CD-I está en el rango del CD-ROM, pero que además está en condiciones de reproducir audio, video, textos, gráficos y datos digitales. Todos estos datos son accesibles en tiempo real y con interacción con el usuario a través de un control remoto de características especiales. En la figura 3.9 vemos el aspecto de un reproductor de CD-I de Goldstar, modelo GDI-1000. Este modelo permite la reproducción de discos CD-I, CD de audio digital, CD + G (gráficos), CD-ROM-XA, Photo-CD y VCD (CD digital de video). Existen además numerosos accesorios que permiten usar también videogames basados en CD-ROM y en 3DO. Las múltiples funciones del CD-I se basan en parte en el sistema op erativo CD-RTOS (Comp act Disc Real Time Op erating System = sistema operativo en tiempo real del CD). El uso del CD-I en aplicaciones prácticas es muy flexible. Se pueden seleccionar cuatro diferentes niveles de audio y tres diferentes niveles de video. Los diferentes niveles de audio son: nivel 1 igual al CD convencional, nivel 2: Hi-Fi con una compresión de dos veces de la señal digital original, nivel 3: calidad de FM con una compresión de cuatro veces, comparable a la calidad habitual de recepción de radio en FM, y nivel 4: calidad de AM con compresión de ocho veces y una calidad mejor que la recepción de radio AM en buenas condiciones de recepción. La compresión de las señales de audio se logra por medio de un proceso diferencial, conocido por DPCM (Differential Pulse Code Modulation). En este proceso no se convierte el valor absoluto de cada muestra a su número binario equivalente, sino se convierte sólo la diferencia entre la muestra nueva y la muestra anterior. En su nivel más alto el valor de los dígitos nuevos puede tener un número binario de ocho dígitos, pero en muchas otras circunstancias esta diferencia puede expresarse con sólo cuatro dígitos. Mientras que en el nivel de CD, la frecuencia de muestreo es de 44,1kHz, en los demás niveles puede bajar a 37,8kHz o incluso a 18,9kHz en el nivel más bajo. Este "ahorro" de bits es el que permite la compresión de la señal, pero al mismo tiempo exige también una adaptación permanente de las condiciones de funcionamiento. Esta característica transforma el proceso DPCM en ADPCM (Adap tive Differen tial Code Modulation), un proceso claramen te adap table. Este tipo de enfoque es usado también en otras plataformas, como el MK (MinidisK) y el DCC (Digital Compact Casete), si bien con características algo diferentes, como veremos más adelante. En la posición de máxima calidad de audio, el CD-I reproduce los 74 minutos clásicos de todo CD de audio, pero en su nivel más bajo, el tiempo de reproducción se extiende a 19 horas con calidad vocal aceptable. En la calidad de video existen tres niveles de calidad en el CD = I, que son los siguientes: nivel 1 - igual a la resolución de TV, nivel 2 - resolución doble para mejor reproducción de letras y números, y nivel 3 - de alta resolución para aplicaciones profesionales. El valor máximo es de 768 x 480 pixels. Los colores de la paleta del CD-I pueden variar entre 32.768 (2) matices hasta unos 256.000 como valor máximo. En la figura 3.10 vemos el aspecto de un reproductor de CD-I, modelo CDI470 de Philips. Este modelo suele tener una aplicación especial para videogames, como todos los reproductores de CD-I y, en este caso, se puede Fig. 3.9

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Fig. 3.7

Fig. 3.8



Fig. 3.10

Fig. 3.11 Fig. 3.12

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agregar un accesorio que vemos en la figura 3.11. Se trata de un control remoto especialmente dedicado a los videogames y que puede ser usado por jugadores de tan sólo tres años de edad. Su diseño atractivo y la facilidad de manejo, lo hacen ideal para este fin. Una aplicación reciente es el uso del CD-I en sistemas de navegación terrestre, como el CARIN (CAR Information and Navigation System). Este sistema está por ahora en pleno desarrollo, en momentos de escribir este tratado. Para los discos PHOTO-CD (FOTO-CD) de Kodak existen también reproductores especiales, como el que vemos en la figura 3.12. Estos reproductores tienen una capacidad de 18.000.000 de pixels para lograr la máxima calidad de video en la pantalla o en una copia que se puede lograr por medio de una impresora de video. Los pasos ilustrados en la figura 3.12, indican cómo el rollo fotográfico, una vez expuesto, es transferido al PHOTO-CD y éste, a través de un reproductor adecuado, permite visualizar cada foto en un televisor del hogar. La capacidad de cada disco es de 100 fotos. La resolución en PAL es de 485 líneas y la conversión digital-analógica se realiza por medio de un procesador de BITSTREAM de un bit. Las fotos pueden estar acompañadas por comentarios que se graban en calidad de CD con un rango de frecuencias de 20 a 20.000Hz y una relación S/N de 95dB. La separación entre canales es de 86dB. Se agregan en muchos equipos de PHOTO-CD funciones especiales de ampliación, rotación y d esplazamiento de cada foto visible en la pantalla. Se u sa también una función de selección de imagen favorita o de pista de audio favorita en la reproducción de CD de audio. El procesamiento del rollo fotográfico y su transferencia al disco PHOTO-CD se efectúa en las Agencias de Kodak. También el usuario puede hacer sus propias copias con una impresora de video, como la que vemos en la figura 3.13. Los equipos de CD-I, PHOTO-CD y CD+G son aptos para muchas aplicaciones comerciales, programas de entrenamiento y otras similares de información y educación y en todos los casos permiten también la reproducción de los discos CD de audio. Se trata, en realidad, de un exponente cabal del concepto multimedia.

3. 4. Los discos láser (LD) y CD de video (CDV) La tecnología usada para grabar y reproducir los discos LD y CDB es muy similar a la que se emplea para los discos CD de audio, motivo por el cual muchos reproductores de LD son aptos para CDV y CD de audio. Sin embargo existen diferencias de orden práctico y técnico entre los tres tipos de discos que conviene analizar antes de entrar en una descripción más detallada de sus respectivos requisitos técnicos. En la figura 3.14 observamos el surtido de discos de lectura óptica que se pueden reproducir en un reproductor moderno de discos láser, similar al que vemos en la figura 3.15. Este reproductor de discos de lectura óptica es el modelo CLD-D704 de Pioneer, que permite la reproducción de todos los diferentes tipos de discos de la figura 3.14. En esta figura vemos como disco de tamaño más reducido, el Single CD de 8 cm de diámetro (nominal 3 pulgadas). Este disco posee una duración de su grabación de au dio de 20 minutos, girando a una velocidad de 500 a 340RPM. Este disco es relativamente difícil de hallar en la


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actualidad, pero aún pueden encontrarse en algunas colecciones y el modelo ilustrado permite su reproducción. El disco siguiente de color plateado, es el clásico CD de audio digital con un diámetro de 12 cm y una duración máxima de 74 minutos. Es el tamaño más popular en la actualidad. Su tamaño nominal es de 5 pulgadas. En la figura 3.14 se puede ver el CDV (Compact Disc Video) de color dorado y 12 pulgadas de diámetro. Este disco posee una grabación de 20 minutos de audio solamente con una velocidad de giro del eje de 500 a 340RPM. Además contiene una pista de video y audio combinado de 5 minutos de duración (un video-clip) con una velocidad del eje de 2700 a 1800RPM. Esta pista de audio-video está en el centro del disco y, por lo tanto, es el primer programa que reproduce el disco. Los discos de video, llamados LD (Laser Disc) vienen en dos tamaños. Uno es de 20 cm de diámetro (8 pulgadas) y posee una duración de 40 minutos, grabados en ambos lados en CLV (Constant Linear Velocity = velocidad lineal constante) tienen una duración de 28 minutos en ambos lados. Este tipo de disco se ofrece a veces como Karaoke, término japoné s qu e significa "orquesta vacía". Estos discos tienen como tod os los discos láser y CDV, 4 pistas de audio, dos analógicas y dos digitales. Las pistas analógicos son multiplexadas de tal manera que, en una posición de los canales de audio analógicos se escucha sólo el canal de la izquierda con la música y el acompañamiento, en cambio, en el canal de la de recha se escucha la música con aco mpañamiento y con la voz de los cantantes. Esto permite al oyente acompañar la música del disco con su propia voz. Algunos equipos vienen provistos para este fin con un micrófono, pero muchos otros modelos usan la voz de los oyentes en forma directa, sin micrófono. El disco de mayor tamaño es de 30 cm de diámetro (12 pulgadas) y en CLV posee una duración de 120 minutos en ambos lados, con una velocidad variable de 1.800 a 600 RPM. En CAV tiene una duración d e 60 minutos en ambo s lados y giran a una velocidad de 1.800 RPM. Los discos de CLV se denominan también de Extended Play, mientras los del tipo CAV se denominan de Standard Play. Se observa que los requisitos de los diferentes diámetros de los discos (8, 12, 20 y 30 cm) y sus velocidades (340 a 500 RPM, 1.800 a 2.700 RPM, 600 a 1.800 RPM y 1.800 RPM) son múltiples. Esto implica que la necesidad para soportes adecuados y un mecanismo de transporte muy elaborado. A ello se agrega la necesidad de que algunos de los discos están grabados en ambas caras, lo que sugiere la conveniencia de poder tocarlos en ambos lados, sin necesidad d e sacarlos para darlos vuelta, si bien este requisito n o p arece imprescindible. El modelo ilustrado posee, sin embargo, un mecanismo que permite la reproducción de los discos en ambos lados, inviertiendo el soporte del láser lector y no requiere dar vuelta al disco propiamente dicho. La reproducción en estas Fig. 3.15 condiciones es prácticamente ininterrumpida, para asemejarse más a una reproducción cinematográfica. En la figura 3.16 vemos el aspecto de un mecanismo de volteo del pick-up del láser, llamado Gamma Turn. Varias marcas introducen periódicamente mejoras en este tipo de mecanismo para lograr tiempo s de inversión más cortos y un funcionamiento más silencioso. Entre las prestaciones del modelo CLD-D704 de

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Fig. 3.13

Fig. 3.14

Fig. 3.16



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Pioneer figura también la reproducción de los discos en varias velocidades, lo que permite obtener efectos visuales especiales (marcha adelante, marcha atrás, en pasos o imagen detenida). También se incluye la búsqueda rápida de pasajes o capítulos. Para ello, el disco LD está dividido internamente en capítulos, si bien esta división no se observa durante la reproducción normal. Para la lectura de los discos LD y CDV se usa el pick-up de láser similar al que se usa en el CD de audio, lo que implica, desde luego, la presencia de los pozos y planos del CD. Sin embargo, éstos no representan una señal puramente digital. En la figura 3.17 vemos el aspecto de la señal del LD que es de radiofrecuencia (RF). Se ob serva que existe un sonido digital que se graba e n la p arte inferior del esp ectro de RF de 0 a 2MHz, aproximadamente. Esta señal digital correspon de a dos canales de audio. También e xisten do s canales de aud io analógicos que están ubicados en 2, 3 y 2,8MHz y que están grabados e n FM, sobre las po rtadoras de las frecuencias indicadas. Además existe en 8MHz una portadora de FM para el registro de la señal de video. esta señal analógica de video se desarrolla entre 7,6 y 9,3MHz, con una excursión de 1,7MHz. Los picos de sincronismo se encuentran en 7,6MHz y los picos blancos de la señal de video, e n 9,3MHz. Esta excursión de video es sup erior a la que se usa en la videograbación magnética y significa una mejora sustancial en la relación S/N que llega a 115dB. Esta señal desarrolla bandas laterales entre 3,5 y 13,5MHz, aproximadamente, lo que permite una reproducción de frecuencias de video de (13,5 - 3,5)/2 = 5MHz. Este valor es también superior a los medios de grabación magnética de video y también a la resolución de la mayoría de los televisores. La imagen obtenida con los discos láser LD supera, por lo tanto, a otros medios en resolución y en relación S/N. Debemos destacar, sin embargo, que este resultado se logra sólo con un tratamiento cuidadoso de las señales. La presencia simultánea de las señales de audio digital (dos canales), de audio analógico (dos canales) y de video, se presta a interferencias indeseadas por intermodulación. Para la separación entre señales digitales y analógicas es suficiente colocar un filtro pasabajos de 1,7MHz que separa ad ecuadame nte estas señales. En los segmentos de señales analógicas se logra una protección parcial por medio del uso de FM en las tres señales (dos de audio y una de video), que posee una protección inherente mejor, debido a la presencia de etapas limitadoras y del proceso de pre-énfasis y de-énfasis, propios del sistema. La p rotección contra batidos es, sin embargo, más d ifícil y requiere un a redu cción de 26dB de todas las señales de audio, tanto digitales como analógicas, con respecto a la señal de video. A pesar de esta limitación, son las portadoras de FM del sonido analógico de 2,3 y 2,8MHz, los que más pueden afectar a la señal de video debido a su cercanía a la banda de frecuencias de video de 3,5 a 13,5MHz, aproximadamente. En muchos discos LD se usa un sistema de expansión y compresión de audio, llamado CX y que funciona en forma similar, pero no idéntica al Dolby B, tratado en el capítulo 2.3. El sistema CX fue desarrollado por CBS para la reducción del ruido de los discos LP de vinilo, pero nunca fue implementado en forma comercial. Se Fig. 3.17 introdujo ahora una versión modificada para los discos LD y muchos modelos de


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reproductores de LD poseen un decodificador CX. Observe, sin embargo, que el CX es un sistema complementario y sólo puede ser efectivo si, tanto el disco como el equipo, están preparados para el CX. Ambos suelen llevar la identificación pertinente si tienen CX. Para transferir la información de audio y video al disco LD, es necesario seguir el camino que vemos en la figura 3.18. En esta figura se observan los detalles de la transcripción de las diferentes señales, empezando con la señal de video. Esta señal está presente en el punto (6) para entrar al modulador de FM de video (8) que la transforma en la forma de onda (1). Las dos señales analógicas de audio (7) entran al modulador de FM de audio (9) que las transforma e n la señal (2). En la etapa d el multiplexador (10) se ob tiene las formas de on da compuestas (3). En la etapa limitadora (11) se efectúa la limitación de la señal (4), típica del proceso de FM. El láser (16), a través del modulador óptico (12) es modulado por la señal (4) del limitador (11) y proyecta el rayo de láser modulado sobre el disco virgen (14). El motor (15) produce la rotación de este disco y el dispositivo (13) realiza el avance del pick-up del láser. El resultado es el depósito de una pista de pozos y planos (5) que tiene impresa la información de audio y video del disco LD o CDV. Conviene analizar más a fondo las mejoras introducidas por el proceso digital de grabación que se efectúa en los discos LD, CDV y de CD en general. Si bien ya habíamos tratado este tema anteriormente, conviene reverlo nuevamente a la luz del comportamiento comparativo de diferentes plataformas digitales y analógicas. Para ello recurrimos al esquema de la figura 3.19, en el cual se revisa la situación, bajo el aspecto del rango dinámico de estas plataformas. En la escala (1) de esta figura vemos el nivel de la presión son ora en dB, tomando como nivel de referencia 85dB. Este nivel correspon de eléctricamente a 1 miliwatt de potencia sobre un resistor de carga de 600 ohms. En una escala de Unidades de Volumen (VU) se considera este nivel como cero VU (0 VU). Esta lectura se obser-

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Fig. 3.18

Fig. 3.19



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va en la escala a la derecha del gráfico. En una escala de au dio digital, este valor correspond e a -20dB. Se observa que el rango audible del sonido ambiental se extiende desde unos 3dB como umbral de audición hasta unos 120dB como sensación de dolor. Esta diferencia de nivel de presión sonora se denomina, como se sabe, rango dinámico y corresponde a más de 1.012 veces. Se observa la flexibilidad y adaptabilidad del oído humano. El valor exacto Fig. 3.20 depende, en realidad, también de otros factores, como ya pudimos apreciar en la figura 1.1. El rango dinámico de los discos CD y de las pistas de audio digital del LD surge de la barra de la derecha del gráfico y es el valor más alto en las plataformas para electrónica del consumidor. Las pistas analógicas grabadas con láser corresponden a la segunda barra de la derecha y su rango es inferior a las pistas digitales. Un comportamiento muy bueno lo demuestra la tercera barra de la derecha que corresponde a los grabadores de cinta magnética del tipo profesional. En cambio en el grabador de audiocasete analógico para el hogar, el rango dinámico es sustancialmente menor. Los discos LP de vinilo en su versión de "grabaciones de referencia", tienen en este Fig. 3.21 (A) aspecto un comportamiento superior, si bien las grabaciones digitales los superan ampliamente. En la figura 3.20 podemos distinguir los logos correspon dientes a diferentes tipos d e d iscos digitales como el CD de audio, el CD single, el disco láser LD y el disco CDV.

3.5. La grabación de discos CD La producción de discos CD y similares es un proceso complejo y de gran precisión, que necesariamente requiere instalaciones industriales de e nvergadura. Los p asos para este p roceso surgen de la figura 3.21 y se basan en una operación similar al fotograbado. Un disco de vidrio es recubierto con una delgada capa plástica en una de sus caras y una capa de material fotorresistivo en la otra. El plástico actúa como protección del disco y la capa fotorresistiva para crear una zona fotosensible. El disco con sus dos capas es puesto en un torno óptico que hace girar el disco mientras un rayo láser de p recisión expo ne partes del material fotorresistivo a su acción. Como vimos en la figura 3.18, el rayo láser es modulado por los datos digitales codificados. Después de la exposición al rayo láser, el disco es revelado en un proceso fotográfico convencional y de esta manera se forman los pozos y planos. Después del revelado, el disco es cubierto con un baño de plata y protegido con otro baño de níquel. Este conjunto de procesos forma el máster metálico que es sometido a una cuidadosa inspección para descubrir eventuales fallas microscópicas. Para duplicar el máster metálico se produce primero un disco madre intermedio que se usa como troquel (stamper). Estos troqueles son los que producen los discos finales, aptos para la comercialización (inspección, etiquetación, embalaje). Este proceso industrial para la fabricación de los discos CD no


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es apto para producciones en escala reducida, ni para una producción casera de pocas unidades. Existen, sin embargo, discos virgen del tipo CD-R (CD Recordable = discos compactos grabables) que poseen una capa de pigmentos borrables (Erasable Pigment), cuyo aspecto vemos en la figura 3.23. El disco virgen RDD-60 de Pioneer es uno de estos discos que se pueden grabar una vez y reproducir muchas veces. El término en inglés es WORM (Write Once - Read Many times = escriba una vez - lea muchas veces). Para distinguir este tipo de CD-R de otros tipos de CD, el color del disco virgen es azul. Estos discos se pueden grabar en unos equipos de grabación, modelo PDR-09 de Pioneer, que vemos en la figura 3.22, y que permite grabar los discos vírgenes con todas las características propias del CD de acuerdo a las condiciones del Libro Rojo. El modelo PDR-09 posee una característica adicional al aceptar como señal de entrada toda clase de información digital, aun aquellas que tienen una frecuencia de mue streo de 32 ó 48kHz y los graba en el formato digital con muestreo d e 44,1kHz del CD, con palabras digitales de 16 bits. Un circuito de conversión Legato Link permite incluso llegar a frecuencias superiores a la gama de 20 a 20.000Hz, típica del CD, al efectuar la conversión de muestras en intervalos de 20,8µs equivale a una frecuencia de muestreo de 48kHz. Existen también equipo s de grabación para discos CD-R de otras marcas, por ejemplo, el modelo CCD521 de Philips y en todos los casos los CD-R grabador son perfectamente leídos por cualquier tipo o modelo de reproductor de CD. El modelo CCD521 de Philips que vemos en la figura 3.24, permite grabar también discos CD-ROM-XA y CD-I de doble velocidad. Todos los grabadores de discos ópticos permiten también su reproducción. Los grabadores de CD gozan de gran aceptación para fines comerciales en empresas que difunden con ellos sus catálogos y otras informaciones. En mome ntos de escribir este capítulo existen en el mercado modelos de varias marcas. Uno de ellos es el modelo PRO-MEDIA de Sony cuyo aspecto observamos en la figura 3.25. Este modelo está destinado al mercado profesional y multimedia. En la figura 3.26 vemos otro tipo de CD-R de la marca DIC//Digital que se ajustan en su estado virgen a las normas del Libro Naranja y, una vez grabados, cump len también con las no rmas del Libro Rojo. Su cap acidad es de 580Mbits para 63 minutos de grabación y de 680Mbits para 74 minutos.

Fig. 3.21 (B)

Fig. 3.22

3.6. El disco compacto de resolución extendida A través de los años se fueron estableciendo procedimientos de rutina en la grabación comercial de los discos compactos (CD). La instrumentación utilizada en este proceso es generalmente de rutina, pero a pesar de la calidad profesional de la misma, se producen a veces inconvenientes de orden práctico que, sin embargo, pueden ser eliminados por medio de

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Fig. 3.23



Fig. 3.24

Fig. 3.25

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equipo s y métodos más avanzado s. Este es el caso de los discos CD que con un cambio en los equipos usados pueden lograr una perfección muy avanzada y merecen ser incluidos en un subgrupo especial que se ha dado a conocer con el nombre de XRCD = Extended Resolution Compact Disc (disco compacto de resolución extendida). El proceso que lleva a la producción del XRCD está concentrado principalmente en la transferencia del ma terial analógico convencional a un medio digital, capaz de elaborar señales de alta resolución d e b its. Se u sa para este fin u n con versor analógicodigital de 20 bits y un sobremuestreo de 128 veces, el modelo K2 Supercodificador de JVC. El K2 provee un rango dinámico de 108dB con una distorsión armónica total THD de -96dB y una respuesta plana de frecuencia de ±0,05dB en su banda pasante. Además brinda una reducción sustancial de la distorsión armónica de señales de bajo nivel. El Supercodificador K2 provee también la posibilidad de convertir los bits de 20 a 16 y reformar la señal de salida para eliminar el temblor (jitter) de la base de tiempo en el flujo de los datos digitales. En su estado d e 20 bits la señal es transferida a un equipo Sony tipo PCM-9000, que lo graba en un MD (Mini Disc) que es un medio magneto-óptico con capacidad para señales de 20 bits. Se usa este MD como soporte intermedio para depositar la información en su transporte a la planta de producción del disco CD. En los procesos habituales no se usa el MD y, en su lugar, puede depositarse la información de audio a una cinta analógica del tipo U-matic 1630. En la planta de producción se usa el MD proveniente del PCM-9000 de Sony de 20 bits para transformarlo nuevamente a 16 bits, pero con un conversor K2 que retiene la elevada resolución de los 20 bits y brinda así una señal de 16 bits con todas las ventajas de bajo ruido, sin necesidad de recurrir a un proceso de formación del ruido (noise shaping). Esta señal de 16 bits es después codificada en EFM. Otro circuito del conversor K2, denominado K2 Laser, es usado para reformar la señal EFM antes de pasar al cortador de vidrio del disco máster. A través de todo este proceso se usa un clock de palabras (Word Clock) para mantener un sincronismo estricto entre todas las etapas que intervienen en el proceso. Se usan también fuentes de alimentación de alterna reguladas, para tener una base estable Fig. 3.26 de referencia. Los cables son del


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tipo SDIF-2 que proveen una transmisión superior de señales digitales de audio, superior a las especificaciones AES/EBU. El informe de JVC destaca curiosamente que se ensayaron diferentes materiales para los cables, entre ellos oro de 24 quilates y cobre puro, pero que finalmente se optó por aluminio después de ensayos extensos de audición. El resultado final de este proceso de fabricación es la transferencia digital de la más alta calidad entre el máster y el CD. El autor de la presente obra tuvo oportunidad de asistir a algunos ensayos y demostraciones con el resultado final de este proceso, el disco XRCD y pudo probarlo también en su equipo propio, con resultados realmente asombrosos en cuanto a la ausencia total de ruidos digitales.

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LOS DISCOS DVD CON SONIDO DIGITAL DOLBY AC-3

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LOS DISCOS DVD CON SONIDO DIGITAL DOLBY AC-3 4.1. Prestaciones y normas del DVD (Digital Video Disc) A principios de 1996 se presentó en el mercado un nuevo formato de disco digital para audio y video, el DVD (Digital Video Disc), cuyo aspecto se observa en la figura 4.1. Si bien en este sentido el DVD posee características similares a otros discos del tipo CD, existen también numerosas diferencias que afectan no sólo a su performance en audio sino también en video. El sistema de audio usado es el Dolby Surround Digital AC-3, cuyo logotipo se observa en la figura 4.2. Antes de establecer todas las prestaciones del DVD en detalle y considerar también sus aspectos constructivos, indicaremos en la Tabla 4.1 las especificaciones del DVD en comparación con las especificaciones del CD convencional de aud io. Con estos datos po dremos apreciar las diferencias y similitudes entre ambos. _______________________________________________________________ Tabla 4.1. Especificaciones del DVD y CD

Espe cificacio ne s

CD

Diámetro del disco Espesor del disco Estructura Lo ngitu d d e o nd a d el láser Apertura numérica Distancia entre pistas Longitud menor de pozos Velocidad de referencia Capa de datos Capacidad de datos

120 mm 1,2 mm substrato simple 780n m (in frarro jo ) 0,45 1,6µm 0,83µm 1,2 m/ seg CLV 1 aprox. 680 Megabytes

DVD

120 mm 1,2 mm dos substratos de 0,6 mm unidos 650 y 635n m (ro jo vis.) 0,60 0,74µm 0,4µm 4,0 m/ seg CLV 1ó2 capa simple: 4,7 Gbytes capa doble: 8,5 Gbytes Compresión de video MPEG 1 MPEG 2 Tiempo de rep roducción audio 74 minutos audio y video: 133 minutos p or lado Tasa de datos de referencia modo 1: 153,6 kbytes/s 1,108 kilobytes/seg nominal Tasa de datos para video 1,44 Megabytes/ s 1 a 10 Megabyte/ s var. (audio, video, subtítulos) Pistas d e so nid o 2 can ale s MPEG 2 can ale s lin eal. PcM 2 canales /5.1 canales digitales AC-3 Subtítulos sólo en imagen visible hasta 32 idiomas seleccionables Datos de computación --optativo 8 canales ________________________________________________________________

Al estudiar estas especificaciones, observamos de inmediato diferencias importantes en el sector del láser de lectura y en la d istribución d e p ozos y p lanos dep ositados en e l DVD. En la figura 4.3 vemos el aspecto ampliado comparativo de esta característica en CD y DVD. Al usar en el DVD un rayo láser con una longitud de onda más corta de 650 y 635nm en lugar de los 780nm del CD, deben usarse pozos más pequeños, ya que ambos parámetros tienen una relación muy estrecha. A la vez, el uso de la longitud de on da y dimensiones de los pozos más reducidos, permite la ubicación de mayor cantidad de información en el disco DVD. Estas y otras características permiten al DVD realizar las siguientes prestaciones: Tiempo de ejecución extendido. El DVD provee 133 minutos de video de alta resolución y audio Hi-Fi multicanal en cada cara del disco. Calidad de imagen. El uso de la compresión digital de imagen, tipo MPEG 2 permite al


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DVD reproducir la misma calidad de imagen que las cintas magnéticas profesionales (máster) de los estudios de TV con una resolución de 10 megabits por segundo. Preparado para sonido Dolby Surround Digital AC-3. Este sistema de sonido digital envolvente provee 5.1 canales independientes de audio con una gama de frecuencias completa. Apertura numérica del láser. La mayor apertura numérica del láser contribuye a que el rayo láser sea más angosto y posea un enfoque más nítido. Idiomas múltiples. La capacidad de la información digital permitiendo la grabación y reproducción en el DVD de varios idiomas y subtítulos, es un verdadero medio multilengua. Relación de aspecto múltiple. El DVD permite la reproducción de películas en los formatos 4:3 ó 16:9, a voluntad del usuario. Información interactiva de los programas. El DVD al permitir elegir varios diferentes ángulos de cámara y de texto del disco proporciona un nuevo elemento interactivo al entretenimiento. Fig. 4.1 Alta calidad del sonido digital. El DVD al permite registrar sonidos de alta fidelidad con una reproducción del sonido en una tasa de muestreo de hasta 96kHz con resolución de 24 bits. Medio de almacenaje de alta densidad. Un DVD permite almacenar 4,7 gigabytes de datos en una sola cara, unos 7,8 veces mayor que un CD-ROM. Un disco DVD de dos capas almacena en ambas caras hasta 17 gigabytes de datos digitales, un valor que es unas 28 veces más alto que el de un CD-ROM. Para apreciar debidamente la forma en que se realiza la lectura de dos cap as de un DVD, con u n solo rayo d e láser y sin inversión del mismo, vemos en la figura 4.4 el aspecto parcial del corte transversal de un disco DVD. Se observan las dos capas de pozos y planos grabados, una en el sustrato superior y otra en el sustrato inferior. El rayo láser se enfoca de diferente manera en la lectura de ambos sustratos. Esto le permite hacer impacto en uno de los sustratos o en el otro, desde luego en forma completamente automática. Esta posibilidad surge del hecho de que el recubrimiento semitransmisivo de la pista inferior permite la llegada a la capa superior al traspasar la capa inferior. La capa superior tiene un recubrimiento reflectivo. En esta operación se conmuta el foco del rayo láser con la ayuda de una lente holográfica. La calidad de la imagen del DVD supera todos los medios anteriores, incluido el LD (capítulo 3.4.). Recuerde que el LD graba una señal analógica de video, en cambio el DVD graba una señal digital con su relación S/R superior y con una reserva de bits que supera todas las exigencias razonables. Las normas del video digita son las CCIR-601 que especifican una tasa de 167 megabits por segundo. Con la capacidad de 4,7 gigabyte del DVD esto sólo alcanza para 4 minutos de video digital. Para lograr entonces la capacidad de almacenaje necesaria se recurre a un proceso de compresión de señal que en el caso de DVD es el MPEG-2 que fue creado por el Grupo de Expertos de Imagen en Movimiento (Moving Picture Expert Group), una entidad profesional que anteriormente había desarrollado el MPEG-1 con características menos exigentes. El HD814110 de Hitachi es un procesador para el

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Fig. 4.2

Fig. 4.3



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MPEG-1. El algoritmo del MPEG-2 analiza constantemente la señal de video para detectar redundancias. Se afirma que cerca del 95% de los datos digitales de una señal de video pueden ser redundantes y, por lo tanto, pueden ser comprimidos sin que ello afecte la calidad de la imagen. Al eliminar una gran parte de las señales redundantes, se puede obtener una tasa de bits mucho más reducida sin perjudicar la calidad de la imagen. Un procesador para MPEG-2 de un solo chip es el tipo HDM-8211 de Hyunday. Para tener una idea de la complejidad de este tipo de procesador, diremos que el mismo utiliza un proceso de fabricación de tres capas de 0,8µm, con una tensión de 5 volt, y está encapsulado en un formato de 208 patas (vea la figura 16 al finalizar este capítulo). Al análisis por redundancia se agrega otro que determina la complejidad de cada Fig. 4.4 señal de video y divide el resultado de este análisis en dos partes: uno de mayor y otro de menor complejidad. Ambos son muestreados de diferente manera para brindar tasas de bits de mayor o menor cantidad. En los extremos se puede encontrar 1 megabit por segundo en la parte baja y 10 megabit por segundo en la parte alta. Este proceso es adaptable, en forma parecida al proceso que vimos en el Capítulo 3.3 y, por lo tanto, sólo indicamos como valor típico una tasa de 3,5 megabits por segundo. La cantidad real va a fluctuar en concordancia con el programa, el largo de una película, la complejidad de la imagen y la cantidad de canales de audio requeridos. Existe una simple expresión matemática para obtener el "espacio" digital necesario para una determinada grabación en el DVD. La cantidad de bytes necesaria para una determinada película puede hallarse usando los siguientes parámetros: complejidad de la película: . . . . . . . . . . .c cantidad de idiomas: . . . . . . . . . . . . . . .i cantidad de subtítulos: . . . . . . . . . . . . . .s tiempo d e la pe lícula: . . . . . . . . . . . . . . .t cantidad de megabytes/seg . . . . . . . . . . .R Siendo, entonces: R = ((3,5c + 0,384i + 0,01s).60.t)/8 en megabytes por segundo Hay que recordar q ue la capacidad total del DVD es de 4.962 megabytes po r segundo, p or lo tanto si se usa un solo canal de idioma del sonido en lugar de tres, los bits no usados para audio pueden usarse para video y se puede grabar más de 133 minutos de película. A continuación indicamos dos ejemplos típicos, basados en la fórmula mencionada más arriba: 1) c = 1, i = 1, s = 1, t = 160 minutos R = ((3,5x1) + (0,384x1) + (0,01x1) x (60 x 160)/8 = R = 4.672,8 megabyte por segundo = 4,673 gigabyte por segundo. 2) c = 1, i = 3, s = 4, t = 133 minutos R = ((3,5x1) + (0,384x3) + (0,01x4) x 60 x 133)/8 = R = 4.680 megabyte por segundo = 4,680 gigabyte por segundo. Se observa que la película de 160 minutos de duración usa un espacio digital un poco menor que la película de 133 minutos, debido a la menor cantidad de canales de audio. La cantidad de información de audio es muy importante para la cantidad total de bits usados.

