Fonógrafo: cómo funciona, del estaño al casete y al CD

Qué ocurre cuando hablas en un fonógrafo

Si te quedas unos segundos frente a la escena, verás el procedimiento más antiguo de la grabación sonora. Un maniquí se inclina sobre una pequeña máquina de hierro y habla por una boquilla. Detrás de ella, un diafragma delgado tiembla con la voz, y una punta de acero fijada a él presiona una lámina de estaño envuelta alrededor de un tambor. El tambor gira y se desplaza lateralmente sobre un tornillo, de modo que la punta deja una pista en espiral en la lámina. Después, el tambor vuelve al punto de partida, una segunda punta más ligera recorre la misma pista y la voz vuelve a salir por una pequeña bocina.

Un fonógrafo no es más que eso: una manera de convertir el movimiento del aire en la forma de un surco y la forma de un surco de nuevo en movimiento del aire. Todo lo demás de esta página, los cilindros de cera, los discos de 78 rpm, las cápsulas eléctricas, las cintas y el disco compacto, responde de otra manera a las mismas dos preguntas. ¿Dónde se guarda la forma de la onda y cómo se vuelve a leer sin destruirla?

La escena tiene siete máquinas. Elige una con el control Máquina. El zoom te lleva desde la máquina completa hasta la aguja o el cabezal de cinta y después bajo un microscopio, donde el surco, las partículas magnetizadas de una cinta o las cavidades de un CD se dibujan a partir de la misma señal que puedes escuchar. Velocidad cambia la rapidez con la que el soporte pasa ante la aguja o el cabezal, y la lectura muestra cómo afecta eso al tono. Sonido permanece desactivado hasta que lo activas, y tu propia voz solo entra en el surco si pulsas Grabar mi voz y autorizas el micrófono. Nada de lo que grabas sale de la página.

El sonido es una onda de presión

Una voz es aire que se empuja y se retira. Tus pliegues vocales se abren y se cierran más de cien veces por segundo, y cada soplo aumenta una cantidad diminuta la presión del aire frente a tu boca. El aumento de presión se propaga hacia fuera a la velocidad del sonido, unos 343 m/s en el aire a temperatura ambiente, seguido de una bajada y después de otra subida. Un micrófono, un tímpano o el diafragma de un fonógrafo situado en ese aire recibe empujes hacia dentro y hacia fuera con ese mismo patrón.

Dos números describen una onda simple. La frecuencia es cuántas veces por segundo sube y baja la presión y se mide en hercios (Hz). La longitud de onda es la distancia que recorre la onda durante uno de esos ciclos. La velocidad relaciona ambas magnitudes:

longitud de onda = velocidad ÷ frecuencia

En el aire, un tono de 1000 Hz (1 kHz) tiene una longitud de onda de 343 ÷ 1000 = 0,343 m, aproximadamente la anchura de unos hombros. La misma fórmula aparece una y otra vez en esta página, porque cada soporte de grabación es una especie de aire lento y congelado. Cuando un surco pasa ante una aguja a 0,5 m/s, un tono de 1 kHz ocupa 0,5 ÷ 1000 m = 0,5 mm de surco. Cuando una cinta de casete pasa ante el cabezal a 4,76 cm/s, el mismo tono ocupa 47,6 µm de cinta.

Una voz real no es un único tono. Los pliegues vocales producen una frecuencia fundamental de unos 100 a 250 Hz, y la forma de la boca y la garganta realza algunos de los armónicos superiores. Esas bandas realzadas, llamadas formantes, son las que distinguen una «a» de una «i». La frase hablada de la escena se construye de la misma forma en tu navegador: un zumbido de unos 120 Hz moldeado por 3 formantes para cada vocal. No es una grabación de ninguna persona, así que no tiene derechos de autor.

El fonógrafo de lámina de estaño de 1877

Según los Thomas A. Edison Papers de Rutgers University, Edison tuvo la idea de grabar sonido en julio de 1877 mientras trabajaba en un transmisor telefónico. En una nota de laboratorio describió un diafragma telefónico con una punta de estampación apoyada contra un papel parafinado que se movía rápidamente, y escribió que las vibraciones quedaban «bien impresas». Retomó la idea durante los meses siguientes y a finales de noviembre ya tenía un diseño básico.