4.2. Los sistemas Dolby Surround y sus procesadores El uso del sistema Dolby Surround digital AC-3 nos brinda una información muy completa al suministrar seis canales discretos (separados) de audio por medio de seis parlantes


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cuya ubicación se observa en la figura 4.5. La ubicación de las seis fuentes de sonido es muy importante, debido a los efectos impresionantes que se pueden lograr con los canales discretos. En una demostración práctica que tuvimos la oportunidad de asistir, escuchamos una persona hablando en el canal central del frente, otra en el canal posterior de izquierda y una tercera en el canal posterior de recho. Las tres personas se exp resaban e n d iferentes idiomas y el efecto espacial del sistema era tan sorprendente que todo el auditorio pudo localizar el punto de origen de cada uno de los locutores. El sistema Dolby Surround Digital AC-3 es una ampliación del desarrollo que se originó en el Dolby Surround y siguió con El Dolby Surround Pro-logic, ambas plataformas multicanales analógicos. La base de ambos sistemas es una técnica analógica de multiplexado de sólo dos canales, de izquierda y de derecha. En el Dolby Surround se obtienen cuatro canales, uno frontal de izquierda, otro frontal de derecha, y dos canales de sonido envolvente (Surround) que se aplican a los dos p arlantes posteriores. El sonido envolvente es mon oaural. En algunas instalaciones se agrega un parlante central en el frente, pero alimentado por la información disponible de los cuatro canales. La direccionalidad de esta disposición no es muy perfecta, pero el efecto sonoro puede ser muy agradable si los amplificadores y parlantes poseen la fidelidad y potencia adecuados. Un desarrollo adicional al Dolby Surround, fue el Dolby Surround Prologic, que también tuvo sólo dos canales multiplexados pero con el agregdo de procesadores de control que permiten una distribución y separación de los canales en forma más perfecta. Se obtiene con este sistema cinco canales multiplexados al agregarse un canal de graves, el subwoofer. Los canales del sonido envolvente poseen un desfasaje adicional que mejora la sensación de espacialidad, pero necesita un decodificador específico para aprovechar toda la información cod ificada. El subwoo fer se alimenta generalmente a través de un filtro p asaba jos de 7kHz como frecue ncia máxima. La cinco señales del Dolby Surround Pro-logic reciben en el receptor-amplificador un tratamiento de acuerdo a sus n ormas. Este decod ificador se en cuentra muchas veces incluido en un circuito integrado especial. Un tipo de integrado usado en muchos equipos en esta función es el SSM-2126A de Analog Devices que está especialmente diseñado para esta función. El paso siguiente, en el desarrollo de sistemas multicanales de Dolby, se encuentra ahora en el DVD en forma del Dolby Surround Digital AC-3. En este sistema encontramos las siguientes diferencias con respecto a los anteriores: 1) Las señales son digitales y no analógicos. 2) Se usan seis canales discretos. 3) Cinco canales abarcan 3 a 20.000 hertz y un canal de 3 a 7.000 hert. Para destacar estas características se denomina este sistema de 5.1 canales (5 de gama completa y 1 de gama reducida). El sistema del Dolby Surround Digital se conoce también como AC-3 para indicar que es el Audio Code 3. Se necesitan en este sistema tan complejo, procesadores esp eciales qu e transforman el sonido analógico original en una cadena de bits

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Fig. 4.5

Fig. 4.6



Fig. 4.7

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de 384 kilobit (0,384 megabit). En la fórmula vista más arriba se usa este valor para los canales de audio. Una vez demodulado en el receptor, los canales se envían a seis canales: izquierda frontal, derecha, frontal, centro frontal, subwoofer, izquierda envolvente y derecha envolvente, tal como vimos en la figura 4.5. En algunas p ropue stas pued e variar la ubicación del subwoofer. Si bien esta distribución es similar al Dolby Surround Pro-logic, la diferencia principal es la sep aración total que existe entre los seis canales discretos. Los procesadores disponibles para el Dolby AC-3 son varios y algunos con funciones múltiples. El ZR38500 de Zoran puede usarse para el procesamiento de señales Dolby AC-3 (digital) y Dolby Pro-logic (analógico), el ZR3852 posee dos canales de Dolby AC-3 y uno para MPEG-1. Esta característica lo hace indicado para equipos binorma PAL-NTSC, ya que en reproductores de DVD para PAL se usa el MPEG-1, mientras que en NtSC se usa el Dolby AC-3. El tipo ZR38501 tiene dos canales AC-3 para uso en TV por cable y satélite DBS (Digital Broadcast Satellite). En la figura 4.6 vemos uno de los procesadores de Zoran. Motorola ofrece un procesador de 24 bits, el DSP56009. También Pioneer produce un procesador, el PD-4606A, que funciona como demodulador de RF del AC-3. Este chip de Pioneer está destinado específicamente para equipos de discos láser LD que poseen grabados un canal Dolby AC-3 en lugar de uno de los canales de audio analógicos. Existen en el mercado varios discos LD que poseen esta característica, como por ejemplo el disco LD que vemos en la figura 4.7 y también otros más. El procesamiento de las señales del Dolby AC-3 requiere un algoritmo complejo que describiremos a continuación. La cantidad de bits disponibles en el AC-3 para el procesamiento de audio es de 384 kilobits por segundo, pero la cantidad de bits necesaria para la codificación de la señal digital es mucho mayor y, p or este motivo, se introduce un a compresión de 10 a 1. Se logra con ello un rango dinámico de 108dB con señales digitales de audio d e 20 bits. En los CD se usa una frecuencia de muestreo d e 44,1 kilohertz con 16 bits de la señal PCM y se logra con ello un rango dinámico de 96dB. Se observa la superioridad del AC-3, a pesar de la compresión. Para la compresión de las señales de audio se recurre, como siempre, a características específicas del oído humano ya mencionadas y que consiste en la eliminación de componentes considerados inaudibles o enmascarados por otras señales presentes simultáneamente. Así se aprovechan todos los bits dispon ibles p ara las señales audibles importantes. El sistema de codificación del AC-3 permite el procesamiento de señales de audio digitales y modulados por PCM (Pulse Code Modulation), con palabras digitales de hasta 24 bits y con frecuencias de muestreo de 48 y hasta 96 kilohertz. El algoritmo usado genera un flujo de bits con una elevada relación entre tasa de bits de entrada y la de salida, lo que constituye una ganancia de codificación. El primer paso d e e ste proceso es la transformación del tren de bits de entrada de la PCM en un con junto de bloqu es de coe ficientes frecue nciales. Para lograr este cometido se recurre a un patrón de filtros selectivos que determinan e l paso d e la señal por medio de un muestreo de 512 bloques superpuestos.


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Fig. 4.8

La superposición de los bloques es necesaria para reducir la generación de señales espúreas que se pueden formar en el caso Fig. 4.9 del bloqueo de las etapas. En los CD existen fenómenos similares, lo que obliga a la introducción de filtros de antialiasado o antiseudónimo, como vimos en el capítulo 2.4. En el Dolby AC-3 se usa en consecuencia una transformación denominada TDAC (Time División Aliasing Cancellation) que cancela los eventuales espúreos producidos. Se generan a continuación bloques de audio de 512 muestras que contienen 256 muestras del bloque anterior y 256 muestras nuevas. Cada u na de las 256 muestras genera, en tonces, un bloque de audio nuevo y cada muestra de entrada de la señal PCM está presente en dos bloques transformados. El espectro de frecuencias así obtenido puede diezmarse usando un factor de d os. El término "diezmar" se usa e n el p rocesamiento de señales en tiempos discretos para indicar la reducción de la tasa de muestreo. En el AC-3 se obtiene así 256 coeficiente s de frecuencia. Estos coeficientes poseen un valor binario que consiste en una mantisa y un exponente binario. Ambos salen por vías diferentes. La salida de exponentes da un valor aproximado del espectro de la señal, llamado "envolvente espectral codificada". Por otra parte, la salida de las mantisas llega a una etapa de cuantificación que evalúa la distribución d e los bits. En esta pa rte del proceso se usa un análisis de la envolvente espectral codificada, que determina la cantidad de bits que se deben usar en la cuantificación de cada man tisa. Se ap lica así el concep to de la compresión p erceptual adap table que varía constantemente su ritmo en concordancia con las características de las señales a codificar o decodificar. Se agregan otras señales auxiliares en el formato final del Dolby AC-3, como Fig. 4.11 por ejemplo información sobre la tasa de bits, frecuencia de muestreo, número de canales codificados y otros. También se usa un código de redundancia cíclica (CRC) para la corrección de errores (ECC), porque, de otra manera, podría alterarse el esquema de la codificación. Recuerde que el CRC ya fue tratado en el capítulo 3.2 de la presente obra. En el CRC del AC-3 se usan dos palabras de 16 bits para el proceso de corrección.

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Fig. 4.10



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Fig. 4.14

Fig. 4.12

4.3. Equipos comerciales de AC-3 y DVD Para la aplicación práctica del Dolby AC-3 se puede usar en la actualidad los discos láser con pista AC3 ya mencionados o los discos DVD que están saliendo al mercado con títulos abundantes. En la figura 4.8 vemos el esquema de un sistema de reproducción para grabaciones realizadas en Dolby Fig. 4.13 AC-3. Los diferentes bloques funcionales son los siguientes: en (1) vemos un reproductor de discos láser (LD) con salida de RF para Dolby AC-3. Fig. 4.15 El modelo CLD-59 de la línea Elite de Pioneer que vemos en la figura 4.9 puede ser un equipo para este fin. La señal de RF del Dolby AC-3 es aplicada al procesador (2). Este bloque pue de ser e l modelo SP-99D de Pioneer, que vemo s en la figura 4.10. En este p rocesador encontramos dos etapas principales: el demodulador de RF del AC-3 (3) y el decodificador de AC-3 (4). Las seis señales procedente del decodificador (L, R, C, SW, SRL y SRR) son aplicadas a un receptor de señales AC-3 (5) que, a su vez, contiene un preamplificador de sies canales (6) y un amplificador de seis canales (7). Los equipos (2) y (5) pueden reemplazarse por un receptor completo de Dolby Surround AC-3 (8), como por ejemplo el modelo VSX-99 de Pioneer o el modelo VSX-D3S de p ioneer. Este último lo vemos en la figura 4.11. Las señales decodificadas y amplificadas del Dolby Surround Digital AC-3 son aplicadas ahora a sus respectivos parlantes. La señal del frente izquierda al parlante (9), la señal del frente derecha al (10), la señal del centro frontal al (11), la señal del canal de graves al subFig. 4.16 woofer (12) y las señales del sonido envolvente a los parlantes (13) y (14), respectivamente. Este tipo de presentación se ajusta a las necesidades del Teatro del Hogar, tan populares en la actualidad. En cuanto a los discos DVD propiamente dichos, vemos en la figura 4.12 algunos modelos comerciales del DVD con sus estuches típicos. Para la reproducción de los discos DVD existen numerosos modelos de varias marcas, todos aptos para imagen y sonido digital. En la figura 4.13 vemos un prototipo de reproductor de DVD de Sony. En la


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figura 4.14 vemos un modelo de Toshiba y en la figura 4.15 vemos un modelo de R.C.A. que se pu ede usar en locales comerciales, confiterías, etc. para rep roducir música e imagen digitales a partir de un surtido de 100 discos DVD, almacenados en una columna especialmente diseñada como cambiador de discos DVD. Por último, en la figura 16 se reproduce el aspecto de un procesador HMD8211M de Hyunday, utilizado para la compresión de señales en un DVD.

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PLATAFORMAS DIGITALES, MAGNETICAS Y OPTOMAGNETICAS

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P LATAFOR MAS DIGITALES, MAGNETICAS Y OP TOMAGNETICAS 5.1. El casete compacto digital DCC (Digital Compact Casete)

Fig. 5.1

Fig. 5.2

Fig. 5.3

Fig. 5.4

La grabación magnética digital está en uso desde hace muchos años en equipos sofisticados para fines profesionales en estudios de TV y como grabador para cintas máster en estudios de grabación de discos y casetes. Para el uso en el hogar fue introducido en 1991 por Philips, su creador, seguido muy pronto por otras marcas como Technics, Panasonic y otros. Uno de los atractivos del DCC es su compatibilidad parcial con el casete compacto CC analógico, que vimos en el capítulo 2.3. En la figura 5.1 vemos el aspecto de un casete DCC al lado de un casete CC y se observa que las dimensiones son casi idénticas. Ambos poseen un ancho de 63,8 mm y un largo de 100,4 mm. En el espesor vemos que el CC posee un espesor mínimo en un extremo de 8,7 mm y un espesor mayor en el otro extremo de 12 mm. El DCC posee un espesor uniforme de 9,6 mm. Este aspecto se observa en la figura 5.2. Para hacer posible la compatibilidad es necesario que la cinta conserve el mismo ancho de 3,78 mm que vemos en la figura 5.3, pero con una distribución de pistas adecuada tanto para el funcionamiento digital, como analógico. Se observa la presencia de las cuatro pistas típicas del casete analógico y las 2 x 9 pistas del casete DCC digital. La compatibilidad parcial del DCC consiste en que un reproductor de DCC puede reproducir en forma normal los casetes analógicos CC y, desde luego, puede grabar y reproducir los casetes DCC. El reprodu ctor analógico sólo pu ede grabar y reproducir los casetes analógicos, aun cuando no haya problemas de tamaño entre ambos. Lo que vale para los casetes y su cinta magnética, también vale para las cabezas de grabación y reproducción. En la figura 5.4 vemos la cabeza del DCC con sus secciones analógicos y digitales. Asimismo se observa el patrón de pistas para los lados A y B del casete para ambas secciones. Recordemos que el sentido de marcha de los casetes analógicos y digitales es inverso, como lo indican las flechas de la figura 5.4 y esto contribuye a la compatibilidad y permite el uso de ambos tipos de casete en los reproductores de DCC. Para ilustrar aun más este aspecto de uso múltiple de ambos tipos de casete, DCC y CC, vemos en la figura 5.5 las diversas aplicaciones de ambos casetes y sus equipos correspondientes. En la sección di-gital de esta figura, a la izquierda, vemos que en el hogar se puede grabar un casete DCC (1) con material proveniente de fuentes analógicas, discos CD, cintas DAT y DCC y se puede reproducir en equipos DCC portátiles, fijos del hogar o en reproductor DCC para automóvil. Además, un casete analógico CC (2) puede usarse también en los medios existentes, como equipos portátiles tipo walkman, equipos fijos del hogar y en reproductores CC para automóvil. Esto se observa en la sección analógica a la derecha de la figura 5.5. En la figura 5.6 vemos el aspecto de algunos de los equipos mencionados de DCC para el hogar, portátiles y para automóvil. El casette DCC posee un formato completamente plano, lo que facilita su apilado con varias unidades y permite también la introducción de material impreso, sobre el mismo casete o en su estuche para fines comerciales, como vemos en la figura 5.7. Además existen en el DCC varias indicaciones sobre diferentes parámetros de uso que se observan en la figura 5.8. Hay indicaciones que permiten


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PLATAFORMAS DIGITALES, MAGNETICAS Y OPTOMAGNETICAS identificar casetes digitales y analógicos, protectores de grabación que reemplazan la lengüeta del casete CC, el tiempo de reproducción de 45, 60, 75, 90, 105 y 120 minutos y una tapa metálica corrediza que protege la cinta magnética contra contactos indebidos del exterior del casete. Existen también tres perforaciones adicionales que por ahora se consideran indefinidas, pero que en algún momento pueden servir para identificar otras prestaciones, aún no definidas. Todas estas marcas e indicadores participan en la compatibilidad parcial del DCC, ya que sólo son recon ocidos po r los equipos DCC, pe ro no por los de los CC. Esto evita la inserción indebida de casetes di- Fig. 5.5 gitales en equipos analógicos. Para mantener la compatibilidad entre DCC y CC es necesario conservar la velocidad de transporte de la cinta magnética de 4,76 cm/seg. Esto limita las posibilidades del DCC a depositar la información digital en la cinta magnética. Las normas MPEG 1 fijan la cantidad de 384 kilobits por segundo como necesaria para la reproducción de señales digitales de audio, como ya vimos en capítulos anteriores. Para lograr esta densidad de bits en el DCC es necesario introducir una codificación de compresión adaptable que se denomina Precision Adaptive Sub-Coding, abreviado PASC y que permite alcanzar una resolución de 16 bits, similar a la que se usa en el CD, si bien en este último se logra este valor sin compresión de señal. La compresión obtenida por medio del PASC es de aproximadamente 4 a 1. Esto resuelve el problema de la capacidad limitada del DCC, pero fue motivo para Fig. 5.7 que los adeptos al audio high end objeten el DCC como plataforma adecuada a sus exigencias. Con una frecuencia de muestreo de 48kHz, el PASC brinda 384 kilobits por segundo de información digital, con una frecuencia máxima de audio de 22kHz. Otras frecuencias de muestreo están previstas, como 44,1kHz para señales hasta 20kHz y de 32kHz de muestreo para señales de audio hasta 14,5kHz. Todos los equipos DCC poseen estas tres frecuencias de muestreo y se conmutan en forma automática en la reproducción. Para la grabación es necesario seleccionar la frecuencia deseada en cada caso. A continuación presentamos en la Tabla 5.1 las especificaciones técnicas y operativas del DCC. ________________________________________________________________________ Tabla 5.1 Las especificaciones para el DCC

Características Sección digital Cantidad de canales Respuesta de frecuencia

Rango dinámico Distorsión armónica total (incluido ruido)

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Fig. 5.6

Valores 2 (estereofónico) con fs = 48kHz con fs = 44,1kHz con fs = 32kHz mayor que 105dB mayor que 95dB

5 a 22.000Hz 5 a 20.000Hz 5 a 14.500Hz


PLATAFORMAS DIGITALES, MAGNETICAS Y OPTOMAGNETICAS Relación señal-ruido (S/N) Wow y Flutter (lloro y trino) Frecuencia de muestreo (conmutación autom.) Codificación de compresión Cuantificación Tasa de los bits de audio Sistemas de corrección de errores Sistema de modulación Sección analógica Sistema de pistas Respuesta de frecuencia (sin NR) Cinta metálica Cinta CrO2 Cinta convencional (Fe2O3) Relación S/N, con cinta CrO2 con Dolby C con Dolby B sin NR Wow y Flutter Pre-énfasis Casete Tiempo de grabación Tipo de cinta

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mayor que 90dB inferior al límite de medición 48, 44,1, 32kHz PASC 16 bits lineal 384 kilobits/seg con fs = 48kHz RS-PC (Reed Solomon Product Code) Ocho-a-diez (Eight-to Ten = ETM)

4 pistas, 2 canels (estéreo) 30Hz a 17kHz, ±3dB 30Hz a 16kHz, ±3dB 30Hz a 15kHz, ±3dB 74dB 65dB 56dB (ponderado A) 0,07% (WRMS), ±0,2% DIN optativo

45, 60, 75, 90, 105 ó 120 minutos similar a cinta de video de cromo o similar 3,78 mm 4,76 cm/ seg

Ancho de la cinta magnética Velocidad de transporte de la cinta Cantidad de pistas digital 2 x 8 de aud io + 1 de subcó digo analógico 4 pistas cabezas 20 canales de película delgada ancho de cada pista mayor que 185µm Distancia entre pistas 195µm Espesor de la cinta 12µm Esp esor del recubrimiento magnético 3 a 4µm _______________________________________________________________

Fig. 5.8

La codificación PASC es esencial para el logro de las prestaciones del DCC y se realiza de la manera que se observa en la figura 5.9. En esta figura se aprecia la ubicación adaptable de los bits de acuerdo al enmascaramiento de diferentes señales de audio debido a características de amplitud y/o frecuencia. Se observan en esta figura, por ejemplo, cuatro señales que sobrepasan el umbral de audición y que se manifiestan con una cantidad de bits variable de acuerdo a su amplitud. Este hecho solo ya constituye un ahorro de bits, pero además se produce el enmascaramiento de cinco señales de diferentes frecuencias que se tornan inaudibles por la presencia de las señales audibles que alteran el umbral de audición. Como estas señales inaudibles no requieren codificación, también contribuyen al ahorro de bits. Se verifica entonces lo afirmado más arriba en cuanto a la ubicación adaptable (adaptive alocation) del PASC. El PASC introduce también el concepto de la separación de la señal de en-


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PLATAFORMAS DIGITALES, MAGNETICAS Y OPTOMAGNETICAS trada en 32 sub-bandas, con un ancho de 750Hz cada una y siempre con una frecuencia de muestreo de 48kHz. Esta subdivisión se efectúa por medio de un filtro de sub-bandas que dividen el ancho total de 24.000 hertz en la forma indicada. Con otras frecuencias de muestreo también varía, desde luego, este guarismo. Las señales grabadas con la codificación PASC deben ser decodificadas durante la reproducción. Para ello se divide nue vamente las señales codificadas en PASC en 32 sub-bandas. Las sub-bandas son después combinadas para obtener una señal digital de audio de banda ancha que puede ser convertida por el conversor digital-analógico en una señal de audio analógica convencional para su posterior amplificación y reproducción. El nexo entre la Fig. 5.9 cinta magnética grabada o a grabar y el procesador de decodificación es la cabeza grabadora-reproductora del DCC que posee características muy especiales debido a la necesidad de compatibilizar las señales digitales provenientes de la cinta DCC, con las señales analógicas provenientes del CC (casete compacto). La compatibilidad parcial entre ambos formatos fue una condición "sine qua non" del sistema y permite reproducir en un equipo DCC digital las cintas analógicas que el usuario pueda tener en su colección. La construcción de estas cabezas se efectúa en una técnica Fig. 5.10 de Thin Film (película delgada) que permite ubicar nueve pistas digitales y dos pistas analógicas por lado en un cabezal reversible. Este cabezal debe ser capaz, por lo tanto, de ubicar, en el ancho total de la cinta de 3.780µm (3,78 mm), la cantidad d e 20 cabezas individuales, agrupad as en tres sectores, como vemos en la figura 5.10. Esta figura constituye una réplica detallada de la figura 5.4 y muestra que las nueve cabezas digitales son ocho para la señal y una cabeza auxiliar. Las cabezas de grabación digital son del tipo IRH (Integrated Recording Heads), las nueve cabezas de reproducción digital son del tipo MRH (Magneto-Resistive Heads) y las dos cabezas para la reproducción analógica que son también del tipo MRH. El ancho de las nueve cabezas IRH es de 185µm cada una, el ancho de las cabezas MRH de reproducción digital es de 70µm cada una y las dos cabezas MRH para la reproducción analógica tienen un ancho de 600µm cada una. Esta distribución de cabezas de tamaño micrométrico divide la superficie del cabezal en dos mitades: una mitad contiene las cabezas de grabación y reproducción digital y la otra mitad, las cabezas de reproducción analógica. En una cabeza de grabación integrada, se rodea el conductor de la corriente de señal con una guía de flujo magnético que concentra el campo magnético dentro del entrehierro en forma convencional. La cabeza MRH de reproducción, por otra parte, posee un elemento avanzado del tipo magneto-resistivo cuya resistencia varía en concordancia con el campo magnético impreso en él, a partir de la cinta a través de la guía de flu jo magnético. Una corriente con stante circula a través de l e lemento magneto-resistivo, de manera tal que la tensión en sus extremos varía en concordancia con el campo magnético impreso en la cinta. Las cabezas magneto-resistivas son excelentes para la lectura de la transición de bits del DCC. Para la reproducción analógica se aprovecha también la

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Fig. 5.11

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elevada estabilidad y ausencia de ruidos e histéresis, propios de las cabezas magneto-resisitvas para lograr la máxima calidad. Al mismo tiempo se logra una respuesta de frecuencia amplia debido a la alta tasa de bits inherente a estos elementos. Las caras de las cabezas po seen también un recubrimiento d e protección para evitar el desgaste en el continuo deslizamiento de las cabezas encima de la cinta magnética. En la actualidad se fabrican cabezales rotativos como, por ejemplo, el tipo RP310R1/15 de Philips, que vemos en la figura 5.11. Esta cabeza incorpora imanes de película delgada que poseen una inmunidad mejorada contra campos magnéticos dispersos y, además, está sellada en un recubrimiento SPL (Super Protective Layer). Este recubrimiento de reciente creación protege los sensores de película delgada contra eventuales daños por influencias químicas y mecánicas. También provee una protección contra el desgaste en una amplia gama de temperaturas (-20 a +70°C), que prolonga así su vida útil. Este tipo de recubrimiento SPL es especialmente indicado para equipos móviles, tanto para automóvil como portátiles. Se usa en este tipo de cabezal también el concepto FATG (Fixed Azimuth Tape Guidance) de alta precisión que garantiza el alineamiento perfecto de las pistas de la cinta magnética con el cabezal. Las piezas FATG pueden ser metálicas de una sola pieza y terminación maquinada de alta precisión o también moldeadas con materiales cerámicos especiales. En un sistema alternativo con cabezas fijas que vemos en la figura 5.12, se usa un concepto completamente diferente. El modelo P230F1/55 de Philips, al cual corresponde esta figura, sólo usa un total de 2x18 cabezas para las tres funciones de grabación y reproducción digital y reproducción analógica. La ventaja de este enfoque es la ausencia del mecanismo de rotación y reversión que se necesita en los cabezales rotativos. En el cabezal fijo existen 18 cabezas de 70µm para la rep roducción d igital de ambas mitades de la cinta. Una combinación de dos cabezas digitales adyacentes por canal es usada para la reproducción analógica. Se usan por lo tanto ocho cabezas digitales separadas entre sí en grupos de dos, para la reproducción analógica. Existen además dos grupos de nueve cabezas de 185µm de ancho para la grabación digital. Se observa que este ingenioso método permite reducir la cantidad de cabezas y simplifica la construcción mecánica y el costo del equipo. La codificación del DCC incluye la grabación de las señales en ocho pistas paralelas, que se den ominan Pistas de Datos Principales. En estas p istas se graban todos los datos d el PASC, datos de corrección de errores y la información del sistema. La novena pista contiene datos auxiliares, tales como información sobre pistas y tiempos, en forma similar a los que se usan en el Disco Compacto (CD). En la figura 5.13 observamos el patrón de tablero de ajedrez que caracteriza el Fig. 5.13 DC. Se observan marcadores de adicionales que facilitan la operación. Para aprovechar al máximo el concep to del umb ral auditivo d inámico, el sistema PASC emplea una representación matemática para cada muestra de la señal, que se denomina "representación de punto flotante". Cada muestra de señal

Fig. 5.12


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PLATAFORMAS DIGITALES, MAGNETICAS Y OPTOMAGNETICAS tiene asignadas dos magnitudes: el exponente o factor de escala y la mantisa o resolución. La mantisa es simplemente el valor numérico de la muestra, por ejemplo: 0,7. El factor de escala indica la escala en la cual se mide la mantisa, por ejemplo: 10mV. Si indicamos ambos, mantisa y escala de valor, obtenemos: 0,7 x 10 = 7mV. El factor de escala o exponente abarca toda la señal dentro del rango dinámico y corresponde a un número digital de 6 bits. Con estas dimensiones se abarca el rango desde -118dB hasta 6dB, en pasos de 2dB. Como vimos, la mantisa indica el valor medido de la muestra, que debe ser multiplicado por el valor de escala. Un valor de 50 puede expresarse por medio de un factor de escala de 100 y una mantisa de 0,5 (0,5 x 100 = 50). La longitud de la mantisa está determinada por el nivel de cuantificación asignado a la muestra. El mismo depende de la amplitud de la muestra por encima del umbral, la tasa de cambio del patrón de la forma de onda y la capacidad de datos disponibles. Esto implica que la longitud de la mantisa puede variar entre 2 y 15 bits. La señal de audio varía en forma relativamente lenta, si la comparamos con la frecuencia de muestreo (por ejemplo, 1kHz contra 44,1kHz). Esta relación tan alta permite que tanto el umbral de enmascarado, como el factor de escala sean calculados, no una vez por muestra, sino una vez para cada grupo de 12 muestras que forman el cuadro para el PASC. La cantidad de bits de información que se codifica para la mantisa, varía entre una muestra y otra, de acuerdo con el nivel de cuantización. Los valores digitales resultantes se distribuyen a través de la capacidad total del cuadro del PASC, de acuerdo a su significancia. Este proceso se llama "ubicación adaptable" y mejora la resolución de cada muestra en relación a la capacidad de datos disponibles. Ambos aspectos, la representación con "punto flotante" y la "ubicación adaptable" me joran no tablemente la eficiencia de la cod ificación, lograda po r medio del PASC. Philips, que desarrolló el proceso del PASC, afirma que el mismo no sólo está basado en las características físicas, psíquicas y naturales del oído humano. Durante el desarrollo, los valores obtenidos en cada etapa, fueron evaluados por oídos bien entrenados. De esta manera, muchos de los parámetros críticos, como las dimensiones del cuadro del PASC, los refinamientos en la resolución y la magnitud de los pasos y rangos d el factor de escala fueron determinados, no por medio de cálculos teóricos, sino por ensayos prácticos extensivos. El resultado de estos procesos es una calidad tonal muy parecida al disco compacto CD y, debido a su representación por medio del "punto flotante", el rango dinámico puede llegar a ser superior. No obstante es justo señalar, como ya se hizo anteriormente, que los adeptos al High End no aceptan el DCC por la compresión de señales que implica. Todos los datos de la cinta magnética grabada en el DCC están agrupados en cuadros autocontenidos, separados por intervalos entre cuadros, llamados IFG (Inter Frame Gaps). Para compensar pequeñas variaciones en la frecuencia de muestreo durante la grabación, es posible que los IFG varíen ligeramente en su longitud. También intervienen para localizar el punto de inicio de los cuadros de cinta. Cada cuadro de cinta del DCC contiene 12.288 bytes de información, lo que no incluye los datos de sincronización. Los datos del PASC ocupan 8.192 bytes y la información del sistema, 128 bytes. Los datos del PASC están distribuidos a través del cuadro de cinta en un patrón de tablero de ajedrez, lo que aumenta la solidez del sistema contra pérdidas momentáneas de información (drop-outs). Esta técnica está relacionada con el entrelazado utilizado en los discos compactos (CD), con la diferencia de que el patrón del tablero de ajedrez está distribuido dentro de cada cuadro de cinta en forma individual. La información del sistema suministra los datos para el display (visualización) de mensajes y también identifica otras partes de información, como datos de Copyright y otros relacionados con la cinta grabada. Los restantes 3.968 bytes constituyen un 40 a 50% de información redundante dedicada a la detección y corrección de errores. Un código CIRC (Cross Interleaved Reed-Solomon Code) protege los datos p rincipales contra e rrores aleatorios y de impulso o ráfagas. Las dos etapas del CIRC están distribuidos a través de las ocho pistas de datos principales.

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Este potente código de corrección de errores permite la corrección de drop-outs de hasta 1,45 mm de diámetro que cubre casi por completo las ocho pistas. Puede compensar aun un drop-out mayor que una pista faltante por completo. Finalmente para optimizar la detección de transición de bits durante la lectura de la cinta de señales DCC, el método es refinado aun más por las características del medio. Esto se logra por una modulación de ocho a diez, que traduce los bytes de ocho bits en símbolos de diez bits, libres de componentes de tensión continua para la grabación. Este p roceso es comp arable a la modulación de ocho a catorce (EFM) del d isco comp acto CD. Para lograr los resultado s de l revolucionario PASC, se ha aplicado al DCC todas las técnicas que han hecho del CD sinónimo de audio de excelencia. Todas están estrechamente integradas y optimizadas para el medio de la cinta magnética y son fundamentales paFig. 5.14 ra lograr la extrema confiabilidad y calidad de los sistemas basados en el DCC. Se puede considerar que, en la actualidad, existen tres plataformas de audio de mayor difusión. Nos referimos al disco compacto (CD), el casete compacto analógico (CC) y el casete compacto digital (DCC). No es de extrañar, entonces, que en el mercado existen ya equipos preparados para reproducir y grabar estos tres formatos. En la figura 5.14 vemos un modelo de Lasonic que posee las prestaciones necesarias para estas funciones.

5.2. La cinta digital de audio DAT (Digital Audio Tape)

Fig. 5.15

El DAT (Digital Audio Tape) fue una de las mejores manifestaciones de la grabación magnética digital que ganó su prestigio precisamente por no haber recurrido a ninguna compresión de señal. El proceso del DAT es, por lo tanto, completamente lineal: toda la música, nota por nota, que se produce, enmascarada o no, es transferida a la cinta magnética digital. El DAT es una de las plataformas digitales aprobadas por los amantes del High End, al igual que el CD con el cual tiene muchas características similares, dentro de sus naturales diferencias de ser uno: un disco óptico y el otro: una cinta magnética. La elevada tasa d e mu estreo de 48kHz hace factible la grabación de hasta 24kHz de señal de audio, aunque las razones obvias de las limitaciones de la audición humana restringen este rango a 22.500Hz. El resultado en la práctica es mejor aun, como en todos los sistemas que no son exigidos hasta el límite teórico de sus prestaciones. Otras frecuencias de muestreo son factibles y se usan en los equipos, como 44,1kHz y 32kHz. La primera es igual a la frecuencia de muestreo del CD y brinda, al igual que en el mismo, una frecuencia límite de audio de 20kHz y el segundo coincide con otros servicios terrestres y satelitales de transmisión digital de audio, como por ejemplo el Nicam, que se usa en el servicio de televisión en algunos países europeos con un límite de frecuencias de audio de 15kHz. El casete de audio usado en el DAT tiene el aspecto que vemos en la figura 5.15 y tiene una cinta magnética con un ancho nominal de 3,8 mm, con límites específicos de 3,81 + 0,00 - 0,02 mm. El recubrimiento magnético de la cinta del DAT tiene una coercitividad de unos 1.650 oersted y un flujo magnético residual de 1.900 gauss. Estos valores son superiores a los acostumbrados en otras cintas para audio, como el CC y el DCC y se asemeja más a las características de cintas magnéticas para video. La respuesta de frecuencia entre 1,5MHz y


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PLATAFORMAS DIGITALES, MAGNETICAS Y OPTOMAGNETICAS 130kHz no debe variar en más de 0,3dB. Existen casetes con duración entre 15 y 122 minutos, con las características que surgen de la Tabla 5.2. ________________________________________________________________ Tabla 5.2. Características de casetes para DAT

Tiempo de grabación

Designación

Lon gitud de la cinta

15 minutos 15MQ 7,6 metros 30 minutos 30MQ 15,3 metros 48 minutos 48MQ 24,6 metros 62 minutos 62MQ 31,5 metros 92 minutos 92MQ 47,0 metros 122 minutos 122MQ 61,0 metros ________________________________________________________________ Los datos de la Tabla 5.2 corresponden a cintas de la marca DIC//dat, serie MQ. En la Tabla 5.3 presentamos una selección de casetes de DAT de la marca Panasonic con los valores que esta marca indica. ________________________________________________________________ Tabla 5.3. Características de casetes para DAT

Tiempo de grabación

Designación

Lon gitud de la cinta

46 minutos RT-R46P 23 metros 60 minutos RT-R60P 31 metros 90 minutos RT-R90P 46 metros 120 minutos RT-120P 60 metros ________________________________________________________________ En la figura 5.16 vemos el surtido de casetes DAT de Panasonic. En otras marcas, como Denon, existen casetes DAT hasta 180 minutos de duración. Las dimensiones del casete DAT son las siguientes: 73 x 54 x 10,5 mm. Se usa una cinta de 3,8 mm de ancho y 13 µm de espesor. El transporte se efectúa normalmente a 8,15 mm/seg. La grabación de la cinta se realiza en forma helicoidal, similar al método usado en las cintas para video. En el DAT se producen pistas adyacentes con un ancho de 13,591µm. Estas pistas poseen una inclinación de unos 6 grados y ocupan sólo unos 2,613 mm del ancho para ubicar el conjunto de pistas. El tambor rotativo del DAT da cabida a dos cabe zas que graban en forma alternada una pista por cabeza (A, B, A, B, ...). La señal a grabar es, desde luego, digital y debe ser procesada adecuadamente, como vemos en la figura 5.17. Se graba en primer término 8 bloques de subcódigos para la indicación de comienzo y fin de cada pieza musical y otros tipos de información de servicio. A continuación se graba 5 bloques de una señal de estabilización y sincronismo, llamada ATF (Automatic Track Finding = seguimiento automático de p istas). Recién desp ués se graba la señal de audio en un proceso de PCM (Pulse Code Modulation). El total de bloques grabados por pistas es de 169 bloques, entre subcódigos, señal de ATF y señal de audio. Cada bloque contiene 8 bits. El tambor de cabezas posee un diámetro de 30 mm y gira a una velocidad de 2.000 revoluciones por minuto. El ángulo de rodeo entre tambor y cinta es de 90 grados. Otros ángulos, velocidades de giro y diámetro son posibles, siempre que se conserve la velocidad normalizada entre cabeza y cinta magnética. Este tipo de operación es similar a lo usado en videograbación, donde existe una situación similar entre VHS y VHS-C. Para los interesados en este tema recomendamos el libro "Videograbadores, Teoría y Práctica", de Egon Strauss, publicado por Editorial Quark.

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Fig. 5.16

Fig. 5.17



Fig. 5.20

Fig. 5.19

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Las cabezas de lectura-escritura del tambor, poseen un ángulo de 20 grados para evitar la modu lación cruzada (crosstalk) en tre las cabezas y las pistas grabadas por ellas. En los circuitos de interfaz del DAT deben existir los conversores analógicos-digitales para la grabación y digital-analógicos para la reproducción. Estos circuitos siguen rigurosamente las reglas del teorema de Nyquist para evitar el aliasado (seudónimos) que se puede producir al no respetar la norma de Fsc = 2 x Fmáx. Las palabras digitales poseen una longitud de 16 bits con sus 2 posibilidades de indicación de magnitudes. Los valores numéricos indican Fig. 5.18 que la cuantización de la señal se efectúa en 2,46 megabits por segundo 3n 31 modo convencional del DAT que podemos llamar SP (Standard Play) como en video. Existe, sin embargo, también un modo de larga duración LP (Long Play) que funciona con sólo 1,23 megabits por segundo y una velocidad de la cinta de 4,075 mm/seg. En este caso se duplica el tiempo de reproducción y una casete de dos horas, puede durar cuatro horas. Un dato interesante adicional es el hecho que la velocidad de búsqueda de la cinta del DAT puede llegar a 200 veces la velocidad normal de lectura. El DAT produce una señal que se reproduce con un rango dinámico de 98dB y una separación de canales de 90dB. La relación S/N es de unos 96dB. La distorsión armónica total (THD) es menor al 0,0005% y los fenómenos de Wow y Flutter pueden considerarse inexistentes y no medibles. La altísima calidad de audio del DAT y la facilidad de su grabación han producido una traba para la difusión del sistema por parte de las empresas grabadoras que no han producido el software usual para este formato. La causa es, desde luego, el temor de los fabricantes de CD de que un usuario del DAT pueda producir copias clandestinas de los CD con una calidad idéntica al original. Por este motivo, el uso del DAT se limitó a los profesionales que requieren originales de alta calidad y no se difundió el DAT entre el gran público a pesar de sus excelentes características. El temor del sector grabador de CD se redujo en 1990 cuando se introdujo un sistema de protección, llamado SCMS (Serial Copy Management System = sistema de organización de copiado en serie). Con este sistema se incorpora en los equipos y en las cintas grabadas con ellos, señales que impiden la grabación de DAT a DAT y que además permiten sacar sólo una copia d e cada CD po r vez. El copiado masivo resulta así imposible. Para el uso casero en el hogar esto no es un obstáculo, ya que el usuario particular puede sacar una (y sólo una) copia de cada CD de su preferencia, pero la explotación comercial queda imposibilitada. En la figura 5.18 vemos el aspecto de un equipo de mesa para DAT, pero también existen equipos portátiles de DAT, como el que vemos en la figura 5.19. En el formato DAT existen también los casetes limpiacabezas, como el que vemos en la figura 5.20, que es de Panasonic.

5.3. El Minidisco MD El Minidisco MD es una plataforma digital de audio del tipo optomagnético. En este disco se combinan técnicas digitales magnéticas y ópticas para crear un medio de una fidelidad similar al CD, pero con la posibilidad de ser grabado fácilmente. Esta propiedad lo hacía muy atractivo en 1991, año de su presentación, cuando la grabación de discos compactos era


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PLATAFORMAS DIGITALES, MAGNETICAS Y OPTOMAGNETICAS aún una tarea industrial de envergadura y costo, completamente fuera del alcance del aficionado. El MD po see, sin emb argo un poten cial de prestaciones más allá de la simple grabación de audio, ya que se trata de un medio de gran capacidad de almacenaje con buenas aplicaciones en la industria que usa las computadoras como MD-ROM e, incluso, en la fabricación de CD como vimos en el capítulo 3.6 de la presente obra, al intervenir como me moria digital transitoria en el proceso llamado XRCD. El MD de audio posee un diámetro de 63 mm, encapsulado dentro de un estuche plástico, como vemos en la figura 5.21. En la figura 5.22 vemos un grabador po rtátil de MD (walkman MD) de Sony, junto con un disco MD que p ermite la grabación de 74 minutos de música o datos. Esta duración es idéntica al CD, pero con una superficie del disco MD cuatro veces menor. Al reducirse la superficie cuatro veces y, al mismo tiempo, se mantiene el caudal de información, resulta necesario introducir en el MD una compresión de señal, justame nte de cuatro veces, sup on iendo corre ctame nte qu e el esp acio individual de información sea el mismo. La compresión de señales de audio y de video es ya una práctica casi cotidiana y se efectuó en el MD con un método propio de Sony, diferente a los métodos usados en otras plataformas en su ejecución, pero desde luego idéntico en sus propósitos. El método de compresión del MD es el ATRAC, sigla que significa Adaptive Transform Acosutic Coding = transformación adaptable de codificación acústica. La tasa de compresión supera las necesidades mínimas al producirse con una tasa de cinco veces. La velocidad de rotación del MD es igual al CD con sus 1,2 a 1,4 m/seg. El disco es de un material plástico de policarbonatos con un espesor de 1,2 mm. El tamaño del cartucho del MD es de 72 x 68 x 5 mm. El proceso del ATRAC se basa en la variación del umbral de sensibilidad auditiva y en una codificación que se adapta a las necesidades reales de Hi-Fi, sin que ello implique una reproducción total de todos los tonos existentes o producidos en la realidad. Se observa que en este caso también se da amplia intervención al término adaptable para lograr así una reducción en la tasa de datos necesarios para registrar la información de audio presentada. Para lograr esta meta se divide en el ATRAC la banda completa de frecuencias en 52 sub-bandas angostas. Estas sub-bandas no están repartidas en forma idéntica en toda la gama de frecuencias, sino se coloca una mayor cantidad en las frecuencias bajas y medias y una menor cantidad en las frecuencias altas que tienen menor difusión. De acuerdo con las características de umbral y de enmascaramiento de la información, se asigna entonces una cantidad determinada de bits a cada banda de la cantidad total dispon ible. En e l proceso de codificación se toma en cu enta también la velocidad con la cual se producen cambios en la información. Con cambios rápidos se usan bloques de 1,45 ó 2,9 milisegundos de duración y, por el contrario, con cambios más lentos se usan bloques de 11,6 milisegundos de duración. Esta división de tiempo no-uniforme es, tal vez, la clave más importante del éxito del método de codificación del ATRAC. Mientras que un CD convencional requiere 1,4 Megabit por segundo de datos de audio, en el MD se necesitan sólo 0,3 megabits por segundo para la misma cantidad de información. Estas cifras fueron determinadas por una evaluación cuidadosa del tamaño que debía tener (74 minutos) y la calidad del sonido. Si bien la calidad de a udio e s importante en todo equipo de audio, en el MD fue sólo uno de tres parámetros tomados e n cue nta para su diseño. El resultado final es una calidad similar, pe ro no igual, a la d el CD y también e n e ste caso los ade ptos al High End expresaron su disconformidad. Debemos aclarar ahora la posibilidad de grabación que se ha logrado con el MD. La misma se basa en sus propiedades magneto-ópticas,

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Fig. 5.21

Fig. 5.22



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como vemos en la figura 5.23. En esta figura vemos en forma esquemática la ubicación relativa de los componentes de ambas disciplinas: el láser como componente óptica y la bobina del electroimán como componente magnética. La señal digital es aplicada a la bobina del electrimán de tal manera que un bit de valor "1" produce un campo magnético fuerte y un dígito "0" produce un campo magnético muy débil o cero. Al mismo tiempo, el rayo láser incide sobre el disco con una energía bastante elevada, del orden de los 4 miliwatt, si bien el valor real del rayo láser es de suma importancia también para la reducción de errores de lectura y escritura, como vemos en la figura 5.24. Se indica en este gráfico la potencia de grabación del láser normal entre 3,5 a 5,5 miliwatt, aproximadamente. La incidencia del rayo láser produce un calentamiento localizado de muy reducidas dimensiones e n la capa magnética del disco MD. Este pu nto alcanza una temperatura de unos 205 grados centígrados, por lo que el material magnético pierde casi toda su fuerza coercitiva en este punto y con esta temperatura. Este estado de cosas permite al electrimán influenciar sobre la capa magnética del disco MD y orientar el magnetismo del punto tocado en concordancia con la señal digital. Una vez que la rotación del disco continúa, la capa m agnética se enfría y el p unto afectado conserva su dirección y polaridad magnética. Este proceso se relaciona con el fenómeno físico, llamado "Punto de Curie" que consiste en que los materiales magnéticos pierdan su imantación al llegar a una temperatura determinada, el "Punto de Curie". En este punto y cerca del mismo, cualquier pequeña fuerza magnética puede llegar a imantar el material magnético que al enfriarse conserva su campo magnético y al calentarse el material de nuevo, este campo magnético se borra en forma simultánea. No se requiere un proceso de borrado por separado. Para poder realizar el operativo magneto-óptico, es necesario que el disco tenga la construcción adecuada, como vemos en la figura 5.25. Se observa la construcción tipo "sandwich" del disco virgen. Sobre una placa de resina de policarbonato como sustrato se deposita un material magnético de ferrite térbico con cobalto. Este material es el indicado p or su u bicación del Punto de Fig. 5.24 Curie adecuado. A esta capa magnética se agrega una capa reflectiva de aluminio y finalmente, sobre la misma, una capa protectora de plástico. El sustrato de resinas de policarbonato se encuentra ranurado de fábrica, para permitir que al grabarlo se formen las pistas correspondientes en espiral. En un disco grabado, las pistas magnéticas ya fueron producidas en el proceso de grabación, pero en el disco sin grabar es necesario tener una guía para efectuar el seguimiento de la espiral. La lectura se produce por el rayo láser, pero en lugar de leer p ozos y p lanos como e n el CD y LD, el láser lee minúsculos campo s magnéticos que inciden en la polarización del rayo láser y afectan así su reflexión. El efecto de influenciar un rayo de luz por medio de un campo magnético, se conoce con el nombre de efecto Kerr. El MD es, entonces, grabado por el efecto de Curie, un efecto termomagnético, y leído por el efecto Kerr, un efecto fotomagnético. En la figura 5.26 vemos este aspecto que nos muestra que el láser y la bobina del electroimán se encuentran en lados opuestos del disco y hacen contacto con e l mismo a través de sendas tapas corredizas en el estuche d el MD.

Fig. 5.23

Fig. 5.25


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PLATAFORMAS DIGITALES, MAGNETICAS Y OPTOMAGNETICAS El contacto con el imán es físico, ya que la pieza polar toca la superficie del disco y queda así a sólo 10µm de la superficie magnética. El contacto con el láser es a través de su rayo que cambia de potencia durante la grabación y lectura, como vimos más arriba. Durante la grabación está a máxima potencia y durante la lectura sólo tiene la potencia acostumbrada en los reproductores de CD. El contacto del electroimán con el disco parece no tener efectos perniciosos, ya que Sony, el inventor del MD, afirma que se ha sometido a los MD a ciclos de grabación y lectura durante un millón de veces, sin observar ningún deterioro p erjudicial. Para asegurar la calidad de la grabación del MD se recurre a los mismos métodos del CD. Se usa la mod ulación EFM (Eight to Fourteen Modulation) y también los métodos ampliamente probados del CIRC (Cross Interleaved Reed-Solomon Code). Estos pasos del proceso son importantes para mantener la máxima calidad del MD y, al mismo tiempo permite también usar las mismas máquinas y procesos de fabricación para ambos tipos de discos. Esto permite también reducir costos. Otra consecuencia del sistema ATRAC del MD es la memoria "antichoque", con la cual el MD compensa toda interrupción instantánea en la lectura por medio de una memoria intermedia, que observamos en la figura 5.27. Este dispositivo se denomina ESP (Anti Shock Protection). El flujo de datos provenientes del disco tiene una velocidad de 1,4 megabits por segundo y es almacenado en una memoria auxiliar intermedia (buffer), cuya capacidad es de 1 megabit. Al salir de esta memoria, sólo lo hace a una velocidad de 0,3 megabit por segundo, quedando por lo tanto un caudal de bits para 3 segundos de música en la memoria. El codificador ATRAC recibe el flujo de datos de la memoria en esta velocidad de 0,3 megabit por segundo y, por lo tanto, si retiramos el disco MD del reproductor, aún queda música para 3 segundos en la memoria. Este caso extremo no se suele dar en la práctica, pero el sistema sirve para proteger la reproducción contra interrupciones breves, causadas por los movimientos involuntarios típicos de un equipo portátil. Los usuarios del MD, quienes andan en bicicleta o caminan, están, desde luego, agradecidos.

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Fig. 5.26

Fig. 5.27


PROCESADO RES DE AUDIO

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PROCESADORES DE AUDIO 6.1. Introducción Incluimos en este capítulo los preamplificadores de audio, controles de volumen, tonos y otros, como ecualizadores y amplificadores de poten cia. Si bien e xisten, en la actualidad, en el mercado equipos del tipo valvular, creemos que la presente obra está dirigida más al mercado semiconductor de estado sólido y, por lo tanto, nos referiremos especialmente a este tipo de equipos. Esto no impide que, tal vez, en algún momento hagamos referencia también en forma ocasional a los equipos valvulares, si el tema lo hace conveniente, como ya lo hemos hecho en otras secciones del presente tratado. Si bien efectuamos, en esta introducción, una enumeración por etapas de audio, esto no significa que forzosamente serán tratados en este orden ni en forma separada, ya que muchas de estas etapas están incluidas en equipos de mayor envergadura y no como unidades separadas. En la técnica y tecnología actual del audio, en realidad la línea divisoria no pasa por estos parámetros, sino por el contrario sólo reconoce una separación única, que consiste en equipos analógicos y equipos digitales. Obviamente no podemos desconocer esta verdad básica y nos regiremos por ella.

6.2. Pream plificad ores de audio

Fig. 6.1.A

Fig. 6.1.B

La naturaleza tan distinta de los diferentes productores de señales de audio, hace indispensable crear una interfaz adecuada para cada uno de ellos y esto es precisamente una de las funciones principales de los preamplificadores. Los parámetros de amplitud de la señal de entrada y de impedancia de entrada, obligan a prever las conexiones correctas para micrófonos, p ick-up para tocadisco, reproductor de CD y MD, y señales de audio provenientes de reproductores de LD, videograbadores, camcorder o televisores, la parte d e aud io (A) de la conexión de A/V (Audio/Video) y de sintonizadores de RF para AM y FM. A todas estas exigencias se agrega ahora también la conexión de equipos con sonido Dolby AC-3 que poseen seis canales discretos de audio que, a su vez, deben conectarse a sendos preamplificadores para su procesamiento posterior. Finalmente, debemos mencionar que muchos equipos digitales también presentan conexiones en el dominio digital por medio de cables de fibras ópticas que conducen generalmente a conversores digital-analógicos cuando no son procesados directamente por etapas digitales. La mejor forma de ilustrar esta situación es la indicación de las características de un equipo comercial típico que reúna todos los requisitos deseables del tema. Elegimos e l modelo de Legacy, cuyo aspe cto surgen d e la figura 6.1.A, visto de frente y también visto del lado de los conectores. Se observa la cantidad de conectores provista para todas las aplicaciones posibles. Entre las especificaciones del modelo de preamplificador de Legacy figura un rango de frecuencias de 1 a 100.000 hertz con una tolerancia de ±1dB y una distorsión ar-


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mónica total (THD) de 0,001%. En la Tabla 6.1 hemos resumido las características más sobresalientes de diferentes medios que se deben conectar al preamplificador. _______________________________________________________________ Tabla 6.1. Características de interfaz para equipos de audio

Equip o

Tensión de entrada Imp edancia de entrada

Pick-up de cerámica 500mV 470kohm Pick-up MC 2,3mV 47kohm Pick-up MM 200mV 470kohm Tape (CC, DCC, DAT) 200mV 10kohm Sintonizador 200mV 10kohm Micrófono 0,4mV 47kohm CD/LD 500mV 47kohm Audio de A/V 500mV 1kohm ________________________________________________________________ En la figura 6.1.B vemos el aspe cto del tablero de con exiones de otro mode lo de p reamplificador de Kenwood, con su abundante posibilidad de conexiones específicas para diferentes tipos de equipos. La indicación de MC se refiere a pick-ups con bobina móvil y MM a pick-ups de imán móvil. Los valores de la Tabla 6.1 son de orden práctico y superan los valores fijados por las normas del IHF-66 (Institute of High Fidelity) que son las siguientes: Entrada Fono = 3 milivolt y entrada para CD, LD, Tape, TV y VCR = 200mV. Estas mismas normas indican también valores de S/N para Fono en 80dB y para CD etc. de 85dB. Algunos equipos comerciales, como el preamplificador Denon, modelo PRA-1500, y otros, poseen una llave de conmutación de Fono que permite seleccionar la misma entrada para MM o MC. En este caso el equipo tiene en MM una relación S/N de 96dB y en MC de 79dB. Otras normas del IHF se refieren a los sintonizadores de FM que de acuerdo a las normas IHF-58, deben tener una sensibilidad de 1,5µV/75 ohm y una sensibilidad de silenciamiento de 50dB en mono y estéreo, de 45µV. Demás está decir que los valores encontrados en modelos comerciales superan los mínimos fijados por el IHF. En muchas especificaciones se encuentran en forma simultánea los valores de la sensibilidad en FM expresados en µV acompañado por la impedancia de la antena, que es generalmente de 75 ohm, y de la potencia relativa en dBf que indica en cuántos dB esta señal es superior a la potencia de referencia de 1fw (femtowatt). 1fw = 1 x 10-15 watt. Ambas indicaciones son equivalentes, ya que se puede transformar la indicación de la tensión sobre un resistor de carga en una potencia, al existir la relación bien conocida de P = E2.r. Para realizar un e jercicio pod emos asumir una tensión de 10µV sobre 75ohm, lo qu e da una potencia de (10 x 10 x 10-12)/75 = 1,333 x 10-12watt. Para expresar esta potencia en femtowatt debemos dividir por 10-15, de acuerdo a lo expresado recién. Esto da 1.333 femtowatt que debe mos referir a d Bf, lo qu e significa que hay qu e mu ltiplicar el logaritmo d e e ste número por 10, con el resultado de 31,25dBf. Valores tan bajos como 1µV sobre 75 ohm igual a 11,2dBf son comunes en equipos de alta fidelidad. Como la lectura en dBf no es siempre bien entendida por los técnicos y amigos de la Hi-Fi, pero es muy común en las espcificaciones de los equipos, habíamos considerado conveniente incluir esta pequeña excursión a la matemática. Otros valores tamados en cuenta son las de la respuesta de frecuencia en los cuales se destacan las curvas de ecualización del RIAA (Record Industry Association of America). En la figura 6.2 observamos una curva típica en la cual se destacan tres frecuencias F1, F2 y F3, que se toman como puntos de referencia. En este diagrama la frecuencia F2 es un punto de cambio, ya que en este punto F2 = 500Hz, la grabación de un disco LP cambia de

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Fig. 6.2

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amplitud constante a velocidad constante. Se sue le expresar estas frecuencias especiales en su función de constante de tiempo, donde t = 1/2pf. Para F1 = 50Hz, t = 3180µseg, para F2 = 500Hz, t = 318µseg y para F3 = 2.120Hz, t = 75µseg. En la Tabla 6.2 vemos estos valores volcados en forma sistemática para indicar el recorrido de la curva del RIAA con sus acentuaciones y atenuaciones de las frecuencias grabadas en hertz. __________________________________________ Tabla 6.2. La respuesta normalizada del RIAA

Hz

dB

Hz

dB

20 +19.3 800 +0.7 30 +18.6 1k 0.0* 40 +17.8 1.5k -1.4 50 +17.0 2k -2.6 60 +16.1 3k -4,8 80 +14.5 4k -6.6 100 +13.1 5k -8.2 150 +10.3 6k -9.6 200 +8.2 8k -11.9 300 +5.5 10k -13.7 400 +3.8 15k -17.2 500 +2.6 20k -19.6 ____________________________________________ * Reference frequency.

Fig. 6.3

Fig. 6.4

Fig. 6.5

Conviene aclarar que las normas del RIAA se basan en una acentuación de las frecuencias altas durante la grabación, para mejorar la relación S/ A y que, p or lo tanto, durante la reproducción e stas frecuencias altas deben ser atenuadas. Para lograr la respuesta del RIAA de la figura 6.2, podemos usar el circuito de la figura 6.3 que corresponde a un preamplificador de fono con ecualización RIAA. En las cintas magnéticas existe una situación diferente al pretender, en la grabación magn ética, que la corriente d e grabación tenga un valor constante para todas las frecuencias. Para ello es necesario tomar en cuenta que las cabezas de grabación introducen una atenuación de las frecuencias de audio de 6DB por octava, como podemos apreciar en la figura 6.4. Para compensar esta atenuación natural, típica del proceso, es necesario introducir una realimentación adecuada. Las características de esta realimentación fueron establecidas por la NAB (National Association of Broadcasters) con una curva cuyo trazado vemos en la figura 6.5. Para lograr circuitos adecuados para producir este tipo de curva en los equipos se puede recurrir al circuito de la figura 6.6. El desarrollo de este tipo de circuito no es demasiado complejo y se encuentran incorporados en la mayoría de los equipos de audio destinados a la grabación y reproducción de casetes y cintas magnéticas de audio en general. Un caso especial, pero muy frecuente en la actualidad, son las conexiones de entrada y salida de señales digitales. Estos pueden ser del tipo coaxil o del tipo óp tico p ara cables de fibra óptica. La salida o entrada de l tipo cable coaxil suele tener una impedancia de 75 ohms y una tensión de cresta a cresta de 0,5 volt. En la conexión con cables de fibra óptica se especifica un valor de -21dBm a -15dBm.


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Se recomienda en general que las conexiones de cables con señales digitales sean lo más cortas posibles y en el caso del cable de fibra óptica se fija una longitud máxima de 3 metros. En la figura 6.7 vemos un conector óptico, del tipo TOS, que es apto para señales ópticas con una longitud de onda de 630 a 690nm y una potencia de recepción de -15 a 27dBm (decibel con base a un miliwatt). El cable óptico recomendado es del tipo Multimode APF Si 970/1000µm. Este cable de fibra óptica posee un núcleo de 970µm y un diámetro del revestimiento de 1.000µm y su índice de refracción es del tipo Si (Step Index). La forma del terminal corresponde a las normas EIAJ-RCZ 5720 Square TOS. Las características de transmisión de este enlace son una longiutd de onda de 660nm con una potencia de transmisión de -15 a -21dBm. En el caso de las señales digitales que se aplican a equipos analógicos es, desde luego, necesario intercalar un conversor digital-analógico. En la figura 6.8 vemos el aspecto de un equipo de estas características, el modelo DA-500 de Denon. Este conversor posee tres frecuencias de muestreo de 32, 44,1 y 48kHz. Posee también cinco entradas digitales, tres del tipo óptico y dos del tipo coaxil. Posee asimismo dos salidas digitales, una del tipo óptico y otra del tipo coaxil. Además tiene dos salidas analógicas del tipo estereofónico con u n n ivel de salida de 2 volt rms. El conversor D/A funciona con 20 bits en una configuración circuital especial, cuyo esquema en bloques surge de la figura 6.9. En este conversor se usa un procesador tipo Alpha que reproduce con 16 bits una señal con calidad de 20 bits debido a la eliminación de los cruces po r cero con su distorsión a veces considerada invevitable. El procesador Alpha e s un desarrollo reciente d e DeFig. 6.8 non. Este enfoque brinda la posibilidad de un rendimiento superior al de los equipos digitales conectados al conversor y no introduce ningún deterioro adicional a las señales aplicadas. Para finalizar el tema de los preamplificadores, debemos mencionar los ecualizadores gráficos que funcionalmente forman parte de los mismos. En algunos, el ecualizador gráfico está incorporado en el preamplificador o amplificador de potencia, pero en muchos otros casos se utiliza una unidad autónoma por separado. El ecualizador gráfico es un implemento importante para lograr la reproducción de máxima fidelidad de las señales de audio. Uno de los beneficios de la ecualización consiste en que permite superar problemas relacionados con la acústica del amb iente en que se efectúa la aud ición. Las dimensiones y las instalacione s de una sala grande o chica o las condiciones ambientales en vehículos (por ejemplo en radio del automóvil) influyen en la calidad de la reproducción sonora. También influyen, desde luego, otros factores relacionados con el carácter de la música que se reproduce (clásica, jazz, bailable, canto, etc.) y tamb ién estas variantes pu eden corre girse o compe nsarse po r medio del uso prudente del ecualizador gráfico. En principio, el ecualizador permite subdividir la gama de frecuencias audibles, de 20 a 20.000 hertz en varias bandas de diferente ancho. Un caso típico es el ecualizador gráfico GR-555 de Pioneer que vemos en la figura 6.10. Este ecualizador posee siete bandas, centradas cada una en 60, 150, 400, 1.000, 2.400, 6.000 y 15.000 hertz. En estas bandas se pueden introducir en forma individual, por separado o en conjunto, una atenuación o acentuación de ±10dB. El rango real del ecualizador abarca de 10 a 50.000 hertz, con un a tolerancia de +0, -3dB, lo que cubre ampliamente todas las exigencias en cuanto a armónicas o sobretonos de todos los instrumentos musicales y voces huma-

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Fig. 6.6

Fig. 6.7

Fig. 6.9



Fig. 6.10

Fig. 6.11

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nas. La relación S/N es de 104dB, medida de acuerdo a las normas IHF con una ponderación tipo A y con una salida de 1 volt. La distorsión armónica total (THD) entre 20 y 20.000 hertz y una salida de 1 volt, es de 0,03%. La respuesta de ganancia es de 0dB. La entrada (Line In) es de 150 milivolt con 50 kilohm y la salida (Line Out) es de 150 milivolt con 2,2 kilohm. Existen o tros modelos d e Pioneer y otras marcas con ecua lizadores gráficos de 10 bandas, centradas en 32, 64, 125, 250, 500, 1.000, 2.000, 4.000, 8.000 y 16.000 hertz, abarcando als 10 octavas que se asignan muchas veces al rango audible humano (ver Capítulo 1). Con respecto al oído humano, conviene recordar que la respuesta del mismo no sólo depende del volumen sonoro, sino también de su frecuencia. Este concepto ya fue tratado brevemente en el Capítulo 1 e ilustrado en la figura 1.1. Creemos conveniente ampliar ahora este concepto al encontrarnos en muchos preamplificadores con un control de sonoridad o loudness control. Este control tiene la función de compensar la reducida sensibilidad del oído humano con respecto a los tonos muy graves, debajo de los 300 hertz. En la figura 6.11 vemos una familia de curvas, producida originalmente por los investigadores Fletcher y Mandsen y denominada apropiadamente con sus nombres (familia Fletcher y Mandsen). En estas curvas se observa la mayor energía necesaria en las frecuencias bajas para un nivel idén tico de audibilidad. Se toma como base la energía sonora existente en 1.000Hz que se considera como 0dB = 1016watt/cm2. Este valor es cercano al umb ral de sensibilidad en 1.000Hz. Con el control de sonoridad se logra compensar este efecto. Un diseño simplificado fue usado durante muchos años en toda clase de equipos de audio y radio, que usaban un control de volumen con una derivación en el 10%, aproximadamente, de su valor en el circuito que se observa en al figura 6.12. En este circuito se producía un refuerzo de graves con la posición más baja del control de volúmenes. El circuito de un peq ueño amplificador de audio d e dos canales, provisto con co ntroles de graves, agudos, balance y volumen con sonoridad surge de la figura 6.13. Este circuito, a pesar de su sencillez permite ejecutar un amplificador estéreo de unos 2 x 2 watt. Reemplazando el LM377 por un LM378 se obtienen 2 x 4 watt, y con el LM379, la potencia de salida es de 2 x 6 watt. Los demás valores del circuito quedan iguales en las tres variantes.