El primer fonógrafo era un cilindro acanalado montado sobre un eje largo. El eje tenía un paso de rosca de 10 hilos por pulgada y se hacía girar con una manivela. En lugar de papel parafinado, Edison envolvió el cilindro con un trozo de lámina de estaño como superficie de grabación. El mecánico John Kruesi lo construyó durante la primera semana de diciembre de 1877. Cuando estuvo terminado, Edison colocó la lámina y grabó la canción infantil «Mary Had a Little Lamb». Los Edison Papers señalan que el primer fonógrafo tenía mecanismos separados de grabación y reproducción, y que los diseños posteriores los combinaron.

La patente llegó pronto. La patente estadounidense 200,521, para una mejora en fonógrafos o máquinas parlantes, se concedió el 19 de febrero de 1878. La máquina se exhibió ampliamente en Estados Unidos y Europa e hizo famoso a Edison como el «Mago de Menlo Park». También despertó un interés real entre los científicos, que la utilizaron para estudiar acústica.

Pero los Edison Papers son tajantes sobre sus limitaciones: las grabaciones en estaño nunca fueron del todo satisfactorias, y pasaron otros diez años antes de que Edison produjera una máquina comercial. La lámina se rompe, no se puede quitar y volver a colocar en el tambor exactamente en el mismo sitio, y las hendiduras se aplanan cada vez que una aguja pasa por encima. Pruébalo en la escena. Pon Reproducciones en 10 y reproduce la lámina: el surco es menos profundo, el sonido es más débil y apagado, y el ruido es más fuerte.

¿Por qué 10 hilos por pulgada? Cada vuelta de la manivela desplaza el tambor lateralmente un hilo de rosca, de modo que el surco forma una espiral con un paso de 25,4 ÷ 10 = 2,54 mm. Es lo bastante ancho para que una punta de acero lo siga por sí sola, algo importante en una máquina sin brazo ni nada que guíe la aguja aparte del propio surco que está trazando.

Veinte años antes: el fonoautógrafo de Scott

Edison no fue la primera persona que grabó sonido. El Thomas Edison National Historical Park del National Park Service afirma ahora claramente que la grabación sonora se inventó dos veces: primero por Édouard-Léon Scott de Martinville en Francia en 1857 y después, 20 años más tarde, por Edison.

El fonoautógrafo de Scott dibujaba las vibraciones de una membrana sobre papel ennegrecido con hollín, envuelto alrededor de un cilindro que se giraba a mano. Estaba pensado para observar el sonido, no para volver a escucharlo. Nadie podía reproducir un fonoautograma, así que durante un siglo y medio no hubo pruebas de que los trazos contuvieran nada reconocible.

En 2008, investigadores que trabajaban como First Sounds encontraron las grabaciones conservadas de Scott en archivos franceses y las convirtieron en sonido mediante un método de escaneo óptico desarrollado en Lawrence Berkeley National Laboratory. First Sounds explica que un diapasón resultó de gran ayuda. Durante 1860, Scott trazó el registro de un diapasón de 250 Hz junto a sus grabaciones, lo que proporciona una referencia temporal: allí donde las ondulaciones del diapasón se apiñan, el cilindro giraba despacio y el sonido puede estirarse hasta recuperar su velocidad real. Las grabaciones de 1857 no tienen ese trazo, y la velocidad de la mano en la manivela variaba tanto que sus melodías no se pueden reconocer.

El resultado más conocido es «Au clair de la lune», grabado el 9 de abril de 1860. First Sounds lo considera el registro claramente reconocible de la voz humana más antiguo recuperado hasta ahora. Una recitación del Othello de Ducis, realizada en abril de 1860, es el registro más antiguo de lenguaje hablado que puede reproducirse a su velocidad original exacta. Un fonoautograma de un diapasón de 435 Hz de 1859 es el sonido reconocible más antiguo reproducido hasta ahora.

La primera escena muestra la máquina de Edison porque fue la primera capaz de reproducir su propia grabación. El caso de Scott en la lista situada bajo los controles abre en cambio el microscopio, porque un fonoautograma se parece más a una imagen de un surco que a un surco.

Cómo guarda una onda un surco

Observa el surco de la lámina de estaño bajo el microscopio. Cuando la voz empuja el diafragma hacia dentro, la punta se hunde más; cuando la presión baja, se eleva. El surco tiene por tanto una trayectoria constante a lo largo del tambor, pero una profundidad que sube y baja con el sonido. Los coleccionistas llaman a esto grabación de colinas y valles, o corte vertical. Los cilindros de Edison lo mantuvieron durante toda su historia.

La otra forma de guardar la misma onda consiste en mantener constante la profundidad y dejar que el surco oscile lateralmente. Este corte lateral es el que Emile Berliner utilizó en sus discos de gramófono, y hacia 1920 se había convertido en la norma para los discos, como señala la guía de discos de 78 rpm de Yale University Library. En la escena, el gramófono y el tocadiscos eléctrico muestran un surco lateral: las paredes mantienen la misma altura mientras la trayectoria ondula de un lado a otro, y la aguja se mueve a izquierda y derecha.

En ambos casos, la grabación es la propia onda escrita a lo largo de una línea. La relación entre la línea y el tiempo es la velocidad superficial: cuántos metros de surco pasan ante la aguja cada segundo. Para un cilindro, la velocidad superficial es la circunferencia multiplicada por las vueltas por segundo. El tambor de estaño del modelo tiene 101,6 mm de diámetro y gira a unas 60 rpm (ambos son valores del modelo, ya que el original se giraba a mano), así que

v = π × 0,1016 m × 60 ÷ 60 s = 0,319 m/s

A esa velocidad, un ciclo de un tono de 1 kHz ocupa 0,319 ÷ 1000 m, que son 319 µm de lámina. Un tono de 10 kHz ocuparía 31,9 µm, menos de lo que podría conservar una impresión en estaño hecha con una punta de acero roma. Esa es una razón de que el estaño sonara apagado: el soporte no podía contener las ondas cortas de las notas agudas.

El microscopio muestra exactamente la longitud de surco que indica el rótulo, y la forma de onda de la lectura es la señal que hay bajo la aguja en ese momento. Con Cámara lenta en 100 o 1000 veces más lento, puedes ver cómo la forma del surco se desliza bajo la punta. En el tambor de estaño, 10 mm de lámina contienen 10 ÷ 319 s, o 31 ms, de sonido.

La cera sustituye al estaño

Los Edison Papers dicen que los primeros intentos de Edison de vender un fonógrafo de lámina de estaño fracasaron, y que fueron Alexander Graham Bell y Charles Sumner Tainter, al presentar una máquina de cilindros de cera a mediados de la década de 1880, quienes lo hicieron volver a la grabación sonora. Bell, su primo Chichester Bell y Tainter trabajaban juntos como Volta Laboratory Associates en Washington. Su máquina, el grafófono, cortaba el surco en cera en lugar de imprimirlo en estaño. El corte retira un fino hilo de material y deja un surco limpio y duradero que puede reproducirse muchas veces.

Entre 1887 y 1889, Edison y su equipo desarrollaron fonógrafos mejorados y cilindros de cera técnicamente superiores al grafófono. También eran caros y difíciles de manejar por su motor eléctrico, por lo que solo encontraron un mercado limitado como dictáfonos. Edison también intentó vender una muñeca parlante con un pequeño fonógrafo dentro, pero era demasiado frágil.

El fonógrafo encontró a su primer público real de otra manera. En la década de 1890, los agentes instalaron ranuras para monedas en fonógrafos de dictado y abrieron salones de fonógrafos, donde los clientes podían escuchar una grabación por una moneda de cinco centavos. Más adelante, en esa misma década, aparecieron fonógrafos baratos con motor de resorte, y la empresa de Edison mejoró la forma de copiar las grabaciones. Desde entonces lideró la industria durante aproximadamente una década.

El UCSB Cylinder Audio Archive describe los cilindros de cera marrón de 1895 a 1901 como las primeras grabaciones sonoras vendidas a gran escala comercial. Se grababan a velocidades que variaban entre unas 120 y 160 rpm y venían con una hoja de papel que identificaba la grabación, ya que en el propio cilindro solo se escribía un número. La mayoría de esas hojas se han perdido. Por eso, casi todos los cilindros comerciales de cera marrón empiezan con un anuncio hablado del título y del intérprete. Los cilindros vírgenes de cera marrón también se podían reutilizar: se rebajaba el surco antiguo, y Edison afirmaba que un cilindro virgen podía reutilizarse hasta 100 veces. El archivo lo compara con un disco regrabable.

La copia era el punto débil. Hasta 1902, un intérprete cantaba la misma canción una y otra vez ante un pequeño grupo de bocinas de grabación, y cada interpretación solo producía una pequeña tanda de cilindros.

Los números de un cilindro

En 1902, Edison introdujo el proceso Gold-Moulded. Se hacía un molde metálico a partir de un original de cera y se calentaba un cilindro virgen dentro de él para que se expandiera contra los surcos. El nombre procede de la pequeña cantidad de oro utilizada para hacer conductor el original. La velocidad de reproducción se normalizó en 160 rpm y el paso del surco se mantuvo en 100 hilos por pulgada. UCSB señala que, a 160 rpm, un cilindro de 100 hilos por pulgada reproduce entre unos 1,5 y 2,5 minutos, razón por la que se vendían como grabaciones de dos minutos.