6.3. Amplificadores de potencia

Fig. 6.12

La función de los amplificadores de potencia de audio es generar una corriente a través de la bobina móvil del altoparlante, capaz de mover el cono con la potencia especificada del equipo. Esta corriente de señal de audio debe seguir una norma sencilla: "Lo que entra, debe salir", o expresado de otra manera, no se deben introducir distorsiones, respuesta de frecuencia diferente a la original, ruidos, ni cualquier otro efecto ajeno a la señal original. Esto es, desde luego, una condición muy severa, sobre todo cuando aplicamos la ley de ohm y constatamos que P = I2.R y con


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una potencia de pico P de 2.000 watt y una resistencia de carga de 4 ohm, la corriente de audio llega a casi 23 ampere. Sin embargo, en muchos equipos de alta fidelidad para Teatro del Hogar u otras aplicaciones exigentes, esta corriente p uede llegar a 50 ampere en un momento dado y por un corto lapso de tiempo. Esta corriente deben producir los dispositivos de salida del amplificador de p otencia, ya que en los amplificadores de estado sólido muy pocas veces se usa un transformador de salida. Esto beneficia, desde luego, la fidelidad del equipo y otras característi- Fig. 6.13 cas, pero impone a estas etapas normas diferentes a las que son sus equivalentes en equipos valvulares. Así como hay p arámetros marcadamente diferentes e ntre amp lificadores valvulares y d e estado sólido, existen también aspectos que no han cambiado a través del tiempo y posiblemente tampoco cambiarán en forma sustancial en el futuro cercano, en lo referente a amplificadores analógicos de au dio. El amplificador de poten cia de audio e s un eq uipo an alógico de estado sólido y debe entregar su corriente de salida a los parlantes, no sólo con la calidad antes señalada, sino también con un grado de eficiencia aceptable. En este tipo de amplificador siempre se ha dado preferencia a un funcionamiento en clase A para poder e vitar la formación de distorsiones. Este mod o funcional es, sin em bargo, muy p oco eficiente en cuanto al aprovechamiento de su potencia consumida y, por lo tanto, en muchos casos se prefiere el funcionamiento en Clase AB. Como todos los lectores bien saben, existe una diferencia entre ambos en el régimen del aprovechamiento de sus respectivos ciclos de trabajo. En clase A pura, se usan los 360 grados de una onda sinusoidal aplicada, como activos y, por lo tanto, desaparece todo cruce de cero y la distorsión causada por el mismo. en clase AB se usa como ciclo de trabajo menos que un ciclo completo, pero más de la mitad del ciclo, motivo por el cual se requieren etapas simétricas que se encargan alternadamente del procesamiento del ciclo completo de la señal. En la figura 6.14 vemos la irregularidad que el cruce de cero introduce en la curva supuestamente recta en esta zona. El rendimiento de etapas simétricas en Clase AB es mayor que el de las etapas de Clase A, pero los cuidados para evitar distorsiones son más severas y el diseño debe tomar en cuenta muchos aspectos, no sólo en el circuito propiamente dicho, sino también en la selección de los materiales involucrados en su ejecución. La simetría lograda (o no) es esencial para un funcionamiento correcto y las consecuencias del envejecimiento de algunos componentes puede hacerse notar en forma más temprana en etapas de Clase AB que en etapas de Clase A. En Clase A se puede producir, sin embargo, una situación de sobrecarga si el amplificador funciona durante mucho tiempo sin señales de entrada, ya que en este caso toda la potencia consumida se manifestará como elevación de

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la temperatura de los componentes. En Clase AB esto no sucede, debido

Fig. 6.14 a que la polarización de cada mitad del par simétrico es tal que su con-

Fig. 6.15

ducción se interrumpe durante u na p arte del ciclo en tre los 180 a 360 grados del mismo. Para señales de entrada de baja amplitud, el amplificador de Clase AB se comporta como si fuera de Clase A con su pureza de señal perfecta. Cuando aumenta, sin embargo, la amplitud de la señal de entrada, el funcionamiento en Clase AB puede producir efectos secundarios indeseados debido a que la puesta en conducción del transistor bloqueado durante una parte del ciclo, no es instantánea y la reiniciación de la conducción puede producir distorsiones en cada uno de los puntos de conmutación o cruce. Este efecto emp eora al incrementar la frecuen cia. En frecuen cias bajas y medias puede pasar casi desapercibido, pero en frecuencias altas el efecto es objetable. Por este motivo, el problema es más notable en los equipos de Hi-Fi y High End, si no se toman las medidas adecuadas para su reducción. Un enfoque diferente fue desarrollado por Yamaha en una configuración circuital denominada HCA (Hyperbolic Conversión Amplification), protegido por la patente Nº 4.803.441 de los Estados Unidos. En esta propuesta se obtiene una eficiencia cercana a la de la clase AB, pero con una pureza de amplificación de clase A. Se logra este resultado por medio de un circuito adicional que mantiene cada mitad de la salida simétrica en conducción, durante la parte del ciclo que debe estar bloqueado y se evita así las distorsiones de cruce. Veamos ahora las características operativas y especificaciones de algunos amplificadores comerciales, tomando como base el modelo 8008ST de Aragón, cuyo aspecto se observa en la figura 6.15. Las especificaciones de este modelo de amplificador estereofónico son las siguientes. Potencia nominal 200 watt por canal sobre 8 ohm o 400 watt por canal sobre 4 ohm, con excitación en ambos canales. Distorsión armónica total (THD) más ruido: menor al 0,05%, con la potencia nominal en 8 ohm. Ancho de banda de potencia plena desde 5Hz a 20kHz. Espectro de ruido alrededor de -110dBW con una reducción a -130dBW en 20Hz y un incremento a -100dBW en frecuencias superiores a 20kHz. Intermodulación entre canal izquierdo y derecho -80 a -90dB. La impedancia de salida en 50Hz es de 19,2 miliohm (medido), equivalente a un factor de amortiguación de 416, hasta 31,8 miliohm (medido) en 20kHz. Debemos recordar que el factor de amortiguación (Af) es la relación entre impedancia de carga e impedancia de salida de un amplificador, expresadas ambas en la misma unidad, por ejemplo, miliohm. Af = 8000/19,2 = 416, y Af = 8000/31,8 = 251. Esto son los valores en los extremos de la banda sobre una carga de 8 ohm (8000 miliohm). Como norma práctica conviene recordar que el valor del factor de amortiguación debe ser alto, pero generalmente un valor superior a 20 es aceptable. Siguiendo con los valores de medición del equipo, tenemos los siguientes: potencia de salida en el punto de recorte (1% THD en 1kHz) con una impedancia de carga de 8 ohm es de 265 watt (24,2dBW) por canal. Con ambos canales en 4 ohm de carga, la potencia se eleva a 480 watt (26,8dBW). En amb os casos los valores son p or canal, pe ro con ambos canales en funcionamiento. La potencia de salida dinámica es de 300 watt (24,8dBW) en 8 ohm, 540 watt (27,3dBW) en 4 ohms. Se recuerda que la expresión "dBW" significa "tantos dB por encima de 1 watt" y equivale al logaritmo de la potencia en watt, multiplicado por 10.


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La reserva dinámica es de1,8dB con 8 ohm en la potencia especificada y 1,3dB con 4 ohm en la potencia especificada. Se denomina "reserva dinámica" (dynamic headroom) la potencia que el equipo es capaz de suministrar durante los instantes de un incremento transitorio de la potencia en los picos de una reproducción musical. La indicación de la reserva dinámica medida, es mucho más correcta que el uso del término "potencia musical" que es un valor asumido y no representa siempre los valores reales del equipo. La THD+N (Total Harmonic Distorsion + Noise) es menor al 0,0396% con un rango de frecuencias de 20Hz a 20kHz con la potencia especificada y 8 ohms de carga. Con 4 ohms el valor aumenta a 0,0703%. Con la potencia de 10 watt, el valor de THD+N es menor al 0,0212% en 8 ohms y menor al 0,0360% en 4 ohms. Nuevamente se comprueba que una forma de reducir la distorsión y el ruido de un equipo, es sobredimensionar el mismo o usarlo sólo con una fracción de su potencia real. En el presente caso un equipo de 200 watt se está midiendo en 10 watt. Nunca es aconsejable usar un equipo con el máximo del valor de sus especificaciones. La impedancia de salida fue medida en 1kHz con 19,7 miliohm, en 5kHz con 22 miliohm, en 10kHz con 26,5 miliohm y en 20kHz con 31,8 miliohm. Ya se observó la influencia beneficiosa de estos valores sobre el factor de amortiguación. La sensibilidad es de 117mV para 0dBW y de 1,65V para el valor de potencia de salida especificado. El ruido ponderado A es de -101,6dBW. La impedancia de salida es de 23kolohm. No debemos confundir "impedancia de salida" con "resistencia de salida". La separación de canales es mayor a 71dB de 100Hz a 10kHz. El balance de canales es de ±0,00dB. Un amplificador con una potencia de audio combinada de más de 400 watt, obviamente requiere una fuente de poder adecuada que en este equipo está incorporada y se construye alrededor de un transformador de poder toroidal de 2.000 volt-ampere. Este transformador y las aletas de los disipadores térmicos son los motivos que influyen en el poco frecuente corte triangular de su gabinete. Este corte se debe a la conformación de estas chapas de refrigeración térmica, cuyo aspecto se observa en la figura 6.16 e influye para que se produzca un efecto de chimenea que ayuda, desde luego, notablemente en la disipación térmica. Un equipo de esta potencia es una estufa potencial y debe ser tratado con todas las precauciones que merecen estas potencias térmicas. El efecto térmico no es producido por los transformadores de poder, ya que éstos nunca deben calentarse más allá de una cierta tibieza que permita en todo momento tocarlos sin quemarse, sino que, por el contrario, proviene de los componentes activos y pasivos de las etapas de salida de audio de potencia. Conviene estudiar en este sentido diferencias circuitales típicas, como las que vemos en la figura 6.17 por medio de un circuito de estado sólido y, en la figura 6.18, por medio de un amplificador valvular del tipo "Ultra Lineal" de David Hafler, de gran popularidad en los años 1950... y 1996. En la figura 6.19 vemos el aspecto de un equipo similar al del circuito mencionado. Este último corresponde a un modelo de Cary que fue presentado en la feria de audio d e Chicago en 1995. Observe que el mode lo ilustrado luce 5 válvulas y tres transformadores. El modelo de estado sólido de la figura 6.17 corresponde a un amplificador con entrada de transistores bi-FET (Field Effect Transistor doble) con salida bi-MOS (Metal Oxide Semiconductor doble), en configuración cascode, acoplado en forma directa (corriente continua), capaz de entregar 100 watts de audio en Clase A pura, a una carga de 8 ohms, con una THD menor al 0,1% y sin realimentación global, con una tasa de cambios rápidos (Slew Rate) de 100 volt por microsegundos (V/µs). Se usan como dispositivos de salida, sendos

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Fig. 6.16



Fig. 6.17

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transistores MOS-FET de canal P y N, en configuración simétrica. Este planteo permite un funcionamiento simétrico en Push-Pull, sin inversión de fase de la señal, debido a que el MOS-FET de canal P conduce en un semiciclo y el de canal N en el otro, en forma completamente espontánea. Se usan, en el circuito de la figura 6.17, seis MOS-FET's en paralelo junto con un transistor bipolar de silicio, uno del tipo PNP y el otro de NPN. Estos transistores b ipolares son de Motorola, de los tipos MJ15024 y MJ15025, respectivamente. Los reemplazos directos de estos transistores son los tipos SK3947 y SK9365, NTE388 y NTE68 y ECG68. Estos transistores disipan 250 watts, cada uno y su conexión simétrica y en paralelo, con más unidades, permite llegar a la potencia de audio especificada. Los transistores MOS-FET que funcionan en conjunto con los bipolares en cascode, son del tipo IRF9521 e IRF511 y sus reemplazos directos SK9506 y SK9165 y los ECG2383 y ECG2382. Estos MOSFET disipan hasta 75 watt cada uno. El análisis del circuito de la figura 6.17 es interesante y permite una aplicación también a otros amplificadores de audio con prestaciones similares. A continuación se detalla. El circuito de entrada del amplificador de audio de potencia podemos conectar directamente al preamplificador de la etapa, compuesto por Q1 y Q2, pero en el circuito de la figura 6.17 vemos la presencia del capacitor C1, cuya única función es la de bloquear cualquier componente continua proveniente del equipo anterior al amplificador. Como la etapa de entrada posee una ganancia de 20, todo desbalance de continua del equipo anterior, saldrá de los parlantes amplificado 20 veces. Por otra parte, el uso de un capacitor de 3µF produce con una fuente de 600 ohms, un corte de las frecuencias bajas alrededor de 2Hz. La calidad de C1 es importante y se recomienda un capacitor de polipropilene. La impedancia de salida de la señal del equipo previo, forma junto con R1 y R2 y el capacitor C2, un filtro pasabajos de entrada con una frecuencia de corte de varios miles de kilohertz. Este filtro es una medida aconsejable para lograr una protección de radiaciones externas de RF. El resistor R2 ubica la impedancia de entrada cerca de 50 kilohm. Este valor es aconse jable po rqu e, po r un a parte, es lo suficientemente alto como para impedir todo efecto de carga sobre el preamplificador, pero también lo suficientemente bajo como para reducir al mínimo el acoplamiento disperso que se puede producir en presencia de impedancia muy altas. Esta última situación suele producirse con circuitos de entrada con FET en aplicaciones digitales y, desde luego, debe evitarse. La etapa de entrada es un circuito cascode dual-diferencial, con uso de componentes bi-FET. El cascode se forma con componentes complementarios de J-FET de canal P y canal N, en u n circuito d e surtidor común , en conjunto con transistores bipolares PNP y NPN


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en un circuito de base común. Los transistores en esta etapa son dispositivos duales balanceados para reducir todo efecto de corrimiento térmico. El circuito integrado IC1 es del tipo LM334 que es una fuente ajustable de corriente de la marca National, que permite la selección de la corriente de polarización de la primera etapa a través de los resistores R11 y R12. Una cuidadosa selección de R11, R12 y D1 reduce también las variaciones de corriente continua y mejora el rendimiento de tensión continua de la etapa. El IC1 actúa como fuente de corriente constante, común para ambas mitades de la etapa diferencial dual. El motivo es que los J-FET's Q1 y Q2 son dispositivos de depresión de corriente que producen una diferencia de potencial entre los surtidores de canal P y N con suficiente amplitud como para permitir el funcionamiento correcto de IC-1. En la figura 6.20 vemos las conexiones de algunos de estos componentes. La polarización del cascode se efectúa por medio de los transistores Q5 y Q6, conectados como diodos Zener. Lo mismo sucede con los transistores Q15 y Q16, del tipo MPSA92. Esta conexión de los cuatro transistores brinda el efecto de diodos Zener de 7 volt y, en el caso necesario, se pueden reemplazar estos transistores por diodos zener adecuados. Sin embargo, en el caso de usar diodos zener en este lugar, resulta conveniente colocar en paralelo con ellos sendos capacitores electrolíticos de 10 a 16µF, para reducir el ruido propio a los diodos zener. El preset P1 permite la puesta a cero de la diferencia de la salida. La salida de la primera etapa posee una configuración dual-diferencial. La conexión en cascada (no cascode) de etapas diferenciales tiene la ventaja de una estabilidad termal me jorada, ya qu e los corrimientos térmicos en etapas anteriores, tienden a cancelarse de esta manera. La desventaja es una mayor cantidad de componentes, pero la estabilidad térmica es muy importante y justifica la mayor complejidad. La segunda etapa posee polarización de continua mediante una provisión muy original. Se hace circular los 2mA del IC1 de la primera etapa, a través de los diodos D2 y D3 para generar así una tensión de referencia de 0,7 volt para los transistores Q7b y Q8b que tienen una configuración de corriente constante. Los resistores R13 y R14 tienen 43 ohms, de manera que I = E/R = 0,7/43 = 16ma, u 8mA a través de cada sección del par diferencial. Como Q7 y Q8 son dispositivos duales, funcionan correctamente como fuentes de corriente constante. Los transistores de emisor común, Q9 y Q10, del cascode de la segunda etapa, son también del tipo dual para reducir el corrimiento térmico. Por otra parte, los transistores Q11 al Q14 son simple, en parte porque son pocos los dispositivos duales disponibles y en parte porque en estas etapas los requisitos son menos severos en este aspecto. Por otra parte estos transistores efectúan un desplazamiento de tensión continua de 20 volt de entrada a los 55 volt de los drivers. Esto exige unos 70 volt a través de estos transistores. Aquí queremos señalar la conveniencia de usar fuentes separadas de 20 volt y 55 volt a través de reguladores de tensión separados. La tensión de 20 volt es regulada por su parte, pero es derivada de una tensión de 55 volt ya regulada con anterioridad. Esto evita toda influencia mutua entre etapas a través de la fuente de alimentación y reduce el consumo de la primera etapa. La segunda etapa tiene acoplamiento directo hacia las etapas de driver que le siguen. El driver suministra la mayor parte de la ganancia de tensión y corriente del equipo. Esta etapa puede considerarse como etapa final de baja potencia de un equipo amplificador de audio. Deb ido a que la etapa de salida u sa MOS-FET's en un a con figuración de surtidor común, el driver no necesita suministrar tanta corriente como en los equipos con transistores

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Fig. 6.18



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bipolares. La compuerta (gate) del MOSFET representa esencialmente un a carga capacitiva. Por este motivo la corriente del driver sólo necesita ser suficiente para cargar y descargar la capacitancia del MOSFET y obtener una tasa de cambio rápido (slew-rate) del valor especificado. Esta capacidad es de 2nF y una corriente de 60mA brinda la capacidad de maniobra necesaria. Habíamos mencionado que la tasa de cambio rápido era de 100V/µs. La polarización de la etapa driver está determinada por la tensión que se presenta sobre R22 y R24 que, a su vez, se fija a través de la corriente de 8mA de la segunda Fig. 6.19 etapa. El valor de R22 y R24 es de 332 ohm y, por lo tanto, la tensión de polarización E = R . I = 332 . 0,008 = 2,66 volt. Esta tensión aparece sobre R21 y R23 como 2,66 - 0,7 volt, debido a la tensión base-emisor de Q17 y Q18, que es de 0,7 volt. Los resistores R21 y R23 tienen un valor de 30,1 ohms y, por lo tanto, I = E/R = 1,96/30,1 = 65mA. Sin embargo, 8mA de esta corriente de 65mA provienen de la polarización de la segunda etapa, de manera que la polarización de la etapa del driver es de 65-8 = 57mA. Con este valor se obtiene un ancho de banda de potencia excelente. Los diodos Zener Z1 y Z2 proveen la polarización de cascode para la etapa del driver y los capacitores C5 y C6 desacoplan los diodos para reducir el ruido proveniente de ellos. Las cuentas de ferrite FB1 a FB4 son pequeños inductores de gran pérdida inductiva, pero su uso elimina las eventuales oscilaciones de alta frecuencia que se suelen presentar en estas etapas. En un equipo de las características de alta fidelidad como el descripto, es necesario la eliminación de estas oscilaciones parásitas. La ventaja del uso de estas cuentas de ferrite es que hace innecesario el uso de capacitores que pudiesen eliminar estas oscilaciones juntamente con algunas frecuencias altas de audio. Las cuentas de ferrite ayudan, entonces, a mantener el ancho de banda de potencia del circuito. La ganancia de tensión del cascode del driver es de 1.600. Esto es un valor demasiado alto, que p ued e introducir inestabilidades e hizo n ecesario el agregado de los resistores R25 y R26, que p roducen una realimentación n egativa local. El valor de esta realimentación ne gativa es tal, que la ganancia final es igual al cociente R25/R22 o R26/R24 = 36.500/332 = 110. Con este valor sólo se necesita C3 y C4 de 47pF para compensar la etapa de entrada. Estos valores permiten lograr un ancho de banda de lazo abierto de 20kHz y la ganancia de lazo abierto se lleva a 56dB. A la entrada de la etapa final de potencia de audio encontramos los conjuntos Z3/D4 y Z4/D5 como circuitos de protección para salvaguardar las compuertas de los transistores Q24 al Q35 que son los MOS-FET's de esta etapa. Con el uso de realimentación global y la aplicación de una carga reactiva que puede introducir desfasajes, pueden también producir un incremento en la tensión de excitación a medida que la realimentación continúa. Esto puede producir tensiones elevadas entre compuerta y surtidor del MOS-FET que, a su vez, puedan hacer peligrar la vida útil de estos componentes. La malla de protección introducida protege el circuito contra este peligro. Los transistores Q22 y Q23 son fuentes de corriente constante que protegen los transistores bipolares Q36 al Q47 contra la pérdida de corriente de excitación a medida que la tensión de salida se acerca a la tensión de la fuente de alimentación. Esto limitaría innecesariamente la potencia de salida si no se tomasen las contramedidas adecuadas. Como norma práctica se puede asumir que el uso de una corriente de polarización igual al 10% de la corriente de polarización de salida, brinda una protección adecuada. En el caso de Q22


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y Q23 se usan R37 y R38 con un valor de 3,9 ohm y una corriente de polarización de 0,23 ampere. Estos valores surgen del planteo de usar la caída de tensión sobre los diodos en serie, D6 y D7, que es de 1,5 volt menos los 0,6 volt de la tensión en tre base y e misor de Q22. Estos 0,9V se dividen por el valor de 3,9 ohm, con lo cual obtenemos una corriente I = E/R = 0,9/3,9 = 0,23 ampere, que es aproximadamene el 10% de la polarización de salida de 2,5 ampere. Al circular 0,23A a través de R66 o R67, la tensión de la base de los transistores bipolares de salida es E= I . R = 0,23 . 27 = 6,2 volt. De esta tensión, unos 6,2 - 0,6 = 5,6 volt se presentan a través de los canales de los transistores MOS-FET de salida. Esto demuestra otra ventaja de los circuitos cascode, que permiten usar dispositivos de menor potencia y tensión en aplicaciones críticas. Estos MOS-FET's son responsables por el comportamiento térmico de la etapa de salida y conectándolos en un circuito cascode mejora el rendimiento ya que disipan mucha menos potencia que en el supuesto caso de estar conectados sobre toda la tensión de la fuente. La consideración más importante para una etapa de saldia en Clase A con este nivel de potencia, es la estabilidad térmica. Si se polariza un transistor bipolar con una fuente de tensión constante, exhibe un coeficiente térmico negativo. Algunos autores denominan este comp ortamiento como coeficiente po sitivo. Sin e mbargo, la convención e stablecida en el Manual de International Rectifier, se refiere al valor de la resistencia efectiva del dispositivo. A medida que calienta el transistor, la resistencia efectiva del canal disminuye, lo que resulta en una corriente mayor que, de dejarla proseguir así, puede terminar con la autodestrucción del transistor. En el equipo cuyo circuito vimos en la figura 6.17, la etapa de salida está polarizada por una fuente de tensión constante, que consiste en la tensión base-emisor de Q21. Pero como esta polarización se aplica a los MOS-FET's, no se produce ningún colapso térmico. Los MOS-FET's tienen un coeficiente térmico positivo y en una aplicación lineal como la presente, estos transistores pueden conducir un poco más de corriente, a medida que calientan. Esta tendencia está opuesta, sin embargo, por el comportamiento térmico de la tensión entre comp uerta y surtidor. Para una corriente de d renaje determinado, la tensión compuerta-surtidor baja, al aumentar la temperatura. Con las corrientes elevadas del drenaje, las características del canal predominan. En cuanto a Q21 es del tipo TIP29 de Texas Instruments y generalmente no requiere disipadores, salvo en esta aplicación en particular. En el supuesto caso de que el corrimiento térmico de Q21 produjera una variación en la polarización de la etapa final, ésta, a medida que calienta, en lugar de funcionar en Clase A pura, entraría a funcionar en Clase AB. Los resistores R52 al R63 de 0,22 ohms están destinados a equilibrar pequeñas diferencias en las características de los MOS-FET's y contribuyen así a que todos participen en forma pareja en la circulación de la corriente. En un caso ideal, con MOS-FET's perfectamente idénticos, estos resistores podrían eliminarse del todo, pero su presencia permite determinar el rendimiento individual de cada uno de los transistores de la etapa. Los MOS-FET's son los que fijan el valor de la corriente que circula a través de los transistores bipolares de 250 watt, de manera que no es ne cesario equilibrar po r separado estos transistores MJ15024 y MJ15025. La potencia de salida es P = (Irmas)2. Rc, donde Rc es la impedancia de carga. En un equipo de 100 watt podemos expresar que Irms = v2 = 3,5 . 1,4 = 5 ampere. Esto significa que en este equipo, la corriente de salida de audio pasará de casi cero a un pico de 5 ampere. Para mantener el funcionamiento en Clase A pura, debemos evitar que los transistores dejen de conducir en algún momento y, por lo tanto, la polarización de la etapa de salida d ebe mantenerse en 2,5 ampere, p or lo me nos. La tend encia de MOS-FET's cone ctados en paralelo de oscilar, puede evitarse por medio de los resistores R40 al R51. Estos resistores impiden la oscilación cuya causa problable es la capacidad distribuida y, por lo tanto, mucho de la tendencia mencionada puede reducirse con una construcción muy cuidadosa

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Fig. 6.20



Fig. 6.21 Fig. 6.22

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y también eligiendo en forma eficiente los puntos de puesta a tierra. En la figura 6.21 vemos los puntos de puesta a tierra seleccionados para este equipo. La última parte de la descripción de este equipo se ocupa de la fuente de alimentación, cuyo esquema circuital se observa en la figura 6.22. En el criterio de diseño de esta fuente se partió de la premisa de que una alimentación, separada de las etapas del preamplificador y del amplificador de potencia de salida, podía eliminar muchas causas potenciales de ruido que se presentan a veces con fuentes comunes de alimentación. Como se usan en e ste equipo MOS-FET's del modo de enhan cement, es necesario disponer de una polarización de 5 volt para lograr la tensión de saturación entre compuerta y surtidor. Esta exigencia se agrega por el hecho de tener que tener un amplificador de potencia de clase A, una considerable potencia de reposo, debido a su ineficiencia intrínseca. Por otra parte, conviene alimentar las etapas en forma separada para lograr mayor independencia entre ellas. Para cumplir con este objetivo, encontramos en el circuito de la figura 6.22 las siguientes tensiones de la fuente de alimentación: E1 = +55V, E2 = +20V, E3 = -20V, E4 = -55V, E5 = +50V y E 6 = -50V. Las tensiones E5 y E6 provienen de un circuito de rectificación y filtrado completamente separado de la fuente de E1 al E4. El funcionamiento de esta fuente doble e independiente es el siguiente. El uso de una fuente para tensiones positivas y otra para tensiones negativas, permite un mejor aprovechamiento de las tensiones disponibles. Por ejemplo, el conectar a una etapa las tensiones de +55V y -55V, permite una excursión de unos 100V, sin necesidad de disponer en la fuente de componentes para esta tensión. Todo el diseño funciona en forma más eficiente de esta manera. El primer circuito doblador empieza con el C105, electrolítico de 470µF x 63V, que se carga a través del diodo D101 a un valor cercano a la tensión de cresta del secundario del transformador de poder de 50V. La tensión de ánodo de D101 caerá por debajo de la tensión de cátodo, a medida que el ciclo continúa, bloqueando así el diodo D101 e impidiendo que C105 se descargue a través de este diodo. Durante el ciclo siguiente, el terminal positivo de C105 se acercará a 100V, a medida que su terminal negativo se irá elevando a la tensión del secund ario de l transformador de p oder. Recuerde que el capacitor tenía una carga anterior de 50V. El capacitor C107 se cargará a través de R103/D103 a un nivel ligeramente inferior al doble de la cresta de la tensión del secundario. El resistor R103 reduce la amplitud del pulso de carga, bajando así la tensión de salida del doblador (junta de D103/C107) a un valor menor que el que se puede obtener sin R103. De cualquier manera, la meta es llegar a una tensión de 85V o más, para garantizar el funcionamiento normal del diodo Zener Z102. Este diodo Zener es del tipo de 75V, 5 watt, con el 5% de tolerancia. El Zener Z103 tiene las mismas características. Como la tensión de trabajo de C107 y C108 es de 85V, se necesita un electrolítico de 1000µF y 150 volt de tensión de trabajo. El conjunto de R105/ Z102/R107 puede considerarse como etapa de prerregulación y su uso mejora el rendimiento del regulador principal. Este regulador es del tipo discreto con Q101/Q103 en configuración de regulador en serie. El transistor Q105 actúa como fuente para la tensión de referencia estable de 7 volt. La tensión regulada Er surge del siguiente planteo: Er = (7 + 0,7) /R111 (R111 + R109) = (7,7/7680) . (55.180) = 55 volt. El valor de 0,7V es la tensión de base-emisor de Q103. Esta tensión regulada de 5 volt es nuevamente regulada y reducida, para obtener una


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tensión de 20 volt, mediante un regulador simple en derivación. Este regulador se comporta en cierto modo como un diodo Zener que absorbe cualquier corriente necesaria para mantener los 20V en la salida. La función de R113 es, entonces, la de limitar la corriente para evitar una sobrecarga de los componentes de la fuente, más allá de sus valores especificados. La tensión regulada de 20 volt puede hallarse en forma similar a la de la fuente de 55 volt. En este caso existe también un valor de 0,7 volt en la expresión, que corresponde al transistor Q107. El planteo de la expresión es el que sigue. Er = (7 + 0,7) /R117 . (R117 + R115) = (7,7/7.680) (19.780) = 20 volt. El transformador de poder de este equipo es del tipo toroidal, similar al transformador que se observa en la figura 6.23. Este tipo de transformador es muy popular en los últimos tiempos, ya que sus pérdidas magnéticas son menores a los de transformadores convencionales con núcleo de hierro en "E". En la figura 6.24 vemos el aspecto de un transformador que Technics denomina R-Core y que posee características similares a las del transformador toroidal con sus bob inados circulares. En la figura 6.25 vemos la comparación entre los b obinados rectangulares y circulares. Estos últimos poseen un campo de dispersión más reducido, lo que los hace más indicado, en fuentes de poder de audio, en las que nunca hay que subestimar la influencia de campos magnéticos dispersos. Si se mantienen estos campos reducido en el componente principal que lo produce, el equipo gana en eficiencia. Los datos suministrados en esta parte del Capítulo 6 se refieren en forma completa sólo al equipo que estuvimos describiendo y cuyos circuitos están en las figuras 6.17 y 6.22, pero los conceptos vertidos y el análisis matemático de algunas etapas es aplicable a muchos otros amplificadores de audio de estado sólido. Con respecto a equipos de audio de otras marcas, que ofrecen nuevos modelos, debemos recordar algunos modelos de Technics que poseen un tipo de fuente que la fábrica denomina "Clase H" y que consiste en el uso de una alimentación del amplificador en dos niveles. En la figura 6.26 se ilustra la situación que se presenta en este caso. Con niveles de potencia bajos, sólo funciona la fuente de consumo bajo; en cambio, la aparición de una señal, que exige una potencia mayor, el equipo efectúa en forma automática una conmutación a este nivel superior. Esto aumenta la potencia de reserva, el headroom a 2dB y la potencia de pico es 1,5 veces mayor que en los equipos convencionales.

Fig. 6.23

Fig. 6.24

Fig. 6.25

Fig. 6.26

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TRANSDUCTO RES ACUSTICO S

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Fig. 7.1

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CAPITULO

7

TRANSDUCTORES ACUSTICOS 7.1. Introducción Los transductores son dispositivos que transforman u n tipo d e en ergía en otro, por e jemplo, la energía mecánica o acústica en energía eléctrica. En el dominio de la acústica y del audio distinguimos principalmente dos grandes grupos de transductores: los qu e transforman ene rgía acústica en señales eléctricas, como p or ejemplo el pick-up del tocadisco (figura 7.1) y el micrófono (figura 7.2) y aquéllos que transforman la energía eléctrica de señales de audio en sonido, que es una especie de energía mecánica. No olvidemos que el sonido produce una compresión del aire que pone en movimiento los tímpanos del ser humano. En esta última categoría entran por ejemplo, los auriculares (figura 7.3) y los altoparlantes (figura 7.4). Los transductores de mayor uso en audio serán tratados en este capítulo, en el cual incluimos el tratamiento del pick-up para tocadiscos, el micrófono, los auriculares y los parlantes. En este último rubro incluiremos también los baffles y gabinetes acústicos que acompañan siempre los parlantes, a veces junto con circuitos de cruce. Se incluirá en este tema también el desarrollo de estos circuitos que no siempre son tratados con su debida importancia.

7.2. Pick-ups para discos LP

Fig. 7.2

Fig. 7.3

Los tocadiscos para discos (Long Play) han perdido mucho de su omnipresencia anterior, pero p or cierto siguen vigentes en muchas ap licaciones, como vimos en el Capítulo 2.2. Muchos expertos opinan que la calidad de los pick-ups y de otros componentes relacionados con el LP han ganado en calidad desde que fueron reemplazados en el mercado masivo por los discos CD. El hecho es que se cuenta en la actualidad con los tipos de pick-up que surgen de la Tabla 7.1. _______________________________________________________________________ Tabla 7.1. Tipos de cápsulas de pick-up

Nº

Tip o

salida de audio

Imp edancia P resión de Observación púa nominal

1 2 3 4

cristal de Rochelle cerámica bobina móvil MC imán móvil MM

> 1 volt > 1 volt < 10mV 20 a 100mV

100 kohm 100 kohm 47 kohm 47 kohm

>6g >6g 2g 2g

obsoleto

_______________________________________________________________________ Lospick-ups se dividen básicamente en dos grupos: los piezo-eléctricos y los magnéticos. En la tabla 7.1 los tipos 1 y 2 son piezo-eléctricos, los tipos 3 y 4 son magnéticos (dinámicos). En cuan to a los diferentes tipos d e con strucción de los tipos d e cápsulas de pick-up, podemos manifestar que los del tipo piezo-eléctrico poseen una impedancia y tensión de salida alta. Su principio de funcionamiento es el efecto piezo-eléctrico, descubiero por Pedro y Jacobo Curie en 1880. Este efecto reversible consiste en transformar una vibración mecánica, aplicado a un cristal de material adecuado, en señal eléctrica y vice-versa, una señal eléctrica transforma en vibraciones mecáncias. El cuarzo es un material natural que exhibe este efecto, pero en aplicaciones de audio se usan materiales sintéticos. Uno de los primeros materiales usados en audio fue la sal de Rochelle, que es químicamente un tartrato de sodio-potasio. Sin embargo, el uso de este material se ha abandonado casi por completo debido a que puede dañarse fácilmente en la presencia de temperaturas y gra-


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dos de humedad elevados. En los últimos años se usó otro material sintético, el titanato de bario que es del tipo cerámico y posee excelentes propiedades de defensa contra altas temperaturas y altos porcentajes de humedad. Un pickup cerámico puede tener una amplitud de 1 volt de la señal de salida en 1.000Hz y de 3 volt en las frecuencias de 100 a 250Hz. Esto desde luego requ iere circuitos de ecualización ad ecuado s para e vitar la sobrecarga de la etapa de entrada, además de evitar una reproducción distorsionad a. Por otra parte simplifican la construcción de e quipos de ba jas exige ncias de calidad , usados durante años en este tipo de aparatos (Wincofón, etc.). Sin embargo su peso y masa elevada y baja compliancia no lo hacen aptos para aplicaciones en alta fidelidad. Conviene aclarar en este lugar el concepto de la compliancia que es la facilidad con la cual se mueve una púa dentro de la cápsula del pick-up en su tarea de seguir las variaciones de las paredes del surco en las cuales está registrado el mensaje musical. Los valores más frecuentes de com- Fig. 7.5 pliancia o elasticidad son de 10 a 30 milímetros por Newton (mm/N). En algunos textos se expresan las unidades como micrómetro por milinewton (µm/mN). Esto no altera, sin embargo, su valor numérico, ya que en la segunda versión se divide ambas partes del cociente por 1.000, lo que no altera sus valores. Este parámetro nos indica la resistencia que la púa opone a las fuerzas que la mueven o, expresado de otra manera, es la relación entre el desplazamiento de un cuerpo con respecto a la fuerza aplicada. Cuanto mayor sea este valor, menos fuerza se necesita para mover la púa. En una indicación de 20µm/mN = 20 mm/N, se expresa que la púa se desplaza una distancia de 20 millonésimas partes de un metro por cada 0,1 gramo de fuerza aplicada. Recuerde que 10 mN = 1 gramo. En la figura 7.5 observamos que existe una relación directa entre la frecuencia de resonancia del conjunto brazo-pick-up, la masa del mismo y la elasticiad del conjunto. Se observa que existen requisitos op uestos en tre los tres parámetros, ya que la elasticidad o compliancia debe ser alta y la frecuencia de resonancia debe ser baja para lograr un comportamiento satisfactorio del conjunto. La variable constructiva es en este caso, la masa del conjunto de brazo-pick-up, que debe dimensionarse cuidadosamente para lograr los valores óptimos. Para aplicaciones en Hi-Fi y High End se recurre a los pick-ups magnéticos, sobre todo a los de bobina móvil. En la figura 7.6 vemos el aspecto de algunas cápsulas muy usadas en este rubro, si bien la cantidad de tipos disponibles es muy grande. Las cápsulas usadas son de la marca Grado, una es el modelo Platinum y la otra es el modelo Reference. El modelo Platinum posee una tensión de salida de 5,9mV y una compliancia de 18 mm/N en sentido lateral y de 19 mm/N en sentido vertical. El peso del sistema es de 5,5 gramos. El mode lo Reference tiene u na salida de 5,19mV y una compliancia de 20 mm/N, tanto en sentido lateral, como vertical. El peso del sistema es de 5,5 gramos en este modelo. El complemento indispensable de las cápsulas de pick-up son las púas. Se usan generalmente púas con puntas de materiales preciosos, como zafiro o diamante y con un radio esféricode unos 0,017 a 0,025 mm. Las normas REC-126A de RTMA especifican para púas de tocadiscos domésticos u hogareños, un radio de 0,001 +0,0001 -0,0002 pulgadas, valores que corresponden a 0,0254 +0,00254 -0,0508 mm. El ángulo de la punta deb e ser de 40° a 50°. A pesar de e stas indicacione s normalizadas muy precisas, existen en foques diferentes que , a veces, mejoran los resultados del con junto. Nos referimo s en con creto a la pú a Shibata, cuyo asp ecto se ob serva en la figura 7.7, que posee una punta más elíptica que esférica. Esta púa permite la re-

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Fig. 7.4

Fig. 7.6



Fig. 7.8

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producción de frecuencias muy altas, del orden de los 45.000Hz, con una compliancia unas cuatro veces mayor que el valor habitual. Muchos pick-ups poseen púas cambiables y resulta necesario, desde luego, usar en todos los casos la púa adecuada correspondiente, recomendada por el fabricante. Los brazos a los cuales se fija el pick-up, de ben tener las dimensiones y de más parámetros adecuados para evitar el patinaje, el desgaste prematuro de disco y púa y mantener en todo momento una posición estable y equilibrada del pick-up. A ello contribuye también el valor correcto de la frecuencia de resonancia del conjunto brazo-pick-up, que debe esFig. 7.7 tar entre 7 y 15Hz y en cualquier equipo de muy alta fidelidad, de 8 a 12Hz. Una frecuencia demasiado baja puede deberse a un brazo muy pesado o a una cápsula de compliancia inadecuada. En todo caso, es necesario ajustar la masa del conjunto brazo-pick-up, de tal manera que se mantenga en todo momento el tracking, o sea: la capacidad de la púa de mantener el seguimiento de los surcos, sin irregularidades.

7.3. Micrófonos

Fig. 7.10

Desde 1878, año en que David Hughes (1831-1900), físico inglés, inventó el micrófono, el tipo de construcción y sus principios funcionales, han cambiado mucho. Los primeros micrófonos eran del tipo de carbón, durante muchos años en forma de una cápsula cerrada en la cual se encontraban encerrados una gran cantidad de gránulos de carbón. Una de las paredes de la cápsula era flexible, de tal manera que la presión sonora de la voz humana producía una flexión que apretaba los gránulos al ritmo de esta presión. Al estar conectados en un circuito de Fig. 7.9 corriente continua, cambiada la resistencia del conjunto y esta variación resistiva producía una señal de audio en concordancia con la presión vocal. Este tipo de micrófono, que vemos en la figura 7.8, es usado en la actualidad sólo como transmisor en aparatos telefónicos. Por otra parte, vemos en la figura 7.9 el aspecto de un micrófono moderno de Panasonic, el modelo RP-VK1, que es de l tipo que se usa actualmente en los equipos electrónicos del hogar. El uso de micrófonos en Electrónica del Hogar se limita principalmente a grabadores d e au diocasetes, camcorder, sistemas de karaoke y D.J. (Disc Jockey) familiares. Como se sabe el karaoke es una reproducción de algún disco CD o LD, en la que se elimina la parte cantada por el artista y sólo se deja la parte orquestal y el acompañamiento. Entonces la audiencia acompaña esta parte musical con su propia voz cantada. En este caso, muchos discos karaoke proyectan la letra de la canción al reproducirla para que el público puede leerla y cumplir su cometido Fig. 7.11 "artístico". La palabra karaoke es de origen japonés y significa "orquesta vacía", lo que describe bastante bien la idea básica del término. En los tres tipos de aplicación se necesitan micrófonos de gran direccionalidad, ésta se logra mediante una cobertura cardioidal, como vemos en la figura 7.9. Con esta configuración se logra también un patrón estereofónico, como vemos en la figura 7.10. En esta última aplicación se recomienda una distancia de unos 180 mm entre ambos micrófonos, para lo-


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grar una captación separada de los canales de izquierda y derecha. Se usan generalmente dos tipos de micrófono para todas las aplicaciones mencionadas. Uno es el micrófono capacitivo Electret y el otro es el tipo dinámico. El micrófono Electret es del tipo capacitivo y su construcción urge de la figura 7.11. Se trata en principio de un capacitor que posee un dieléctrico de material plástico cubierto por una capa metálica en una cara. Esta capa metálica es uno de sus electrodos. El otro es una placa metálica fija, contra la cual se apoya el dieléctrico. En e l proceso de fabricación el capacitor, formado p or los do s elec- Fig. 7.12 trodos y el dieléctrico aislante, se carga y mantiene esta carga durante su vida útil en forma constante. La capa aislante Fig. 7.13 del dieléctrico se denomina Electret y, al recibir la presión sonora cambiante, modifica su valor capacitivo. Este cambio puede ser retirado por medio de los dos electrodos en forma de señal de audio que es enviada al preamplificador, generalmente incorporado en el mismo micrófono . Este preamplificador es muchas veces un simple transistor FET, que no sólo amplifica la señal de audio, sino que adapta su impedancia muy alta a un valor bajo de unos 200 ohms. Se recomienda generalmente una impedancia de carga de 1.000 ohms, p ara no cargar el conjunto en forma excesiva. Muchos micrófonos Electret tienen incorporado no sólo el preamplificador, sino también la pila o batería de alimentación. Los micrófonos de capacitancia del tipo profesional tienen, a veces, preamplificadores muy elaborados, como vemos en la figura 7.13, que ilustra un micrófono profesional de Sennheiser. Los micrófonos deben tener un amplio rango de frecuencias y un buen rango dinámiFig. co. Este último está determinado por el nivel del ruido inherente propio en el extremo más bajo, y por la máxima capacidad de tolerancia de la presión sonora, en el extremo más A elevado. Valores del orden de 12dB en el lado alto, en 1.000Hz, son comunes en los micrófonos profesionales. En la figura 7.14 vemos las fotografías de diferentes patrones de captación de micrófonos capacitivos que complementan los patrones dibujados en las figuras 7.10 y 7.11. La figura 7.14.A muestra un patrón omnidireccional, (B) muestra un patrón en ocho, (C) indica la típica forma cardioidal, (D) indica un patrón supercardioidal, (E) muestra un patrón supercarC dioidal, (E) muestra un patrón lobu lar de cañón corto y (F) indica el patrón lobular de cañón largo. Las fotografías de los patrones de captación son cortesía de la firma Sennheiser. El comportamiento técnico de los micrófonos está normalizado en varias normas oficiales, como DIN45634, DIN45405, DIN45596, IEC179 y CCIR468-3. El otro tipo de micrófono que habíamos mencionado como importante para la Electrónica del Hogar, es el micrófono dinámico que también está muy difundido. El principio funE cional surge de la figura 7.15. Una bobina cilíndrica está sumergida en el campo magnético intenso, existente en el entrehierro del imán y es movida por una membrana que vibra al ritmo de la presión de aire sonora que recibe. La inducción magnética variable da lugar a una señal de audio en los terminales de la bobina. La tensión de esta señal es proporcional a la frecuencia y la amplitud de la presión sonora, con un

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7.14 B

D

F



Fig. 7.15

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valor aproximado de 25 milivolt por Pascal (mV/P). La sensibilidad mínima es del orden de los -72dB, sobre la base de 0db = 1V/microbar (V/µb) y la presión máxima puede llegar a 50P = 130dB. La impedancia es del orden de los 200 a 600 ohms en muchos modelos y el rango de frecuencia en micrófonos dinámicos de buena calidad, abarca de 16 a 16.000Hz. Los micrófonos dinámicos suelen ser de construcción robusta y poco afectados por campos eléctricos externos. La señal de salida desde banda ancha con poca distorsión. Una THD del 1% es común. En la figura 7.16 vemos el aspecto de un micrófono dinámico con apariencia de modelos de los años 1950-60, pero de fabricación reciente. Este tipo de micrófono se usa para presentaciones nostálgicas y otras aplicaciones típicas. En esta categoría entran también los micrófonos inalámbricos que pueden estar conectados a pequeños transmisores miniatura de FM y transmiten en las frecuencias autorizadas de 36,7, 37,1 y 37,9MHz. Su potencia de salida es del orden de los 25mW, lo que permite su recepción por medio Fig. 7.16 de receptores especiales, ubicados en las cercanías. Son muy usados para funciones personales de canto o mensajes verbales. Otros micrófonos especiales son los que se pueden colocar sobre la solapa en forma casi invisible mediante un clip o alfiler y aquellos otros modelos planos, destinados a ser colocados bajo las cuerdas de un instrumento musical adecuado. Todos estos modelos de micrófonos e stán de dicados al uso profesional, si bien sus características básicas son p arecidas a las dos categorías generales, mencionadas más arriba e ilustradas en las figuras 7.12 y 7.15.

7.4. Auriculares

Fig. 7.17

Muchos efectos físicos son reversibles, entre ellos el efecto piezo-eléctrico y el efecto electro-dinámico. Ambos son ya conocidos por el amigo lector y, en especial, hacemos referencia a la figura 7,15, en la cual habíamos ilustrado el efecto electro-dinámico en su aplicación a los micrófonos. Esta misma figura permite, sin embargo, también la explicación del efecto electro-dinámico inverso. Si aplicamos un a señal d e au dio a la b obina m óvil que se encuentra en el entrehierro de un poderoso imán, las alteraciones del campo magnético producidas por la corriente de imán, las alteraciones del campo magnético producidas por la corriente de audio que circula por la bobina móvil, hará vibrar la membrana que, en el caso de los auriculares, tiene un tamaño mayor que en los micrófonos. El rango de frecuencias que se puede reproducir con este dispositivo abarca a toda la gama audible y tiene límites prácticos entre 15 y 27.000Hz, de acuerdo al modelo. Un asiento acolchado permite hacer llegar las frecuencias reprod ucidas a los oídos sin interferencias de ruidos exteriores. El nivel de audio es de unos 94dB y la distorsión puede estar en el orden del 0,4%. La presión del auricular sobre los oídos del usuario es del orden de los 3 Newton (N). La impedancia nominal de las bobinas móviles del auricular puede variar de acuerdo al modelo, en tre 32 y 600 ohms. Se observa una impedancia relativamente alta que ayuda a mejorar el rendimiento electro-acústico del auricular. En la figura 7.17 vemos el aspecto de un auricular estereofónico de alta fidelidad, apto especialmente para usos en reproductores de música digital. Se trata del modelo RP-HT116 de Technics. Se observan especialmente en esta figura los asientos acolchados del auricular. Otro modelo de auricular es el modelo RP-WH80 de Panasonic que vemos en la figura 7.18. Este auricular no tiene conexiones alámbricas, sino que usa el soporte, observable en esta figura, como ubicación de un transmisor infrarrojo, emisor de rayos infrarrojos modulados, que el usuario recepciona al llevar el auricular sobre la cabeza. El transmisor infrarrojo está conectado a las salidas de audio estereofónicas o monoaurales del equipo que origina estas señales y que puede ser un reproductor de CD o cualquier otro equipo de audio o de audio/ video, inclusive un televisor. El auricular posee control de volumen para regular la salida acústica de ambos canales en forma separada, de acuerdo a los deseos del


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usuario. La frecuencia de transmisión es del orden de los 2,3 y 2,8MHz, con una relación S/N de unos 90dB. Pueden producir un nivel de presión de 116dB, con una referencia de 1mV. En general, los auriculares poseen un diseño ergonométrico para mayor comodidad del usuario y mejor eficiencia electro-acústica. Un caso especial son los auriculares que se llevan en el interior del p abellón auditivo. En la figura 7.19 vemos el modelo RP-HV530D de Panasonic que posee características para mejorar y facilitar su uso. Muchos modelos de auriculares internos poseen imanes de neodimio o cobalto que poseen excelentes características magnéticas que permiten reducir su tamaño y mejorar su eficiencia, lo que mejora los resultados de este tipo de auricular.

Fig. 7.18

7.5. Altoparlantes El tercer transductor electro-acústico del tipo dinámico que estamos tratando en la presente obra, después del pick-up y el micrófono, es el altoparlante. Los principios físicos de estos transductores son, desde luego, siempre los mismos, pero su construcción debe adaptarse a los fines específicos del mismo. En la figura 7.20 vemos la construcción de un altoparlante con las partes componentes que posee . Además d e las partes ilustradas en esta figura, existen también los terminales de la bobina móvil que generalmente conducen a un tablerito con sendos conectores para permitir su conexión al resto del equipo. En la figura 7.21 vemos el aspecto de un parlante de alta fidelidad de 12 pulgadas (30 cm) de diámetro, en el cual se observa estos terminales. Se aprecia, además, la construcción del sistema magnético, basado en un imán anular, al igual que el de la figura 7.20 y que es el tipo de construcción usado con preferencia en la actualidad. Muchos parlantes antiguos p oseen otra conformación del sistema magnético, basada en un yugo que contiene el imán y adosadas al mismo, las piezas polares que se usan para la distribución del campo magnético. En cuanto a la magnitud del campo magnético, se estima que el flujo magnético total para lograr un buen rendimiento en la tasa watts de audio de entrada, versus intensidad de presión acústica de salida y además una buena respuesta transitoria, debe ser del orden de los 1.000µWeber (100.000 Maxwells). La densidad del flujo magnético en el entrehierro debe ser de 1.000 militesla (10.000 Gauss). Para refrescar la memoria de nuestros lectores, en cuanto a unidades de medición de efectos magnéticos, diremos que la unidad del flujo magnético es el Weber que corresponde al flujo magnético, producido en un circuito eléctrico de una espira, por medio de una fuerza electromotriz de un volt, cuando es reducido a cero en forma uniforme hasta una tasa de un segundo. La densidad del flujo magnético se mide en Tesla, que corresponde al flujo magnético de un Weber por metro cuadrado. Para la evaluación de cada parlante podemos trazar también un gráfico, como el que vemos en la figura 7.21. para el parlante ilustrado, en el cual se traza la respuesta de la frecuencia en función de su intensidad de reproducción en dB. Se toma como referencia a 0dB = 52dB de presión sonora con respecto a 2 x 10µBar. En el caso de la figura se obtiene la curva para el woofer AD12100/W de Philips, entre 40 y 1.500Hz. En algunos casos, sobre todo en equipos de audio y radio del automóvil, donde el espacio es de gran importancia, se usan parlantes coaxiales, en los cuales, en el interior de un parlante grande, se coloca otro más pequeño. Más adelante en este capítulo, explicaremos los motivos por los cuales se usan varios tipos de parlante, por ahora sólo queremos encarar su construcción mecánica. En la figura 7.22 vemos los pasos de

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Fig. 7.19

Fig. 7.20



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construcción y las partes involucrados en la fabricación de un parlante coaxial. En (1) vemos la campan a mod elada po r inyección de un material plástico de poliamidas. Se observan también los imanes anulares con sus placas de piezas polares. El material de los imanes solía ser típicamente e l alnico, un a aleación de alumnio, níquel y cobalto, pero en los años recientes se usan cada vez con mayor frecuencia aleaciones y compuestos con neodimio, para construccuiones de tamaño reducido. El potencial energético del neod imio es d iez veces mayor que e l de aleaciones férricas. El neodimio es un elemento que fue descubierto recién en 1858 por el químico austríaco Auer von Welsbach y pertenece al grupo de las tierras raras. El neodimio tiene afinidad con el vanadio, que también es usado en muchas aleaciones y compuestos cerámicos para materiales magnéticos. Al usar estos materiales magnéticos más poderosos, es factible fabricar altoparlantes de mayor potencia y menor tamaño y peso. En los imanes anulares se establece como norma que el lado interno del anillo corresponde al polo magnético sur. Siguiendo con la figura 7.22, vemos en (2) el proceso del boninado de la bobina móvil sobre un soporte de material plástico. Algunos modelos usan en la forma papel tratado (baquelitizado) y otros usan moldes de aluminio. Como el aluminio es paramagnético, no obstruye la acción magnética del imán. Algunos fabricantes usan cinta de cob re en lugar de alambre para el bobinado móvil. En (3) vemos el proceso de montaje entre cono, bobina móvil y araña de suspensión. La araña es usada para mantener el cono centrado, fácilmente móvil, suspendido en el centro del entrehierro y además protege el conjunto contra la entrada de polvo o partículas extrañas. Los conos pueden ser de papel tratado, polipropileno con fibras de carbón, Kevlar u otros materiales desarrollados específicamente por cada fábrica. En los p arlantes tipo twee ter para las frecuencias altas se usan conos rígidos que pueden ser de titanio u otros materiales similares, Fig. 7.22 (2) Fig. 7.22 (3) cuyo estampado se observa en (4). En (5) vemos e l montaje del tweeter sobre un soporte tipo puente y en (6) vemos el ensamble final del altoparlante coaxial, con el woofer abajo y el tweeter arriba. El uso de dos o tres parlantes diferentes, en un mismo equipo de audio de alta fidelidad, resulta Fig. 7.22 (6) Fig. 7.22 (5) necesario debido a que cada parlante posee una gama de actividad en un rango de frecuencias que abarca aproximadamente de uno a diez. En la figura 7.23.A vemos como la band a total de frecuen cias de 20 a 20.000 hertz, se

Fig. 7.21

Fig. 7.22 (1)

Fig. 7.22 (4)


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TRANSDU TRA NSDUCTO CTO RE RES S ACUS ACUSTICO TICO S

divide en tres sectores. Uno inferior a 300Hz, otro de 300 a 3.000Hz y el tercero superior a los 3.000Hz. El primero es atendido por el parlante woofer, el segundo por el squawker y el tercero por el tweeter. En algunos equipos se usa también un subwoofer que atiende los tonos en el rango de 10 a 100Hz, aproximadamen te. En el diagrama de la figura figura 7.23.A 7.23.A tenemos dos pun tos de cruce, uno en 500Hz y el otro en 4.000Hz. Ahora bien, la construcción especial de cada tipo de parlante (imán, diámetro y material del cono y otras diferencias específicas entre woofer, squawker y tweeter) no es suficiente para lograr que cada uno se limite a reproducir sólo la gama de frecuencias asignada, también es necesario alimentarlos con las señales correctas. En el caso contrario, contrari o, reprod ucirán todas las frecuencias frecuencias que reciben y obviamente algunas con mala calidad. Para lograr la distribución correcta de las frecuencias se usa circuitos de cruce, algunos muy simples, pero otros b astante complejos, como el qu e vemos e n la figura figura 7.24. 7.24. Para estos circircuitos de cruce se pueden usar diseños de pasabajo, pasa-altos o de pasabanda. En las siguientes figuras reproducimos algunas configuraciones configuraciones cir circuital cuitales es típicas, acompañ adas p or su curva de respuesta y algunas expresiones matemáticas que permiten calcular los valores de los componentes necesarios en cada caso. La figura 7.23.B se refiere a circuitos pasabajos y pasa-altos de primer orden. En la figura 7.23.C observamos circuitos más complejos con la misma finalidad, pero de segundo orden y en la figura 7.23.D vemos otro circuito de segundo orden con un desarrollo diferente. Finalmente, en la figura 7.23.E vemos un circuito de tercer orden matemático, con su respuesta característica. El tipo de diseño y construcción elegido, depende principalmente del costo del equipo y de sus prestaciones especificadas. En las conexiones entre parlantes y circuitos de cruce, debemos tomar en cuenta también otro aspecto, que está relacionado con el hecho de que la impedancia de carga de los parlantes no es constante en toda la gama de frecuencias de trabajo. Esto influye en que el circuito de cruce no Fig. 7.23 (B) "ve" en todo momento el mismo valor. Esta circunstancia obliga al diseñador a agregar componentes reactivos que compensen esta falta de linealidad, debida generalmente a la inductancia de la bobina móvil de cada parlante. Los valores reactivos que se agregan, un capacitor y un resistor, compensan la variación de inductancia de la bobina móvil y se denominan circuito Zobel. En la figura 7.25 vemos la forma del circuito Zobel y el efecto que produce en el conjunto. Para compensar eventuales picos de resonan-

Fig. 7.23 (E)

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Fig. 7.23 (A)

Fig. 7.23 (D)

Fig. 7.23 (C)


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cia en frecuencias típicas de squawker y tweeter (300 a 20.000 hertz), se suele usar un circuito modificado de la figura 7.25 y que vemos en la figura 7.26. En este caso se agrega un valor inductivo que ayuda a compensar la resonancia indeseada en el rango mencionado y la traslada a otros valores. Se observa que la compensación es bastante eficaz y elimina elimina la resonancia esp ecial ecialmente mente en el área de las frecuencias de cruce, donde más molesta. Estos circuitos de compensación de Zobel y de resonancia, se encuentran generalmente incorporados en los cirFig. 7.24 cuitos de cruce más elaborados. En e ste tipo de tri trifurc furcación ación de fr frecuen ecuen cias cias,, se toma también en cuenta las características físicas y psíquicas de la audición humana. En la figura 7.27 vemos el efecto de direccionalidad que se produce en las frecuencias de audio. La curva de esta figura indica que en las frecuencias bajas, inferiores a 150Hz, no existe ningún efecto direccional. Se puede colocar el sub-woofer que se dedica a estas frecuencias, en cualquier lugar del ambiente que actúa de auditorio y el oyente escuchará estas frecuencias, pero no podrá determinar el lugar de su origen. En las frecuencias superiores a los 150Hz y en forma ascendente, proporcional al valor de la frecuencia, será cada vez más fácil determinar el punto de origen de estos sonidos. Para un efecto estereofónico y envolvente es, por lo tanto, necesario que estas frecuencias superiores a 150Hz tengan un punto de origen bien definido, que coincida también con su punto de origen en el espectáculo, musical o visual. Fig. 7.25 Si hacemos un análisis gráfico computarizado sobre diferentes parlantes, llegamos a los resultados que se observan en la figura 7.28. En estos gráficos se controla la respuesta transitoria de cada parlante. La computadora mide la respuesta del parlante en intervalos de solamente 0,13 mili milisegundo segundo s, haciendo un gráf gráfico ico con u n total de 35 curvas curvas durante 4,5 milisegundos de tiempo. Las curvas son superpuestas en cada tabla de atrás hacia adelante. La primera curva, en la parte posterior (cima) de la Tabla, es la respuesta de la primera llegada del parlante a 0,00 milisegundos. Después, las curvas de respuesta son superpuestas Fig. 7.26 hacia el frente del gráfico. Un detalle de suma importancia es la polaridad de la bobina móvil en conjunto de dos o más parlantes. En caso de estar fuera de fase uno de los parlantes, puede producirse un efecto de "valle" en la curva de respuesta normal, generalmente plana. Se ilustra este efecto en la figura 7.29. En algunos circuitos del tipo comercial existen indicaciones al respecto y también en los parlantes mismos se suelen encontrar marcas adecuadas para identificar la polaridad de los mismos. Estas indicaciones deben tomarse en cuenta para lograr un conexionado correcto. En muchos parlantes modernos existen conexiones separadas en los gabinetes que los albergan, para poder efectuar una conexión por separado de cada parlante. Este proceso se suele denominar "Bi-Wiring" (conexionado doble). En la figura 7.30 vemos el tablero de un gabinete acústico con los terminales necesarios para efectuar el conexionado separado para woofer y tweeter, etc. En algunos tipos de parlantes de alta fidelidad se usa un líquido ferromagnético (ferrofluido) (ferrofluido) qu e me jora el rendimiento magné tic ticoo y térmico del parlante y produce también un efecto refrigerante en los equipos de gran potencia, tanto en woofers como en tweeters. Se encuentra es-

Fig. 7.27


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te líquido especialmente en tweeters debido al alambre muy fino que los mismos usan en su bobina móvil, que al calentarse, introduce toda clase de perturbaciones mecánicas y eléctricas. eléctri cas. En En e stos parlantes se usa u n en trehierro con sellado hermético, para evitar la pérdida del líquido. El efecto es especialmente notable en los equipos que funcionan en ambientes hostiles, motivo por el cual volveremos sobre este tema más adelante.

7.6. Baffles y gabinetes acústicos Para lograr una reproducción sonora adecuada, no es suficiente conectar uno o más parlantes a un amplificador. Los parlantes suspendidos al aire libre, pueden producir lo que se ha dado en llamar un "cortocircuito acústico". En la figura 7.31 vemos como el gabinete acústico, cualquiera que sea su construcción, evita que el sonido frontal se encue ntre con el sonido posterior posterior.. Como Como ambos sonidos tienen fase opuesta, pueden llegar a anu lar larse se en forma parcial y además interactuar interactuar p erj erjudicial udicialmente. mente. Gen eralmente, el sonido frontal es mayor en su intensidad que el sonido posterior, pero este tiene fuerza suficiente para cance lar una p arte del sonido fr frontal ontal e introducir distorsiones distorsiones en el resto. Al Al encerrar los parlantes en gabinetes, se elimina este problema. En algunos tipos de parlantes, sobre todo del tipo tweeter o squawker, se introduce una variante constructiva que consiste en un montaje de sellado hermético. Esto elimina ya de fábrica toda posibilidad de los temidos cortocircuitos acústicos y permite una mayor variación en el montaje de los parlantes. En la figura 7.32 vemos el aspecto de un tweeter sellado. Un modelo similar, el tweeter ADO1624/T de Philips funciona con ferr ferrofl ofluido uido y ti tiene ene una disi disipación pación e specif specificada icada de 6 watts, con un diámetro del domo (cono abovedado) de 25 mm. En este modelo se usa policarbonato como material del domo y además se ha incorporado un difusor integrado en la cubierta. La intensidad de energía en el entrehierro es de 75 milijoule y la densidad del flujo magnético es de 1,8 tesla. Desde luego es imprescindible usar un circuito de cruce adecuado para este tipo de tweeter. En muchos casos se usa como gabinete acústico el tipo sellado, como el que vimos en la figura 7.31. Sin embargo los conceptos se aplican también a otro tipo de construcción, llamado de reflejo de graves, que se encuentra también en la misma figura. Debemos considerar, sin embargo, que en este tipo de gabinete se observan a veces resonancias producidas por el mismo gabinete. Para evitar este efecto perjudicial, resulta imprescindible efectuar los cálculos pertinentes y evaluar las consecuencias de dicho corte en el conjunto total del gabinete acústico. Esto se debe a que al cortar una abertura en la pared de un gabinete acústico hermético, este gabinete actuará como un sistema resonante debido a los movimientos que el aire efectúa en la cercanía de la abertura. La frecuencia de resonancia depende del volumen de aire y las dimensiones de esta abertura. Este es el principio de funcionamiento de los gabinetes de reflejos de graves (bass reflex) que se usan con mucha frecuencia. La frecuencia de resonancia del gabinete debe estar de acuerdo con la frecuencia de resonancia de los parlantes, para obtener la carga

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Fig. 7.28

Fig. 7.29 Fig. 7.30


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Fig. 7.32

Fig. 7.31

Fig. 7.34 (A)

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acústica correcta para el cono. Sólo en este caso se obtiene sonidos graves limpios y fuertes, finalidad principal de este tipo de construcción. Las dos frecuencias de resonancias (gabinete y parlante) no son automáticamente idénticos y, por lo tanto, resulta necesario efectuar su sintonía en funci función ón de la frecuencia frecuencia más baja especificada. especificada. Para ello ello de bemos co nsiderar que las dimensiones físicas físicas de las magnitudes magnitudes en juego so n de valores importantes. La longitud de onda de un tono de 40Hz es de unos 8,5 metros y la dimensión mínima a considerar corresponde a media longitud de onda, 4,25 metros en el caso que estamos considerando. Estas dimensiones son generalmente demasiado grandes como para considerarlas para un equipo del hogar. Se recurre entonces a medidas especiales para lograr la reducción de estos parámetros. Una es el uso de tubos o lentes acústicos cuya presencia ayuda a reducir las dimensiones del gabinete. En la figura 7.33 vemos el aspecto de uno de estos tubos de resonancia y también el de una lente acústica que se usa en la construcción de gabinetes ventilados. El ajuste de estos elementos puede realizarse con algunas mediciones pero la prueba final debe provenir de un ensayo auditivo que confirme los resultados de la medición. En la actualidad, este tipo de gabinete ha recibido mucha atención, pero en una escala mucho más reducida en cuanto a dimensiones físicas. Los anteriores gabinetes réflex fueron famosos por su excelente rendimiento acústico en frecuencias bajas y en conjunto con parlantes de 10, 12 ó 15 pulgadas (25, 30 ó 38 cm), pero en la actualidad se logran resultados similares con parlantes de sólo 6 ó 7 pulgadas (15 ó 18 cm), colocados en gabinetes de tamaños muy reducidos. En la figura 7.34.A vemos el aspecto de un ejemplo típico, un woofer que permite la reproducción de unos 100 watt de potencia musical en un gabinete reflex de sólo 11,5 x 18,5 x 12,5 cm. El secreto de estos modelos de tamaño mínimo es la gran compliancia de la bobina móvil y del cono, como para permitir un desplazamiento de varios centímetros. La unidad magnética de estos parlantes debe tener también una construcción adecuada para lograr este gran desplazamiento del cono. El criterio expuesto ha tenido amplio éxito en el comercio y en el público, como surge de las figuras 7.34.B y 7.34.C. En la primera se observa el aspecto de dos gabinetes acústicos convencionales de gran tamaño y con una importante salida de audio de unos 100 watt o más, mientras que en la segun da ap arecen, ap enas visibles visibles en la rep is isaa de la chimenea, dos cajas acústicas acústicas con con la misma potencia audible, pero en un tamaño completamente reducido. La leyenda de ambas figuras indica: "Sonido de parlante grande, sin los parlantes grandes". En muchos casos se sigue, sin embargo, con los gabinetes acústicos de baffle infinito en los cuales el parlante está montado en forma hermética dentro de un gabinete completamente cerrado. Estos parlantes requieren una potencia más elevada para un mismo rendimiento acústico, pero la construcción y el ajuste del gabinete se simplifica mucho. Obviamente, el rendimiento acústico del gabinete ventilado es mayor, a pesar de su tendencia a las resonancias perjudiciales. En la figura 7.35 vemos el aspecto de un gabinete terminado, pero aún con su respaldo sin atornillar. En la figura 7.36 vemos la terminación interna con su recubrimiento acústico de lana de vidrio. En algunos casos se puede usar también lana ovina con buenos resultados de amortiguación acústica. En la figura se procede a engrampar este recubrimiento en el interior del gabinete. En la figura 7.37 vemos otro paso en la terminación del gabinete acústico con la colocación de una cinta adhesiva, que se coloca alrededor del borde frontal para asegurar un cierre hermético. Finalmente en Fig. 7.33 la figura 7.38 vemos el gabinete terminado con sus altoparlantes (woofer, squawker y tweeter). Estas fotografías forman parte de la información suministrada gentilmente por el Ing. Carlos Colombo de Sound & Vision de Philips Argentina. Los gabinetes del tipo de baffle infinito (hermético) siguen ocupando un papel importante en Audio Hi-Fi y, por lo tanto, trataremos a continuación varios modelos con indicación