El cilindro de cera del modelo tiene 55,6 mm de diámetro (2 3/16 in), y se supone una longitud útil de reproducción de 4 in. Entonces:

• vueltas = 100 hilos por pulgada × 4 in = 400 vueltas
• tiempo de reproducción = 400 ÷ 160 rpm = 2,5 min
• velocidad superficial = π × 0,0556 m × 160 ÷ 60 s = 0,466 m/s
• longitud del surco = 400 × π × 0,0556 m = 69,9 m

Un tono de 1 kHz ocupa 0,466 ÷ 1000 m = 466 µm de surco. El número interesante es el que no cambia. Un cilindro tiene el mismo diámetro al principio del surco que al final, así que el surco pasa ante la aguja a 0,466 m/s durante toda la reproducción. Un disco no puede hacer eso, como muestran las secciones siguientes.

En 1908, Edison duplicó la densidad de surcos. El cilindro Amberol tenía 200 hilos por pulgada y reproducía unos 4 minutos. Necesitaba una aguja nueva y las máquinas antiguas debían adaptarse. En 1912 terminaron tanto la línea de cera de dos minutos como la de cuatro minutos, y Edison pasó al Blue Amberol, un cilindro de celuloide con el mismo surco de 4 minutos. El celuloide no se hacía añicos si se caía. UCSB añade un giro: la contracción y la deformación durante el siglo siguiente han hecho que muchos Blue Amberol sean difíciles de reproducir, y hoy a menudo suenan peor que los cilindros de cera a los que sustituyeron.

Otros fabricantes probaron cilindros mayores y diferentes. Los cilindros Concert, vendidos desde finales de 1898, tenían 5 pulgadas de diámetro, más del doble del tamaño normal, y sonaban más fuerte. Primero se grababan a 120 rpm, después a 144 rpm a finales de 1899 y a 160 rpm a principios de 1902, y costaban entre 4 y 5 dólares cada uno frente a los 35 a 50 centavos de un cilindro normal. En Francia, el relojero Henri Lioret hizo una muñeca parlante con un pequeño cilindro de celuloide en 1893 y pasó después a fabricar sus propios cilindros musicales duraderos de celuloide, reproducidos a 100 o 120 rpm, con una duración de 30 segundos a 4 minutos.

El disco plano de Berliner

Emile Berliner, inventor nacido en Alemania y residente en Washington, estudió tanto el fonógrafo como el grafófono antes de probar algo distinto. El Library of Congress Information Bulletin describe cómo pasó de los cilindros a discos planos de zinc de doble cara con un surco en espiral trazado por una aguja. El 8 de noviembre de 1887 se le concedió una patente por el gramófono, un dispositivo para grabar y reproducir sonidos, la patente estadounidense 372,786.

El disco plano tenía una enorme ventaja. Un cilindro tenía que copiarse de un original y, antes del moldeo, eso suponía volver a grabar o copiar a través de bocinas. Un disco podía estamparse. Basta hacer una vez un negativo metálico del original para prensar miles de grabaciones idénticas a partir de él. El artículo de Library of Congress dice que los discos planos podían producirse en masa a un coste mucho menor que los cilindros de Edison. Berliner también vio el gramófono desde el principio como una máquina de entretenimiento doméstico, mientras que otros pensaban en el fonógrafo como una máquina de dictado para oficinas.

El camino no fue sencillo. En un viaje a Alemania en 1889, Berliner acordó con una empresa de juguetes fabricar pequeños discos de juguete y reproductores de giro manual. De vuelta en Estados Unidos fundó la American Gramophone Company y después la United States Gramophone Company en Washington. Para mantener uniforme la velocidad trabajó con el taller mecánico de Eldridge R. Johnson en Camden, Nueva Jersey, en máquinas con motores de resorte, y el mismo artículo atribuye a Johnson la idea de poner etiquetas en los discos. En la escena, la etiqueta de papel del centro del disco del gramófono es uno de los hallazgos ocultos, al igual que la llave del resorte del mueble.

El 29 de septiembre de 1897 se declaró un incendio en la fábrica de Berliner en Washington. Después llegaron disputas por patentes y copias de competidores, y en junio de 1900 una orden judicial cerró la Berliner Gramophone Company de Filadelfia. Berliner cedió sus derechos de patente a Johnson, que formó la Victor Talking Machine Company, mientras Berliner conservaba una participación financiera.