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de dimensiones, tipos de parlantes y otros datos. Fig. 7.34 (B) En primer término trataremos un sistema de parlantes apto para equipos Hi-Fi del hogar, ya que se adapta a las especificaciones contenidas en las normas alemanas DIN45500. Se trata de un sistema de 20 watt, con una respuesta de 69 a 20.000 hertz y con un volumen módico de 7 litros. Se usa un woofer de 7 pulgadas y un tweeter de 1 pulgada (18 y 2,5 cm), respectivamente. La potencia nominal es de 20 watt y la potencia musical es de 30 watt. Las características individuales del woofer y del tweeter usados en el sistema, surgen de las figuras 7.40 y 41. En la figura 7.41 vemos el aspecto y los d atos correspond ientes a un modelo de gabinete acústico de 65 litros de capacidad que da cabida a 10 parlantes, a saber: 2 woofer de 12 pulgadas (30 cm), 4 squawkers de 5 pulgadas (12,5 cm) y 4 tweeters de 1 pulgada (2,54 cm). La potencia nominal es de 100 watt y la potencia musical es de 150 watts, de acuerFig. 7.34 (C) do a las normas DIN45500. Hemos seleccionado este modelo en especial debido a que su diseñador lo llamó: "Un sistema ruidoso para gente ruidosa", evidentemente una buena recomendación para muchas aplicaciones "ruidosas". Entre las características cabe mencionar el rango de frecuencias de 30 a 20.000Hz y una frecuencia de resonancia de 64Hz. Las frecuencias de cruce son 500 y 4.800Hz, de acuerdo a los parlantes empleados en este diseño. Si bien se hace referencia a determinados tipos de parlantes es factible, desde luego, usar tipos similares que cum plen co n los requisitos especificados. Los capacitores deben ser de buena calidad y en lo posible ser del tipo no-polarizado. Caso contrario, conviene usar dos capacitores del doble valor en serie, conectados en forma de polaridad opuesta. En cuanto a los resultados de la reproducción sonora en equipos de audio, debemos tomar en cuenta también las características del ambiente en el cual se realiza la audición. La frecuencia más baja que se puede reproducir en forma satisfactoria en un ambiente cerrado, está relacionada con sus dimensiones. La dimensión más grande, su diagonal, surge de la figura 7.42. Reprod ucimos las dimensiones equivalentes a media longitud de o nda para varias frecuencias de son ido. Para frecuencias más bajas que las indicadas, el rendimiento del ambiente decae rápidamente. Fig. 7.35 ________________________________________________ Tabla 7.2. Dimensiones del ambiente y frecuencia más baja

Diagonal del ambiente

Frecuencia de corte

(lon gitu d de o nd a/ 2)

( H e rtz )

Fig. 7.36

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Fig. 7.38



Fig. 7.37

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8,5 metros 20 6,8 metros 25 5,66 metros 30 4,85 metros 35 4,25 metros 40 3,78 metros 45 3,40 metros 50 2,83 metros 60 2,13 metros 80 1,70 metros 100 _______________________________________________ Para redondear el tema relacionado con la longitud de onda de algunas frecuencias de audio, veremos en la Tabla 7.3 los valores correspondientes a varias frecuencias del espectro auditivo. Estos valores completan las indicaciones de la Tabla anterior, que indicaba los valores de media longiutd de onda. _________________________________________________________ Tabla 7.3. Longitudes de onda de varias frecuencias de audio

f recuencia

longitud de onda

f recuencia

longitud de onda

Hz m e tro s Hz m ilím e tro s 100 3,4 2500 136 150 2,26 3000 113 200 1,70 4000 85 300 1,13 5000 68 400 0,86 8000 42,5 500 0,68 10000 34 800 0,43 12000 28 1000 0,34 15000 23 1500 0,23 18000 19 2000 0,17 20000 17 _________________________________________________________________________

7.7. Distribución del sonido para grandes audiencias Cuando salimos de los ambientes de tamaño convencional en el hogar y tratamos de difundir el sonido de alta fidelidad en ambientes grandes, como salas de concierto, salones de baile y otros ambientes de tamaño parecido, nos encontramos con alternativas a veces poco convincentes, en cuanto a calidad o, sobre todo, en lo referente al costo. En auditorios grandes se puede basar la difusión del sonido en parlantes de gran tamaño, con capacidad de 200 watt o más, o también en sistemas de parFig. 7.39 lantes, debidamente distribuidos y conectados. Ambos método tienen algunos inconvenientes que trataremos de superar con sistemas especiales de distribución del sonido, conocidos como Paneles de Bessel de distribución radial. Con el uso de parlantes muy grandes, capaces de elaborar por sí solos potencias del orden de los 200 watt o más, se tropieza con el inconveniente de su elevado costo y de una excursión muy extensa del cono, lo que bajo ciertas circunstancias puede introducir problemas en la calidad tonal, además de no reproducir correctamente sonidos


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de muy baja potencia. Por otra parte, los sistemas de altoparlantes múltiples tiende n a concen trar el sonido en un h az muy estrecho, con el agravante de que el ángulo de radiación está relaciondo con la frecuencia del sonido: a mayor frecuencia, menor es el ángulo y mayor la concentración. Esto puede producir que una parte de la audiencia quede fuera del área activa del p arlante y cuan to mayor sea la cantidad de parlantes del sistema, más pronunciado será el efecto. Los problemas mencionados con respecto a la distribución sonora por una parte y el alto costo de parlantes poderosos, por otra, pueden solucionarse por medio de los paneles de Bessel. Estos paneles se construyen con parlantes convencionales de bajo costo, siguiendo, sin embargo, en su distribución y conexionado, normas relacionadas matemáticamente con las funciones de Bessel. El origen de estas expresiones matemáticas se relaciona con el matemático y astrónomo alemán Friedrich Wilhelm Bessel (1784-1846), quien sistematizó las funciones de Bessel en el transcurso de su investigaciones heliocéntricas de carácter astronómico. A través de los años y también en la actualidad, se pueden usar las funciones de Bessel en el análisis de vibraciones, el transporte del calor en cilíndros sólidos, el flujo de ondas electromagnéticas a lo largo de hilos, la difracción de la luz, el análisis de bandas laterales en FM, en la teoría de la elasticidad y en hidrodinámica. Se observa que se trata de una herramienta analítica muy útil en muchas aplicaciones. En la figura 7.43 vemos la distribución de cinco parlantes que se pueden conectar de acuerdo a los esquemas de la figura 7.44. La distancia entre parlantes adyacentes es igual, pero su polaridad y potencia se rigen por expresiones matemáticas apropiadas. El tipo de parlante usado puede ser el convencional de 8 pulgadas (20 cm) con impedancia en la bobina móvil de 8 ohms. Lo dicho puede ampliarse de 5 a 7 ó 9 parlantes, para sistemas de siete unidades, con otros factores de ponderación que surgen de expresiones matemáticas. Los paneles de Bessel se pueden combinar como, por ejemplo, la combinación que se observa en la figura 7.47. En este caso se combinan las funciones Bessel en tres filas. Esta configuración dará al sonido una distribución radial en la dirección horizontal y una concentración del sonido en sentido vertical en el nivel de los paneles. Esta distribución es especialmente apta para salas de cine o teatro, donde se desea una concentración del sonido en el plano de la audiencia. Otra posibilidad de apilado de paneles de Bessel, surge de la figura 7.48, en la cual los parlantes están conectados de acuerdo a la función de Bessel, tanto en sentido horizontal como vertical. En este caso el sonido tendrá una distribución hemisférica, apta para aplicaciones en anfiteatros o

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Fig. 7.40

Fig. 7.41

Fig. 7.42



Fig. 7.43

Fig. 7.45

Fig. 7.46

Fig. 7.47

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similares (salas de ópera, etc.). En la figura 7.49 vemos el aspecto de la sala del Teatro Colón, que puede tener una distribución como la señalada. Los paneles de Bessel son aptos también para conexiones estereofónicas en dos o más canales. En la figura 7.49 vemos una configuración estéreo. Observe en el circuito cómo se resuelve el problema de la conexión de (L-R) y (R-L). Sistemas similares son posibles con 7 ó 9 altoparlantes o diseñados con combinaciones de paneles de Bessel. El sisFig. 7.44 tema puede ser integrado a las recientes modalidades del Dolby Surround, Dolby Surround Prologic y Dolby Surround Digital, que vimos anteriormente, en el Capítulo 4. Nuestra intención en este sector del libro fue la introducción a las técnicas basadas en las funciones de Bessel en la distribución del sonido por medio de altoparlantes de baja potencia. Recuerde que los planteos teóricos, tal vez, sean algo complejas, pero la realización práctica está dentro del alcance de todo técnico. También puede evitar que se introduzcan modificaciones en una instalación existente, pensando que, tal vez, no influyan en el resultado, pero modificando sin querer el esquema típico de los paneles de Bessel. También queremos mencionar que existe un criterio similar en el conexionado de micrófonos para diferentes patrones de captación de sonido, tanto para incrementar la sensibilidad, como para lograr una captación omnidireccional.

7.8. La importancia de las buenas conexiones Ya habíamos mencionado en diferentes lugares de la presente obra que es imprescindible hacer buenas conexiones entre amplificadores y parlantes. Estas buenas conexiones se basan en varios parámetros que podemos resumir de la siguiente manera: los conductores deben ser de cobre y no de aluminio u otros materiales con una resistencia específica mayor que el cobre. La protección de la superficie por medio de un baño de estaño es favorable, pero no imprescindible. Los efectos de la conducción superficial no se presentan en las frecuencias de audio y, por lo tanto, la única función del baño metálico es la protección contra la corrosión, pero no influye de ninguna manera en el rendimiento del equipo de audio. Baños metálicos con materiales preciosos (oro y otros) son simplemente un tema de estética y de costos, pero no intervienen en las características técnicas de audio. El diámetro del cable debe ser generoso, de acuerdo a las corrientes que circulan, que a su vez dependen de la potencia del equipo. Estimamos con toda modestia que el Código de Edificación de la Municipalidad, que fija los diámetros de los conductores eléctricos en instalaciones domiciliarias, puede ser más útil para determinar el calibre de los cables a usar, que los catálogos de los fabricantes de cables. Hay qu e cuidar que el diámetro sea el adecuado y que su longitud no exceda límites prudenciales. A mayor distancia, también debe aumentar el calibre. Los terminales y contactos de los conectores en el amplificador y en los parlantes deben estar limpios y también deben cumplir las mismas condiciones de conducción, para evitar pérdidas adicionales en el equipo. La influencia de la inductancia y capacidad de los cables en audio es totalmente despreciable y generalmente casi imposible de medir. Lo que


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hay que evitar son pérdidas por resistencia óhmica y el efecto térmico que las acompaña, usando el diámetro adecuado del cable, de acuerdo a la distancia y la corriente que circula. Los aficionados a los cables muy especiales y caros, con baño de oro y otros refinamientos similares, tienen todo derecho a gastar su dinero como mejor les plazca. Pero el técnico debe recomendar las especificaciones técnicas razonables y no favorecer aspectos que no tienen nada que ver con el funcionamiento correcto de los equipos de audio. Una persona que gastó, tal vez, $10.000, o más, en un equipo de audio, para dar un solo ejemplo, y desea ahora gastar $1.000 adicionales para cables de conexión, tiene todo derecho de hacerlo, pero sería imprudente pensar que con ello su equipo tendrá un mejor sonido. Sólo justificamos el uso de compo nentes (cables, terminales, conectores) con baño de oro en aquellas condiciones de trabajo donde el equipo está expuesto a un ambiente muy hostil, con peligros de corrosión, como sucede, por ejemplo, en radio y audio del automóvil. En estos caso la protección adicional que brinda el baño de oro puede resultar conveniente. Como última observación sobre el tema del calibre de los cables para parlantes, un comentario de carácter fisiológico y técnico. Se produce efectivamente en algunos cables de muy baja calidad un retardo relativo entre entre señales de 100Hz y de 10.000Hz, pero el monto de este retardo es de 20 picosegundos (1 picosegundo es la millonésima parte del microsegundo). La respuesta del oído humano con respecto a las impresiones auditivas es 25.000 veces más larga que el tiempo que involucra este retardo. No puede ser percibido por ningún ser humano.

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Fig. 7.48

Fig. 7.49


AUDIO Y RADIO DEL AUTO MO VIL

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A UD I O Y R A D I O

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D E L A UT O M OV I L 8.1. Introducción Los numerosos equipos que componen el rubro radio del automóvil, tales como receptores de radio de AM-FM, pa sacasetes de audio analógicos y digitales, pasadiscos de CD y MD, amplificadores, ecualizadores y circuitos de cruce para señales de audio y parlantes de todo tipo, se ven enfrentados a un ambiente hostil en el cual deben actuar. El ambiente del automóvil es hostil por muchos motivos. El habitáculo donde deben realizar sus funciones es ruidoso, eléctrica y acústicamente, posee dimensiones que superan raras veces los 8 metros cúbicos o menos, son alimentados por una fuente con variaciones especificadas de fábrica entre 10 y 14 volt, lo que significa una tolerancia de 12 volt ±20% y que deben compartir generalmente con cargas variables y fijas de toda índole, como el sistema de Fig. 8.3 encendido, motor de arranque, luces cortas y largas y otros equipos de carga variable que se alimentan de la misma batería de 12 volt y un alternador de carga de 14 volt, rodead o de otras influencias ambientales adversas, como p olvo, humed ad, altas y bajas temperaturas y suciedad, movimientos, sacudidas y vibraciones mecánicas y con un usuario que exige un rendimiento de sala de concierto con un volumen y pureza de sonido de sala de ópera o de disco y una completa estabilidad de funcionamiento. Las exigencias funcionales son enormes, pero el equipo de automóvil, con gran despliegue técnico, de inventiva y componentes de desarrollo exigente, el equipo dijimos, cumple. Y no falla nunca o al menos sólo en forma muy excepcional. La pregunta es obvia, ¿Cómo hacen los diseñadores y fabricantes para satisfacer estas exigencias del "car-stereo"? En el presente capítulo trataremos de contestar esta pregunta y empezaremos presentando algunos de los equipos involucrados en el tema. En la figura 8.1 vemos un receptor-pasacasete e stéreo, e n la figura 8.2 vemos un amplificador típico y, en la figura 8.3, un parlante de tres vías. En la figura 8.4 vemos un caso extremo: un vehículo de demostración equipa do con 28 amplificadores y 76 parlantes y con u na p otencia de audio de, nada menos que 13.000 watts. Se advierte al espectador que no se acerque a este vehículo sin proFig. 8.1 tección para sus oídos.

8.2. Receptores y amplificadores para radio d el automóvil

Fig. 8.2

Los requisitos para receptores de radio para automóvil son varios y los siguientes, los más importantes: tamaño reducido, de acuerdo al espacio disponible en la guantera y/o en el baúl, recepción de AM-FM para aprovechar la mayor inmu-


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nidad contra ruidos de las estaciones de FM, combinaciones con otros componentes de varias prestaciones (casetes, CD, etc.) para lograr el mejor aprovechamiento del espacio y para mayor facilidad de manejo, protección contra robos, potencia suficiente para superar con comodidad el nivel de ruido propio del vehículo y su ambiente, que existe en toda instalación vehicular. No se recomienda la instalación de monitores de video en el automóvil, a pesar de que existen excepciones (que nosotros no recomendamos) y una de estas excepciones se observa en la figura 8.5. En e ste automóvil se reemplazó el espejo retrovisor interno, por un monitor de TV-color para poder observar un videocasete cuyo reproductor se encuentra en otra parte del vehículo. Se observa también en esta foto la ubicación del radio y del reproductor de CD en el panel frontal. El problema de la protección contra robos se soluciona gene ralmente por medio de compo nentes removibles. En la figura 8.6 vemos que se p uede retirar el frente, con lo cual se inutiliza el resto del equipo. Se observa también la construcción robusta del gabinete metálico del receptor. En la figura 8.7 vemos un receptor de radio combinado con un reproductor de discos compactos. Goldstar denomina este modelo "CD-Receiver" (receptor con CD). Estos modelos son aun menos difundidos que los receptores de radio con casetera de audio, como el que vemos en la figura 8.8, pero están ganando adeptos rápidamente. El modelo de receptor con casete tiene un control remoto removible que vemos en la figura 8.9. Este control remoto es usado también como protección contra robos, ya que al retirarlo, el receptor queda sin su panel de control. La batería del control remoto es, en este modelo, del tipo recargable y al colocar el control remoto en su posición en el receptor, se recarga la batería automáticamente. El receptor está también combinado con un amplificador múltiple de cuatro vías con una potencia de salida de 25 watt cada una. El pasacasete incorporado posee auto-reverse. Las conexiones de toda la unidad son de construcción especial, lo que permite el retiro del equipo del vehículo con toda facilidad. En el receptor encontramos también un conector que p ermite la conexión de un reproductor de CD portátil, cuyo sonido es entonces reproducido por el amplificador y los parlantes del receptor. Se observan en las figuras 8.7 y 8.8 algunos símbolos que son de uso universal y se

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Fig. 8.4

Fig. 8.5



Fig. 8.6

Fig. 8.7

Fig. 8.8 Fig. 8.9

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usan con mucha frecuencia en equipos destinados al mercado europeo. Los símbolos de la figura 8.7, de izquierda a derecha, significan: conexión para CD, potencia de salida estéreo de 2 x 25 watt, regulador continuo para repartir a gusto del oyente la potencia principal de audio a los parlantes frontales o posteriores o a ambos por igual. Conectores para amplificadores de potencia adicionales que se pueden conectar al equipo a continuación del preamplificador. La impedancia es la que corresponde a salida de línea. Las siglas SDK se refieren a estaciones transmisoras que emiten información vial y que se sintonizan en forma automática, aun cuando se está escuchando radio o discos. La prestación Autostore permite una sintonía automática de estaciones de FM, de acuerdo a la intensidad en que llegan a la antena receptora en cada lugar donde se encuentra el vehículo. Esta característica es muy útil sobre todo en viajes largos, donde el área de captación cambia rápidamente. Esto elimina la necesidad de buscar estaciones audibles de FM con el dial. La indicación Local permite la misma prestación con estaciones de AM. En la figura 8.8 tenemos dos filas de prestaciones indicadas con sus respectivos símbolos. Aquéllos, repetidos en la figura anterior, deben consultarse en los datos de la figura 8.7. Se indica la entrada de CD. SDK-ASS se refiere a la búsqueda automática de estaciones. Autoreverse e s la po sibilidad de escuchar ambas pistas grabadas de un casete, sin necesidad de dar vuelta el casete. Dolby se refiere al sistema de reducción de ruidos Dolby B, incorporado, que brinda una reproducción del casete con una reducción notable en el nivel de ruido del mismo. AMS permite el reconocimiento de la música grabada y de las pausas que separan cada pieza. Esto facilita la búsqueda de determinadas piezas musicales grabadas en el casete. Metal indica que los casetes de este tipo, usando el conmutador dedicado a esta función, recibirán la polarización previa correspondiente a sus características. La indicación Full logic se refiere al tratamiento digital de todas las funciones del equipo para evitar superposiciones. Por ejemplo, se introduce en forma automática la posición de stop entre avance y retroceso. Esto facilita el manejo y evita problemas engorrosos. Quickout se refiere a la posibilidad de retirar rápidamente la unidad del receptor debido a que todas las conexiones de entrada y salida se encuentran en un tablero especial de conexión y desconexión rápida. En cuanto a características circuitales, deseamos destacar algunas de las más frecuentes a continuación. En este caso observamos una cierta superposición


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de parámetros entre receptores y amplificadores, debido a que son numerosos los modelos que reúnen ambas funciones en la misma unidad. La exigencia más importante y plenamente justificada en audio del automóvil, es la superación de los límites del ambiente en el cual se desarrolla su campo de acción. Sabemos que el ruido acústico de fondo es muy grande y supera todos los límites que suelen existir en equipos estacionarios en el hogar. Uno de los principios en autorradio es, entonces, el incremento de la potencia para lograr una relación señal-ruido aceptable. El ruido no se puede bajar mucho y, por lo tanto, sólo queda el recurso del incremento de la señal. Otro aspecto, íntimamente relacionado con el primero, es la limitación en el espectro de frecuencias debido al espacio reducido disponible. Nuevamente es el amplificador que debe suministrar una mayor potencia en graves para suplir las limitaciones amb ientales. Se su ele agregar u n su bwoofer para aprovechar al máximo esta gama ampliada en las frecuencias bajas del amplificador. Pocos vehículos poseen dimensiones físicas adecuadas para frecuen cias inferiores a los 60Hz, que vimos en la Tabla 7.2, y es sólo la potencia del subwoofer que permite extender el rango a 30Hz o valores inferiores. En la figura 8.11 vemos el aspecto del interior de un equipo de Alpine con sus transformadores toroidales que se caracterizan por su reducido campo disperso y gran eficiencia. También se observan los capacitores electrolíticos sobredimensionados p ara lograr la estabilidad y filtrado supe rior de la tensión de la fuente, q ue son esenciales para una reproducción de alta fidelidad. El diseño de la fuente de alimentación y de los amplificadores es tal que se obtienen con la tensión nominal todos los valores de performance especificados y al aumentar la tensión, como puede suceder en el ambiente del automóvil, se incrementa el rendimiento de las etapas. Esto, al mismo tiempo, constituye una protección contra estas irregularidades inevitables en la tensión de la fuente primaria, la batería del automóvil. Un ejemplo para este criterio lo vemos en el modelo MRV-F400 de Alpine cuyo aspecto se observa en la figura 8.12. El amplificador de esta serie V12 de Alpine posee una potencia de 4 x 40 watt con una tensión de 12 volt en la batería. El mismo amplificador produce 4 x 60 watt, con la tensión de 14,4 volt. En ambos casos, el rango de frecuencias es de 20 a Fig. 8.12 20.000Hz y una THD de 0,04%, pero con una tensión en un 20% mayor, la potencia llega a un 50% mayor. Cabe destacar que la fuente tiene regulación con PWM (Pulse Width Modulation = modulación por ancho de pulso). El circuito de las etapas de potencia es del tipo darlington en configuración simétrica (en Push-pull) y en paralelo de varias etapas. En la figura 8.13 vemos los circuitos básicos del tipo darlington para transistores NPN y PNP, que funcionan en forma complementaria. Configuraciones similares fueron usadas también en el circuito de la fi-

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Fig. 8.10

Fig. 8.11



Fig. 8.13

Fig. 8.14

Fig. 8.15

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gura 6.17, que fue analizado detalladamente e n e l Capítulo 6. Otro de los aspectos importantes en la reproducción sonora e s la simulación de d iferentes ambientes con sus sonidos característicos, como vimos ya anteriormente en el Capítulo 1, en la figura 1.10. Hicimos en e sta figura y en e l texto que la acompaña, mención especial de los diferentes efectos sonoros simulados que se pueden lograr por medio de la ecualización y reberveración introducida en la imagen tonal producida por el receptor-amplificador, pero a veces están ubicados en una unidad separada, como el procesador y controlador del campo sonoro, modelo 3342 de Alpine. Recordamos que el ecualizador debe estar conectado entre el preamplificador y el amplificador de potencia final. En las unidades conjuntas de sintonizador y amplificador final, generalmente no se puede conectar un ecualizador externo, salvo que se usan los conectores del preamplificador, previstos en algunos modelos y se agrega un amplificador de potencia a continuación del ecualizador. Esta solución es, desde luego, factible, pero no la consideramos muy práctica. En la figura 8.14 vemos el aspecto de esta unidad que puede ser manejada por control remoto y que se rige por las especificaciones del sistema BBE. En la figura 8.15 vemos el esquema en bloques del sistema BBE. Se observa que la señal de audio, a partir del borne de entrada, es filtrada y dividida en tres rangos de frecuencia que abarcan, respectivamente, de 0 a 150Hz, de 150 a 2500Hz y de 1500 a 20.000Hz. Estas tres componentes reciben un tratamiento por separado, de tal manera que se introducen retardos con o sin amplificación y con tiempos de retardo que varían entre 0 y 2,5 milisegundos, según la frecuencia en proceso. Asimismo se amplifican las señales en forma variable, pasando finalmente todas las componentes, tanto las que tienen retardo, como las que no lo tienen, a una etapa sumadora. El resultado es una señal ecualizada que se ajusta a las indicaciones de los ocho programas prefijados (sala de concierto, efecto de estadio de portivo, efecto d e cated ral, de disco, en vivo, etc.). Además existen, en el modelo 3342, once posiciones de ecualización independiente en las siguientes frecuencias: 31,5Hz, 63Hz, 125Hz, 190Hz, 250Hz, 500Hz, 1kHz, 2,2kHz, 4,5kHz y 18kHz. Se observa que en la distribución de la mayoría de estas frecuencias se sigue la ley de las octavas musicales de 2 a 1, para dotar a cada octava del espectro musical su propio valor de ecualización. Existe además una salida especial para la conexión de un subwoofer con una frecuencia de cruce de 80Hz. El procesador digital del modelo 3342 permite la realización de efectos de reverberación con retardos variables de 30 a 100 milisegundos. Para resumir, podemos observar que este ecualizador permite acentuar o atenuar cada octava por separado, con ±12dB y además incluir, en sendas etapas, diferentes gra-


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dos de reverberación o eco, para lograr los resultados deseados, a pesar del ambiente ruidoso y acústicamente hostil, como lo es el automóvil. Otros parámetros pueden ser regulados en forma automática, como los llamados BLE (Bias, Level, Equalization = polarización, nivel y ecualización). Esta prestación se caracteriza por normalizar en forma automática el nivel del sonido, la polarización de la etapa y la ecualización de la señal. Debemos tomar en cuenta que en el ambiente del car-stereo existen dos puntos delicados en la gama de frecuencias de audio, uno es la frecuencia de 40Hz, que generalmente se encuentra muy atenuada, motivo por el cual requiere una acentuación, mientras el otro punto difícil está en el rango de los 150Hz, donde se puede producir un efecto contrario, un exceso de señal que cada vez que aparece en el woofery/o subwoofer, introduce un efecto de trueno, sumamente molesto. Con los circuitos automáticos mencionados u otros de acción similar, se pueden eliminar ambo efectos perjudiciales.

Fig. 8.16

8.3. Parlantes para automóvil Los altoparlantes para receptores de car-stereo se caracterizan generalmente por una construcción robusta, blindada y protegida contra influencias ambientales externas de todo tipo. En la figura 8.16 vemos unos parlantes de Rockford-Fosgate, junto con un protector de tweeter de la misma marca. Estos protectores activos evitan y eliminan los picos de señales con frecuencias fuera de la banda del tweeter y limitan la potencia efectiva, entregada al mismo, a los valores específicos de cada modelo. El modelo ilustrado es el TX4183, posee también un filtro de tercer orden del tipo Butterworth, que produce el cruce de frecuencias correspondiente al tweeter. El mismo posee un domo de titanio. Deseamos recordar al amigo lector que los filtros de tercer orden fueron tratados e ilustrados en la figura 7.23.E. En la figuras 8,17 y 8.18 vemos el aspecto de dos modelos de parlantes de tres vías, que se recomiendan para instalaciones chicas y medianas. El conjunto de los tres parlantes permite aprovechar el reducido espacio disponible con un rendimiento aceptable. A veces se colocan estos parlantes en las puertas del vehículo, como veremos más adelante. El parlante triple de la figura 8.17 es redondo de 16 cm de diámetro y posee una potencia nominal de 30 watt, con un a po tencia musical máxima de 90 watts. El conjunto de los tres parlantes abarca las frecuencias de 55 a 21.000Hz, con un nivel de presión sonora de 91dB/W/m. La reducida profundidad de sólo 46 mm permite su incorporación en casi todos los vehículos en el mercado. Se usan en este modelo de parlante triple imanes de estroncio (un tipo de cerámica) para lograr una reducción del tamaño con un Fig. 8.17 incremento en la fuerza magnética. El parlante triple de la figura 8.18 es de forma ovalada, con un tamaño de 15 x 23 cm. Su Fig. 8.18 potencia nominal es de 30 watt y su potencia musical máxima de 100 watts. El rango de frecuencias combinado de woofer, squawker y tweeter de este parlante de Alpine, es de 40 a 22.000Hz. El nivel de presión sonora es de 91dB/W/M. La profundiad de montaje es de 66 mm. Se usan imanes de estroncio en el woofer y en el squawker y de neodimio en el tweeter.

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Las bo binas móviles son de polimidas e n sus formas. Todos los parlantes ilustrados poseen rejillas de protección desmontables. En la figura 8.19 se observa un subwoofer activo de Alpine que está incluido en un gabinete autónomo junto con su amplificador especial. El parlante es de 16 cm, con una potencia nominal de 40 watt. El nivel de la presión sonora (SPL) es de 90dB/W/m y el rango de frecuencias del subwoofer a los demás parlantes del sistema. Si existe por ejemplo un woofer que llega a 50Hz, conviene elegir una frecuencia de cruce más alta, tal vez, de 80Hz, para combinar armoniosamente los rangos de frecuencia. Algunos parlantes p oseen refrigeración por me dio de fluidos férricos. Si bien este tipo de construcción ya se comentó anteriormente, presentamos aquí una vista de su construcción en la figura 8.20. Observe la ubicación del fluido férrico (ferro fluid) que rodea la bobina móvil. Este espacio está herméticamente cerrado por medio de la pieza polar del imán, por un lado, y la araña o suspensión del cono, por el otro. La presencia, en parlantes de automóvil, del líquido con su pod er refrigerante es muy conveniente para lograr el máximo rendimiento de los mismos, en las condiciones de montaje que existen en este rubro.

Fig. 8.19

8.4. La instalación de equipos de car-stereo

Fig. 8.20

Fig. 8.21

A pesar de la gran variedad de vehículos en los cuales deben colocarse los equipos de automóvil, existen normas básicas comunes en mucho de ellos. En principio, vemos en la figura 8.21 un equipo de radio colocado en un automóvil, aspecto bien conocido por todo el mundo, si bien no todos los tableros de automóvil se parecen al ilustrado. Sin embargo existen normas DIN que rigen este tema y, la mayoría de los vehículos fabricados bajo estas normas, ya sean de origen europeo, americano o japonés, poseen u na ape rtura adecuada para dar cabida a los equipos de radio, casete o CD, fabricados también bajo estas normas, independientemente de su marca. Este corte de medidas aprobadas es de 178 x 50 mm. Otro lugar preferido para la colocación de componentes es la guantera y, para los amplificadores de potencia y parlantes de gran tamaño, el baúl. El tema de los parlantes es generalmente algo más complejo, como vemos en la figura 8.22, donde se observan tres alternativas para la colocación de parlantes en puertas y ventanas del automóvil. En la figura 8.23 vemos la ubicación de un amplificador y de un tablero de conexiones en el baúl del automóvil. Esta fiFig. 8.22 (A) guras son sólo de


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orientación, ya que las variaciones del tema son numerosas. En la figura 8.24 vemos otra variante que usa conectores RCA, DIN e incluso cables de fibra óp tica. Se o bserva que el receptor y pasacasete 7618R y el procesador digital 3362 está en el frente, mientras que el cambiador de discos CD 5957S está en el baúl del vehículo, junto con dos amp lificadore s de potencia. El receptor 7618R posee también los circuitos electrónicos necesarios para controlar a distancia el cambiador de seis CD, modelo 5957S. Este modelo está equipado con un conector de fibra óptica que se observa también en la misma figura y que permite un conexionado digital por medio del sistema Digital Link de Alpine. El 5957S permite pasar seis discos CD, controlado po r el procesad or en el frente. El procesador 3362 permite también una amplia variación del campo de sonido, tanto en su ecualización para diferentes ambientes (sala de concierto, estadio, catedral, etc.) como para la distribución del sonido en favor de los pasajeros (atrás) o del conductor (adelante). Este equipo posee conexiones para ocho parlantes. Un punto muy importante en la radio del automóvil es la fuente de tensión primaria, la batería de 12 volt del vehículo. Cuando se usan equipos de audio medianos o pequeños, la batería normal del automóvil está en condiciones de brindar un servicio suficiente. En cambio en los equipos de gran potencia y gran consumo, se recomienda usar baterías especiales y eventualmente, adicionales a la original del coche. En este terreno la industria ha sacado buen provecho de los avances obtenidos en este tema en al industria bélica. Actualmente se ofrecen baterías especiales, basadas en electrolíticos gaseosos recombinantes, que poseen un cierre completamente hermético y no requieren ningún agregado de líquidos, simplemente porque no continen ningún líquido. Los datos técnicos de esta batería junto con unos conectores de construcción muy robusta, son los siguientes: tensión: 12 volt, corriente para el arranque en frío: 550 ampere, pico máximo de la corriente de descarga: 1.200 ampere, capacidad: 35 ampere/horas, peso: 14,5 kilogramos, tamaño: 24,5 x 12,7 x 15,6 cm.

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Fig. 8.22

Fig. 8.23

Fig. 8.24


FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSICALES ELECTRONICOS

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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSI CA LES ELECTR ONICOS 9.1. Introducción a la música electrónica

En el Capítulo 1.6 de la presente obra habíamos establecido las normas que rigen la música occidental y que tiene como base una octava de 12 tonos. En esta octava se fija la nota LA de 440Hz y se relacionan con ella los 12 tonos de la octava. Como la nota más baja de una octava tiene una frecuencia igual a la mitad de la frecuencia de la octava siguiente, vemos que las 12 notas se relacionan por un factor de 1,059463094, que es la doceava raíz de dos. La escala musical así formada surge de la Tabla 1.2 del Capítulo 1 y en todo el reino musical que disfrutamos y que está al alcance de nuestros oídos, podemos ubicar unas 10 octavas, aproximadamente. El alcance musical es, sin embargo, menor y abarca unas 97 notas entre 32 y 8.372Hz. Repetimos que todas las notas están relacionadas con el factor arriba anotado y las frecuencias de las octavas guardan la relación de dos a uno, como vemos en la figura 9.1. Para crear, entonces, un instrumento musical electrónico, parece ser suficiente conectar 97 generadores individuales, uno para cada tono, para producir una salida separada de cada no ta que se ap lica a u n am plificador y u n p arlante, y el instrumen to musical electrónico está listo. En una época pasada, efectivamente fue este el camino de la mayoría de los órganos electrónicos que se construyeron en la época de los años 30 y en los posteriores. Este sistema, sin embargo, no es sencillo ni estable, a través del tiempo y no es barato. Todas las notas de este órgano deben ser afinadas en su frecuencia en forma individual, igual que un piano convencional, pero con el inconveniente de que numerosos factores influyen en que este ajuste no tenga una estabilidad prolongada. La influencia de variaciones en las tensiones de alimentación o en algunos componentes y en el envejecimiento de todos los componentes, producen excursiones en las frecuencias generadas, que no son tolerables en el mundo de la música. No olvidemos que el arte libre de la música está regido por leyes matemáticas y físicas muy rigurosas. Nuestro oído tiene por costumbre notar conson ancias y disonancias de no tas musicales en forma mu y destacada y cuando más educado está un oído en el sentido musical, mayor es el efecto que las Fig. 9.1 disonancias producen. El avance de la Electrónica, con la introducción de los circuitos integrados MOS-LSI (Metal Oxide Semiconductor - Large Scale Integration) de integración en gran escala, ha p ermitido cambiar completamente el criterio para la construcción de los órganos electrónicos y de muchos otros instrumentos musicales electrónicos.

9.2. El órgano e lectrónico m od ern o Los osciladores del tipo RC o LC que se usaban para generar las 97 frecuencias diferentes, fueron reemplazadas por un único oscilador de alta frecuencia, de 2 a 4MHz, que produce una sola frecuencia, como vemos en la figura 9.2. Esta única frecuencia es aplicada a circuitos integrados MOS-LSI que contienen varios divisores de frecuencia que dividen la señal original, de tal manera que el resultado de 12 divisores es siempre una occtava de 12 tonos. Aun cuando la frecuencia del oscilador maestro cambie en forma accidental o intencional, las frecuencias resultantes manten-


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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSICALES ELECTRONICOS drán siempre su relación armónica y su valor musical. Se usa, por lo tanto, un integrado como generador de la octava superior, la más alta que deseamos obtener y otros divisores que se aplican a continuación para lograr toda la cantidad de notas que debe tener el instrumento. En la figura 9.3 vemos un ejemplo típico que corresponde al integrado MM5891N de National Semiconductor. Existen, sin embargo, variantes en el diseño del generado r maestro al partir de diferentes valores de la frecuencia original. En la Tabla 9.1, hemos resumido los valores de diferentes frecuencias de la octava superior y los divisores de frecuencia usados para o btenerlos. Además se indican los valores no minales de cada frecuencia pra poder comparar la exactitud con la cual se generan las frecuencias en el órgano electrónico. Se indican también, como dato ilustrativo, los tipos de circuitos integrados, usados con cada diseño.

Fig. 9.2

______________________________________________ Tabla 9.1. Frecuencias obtenidas con diferentes valores del oscilador maestro.

F rec. del osc. maestro

Diviso r

F rec. real Hz No ta

F rec. nominal Hz

2,00024MHz (MM5832) (AY-1-0212)

239 253 268 284 301 319 338 358 379 402 426 451 478

8369,21 7906,09 7463,58 7043,10 6645,32 6270,34 5917,87 5587,26 5277,68 4975,72 4695,40 4435,12 4184,61

DO 9 SI 8 LA#8 LA 8 SOL#8 SOL 8 FA#8 FA 8 MI 8 RE#8 RE 8 DO#8 DO 8

8372,02 7902,13 7458,62 7040,00 6644,88 6271,93 5919,91 5587,65 5274,04 4978,03 4698,64 4434,02 4186,01

2,126080MHz (MM5555) (S1857)

254 269 285 302 320 339 359 380,5 403 427 452,5 479,5 508

8370,39 7903,64 7459,93 7040,00 6644,00 6271,62 5922,23 5587,60 5275,63 4979,11 4698,52 4433,95 4185,20

DO SI 8 LA#8 LA 8 SOL#8 SOL 8 FA#8 FA 8 MI 8 RE#8 RE 8 DO#8 DO 8

8372,02 7902,13 7458,62 7040,00 6644,88 6271,93 5919,91 5587,65 5274,04 4978,03 4698,64 4434,02 4186,01

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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSICALES ELECTRONICOS 4,252160MHz (AY-3-0214) (MK 50242)

254 269 285 302 320 339 359 380,5 403 427 452,5 479,5

16740,78 15807,28 14919,86 14080,00 13288,00 12543,24 11844,46 11175,20 10551,26 9958,22 9397,04 8867,90

DO 10 SI 9 LA#9 LA 9 SO L#9 SO L 9 FA#9 FA 9 MI 9 RE#9 RE 9 DO#9

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16744,04 15804,26 14917,24 14080,00 13289,76 12543,86 11839,82 11175,30 10548,08 9956,06 9397,28 8868,04

4,008MHz (AY-3-0215) (MK 50240)

239 16738,40 DO 10 16744,04 253 15812,10 SI 9 15804,26 268 14927,10 LA#9 14917,24 284 14086,10 LA 9 14080,00 301 13290,60 SO L#9 13289,76 319 12540,60 SO L 9 12543,86 336 11835,70 FA#9 11839,82 358 11174,50 FA 9 11175,30 379 10555,30 MI 9 10548,08 402 9951,40 RE#9 9956,06 426 9390,70 RE 9 9397,28 451 8870,20 DO#9 8868,04 478 8369,20 DO 9 8372,02 ______________________________________________________________

Fig. 9.3

Una vez obtenidas las notas de la octava superior, sólo es necesario pasar las mismas por sendos divisores de frecuencia, para lograr cada una de las notas más bajas que se desea obtener. Una configuración muy común es la de 8 octavas, para lo cual se necesita un divisor divisor de siete veces dos, despu és de la octava superior. En la figura 9.4 vemos el esquema de un divisor de frecuencias de este tipo, el circuito integrado AY-1-1007B de General Instrument. Existen, sin embargo, muchos otros integrados con la misma función. El funcionamiento de los divisores de frecuencia con un factor de dos es muy confiable, ya que básicamente son etapas flip-flop que no pu eden fallar fallar generalmente, generalmente, o funcionan funcionan bien o, directamente, directamente, dejan de funcionar y su falla es fácilmente detectable. Muchos podrán preguntar por qué no hemos mencionado el uso de un cristal de cuarzo, en la función del oscilador maestro del órgano electrónico. El motivo es que este oscilador recibe muchas veces una o más señales adicionales, que lo sacan de su frecuencia nomi-

Fig. 9.4


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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSICALES ELECTRONICOS nal. Esto es factible en un oscilador de cuarzo, pero requiere circuitos adicionales más complejos. Con un oscilador I.-C del tipo Hartley o Colpitts, la solución es más sencilla. Esas dos señales adicionales son las que corresponden al efecto vibrato, se trata de un oscilador de baja frecuencia, del orden de los 6Hz, aproximadamente, que se puede aplicar al oscilador maestro para modularlo en frecuencia. En la misma figura 9.2, donde se observa el circuito del oscilador maestro, se encuentra también el circuito resonante para lograr su modulación de frecuencia. El oscilador del vibrato es del tipo de rotación de fase a través de tres sectores RC que introducen un desfas desfasaj ajee d e e xactamente 180 grados grados p ara una sola frecuencia, frecuencia, en la cual oscila entonces este oscilador. El control de 25K permite variar el valor de RC y con ello, la frecuencia del vibrato. Para producir el trémolo es necesario modular la señal del oscilador maestro en amplitud, también con un valor de frecuencia similar al vibrato. En la figura 9.5 vemos un circuito de trémolo, donde Q1 es el oscilador de 6Hz, del tipo de rotación de fase y Q2 es una etapa de amplificación intermedia cuya amplitud es controlada por el oscilador de Q1. Ambos osciladores pueden conectarse o desconectarse a voluntad. Con los datos expuestos del oscilador maestro, vibrato y trémolo y los datos de los divis divisores ores de fr frecuencia, ecuencia, pod emos estudir ahora el esquema en bloques de un órgano electrónico que vemos en la figura 9.6. Los tres osciladores mencionados se encuentran en la parte superior del diagrama y ellos son de carácter analógico. Al entrar la señal al generador de la octava superior y de allí a los 12 divisores de frecuencia, esta señal sinusoidal analógica actúa como clock para los circuitos digitales de los divisores de frecuencia. Esta transformación es necesaria por dos motivos: uno es la facilidad con la cual los circuitos digitales del flip-flop permiten la división por dos y el otro la necesidad de disponer de una señal rica en armónicas para llegar por filtrado a la alimentación de diferentes fer entes armón ic icas as que permiten la simulación de diferentes instrumentos musicales. En la figura 9.7 observamos una parte de esta transformación en diferentes formas de onda y el contenido armónico de los mismos. Los diferentes instrumentos poFig. 9.6 seen tonos con un contenido ar-

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Fig. 9.5



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mónico típico. Las ondas cuadradas con su contenido de armó-

Fig. 9.7 nicas impares, impares, p uede n u sars sarsee e n forma d ir irecta ecta sólo para flautas y clarinetes, pero los instrumentos de lengüetas y de cuerdas poseen un contenido de armónicas pares e impares, propio de las ondas de sierra. Para obtener ondas diente de sierra, a partir de las ondas cuadradas, puede usarse un proceso de escalonado, como el que vemos en la figura 9.8. En este circuito se mezcla una señal de onda cuadrada de frecuencia f con otra de frecuencia 2f, para lograr a la salida de una etapa de mezcla, una señ al escalonada. escalonada. En mucho s órganos se usa la señal de salida de varias octavas para obtener una señal diente de sierra más refinada. refinada. En órganos de bajo precio se suelen u sar dos etapas, en cambio en los instrumentos de mayor calidad, se usan cuatro o más octavas para la formación del diente de sierra. Para poder conectar los diferentes circuitos y activarlos en una determinada termi nada secuencia de fr frecuencias, ecuencias, es ne cesari cesarioo usar un tecl teclaado. El teclado, en su forma más sencilla y primitiva, efectúa la conexión directa de todas las señales de entrada a un punto de destino. Este tipo de teclado se denomina "teclado de alterna", ya que intervienen sólo las señales, que son de coFig. 9.8 rriente alterna, en este tipo de conexionado. El teclado de alterna se observa en la figura 9.9 y el mismo posee dos características negativas muy importantes que no lo hacen muy indicado para instrumentos musicales serios. Una es un ruido típico que se produce al conectar y desconectar las señales y que se presenta por la presencia de efectos transistorios tori os durante la cone xi xión ón y desconexión d e los tonos. El otro es la falta del efecto típico de algunos instrumentos musicales, que es la prolongación decreciente del sonido después de soltar la tecla. El sostenimiento del tono y su lenta desaparición gradual es un efecto musical importante que debe estar presente en el órgano electrónico. Este efecto se logra con el teclado de "tensión continua" que vemos en la figura 9.10 y que elimina los defectos mencionados. El funcionamiento del teclado de continua es el siguiente. La presencia de C1 permite que la nota aparezca en forma gradual, ya que antes de poder salir por la llave constituida por los transistores MOS Q1 y Q2, debe cargarse este capacitor. Recién cuando C1 está cargado, permite la polarización de ambos transistores que in-

Fig. 9.10

Fig. 9.9


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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSICALES ELECTRONICOS tervienen en el paso de la señal. Por otra parte, C2 mantiene una carga, aun después de haberse desconectado de la fuente por la tecla S y esta carga forma una constante de tiempo que prolonga el funcionamiento de la etapa d urante un b reve periodo. Este efecto de prolongación o sostenimiento es esp ecialmente importante en la imitación de instrumentos de percusión, como el piano, cuyo sonido decae lentamente al soltar la tecla. El uso de circuitos integrados MOS permite la realización de los Fig. 9.11 circuitos del teclado de continua a bajo costo y espacio reducido, a pesar de su complejidad intrínseca. Después de generar las frecuencias de cada nota y habilitarlas por medio del teclado de continua o alterna, es necesario filtrarlas para producir las formas de onda que corresponden a cada instrumento o voz del órgano. Uno de los filtros usados para lograr tonos libres de armónicas, quiere decir sonidos sinusoidales, es el filtro pasabajos de tres pasos que se observa en la figura 9.11. En algunos modelos de órganos Fig. 9.12 menos sofisticados, se encuentra a veces filtros de una sola etapa que produce un efecto menos pronunciado, pero aceptable para aplicaciones menos exigentes. En la figura 9.12 vemos un filtro L-C que resuena en una parte de la band a, denominada frecuencia formadora y produ ce el efecto qu e se relaciona generalmente con los instrumentos de lengüeta. Esta frecuencia formadora depende en su valor, de la forma, el tamaño y otros aspectos constructivos del instrumento, motivo por el cual varía este parámetro para diferentes instrumentos (trompeta, oboe, etc.). En la figura 9.13 Fig. 9.14 vemos la respuesta típica de los filtros formadores. El tercer filtro muy usado es el que se usa para imitar instrumentos de cuerda y lo vemo s en la figura 9.14. También aquí existen variantes en los valores del filtro de acuerdo al instrumento (violín, viola, chelo, etc.). En principio, todos los instrumentos de cuerda poseen una distribución de armónicas muy pareja, con menos influencia de la fundamental que en las flautas y también sin la presencia de las frecuencias formadoras de los instrumentos de lengüeta. Para la generación electrónica de este sonido se usa un capacitor en serie para reducir la fund amental y un capacitor en derivación para reducir las armónicas más altas del Fig. 9.13 diente de sierra de origen. Existe en todo órgano electrónico, aun en los de costo muy bajo, una cantidad grande d e los tres tipos de filtros mencionados y cada uno tiene una llave para activar o desactivar los filtros. Estas llaves son accesibles desde el panel de control que está marcado con el respectivo nombre del instrumento que representa. Las señales que salen de los filtros son mezcladas y se envían al amplificador y a los parlantes del órgano. Este amplificador puede tener un solo canal en los instrumentos sencillos, pero hasta cuatro o m ás canales en los equ ipos más elaborados. En este aspecto se aplican todos los términos que vimos en los capítulos anteriores y también están indicados en la figura 9.1 en lo referente a woofer, squawker y tweeter.

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Fig. 9.15 Además de las funciones y

Fig. 9.16

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etapas mencionadas. pueden existir en modelos selectos, otras prestaciones, como reverberación, pedal de expresión (control de volumen), unidades de ritmo, grabadores de cinta de audio, posiciones de demostración que permiten reproducir melodías preparadas de fábrica y varios ritmos de acompañamiento. En la figura 9.15 vemos el aspecto de un modelo de órgano electrónico comerical moderno, el modelo E-12 de Roland de origen japonés, pero obtenible en nuestro me rcado. A continuación reproducimos algunas de sus especificaciones. Marca y modelo: Roland, modelo E-12. Teclado: 61 teclas de velocidad fija. Cantidad de tonos: 223 + 8 juegos de tambores + 1 juego de efectos especiales (explosión, helicóptero, puertas y otros). Polifonía máxima: 24 teclas Partes multitimbrales: 8 Estilos de música: 64 Efectos digitales: reverberación y efecto coral. Melodías de demostración: 8 Conectores: auriculares, salidas (L, R, mono), salida MIDI, entrada cc. Amplificadores: 2 de 3 watts + 3 watts. Parlantes: 2 x 5 pulgadas (12 cm). Fuente de alimentación: 12 volt, 500mA En estas especificaciones se menciona una salida MIDI que debemos estudiar más a fondo debido a la importancia que posee este modo en la actualidad en la era de la computación. MIDI es el acróstico de Musical Instrumental Digital Interfase = interfaz digital para instrumentos musicales electrónicos. Se trata de un protocolo normalizado que permite la interconexión de instrumentos musicales electrónicos con equipos digitales, teclados, computadoras, etc. La conexión MIDI se suele efectuar con una interfaz especial, similar a la que vemos en la figura 9.16. Esta interfaz normalizada coloca todas las señales producidas sobre una línea del canal MIDI, permite que cada uno de los componentes conectados a esta línea, elija el que le corresponda. Es un proceso similar al que se usa en un receptor de radio o TV por el cual se encuentran en la antena todas las señales a su alcance, pero el receptor sólo elige aquélla a la cual está sintonizada, con una señal por vez. También se puede usar el MIDI para activar instrumentos musicales electrónicos multitimbrales y polifónicos, que permiten producir con un solo toque del teclado, transmitido vía MIDI, sonidos diferentes, cada uno de los cuales corresponde a un canal diferente. Un teclado multitimbral permite la generación de sonidos de cuerdas, piano, bajo y tambor, en forma si-


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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSICALES ELECTRONICOS multánea. En la figura 9.17 vemos el esque ma de un secuenciador controlado po r PC a través del MIDI. Se observa el teclado que entrega su señal Audio Out en forma convencional a un amplificador estereofónico y sus parlantes. Sin embargo, en forma adicional a esta conexión convencional se observa la conexión entre la PC con sus conexiones de MIDI IN y MIDI OUT que se conectan a su similares del teclado. La línea MIDI THRU envía estas señales a un módulo MIDI que los transforma en señales de audio al compás de los mandos de la PC y, de esta manera, llegan al teclado. ,9../La señal de audio, generada o sintetizada de esta manera es aplicada juntamente con la señal convencional al amplificador estéreo y reproducida juntamente en los parlantes. El módulo MIDI es, en sus funciones, como se sabe, similar a un órgano electrónico, pero con la diferencia que sus mandos no provienen de teclas físicas, sino de una línea MIDI. El MIDI permite también la creación de efectos especiales, tales como ecos o reverberaciones con una duración de retardo variable, o el coro, que agrega plenitud al sonido. Ambos efectos acompañan el sonido original. En la figura 9.18 vemos el aspecto de un tablero de conexiones, con sus tres conectores típicos de MIDI IN, MIDI OUT y MIDI THRU. A su vez, vemos en la figura 9.19 el aspecto de una tarjeta de MIDI para PC, que es el complemento indispensable para esta función digital. En los órganos eléctronicos se encuentran también otras funciones que contribuyen a una mayor cantidad de prestaciones, a través de variaciones de instrumentos, ritmos y tiempos, provenientes de un generador de ritmo. El generador de ritmo se basa generalmente en circuitos integrados clásicos en este terreno son los tipos M252 y M253 de SGS-ATES, si bien otros integrados son producidos por otros proveedores del ramo, por ejemplo, el MM5871 de National Semiconductor, el AY-5-1315 de General Instrument, el S9980 de A.M.I. y varios otros. La base del S8890 como generador de ritmo es un ROM y un contador que contiene también un oscilador interno, un contador de 6 bits, el ROM que excita a 9 instrumentos rítmicos y también un LED como elemento indicador. Se puede usar para 10 patrones de ritmo con nueve instrumentos. En la figura 9.20 vemos un diagrma funcional del S8890 y en la figura 9,21 vemos el as-

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Fig. 9.18

Fig. 9.19

Fig. 9.20



Fig. 9.21

Fig. 9.22

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pecto de este integrado d e 40 patitas que se fabrica con el p roceso de la implantación d e iones. Este proceso fue perfeccionado alrededor de 1974 y permite la fabricación de integrados del tipo PMOS que se puede aplicar tanto a los del tipo de deplexión como a los de enhancement en el mismo dispositivo. Esta técnica brinda una mejor performance y reduce notablemente el costo y mejora la confiabilidad de la producción. Se aplica también a los integrados MOS con canal N. En u n gen erador de ritmos debe n con jugar tres parámetros: la cantidad de instrumentos que se controlan, la cantidad de ritmos que se pueden producir y los tiempos de cada ritmo. El generador de ritmos permite establecer las pautas para estas tres funciones, pe ro po r sí sólo no produce sonidos, sólo controla los generadores de los sonidos en el órgano o sintetizador de música al cual está conectado. En algunos casos es por indicación numérica, en otros por la indicación lumínica del ritmo seleccionado. Los generadores de ritmos existen también una salida para un indicador de ritmos, que generalmente consiste en uno o más leds, que permiten visualizar el accionamiento del generador. En algunos casos es po r indicación nu mérica, en otros por la indicación lumínica del ritmo seleccionado. Los generadores de ritmos son programables. En algunos tipos se efectúa esta programación durante el proceso de fabricación d el chip y en este caso se denomina "programación por máscara". En otros, el usuario puede programar su integrado por medio de conexiones específicas. En la figura 9.22 vemos un circuito del integrado M252 con la indicación de dos variantes programadas por máscara con la indicación de M252-AA y M522-AD. Pero además de esta programación de fábrica, el usuario pue de introducir sus prop ias variantes y modificaciones. En la figura 9.23 vemos un circuito

Fig. 9.23


Fig. 9.24

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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSICALES ELECTRONICOS para incrementar la cantidad de ritmos, en la figura 9.24 se observa otro para el aumento de la cantidad de instrumentos y en la figura 9.25 vemos el circuito para el aumento de los tiempos elementales. Existen tablas que indican las conexiones que deben efectuarse para lograr las características de los ritmos a producir. Cada fabricante de órganos introduce, entonces, sus propias secuencias y características de los ritmos de acuerdo a sus criterios de diseño. Como la cantidad de posibilidades es muy amplia, sólo indicamos los pasos a seguir en forma muy general. En todo instrumento musical de las características del órgano electrónico es necesario, sin embargo tomar en cuenta no sólo los aspectos técnicos, sino más que nada las exigencias musicales. Para tener una idea de la magnitud de este campo queremos recordar la composición d e un a orquesta sinfónica, una orquesta grande, que en algunos casos debe ser emulada por el órgano electrónico, desde luego también de tamaño grande. Se usan instrumentos de cuerda, de viento y d e p ercusión, a saber: un p iano, 18 violines primeros, 17 violines segundos, 12 violas, 11 violonchelos, cuatro contrabajos, un arpa y una celesta. Los instrumentos de viento son: cuatro flautas, cuatro oboes, cuatro clarinetes, dos fagotes, cuatro trombones, cuatro trompetas, un flautín, cinco cornos y una tuba. Los instrumentos que marcan el ritmo y acompañamiento, son los timbales, el tambor, los platillos y el triángulo. Para la música clásica importante, son éstos los requisitos, pero para la reproducción y el acompañamiento musical, pueden ser suficientes los sonidos de uno o dos instrumentos y, por lo tanto, el órgano electrónico usado en estos casos puede ser de implementación más modesta.

Fig. 9.25

9.3. Otros instrume ntos musicales electrónicos Muchos aficionados a la buena música no desean la gran cantidad de instrumentos que el órgano electrónico moderno es capaz de producir. En cambio desean tener un solo instrumento, como por ejemplo el piano, con todas las prestaciones correspondientes, pero sin tener que disponer del espacio ni los gastos pertinentes. Una solución sería en este caso un piano electrónico, que puede construirse en un espacio mucho menor, aunque también existen pianos electrónicos de un tamaño igual al pinao acústico, pero con algunas prestaciones adicionales que facilitan el aprendizaje y la ejecución de piezas musicales. en la figura 9.26 vemos el esquema en bloques del circuito de un piano electrónico. SE observa que el planteo original es muy parecido al de un órgano electrónico, pero con el agregado de etapas específicas que son necesarios para lograr la pe rformance de un p iano acústico. En este sentido deb emos tomar en cuenta especialmente dos factores: uno es el teclado con efecto de prolongación sostenida y el otro es la configuración de la voz con sus formas de onda características. Ambos te-

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Fig. 9.26

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mas fueron ya tratados, pero conviene analizar cómo se solucionan en un circuito práctico de piano electrónico. El teclado es, desde luego, del tipo de continua y en la figura 9.27 vemos el circuito de cada tecla del piano. Los capacitores C1 y C2, externos al circuito integrado principal, completan este circuito con los fines previstos. El funcionamiento, en detalle es el siguiente. En la posición de reposo de cada tecla, con ella levantada, el capacitor C1 se carga con la tensión Vdd de -12 volt. Al apretar la tecla, primero se desconecta C1 de la fuente y después comienza a descargarse a través del resistor de 39K dentro del integrado AY-1-1320. Esta descarga se efectúa con una constante de tiempo de unos 18 milisegundos. Al final del recorrido de la tecla, la tensión final de C1 es transferida a la compuerta del transistor MOS, T3 a través de T2. Esto produce una carga de C2 con la tensión de Vc1 = 4 Volt. Cuanto más rápida sea la depresión de la tecla, mayor será la tensión inicial en C2 y más fuerte sonará la nota correspondiente. La tensión sobre C2 es de continua, pero es interrumpida al ritmo de los circuitos del divisor de frecuencia AY-15060, lo que resulta en una Fig. 9.27 onda cuadrada. El capacitor C2 se descarga lentamente a través del resistor R1 para obtener así una caída exponencial en la amplitud de la nota. Cuando la tecla es soltada, el resistor de 50K se conecta sobre C2 para amortiguar las notas con u na constante de tiempo de 110 milisegundos. La constante de tiempo sin amortiguación está determinada por los valores de C2 x R1. Este último resistor puede variar entre 68K y 1 Megohm. Se observa que el contenido armónico y las característi-


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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSICALES ELECTRONICOS cas de amortiguación están destinados a imitar de la mejor forma posible, el sonido del piano acústico. Además del piano electrónico existen también otros instrumentos musicales electrónicos que, muchas veces, son usados también en conjunto con el MIDI para formar conjuntos electrónicos completos. Muchas veces estos conjuntos son usados por compositores quienes a través de la PC efectúan sus arreglos musicales y composiciones originales. La PC posee en estos casos un programa especial que permite escribir la música en la forma habitual en el pentagrama. El proceso facilita enormemente esta tarea, a veces tediosa y con posibilidad de errores. Un instrumento musical electrónico de amplia difusión es también la guitarra eléctrica, que se transforma en electrónica mediante diversos elemen tos auxiliares que, en principio, la cone ctan a un procesad or MIDI. El mod elo de CyberBass de Peavy, posee detectores en los trastos de la guitarra que determinan la tonalidad en la cual se ejecuta el instrumento. Si bien este tema es muy complejo, existen ya varias propuestas que permiten que el guitarrista, a través del MIDI, pueda ejecutar su melodía, acompañado por los acordes de otro instrumento o de un órgano electrónico. El piano electrónico es muy apto para esta finalidad, ya que tambén posee conexión de MIDI y esto permite sus participación en esta propuesta. En el rubro de guitarras como MIDI participan también otras marcas con diversos modelos que se diferencian, a veces, por los sensores que usan. Hay modelos con sensores magnéticos que son aptos sólo para instrumentos con cuerdas de acero, como el Roland GK-2A y también hay modelos con sensores ultrasónicos, como el Yamaha G-10, que es apto para todo tipo de guitarra. Algunos fabricantes produjeron controladores de MIDI que no poseen ninguna cuerda, pero se usan para producir su sonido. Ejemplos de esta tendencia son los modeos Suzuki Unisynth y Starr Switch Ztar, por ejemplo. Todos estos modelos tienen sus ventajas y limitaciones y, en definitiva, el uso de ellos es más un problema artístico que técnico.

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AJUSTES, MEDICIONES Y REPARACIONES EN AUDIO

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AJUSTES, MEDICIONES Y REPARACIONES EN AUDIO 10.1. Los alcances del servicio técnico en audio Tal vez más que en otras ramas de la electrónica de consumo, existen en el servicio técnico de audio requisitos especiales que debemos tomar en cuenta para lograr los me jores resultado s técnico s y de relacion es púb licas. Record amos siem pre qu e el bu en técnico de service es aquél que deja el equipo en perfectas condiciones de funcionamiento y conforme al cliente. Una condición sin la otra no es suficiente. En el servicio técnico de audio contribuye también la naturaleza de las señales de audio y la impresión subjetiva que p uede n causar en técnico y usuario y en qu é med ida estas impresiones están en concordancia con las espe cificaciones técnicas de los equipos a controlar. No es posible exigir a un equipo de calidad media, un rendimiento de Hi-Fi o High End, pero sí es imprescindible que los equipos que corresponden a estas últimas categorías cumplan satisfactoriamente con todos los requisitos de la propia. Un párrafo aparte merece también lo que podemos llamar la "impresión subjetiva". Hay muchas personas que están dotadas de un oído privilegiado que les permite apreciar la música con valores absolutos y reales. En nuestra experiencia es necesario tomar en cuenta la escala de valores que estas personas pueden comunicarnos, sobre todo si el técnico n o p osee u n e ntrenamiento musical comparable con el del usuario. Además, muchas veces, el usuario escucha su equipo constantemente y se supone que por eso debiera poder evaluarlo mejor que nadie, sobre todo si se presentan cambios en la performance, que tal vez haya sido buena hasta cierto momento y empezó con algún problema hace relativamente poco tiempo. En este sentido el técnico lleva una cierta desventa ja con respecto al clien te, ya qu e escucha gene ralmen te mu chos eq uip os y no sólo el de l usuario y generalmente debe evaluar el funcionamiento eficaz de muchos equipos de toda índole. Es precisamente en estos casos cuando hay que tener presente y, si es posible, a la vista las especificaciones técnicas del equipo a analizar. En estos caso es también muy necesario efectuar mediciones y comprobaciones objetivas para alejarnos de meras impresiones subjetivas, si bien éstos también tienen su valor. Debemos tratar de alejarnos en caso de duda, de las evaluaciones subjetivas y reemplazarlas por mediciones cualitativas y cuantitativas. Es en estos casos, entonces, cuando debemos efectuar las mediciones corespondientes, con los métodos aconsejados y con el instrumental adecuado. Si el equipo de audio funciona, con viene comprob ar los siguientes parámetros, como mínimo: 1) la potencia de salida, 2) el rango dinámico de frecuencias y 3) la distorsión armónica total. Los tres parámetros deben ajustarse a las especificaciones del equipos que, por supuesto, deben estar en conocimiento del técnico. Recuerde que estos datos se encuentran muchas veces en el Manual del Usuario y, a veces, también en una de las chapas de identificación del equipo. Desde ya queremos hacer hincapié en el hecho de que estos tres valores no son los únicos que pueden necesitar una comprobación, pero son el comienzo del ovillo del cual debemos hacer uso.

10.2. La medición de la potencia de salida Comenzamos con esta medición, porque nos da la oportunidad de establecer la necesidad obligatoria que no se conecte o pruebe ningún equipo de audio sin su correspondiente carga, ya sea sus parlantes que están conectados habitualmente con el mismo


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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSICALES ELECTRONICOS o un resistor no-inductivo del valor resistivo nominal del equipo y con u na d isipación adecuada a la po tencia de salida e specificada. En todos los casos es necesario también dimensionar los cables de conexión de acuerdo a la máxima corriente de audio que puede circular en el circuito de los altoparlantes. De acuerdo a las normas habitualmente usadas nos guiamos para la evaluación de la potencia de salida de un amplificador d e audio por el valor sinusoidal que se define por la siguiente expresión: Potencia de salida Po = Erms2/R donde Erms es el valor de la tensión sinusoidal, medido sobre los extremos de la resistencia de carga nominal, R. El valor efectivo d e u na tensión alterna es e l valor de cresta dividido p or 1,41, quiere decir Erms = Em/1,41. Si medimos la tensión de salida con un voltímetro de audio, su valor será en Erms, pero si lo medimos en el osciloscopio calibrado, o btendremo s la tensión de cresta Em y debemos efectuar la sencilla operación indicada. El instrumental necesario para esta medición es entonces un generador de audio calibrado y un osciloscopio. Si deseamos medir la tensión con el voltímetro d e au dio, también n ecesitaremos este instrumento. Eventualmente, se necesita también el resistor de carga que debe ser no-inductivo con un valor resistivo de 2, 4 u 8 ohms, según las especificaciones del amplificador y con una potencia de disipación de acuerdo al tipo de amplificador normalmente, para evitar introducir factores ajenos al equipo. En las figuras 10.1, 10.2 y 10.3 vemos este instrumental.

Fig. 10.1

Fig. 10.2

10.3. La respuesta de frecuencia La respuesta de frecuencia de un e quipo de au dio es importante y junto con los otros dos datos indicados permiten la asignación de categoría de Hi-Fi o High End del mismo. Este dato adquiere entonces importancia bajo el punto de vista técnico, musical y comercial. Para efectuar esta medición se necesita el siguiente instrumental: un generador de audio, un osciloscopio y un voltímetro para audio, similares a los que vimos en las figuras 10.1, 10.2 y 10.3. El conexionado básico de este instrumental y del equipo bajo prueba es el que surge de la figura 10.4. El valor de R1 debe ajustarse de tal manera que refleje el valor real, resistivo y no inductivo de la impedancia de carga en su valor óhmico. La respuesta se verificará como gráfico, motivo por el cual también debe prepararse, al efectuar esta medición, una hoja de papel con escala logarítmica en la abscisa y otra lineal en la ordenada. La medición se efectúa en la zona de amplitud que previamente habíamos comprobado como libre de recortes y distorsiones, quiere decir: con una amplitud inferior a la que se usó para la medición de la potencia. En esta situación se va inyectando al equipo bajo prueba la señal de audio en pasos de frecuencia, controlando en cada paso la amplitud de la señal de entrada al equipo que debe mantenerse constante para todas las frrecuencias de 20 a 20.000Hz. A continuación se mide la tensión de salida del amplificador con otro instrumento que puede ser el osciloscopio calibrado o el voltímetro de audio. Recuerde que en la pantalla del osciloscopio se leerán los valores de cresta, mientras que en el voltímetro se suelen medir valores de tensión eficaz (RMS = Root Mean Square = valor eficaz). Todas las mediciones deben efectuarse en la misma escala, ya sea en valores de cresta o valores

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Fig. 10.3



Fig. 10.4

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RMS, pero no debemos cambiar esta escala en el transcurso de la medición. Mientras se cumple con este requisito, no tiene importancia cuál sea la escala elegida. El voltímetro que vemos en la figura 10.3 posee d os instrumen tos de aguja, indep endientes , y cada uno con sus correspondientes terminales de entrada, lo que permite la lectura simultánea de la tensión de entrada que debe mantenerse constante y la de salida que indicará los valores que debemos registrar en el gráfico. Para obtener cada valor del gráfico, se inyecta una frecuencia con un valor de amplitud constante pre-establecida y se toma la lectura del valor de la tensión de salida que se asienta en el gráfico. Se observa que, como en la figura 10.5, en la curva de respuesta obtenida se distinguen normalmente tres zonas: una zona lineal en la parte central y dos zonas no-lineales al comienzo y al final de la curva. Este aspecto es normal para toda clase de eq uipo, pe ro la diferencia entre equipos convencionales y otros de Hi-Fi y High End, reside en la extensión de cada zona. Teóricamente, en un equipo de Hi-Fi o mejor, la zona plana se debe extender desde casi 20Hz hasta casi 20.000Hz. En equipos de menor calidad tal vez sólo será plana entre 80 y 8.000Hz. Cuando hablamos de curvas planas, nos referimos a que no existan variaciones mayoFig. 10.5 res, ni men ores, de ±2dB. Los valores de la señal de entrada deben seguir las indicaciones de las especificaciones del equipo que se mide. Estas especificaciones pueden expresar, por ejemplo, 117mV para 0dBW o 1,65V para el valor máximo de la potencia especificada. Estos datos son los que corresponden al amplificador de potencia de audio que habíamos tratado en el Capítulo 6.3, pero, desde luego, en cada caso deben tomarse los valores que correspondan al equipo que queremos medir. Otra observación la merecen todos los controles de tono, graves, agudos o ecualizadores, que deben ajustarse antes de la medición, en un punto determinado, con preferencia la posición central de cada control; pero después no deben variarse estos controles durante la medición. Si se desea, se pueden repetir las mediciones y trazar otras curvas, con los controles en posiciones diferentes, pero cada curva debe trazarse con una Fig. 10.6 posición fija de estos controles. Además, si no se usa una posición neutra de los controles de tono, que afecten la respuesta, deben anotarse las diferencias en el ajuste en la curva trazada. En todos los casos se supone que en amplificadores estereofónicos, el control de balance se encuentre en el centro de su recorrido, con una salida equilibrada en ambos canales. En equipos de audio con mayor cantidad de canales, debemos efectuar la medición de cada canal por separado. Como habíamos visto, existen en la curva de respuesta zonas d e no-linealidad que se presentan en los extremos del área de edición. Para poder detectar correctamente estas zonas es necesario e fectuar los pasos de frecuencia de la medición con la de bida cautela. En el área que supuestamente haya pocos cambios en la curva de respuesta, los pasos de frecuencia pueden llegar a 100 ciclos entre un punto de medición y el siguiente, pero en las zonas de no-linealidad, conviene efectuar las mediciones cada 10Hz. Estas zonas de de caimiento se deno minan muchas ve-


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Fig. 10.7 ces con su expresión en inglés ROLL-OFF. Insistimos en la necesidad de monitorear la salida del generador de audio en todo momento, para estar seguro de que el mismo tenga su valor normal en todas las frecuencias. Un generador de audio, como el de la figura 10.1, es muy útil porque permite leer el valor de la frecuencia generada, en el mismo instrumento que lo produce, por medio de un display numérico. Este modelo es el 72-910 de Tenma. A la vez el voltímetro de audio de la figura 10.3 con doble movimiento de aguja, que es el modelo 70-505 de Tenma, permite leer simultáneamente las tensiones de entrada y salida en todas sus escalas, que abarcan entre 1mV hasta 300 volt, en doce escalas. Por otra parte, el osciloscopio de la figura 10.2 es el modelo V-1055a de Hitachi y posee dos canales que permiten también una lectura de dos señales aplicadas. El contador de frecuencia incorporado en este modelo es sumamente útil en toda clase de mediciones. Estos instrumentos se indican sólo como guía y el técnico podrá usar todo otro instrumento que cumpla con los requisitos necesarios que fueron indicados.

10. 4. La medición de la Distorsión Armónica Total (THD) La presencia de armónicas es una parte importante de la música, como vimos en el Capítulo 9, pero las armónicas producidas fuera del contexto musical pueden afectar la fidelidad de un equipo de audio en forma muy severa. En la figura 10.6 vemos las distorsiones de una onda sinusoidal producidas por la presencia de armónicas de segundo y tercer orden. Para la medición de la THD existen diferentes métodos, entre ellos el que ilustramos en la figura 10.7. Se utiliza en este método un filtro que suprime la señal fundamental y se procede de la siguiente manera. Inyectamos la señal sinusoidal de un generador de audio, por ejemplo el de la figura 10.1, al equipo bajo prueba y conectamos la señal de salida al filtro. Este filtro elimina la señal fundamental y esta señal filtrada, que ya no contiene fundamental, al osciloscopio o instrumento de medición. Este instrumento puede ser un voltímetro d e au dio como el de la figura 10.3 o se pu ede usar también un osciloscopio, como el de la figura 10.2. La llave inversora permite medir la señal filtrada y compararla con la señal no filtrada. Se obtienen así dos valores, uno es la amplitud de la señal armónica que queda cuando se miden sólo estas armónicas con la fundamental suprimida. Si medimos 100mV con fundamental y 3mV sin fundamental, la distorsión es del 3%. También podemos evaluar con un frecuencímetro las frecuencias de las armónicas presentes. Si la señal aplicada a la entrada es de 1.000Hz y a la salida podemos constatar la presencia de señales de 3.000Hz, el contenido armónico es de tercer orden (tercera armónica). El frecuencímetro del oscilador de audio y otro frecuencímetro separado, permitirá efectuar esta medición. Se suele efectuar este tipo de medición en amplificadores y preamplificadores de audio, usando en pasos sucesivos diferentes frecuencias. Una vez recorrida tod a la gama d e frecuencias de audio, se establecen valores mínimos, máximos y medios, que indican la distorsión armónica total, cifra muy importante en la evaluación de un equipo de audio.

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Fig. 10.8

Fig. 10.9

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Existen algunos instrumentos de medición, como el de la figura 10.8, que permiten medir la distorsión armónica total entre 20 y 20.000Hz, permitiendo al mismo tiempo tomar la lectura de la distorsión y del nivel de la señal con la cual se produce. El instrumento ilustrado es el modelo 72-900 de Tenma y posee un rango de edición de 0.1 al 100% en siete rangos que se ajustan en forma totalmente automática. Su entrada se puede variar entre 100mV y 300 volt. La salida permite medir 12 rangos de 1mV hasta 300 volt. La impedancia de entrada es de 100 kilohm ±100%. El ruido residual es menor a 10µvolt y la impedancia de salida es de 600 ohms. Este tipo de instrumento es muy adecuado para laboratorios de desarrollo de equipos de audio, para poder determinar los valores respectivos con gran rapidez y exactitud. La medición individual puede ser a veces una tarea tediosa que requiere concentración. Con las tres mediciones n o se agotan los parámetros a comp robar, pero ellas son las más importantes desde el punto de vista técnico y comercial. En otras mediciones pueden comprobarse los siguientes parámetros: modulación cruzada e intermodulación, ganancia de tensión, impedancia de entrada, sensibilidad de entrada, impedancia de salida y ancho de banda de potencia. Si bien todas estas comprob aciones son importantes, no revisten el carácter de imprescindible que tienen las tres mediciones indicadas. Vea las otras mediciones en el Apéndice.

10.5. Las "señales" de "ruido" Cuando se menciona en esta obra la palabra "ruido", es siempre en contraposición con el término "señal". La expresión más destacada de este criterio es la "relación señalruido" (S/N) que se usó con todo valor y peso que tiene y que seguiremos usando de la misma manera. Existen, sin embargo, dos "señales" de "ruido" que prestan gran utilidad en muchos ajustes en el dominio del audio que se está tratando en este libro. Se trata, desde luego, de señales sintéticas que no se ajustan a la característica intrínseca del ruido en general, su carácter aleatorio, sino que se trata de señales muy bien controladas y definidas. Nos referimos al "ruido rosa" (pink noise) y al "ruido blanco" (white noise). El "ruido rosa" es un tipo de ruido que posee un monto constante de energía en cada octava musical. Esto significa que se desarrolla de manera uniforme en todo el espectro de frecuencias. Por otra parte, el "ruido blanco" se caracteriza por un incremento de amplitud de +3dB por octava de cambio de frecuencia y posee igual energía por an cho de banda constante. Observe la diferencia que significa "igual energía por octava" versus "igual energía por ancho de banda constante". Ambos tipos de ruido son útiles para ajustes de diferentes parámetros de audio, pero antes de entrar en el terreno de su aplicación podemos analizar brevemente la relación que existe entre ambos tipos de "ruidos útiles". Para la gene ración de señales confiables de ruido, es necesario tener fuentes muy seguras y estables. Una de los más frecuentes generadores d e ruido b lanco y rosa es el ruido producido en junturas de semiconductores. Un diodo Zener con su polarización aplicada es una excelente fuente de ruidos. En el Capítulo 6.3 habíamos indicado que al usar diodos Zener en un circuito amplificador, había que colocar en paralelo con el diodo Zener un capacitor electrolítico para eliminar este ruido, debido a que en la aplicación indicada constituía una interferencia indeseada. En cambio, en un generador de ruido es factible usar esta señal para obtener


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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSICALES ELECTRONICOS un sencillo equipo que cumple con los requisitos necesarios. Este método no es, sin embargo, el único y muchos generadores de ruido profesionales usan otros med ios, como el que vemos en la figura 10.9. Se trata del circuito integrado MM5837 de National Semiconductor que funciona como generador de ruido. Este integrado fue desarrolado originalmente para aplicaciones en órganos electrónicos y se caracteriza por su banda ancha de ruido blanco, que es más uniforme en su señal de salida que las junturas de sem icon du ctores. El in conve nie nte consiste en qu e el ruido necesario para muchas comprob aciones en audio, es el ruido rosa con su nivel uniforme en toda la gama musical. Estas aplicaciones incluyen la comp robación de la polaridad de parlantes, la ecualización de ambientes y salas de música y otras similares. Para poder transformar el ruido blanco del generador en el ruido rosa que se necesita, es necesario agregar unos filtros que eliminen la pen diente prop ia del ruido blanco y lo conviertan en ruido rosa uniforme. En la figura 10.10 podemos observar estos filtros que eliminan la pendiente propia del ruido blanco y lo convierten en ruido rosa uniforme. En la figura 10.10 podemos observar estos filtros que se conectan en cascada para lograr el efecto deseado. Un filtro RC posee una pen diente de -6dB por octava, pero el Fig. 10.11 circuito de cascada modifica esta pendiente en -3dB por octava con una tolerancia de ±0,25dB. Esta tolerancia es suficiente para lograr las mediciones mencionadas. En la figura 10.11 vemos el esquema en bloques de un ecualizador de ambientes que incorpora el generador d e ruido rosa de la figura 10.10. Para determinar las características acústicas del ambiente se usa el generador de ruido rosa y se elimina p or med io de los ecualizadores de izquierda y de recha todas las octavas menos una. El ruido de esta octava es emitido por los parlantes y captado por el micrófono d e la figura 10.11. Este micrófono deb e tener u na respu esta plana pe ro no necesita estar calibrado. El ruido captado por el micrófono es leído en el VU-Metro y registrado. Se repite el proceso para las diez octavas del rango auditivo y se grafican los valores obtenidos. Si hubiera una irregularidad en esta curva, habrá que buscar en la octava respectiva la causa para eliminarla. A veces sólo hacen falta algunos elementos de amortiguación (cortinas, etc.) para ecualizar un ambiente. Conviene recordar lo expuesto en la figura 7.42 sobre dimensiones críticas de un auditorio y, en general, tomar en cuenta la relación recomendada de altura x ancho x largo como 1 x 1,27 x 1,62. Un ejemplo típico sería 4 x 5 x 6,50 metros. Más adelante veremos otra forma para obtener una fuente de ruido rosa y también ampliaremos el tema de las comprobaciones en las cuales es usado.

Fig. 10.10

10.6. El laboratorio para el service de audio El instrumental que se mencionó en la parte anterior de este Capítulo, a saber: generador de audio, voltímetro de audio, frecuencímetro, osciloscopio, medidor de distorsión y generador de ruido rosa, es el requisito más significativo para el service de audio, pero desde luego no debe faltar en ningún taller o laboratorio el multímetro o téster, tan necesario en todas las aplicaciones electrónicas. En la figura 10.12 vemos el aspecto de un multímetro moderno, el modelo 76 de Fluke. Este multímetro digital permite la medición de tensiones continuas y alternas, lee va-

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Fig. 10.12



CAPITULO

10

lores reales d e ten siones a lternas eficaces (RMS) en tre 400 milivolt y 600 volt, con u n ran go de frecuencias de 1Hz hasta más de 20kHz, posee un medidor de frecuencias incorporado con el mismo rango, mide corrientes continuas y alternas en un rango total de 40mA a 10 ampere, en varios rangos seleccionados, mide resistencias desde 40 ohms, con exactitud de lectura de 0,01 ohm, valores capacitivos de 99,99nF hasta 9.999nF y muchas otras características útiles para el service electrónico y con protección contra sobrecargas. La lectura de los valores es analógica y digital en forma simultánea, la primera en una escala calibrada de barras y la segunda por lectura numérica. Un accesorio que no debe faltar en ningún taller o laboratorio de electrónica, donde se trabaja con dispositivos de estado sólido, es el protector contra descargas estáticas. En la figura 10.18 vemos el aspecto de una carpeta antiestática y una pulsera para el mismo fin. Las carpetas vienen en varios tamaños, por ejemplo: de 1 metro por 1,50 para el piFig. 10.13 so y de 45 x 66 cm para la mesa de trabajo. La pulsera se usa para evitar diferencias de potencial entre la carpeta y el cuerpo del operador. Fig. 10.14 Otro aspecto que debemos tomar en cuenta es el tema de la soldadura, si bien el mismo es ampliamente conocido por el técnico de service de electrónica. Sólo queremos mencionar la importancia que reviste con los equipos modernos la soldadura y la desoldadura de componentes, especialmente de circuitos integrados con gran cantidad de patitas y soldados con el método de SMD (Surface Mounted Device), similar al que vemos en la figura 10.14. Estos componentes se sueldan en el chasis por reflujo. El proceso del reflujo consiste en depositar antes del montaje, en las patitas del integrado y en los contactos de la base una pequeña porción de estaño por medio de un soplete de aire caliente. Después de montar el integrado en el chasis se somete el conjunto nuevamente a un chorro suave de aire caliente que hace fluir el estaño en ambas partes, el chasis y el integrado, y así quedan soldados. En líneas de montaje de fábricas existen dispositivos especiales que ayudan a realizar este proceso, pero en el service será necesario que el técniFig. 10.15 co p repare sus p ropios dispositivos sencillos, para pod er realizar esta operación. La soldadura en estas condiciones difícilmente pueda realizarse con un simple soldador y mucha h abilidad, sino q ue d eben tomarse las precauciones y tener los elementos necesarios para poder realizar un trabajo profesional. Uno de los elementos recomendados en estos caso es una estación de soldadura, similar a la que se observa en la figura 10.15. Esta estación de soldadura está conectada a un equipo auxiliar que regula la temperatura del soldador d e acue rdo a un control termo-eléctrico muy preciso. En e l esquema que acompaña esta figura, vemos que se usa una tarjeta que debe insertarse para marcar el valor correcto de la temperatura del soldador. Este, a su vez, tiene junto al elemento calefactor un sensor de temperatura que regula a través de una computadora incorporada dentro del equipo auFig. 10.16 xiliar, la temperatura marcada con la tarjeta. Esta temperatura queda válida hasta que se vuelve a introducir nuevamente la tarjeta para marcar otro valor. Un display digital visualiza la temperatura marcada. Para desoldar circuitos integrados de muchas p atitas, se usa un dispositivo similar al que vemos en la figura 10.16 y que permite además utilizar un chorro de aire caliente para desoldar y una sopapa al vacío para retirar el integrado desoldado. El


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FUNDAMENTOS DE INSTRUMENTOS MUSICALES ELECTRONICOS cabezal del desoldador es cambiable para adaptarlo en cada caso a los circuitos integrados con los cuales el técnico está traba jand o. Recuerde que muchos procesadores digitales para CD, MD, DAT y otros usan varios circuitos integrados similares a los ilustrados, motivo por el cual estos dispositivos son una verdadera necesidad. Recuerde también que estamos trabajando con circuitos integrados muy sensibles a los efectos térmicos prolongados y excesivos y que las aleaciones de estaño y plomo con diferentes porcentajes de ambos componentes requieren un ajuste muy preciso de la temperatura. En la figura 10.17 vemos el aspecto que tiene la curva térmica de las aleaciones de estaño y plomo de distintos porcentajes de composición. En todos los casos debe evitarse el estado plástico de estas aleaciones, que deben, en lo posible, pasar en forma casi inmediata del estado líquido al estado sólido, para evitar la introducción de zonas frágiles y porosas que se pueden producir en el estado plástico. El valor ideal para las soldaduras en equipos electrónicos se logra con una aleación del 63% de estaño y 37% de plomo a una temperatura cercana a los 183°C. Esta aleación se denomina eutéctica y es la más recomendada en este trabajo. También es importante usar un flux adecuado en base a resina u otros materiales recomendados, para lograr una fusión rápida y limpia de las partes estañadas.

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Fig. 10.17


OTRAS MEDICIONES EN EQUIPOS DE AUDIO

APENDICE

APENDICE

APENDICE A.1. Más mediciones en equipos de audio En el Capítulo 10 habíamos mencionado varios ajustes y comprobaciones que pueden completar un examen completo de un equipo de audio, pero que en realidad no son imprescindibles para el service, sino que p ertenecen más al dominio del laboratorio de audio y, por tal motivo, no los habíamos incluido en ese capítulo. Consideramos, sin embargo, que algunos de estos ajustes poseen suficiente interés técnico como para tratarlos en forma separada en este apéndice. A continuación los describimos.

A. 2. Medición de la modulación cruzada

Fig. A.1

La mo dulación cruzada, llamada "crosstalk", en inglés, pu ede produ cirse en equ ipos estereofónicos o multicanales, al penetrar la señal de uno de los canales en el otro. Este efecto se conoce también como separación de canales y, a veces, se denomina con este nombre en las especificaciones de un equipo. Esta penetración indeseada de señales se expresa en dB y se mide de la siguiente manera. Se pueden usar con preferencia instrumentos que permitan una doble lectura simultánea de dos p arámetros, como por ejemplo: el voltímetro de audio de doble aguja, que vimos en la figura 10.3, o el osciloscopio de doble haz,

Fig. A.2


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OTRAS MEDICIONES EN EQUIPOS DE AUDIO de la figura 10.2. Para la medición se aplica una señal de audio a la entrada de uno de los canales del amplificador y se ne utraliza la en trada del otro canal mediante u n resistor en paralelo, cuyo valor debe ser equivalente a la resistencia de entrada de esta etapa, generalmente entre 47k y 68kohms. Se mide ahora en la salida de ambos canales el valor de la tensión de salida de esta señal con el instrumento de doble aguja o de dos haces electrónicos. En el caso de usar el voltímetro, se podrá leer la diferencia entre la salida de los dos canales directamente en dB, ya que los voltímetros de audio poseen generalmente la escala marcada en volt y en dB. De cualquier manera, es fácil establecer la diferencia en dB y con ello asignar el valor correcto a la modulación cruzada. Con el osciloscopio la lectura deberá tomar en cuenta la escalas diferentes que se usan para cada canal y tomar los valores obtenidos para el cálculo posterior. Una indicación de -40dB significa que el valor obtenido en un canal, es 100 veces menor que el del otro canal, usando para la medición generalmente una frecuencia de 1000Hz.

Fig. A.3

A.3. La med ición de la intermo du lació n Mientras la modulación cruzada se refería a la influencia de la señal de un canal sobre la señal de otro canal, en la intermodulación medimos la influencia de una señal de baja frecuencia sobre otra señal de alta frecuencia dentro de un mismo canal. En la figura A.1 vemos el esquema del circuito de med ición p ara la intermod ulación. Se aplican dos señales de audio, una de 50 ó 60Hz y la otra de 7kHz, a la entrada del amplificador bajo prueba y se conecta su salida a un filtro pasa-altos. En este filtro se eliminan las componentes de baja frecuencia (50 ó 60Hz) y, por lo tanto, si en la pantalla del osciloscopio conectado a la salida, aparece alguna componente de esta frecuencia baja, la misma es el resultado de la intermodulación. El esquema de la figura A.2 pertenece a un medidor comercial de intermodulación, pero en la figura A.2. vemos las conexiones para un medidor hecho por el técnico mismo. En el instrumento "casero" se usa sólo un generador de audio y la frecuencia de la red de 50 ó 60Hz suministra la segunda frecuencia de audio para la medición. La forma de onda sinusoidal, a veces imperfecta de la red eléctrica, es la exactitud suficiente para los fines de esta medición. Es necesario usar un transformador para lograr una señal de la amplitud necesaria y separada de la red eléctrica. La amplitud de las señales debe

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Fig. A.4

APENDICE

ser idéntica en el borne de entrada del amplificador. Si éste es perfectamente lineal, ambas señales saldrán del amplificador en forma separada, tal como entraron. Sin embargo, si se presenta en el amplificador alguna alinealidad en una etapa, la misma actuará como mezclador y se presentarán diferentes batidos entre las dos frecuencias involucradas. Como esto es factible bajo cierta circunstancias, resulta conveniente efectuar la comprobación por medio del circuito de la figura A.2 o un instrumento comercial. En la medición se inyectan las dos señales al equipo bajo prueba y después de pasar las señales de salida por el filtro pasa-altos, se observará, en el osciloscopio, el oscilograma correspondiente al eventual batido producido. El filtro pasa-altos sólo da paso a la señal de suma, ya que elimina las señales de baja frecuencia. Esto significa que toda señal de 50Hz que aparece en la salida se debe a la señal modulada de 7kHz y no a la señal de entrada de 50Hz inyectada. Se observa en el circuito de salida de los generadores los resistores de 10k y 39k, cuya presencia produce que la señal de 50Hz sea cuatro veces mayor que la señal de 7kHz, si bien su amplitud a la salida de los generadores es idéntica. En estas condiciones se puede tomar la lectura en el osciloscopio, cuyo aspecto será similar a la figura y ello permite efectuar el cálculo del porcentaje de intermodulación de acuerdo a la siguiente expresión: -+ Vmáx. - Vmín. __________________ x %= Vmáx. + Vmín. En los equipos comerciales generalmente se puede tomar la lectura en forma directa. El valor típico de un amplificador de alta fidelidad y alta potencia puede estar en el orden del 0,002%. En las especificaciones de muchas marcas se indica como condiciones de medición la señalada de: 50Hz, 7.000Hz, 4:1. Generalmente se indica también el régimen de la potencia de salida en el cual se especifica el valor medido.

A. 4. El uso del osciloscopio para analizar distorsiones de la señal El análisis cualitativo de las señales de audio es factible por medio de la inyección de una señal de onda cuadrada y la observación, con el osciloscopio, de la señal de salida resultante. Nos acordamos de que una onda cuadrada es una fundamental sinusoidal, acompañada por una cantidad de armónicas impares en cantidad y amplitud determinadas. Este amplio contenido armónico permite determinar el comportamiento del equipo, no sólo en la frecuencia fundamental de la onda cuadrada, sino también en señales cuya frecuencia puede ser 7 ó 9 veces superior. Una onda cuadrada de 1.000Hz permite controlar la respuesta también en 3.000, 5.000, 7.000 y 9.000Hz y, a veces, también en frecuencias superiores. En la figura A.3. vemos el aspecto de varios oscilogramas basados en una señal de entrada que vemos en la parte inferior de la figura en forma idealizada, mientras que en los 14 oscilogramas superiores se observan diferentes tipos de distorsión causadas por las razones indicadas en cada caso. Si bien en casos reales las formas de onda no suelen ser tan explícitas como las ilustradas, estas figuras brindan una idea bastante concreta de cómo pueden ser vistas en la práctica. Pruebas efectuadas con ondas sinusoidales no permiten este grado de exactitud en observaciones visuales. El método expuesto es sólo apto para estimaciones cualitativas, para mediciones cuatitativas es necesario usar el método indicado en el Capítulo 10.4.


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A.5. Medición de la ganancia de tensión La ganancia de tensión es la relación entre la tensión de salida dividida por la tensión de entrada, en cualquier frecuencia en particular o sobre el rango completo de frecuen cias del equipo. Si se man tiene constante la tensión de salida del generador, que es la tensión de entrada del equipo, simplemente se divide la tensión de salida, medida en cualquier frecuencia, por este valor de la tensión de entrada, para obtener la ganancia de tensión del equipo en esta frecuencia, siendo G = Ex/Ee. En la figura A.4. vemos el conexionado de generador, equipo y medidor p ara esta medición. Recuerde que una configuración similar existe también para la medición de la respuesta de frecuencia, motivo por el cual puede resultar conveniente efectuar ambas mediciones en forma simultánea.

Fig. A.5

A.6. Medición de la impedancia de entrada La impedancia de entrada de un preamplificador de audio depende de la selección del equipo al cual se debe conectar. Para la conexión a un pick-up de imán móvil (MM), la impedancia es baja; en cambio, para la conexión a un pasadisco de CD o una línea de distribución de audio, la impedan cia es alta. La med ición de l valor real en cad a caso p ued e e fectuarse mediante el uso del instrumental ya mencionado, a saber: generador de audio, voltímetro de audio, multímetro para la medición de la resistencia y un resistor de carga no-inductivo. En la medición de la impedancia de entrada se usa además una llave inversora que, en el esquema de medición de la figura A.5, está marcada como S1. El principio de medición es el siguiente. Se mdie la caída de tensión sobre un resistor variable, R1, cuyo valor debe estar del mismo orden que la impedancia de entrada, tal vez un potenciómetro de carbón de 50K. En lugar del voltímetro de audio V, se puede usar también un osciloscopio, ya que no es necesario medir las tensiones en valores absolutos. Sólo debemos poder evaluar la igualdad de las amplitudes al medir las tensiones en R1 y el amplificador. Para esta medición, ajuste el generador de audio a una frecuencia de referencia, tal vez 1.000Hz. Pase la llave S1 alternativamente entre las posiciones A y B y ajuste el potenciómetro R1 hasta que el instrumento indique en ambas posiciones el mismo valor. Una vez obtenida esta posición del potenciómetro R1, mida cuidadosamente su valor resistivo en ohms con el multímetro. Este tiene, d esde luego, u na fuente interna d e tensión con tinua para las mediciones resistivas. El valor resistivo del potenciómetro es entonces igual al valor de impedancia dinámica de entrada del amplificador bajo prueba. La lectura del valor óhmico debe ser exacta para obtener el valor real de este parámetro, en la frecuencia en la cual se efectúa la medición.

A.7. Medición de la sensibilidad de entrada La sensibilidad de entrada de un amplificador se define como aquella señal de entrada que se requiere para producir en la salida una determinada potencia de salida sobre un valor determinado de resistencia de carga definido. Muchas veces se especifica el valor de resistencia de entrada junto con el valor de la tensión de entrada. En algunos equipos se indica, por ejemplo, que la potencia de salida de 50 watt debe obtenerse con una señal de entrada de 500mV. En otros equipos se da valores de referencia de

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Fig. A.6

APENDICE

normas aplicables (DIN, IHF, etc.) y se demuestra que el equipo bajo prueba cumple con estas normas. Para la medición de este parámetro se usa el circuito de prueba de la figura A.4. Se puede hacer esta medición bajo dos enfoques diferentes. Uno sería aplicar la señal del generador de audio a la entrada y comprobar a la salida una potencia de referencia, por ejemplo: los 50 watt arriba mencionados. Después se mide la tensión de entrada y la misma debe ajustarse a los valores especificados. El otro enfoque sería aplicar a la entrada la señal del generador con la amplitud especificada, 500mV en este caso, y comprobar el valor de la poten cia de salida. En todos los casos debe h aber coincidencia con los valores especificados.

A.8. Medición de la sensibilidad con respecto a la carga Para lograr el máximo rendimiento de un amplificador de audio, es necesario que esté cargado siempre con el valor óptimo de la resistencia de carga. Este valor se obtiene cuando la impedancia de carga sea igual a la impedancia de salida del amplificador. Todo valor diferente de la impedancia de carga influye a que la potencia entregada sea diferente al valor óptimo del 100%. En la figura A.6 vemos una curva que demuestra gráficamente la dependencia de la impedancia de carga sobre la potencia de salida. Se observa que le valor del 100% sólo se obtiene cuando la relación de impedancia de carga Zc y la impedancia de salida Zs, Zc/Zs = 1. Cuando uno de los dos valores varía en su magnitud, también varía el rendimiento obtenible con el amplificador. Este po stulado se cump le tanto con amplificadores de po tencia, como con amplificadores de tensión (preamplificadores). Esta medición es también utilizable para comprobar el valor correcto de la impedancia de salida, ya que la misma debe ser igual a la impedancia de carga, y al medir una, automáticamente surge la otra La medición se puede efectuar con el circuito de prueba de la figura A.4. y, al trazar los resultados en un gráfico, el mismo debe tener las características de la figura A. 6.

A. 9. Medición del ancho de banda de potencia

Fig. A.7

El ancho de banda de potencia, llamado en inglés power bandwidth, es un valor de frecuencia que representa el comportamiento del equipo de audio en condiciones reales de funcionamiento y, por lo tanto, puede ser diferente al valor potencial que exhibe el equipo en condiciones teóricas. La respu esta de frecuen cias sólo refleja el ancho de band a sin tomar en cuenta la potencia de salida en cada frecuencia. Cuando efectuamos la medición fijando límites precisos de potencia, los valores medidos suelen ser diferentes a los anteriores. Para tomar en cuenta esta disminución de la potencia en los límites extremos de la banda de frecuencia, se indica el valor de e stos límites con la potencia máxima especificada. En un caso típico el amplificador puede tener una respuesta de frecuencia hasta 100.000Hz


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Equipos de Audio Moderno

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