Por qué ganaron los discos

Un disco es fácil de guardar en una estantería, fácil de enviar por correo y fácil de fabricar por miles, y contiene un poco más de música que un cilindro de dos minutos. La historia del Blue Amberol de UCSB señala que, en 1912, los competidores más fuertes de Edison eran la Victor Talking Machine Company y la Columbia Phonograph Company, que ya habían dejado de fabricar cilindros. La guía de Yale resume el resultado: en la década de 1910, los discos planos eran el principal soporte de grabación sonora. Edison mantuvo el Blue Amberol hasta 1929.

Edison también hizo sus propios discos. El museo de Iowa State University conserva un fonógrafo Edison Diamond Disc y describe los discos como piezas de 1/4 in de grosor, hechas de arcilla y goma laca y reproducidas con un diamante auténtico. La serie Diamond Disc duró de 1912 a 1929. Fiel a los cilindros de Edison, su surco se cortaba verticalmente, no de lado a lado.

El cilindro tenía algo que el disco no tenía: mantenía la misma velocidad del surco de principio a fin. En un disco, las vueltas exteriores son mucho más largas que las interiores, pero tardan lo mismo en reproducirse. El surco va más despacio a medida que la aguja avanza hacia dentro, y las notas agudas cercanas a la etiqueta se concentran en un tramo de surco más corto. Activa el microscopio sobre el gramófono y observa la lectura cuando el brazo avanza hacia dentro. La velocidad superficial disminuye y también la longitud de surco que ocupa una onda de 1 kHz.

Los números de un disco de 78

Las velocidades de los primeros discos variaban mucho. La guía de Yale dice que las velocidades de grabación y reproducción iban de 72 a 86 rpm antes de estabilizarse en 78, y que hacia 1910 la mayoría de los discos se hacían a unas 78 a 80 rpm. En 1925 se eligieron 78,26 rpm como norma para los reproductores motorizados, porque un motor habitual de 3600 rpm que acciona un engranaje de 46 dientes da

3600 ÷ 46 = 78,26 rpm

La misma guía indica el tiempo de reproducción por cara: unos 3 minutos para un disco de 10 pulgadas y unos 4 a 5 minutos para uno de 12 pulgadas. El disco de gramófono de 10 pulgadas del modelo tiene su surco entre un radio de 117 mm y otro de 50 mm, con 96 surcos por pulgada. Esos tres números son valores del modelo elegidos por ser típicos, no medidas de un disco concreto, de modo que los resultados siguientes son estimaciones:

• vueltas = (117 − 50) mm ÷ 25,4 mm × 96 = 253 vueltas
• tiempo de reproducción = 253 ÷ 78,26 rpm = 3,2 min
• velocidad del surco en el borde = 2π × 0,117 m × 78,26 ÷ 60 s = 0,96 m/s
• velocidad del surco al final = 2π × 0,050 m × 78,26 ÷ 60 s = 0,41 m/s
• longitud del surco ≈ 253 × π × (0,117 + 0,050) m = 133 m

Los 3,2 minutos concuerdan con la cifra de unos 3 minutos de Yale. En el borde exterior, un tono de 1 kHz ocupa 959 µm de surco; cerca de la etiqueta ocupa 410 µm. Para el disco de 12 pulgadas del tocadiscos eléctrico, el modelo utiliza de 146 mm a 60 mm, lo que da 325 vueltas, 4,2 minutos y 1,20 m/s en el borde, que bajan a 0,49 m/s al final. Los 4 a 5 minutos de Yale vuelven a encajar.

¿Por qué tan corta la duración? El surco de un disco de 78 es ancho, porque una aguja de acero en un surco de goma laca necesita espacio, y el disco gira deprisa. El disco de larga duración de 1948 conservó el disco, pero utilizó un surco fino y 33⅓ rpm; la exposición del disco de vinilo continúa esa parte de la historia.

La bocina y la grabación acústica

Antes de 1925 no había electricidad en ninguna parte de una grabación. La guía de Yale lo describe: el intérprete cantaba o tocaba ante una gran bocina, y la propia energía del sonido hacía vibrar la aguja de grabación y cortaba el original de cera. La reproducción recorría el camino inverso. El surco movía la aguja, la aguja movía un diafragma de mica en la caja acústica, y la bocina transmitía el movimiento del diafragma a la habitación.

Una bocina es un dispositivo de adaptación. Un diafragma de unos pocos centímetros de diámetro es muy poco eficaz para empujar una gran masa de aire, y uno sin bocina suena débil y con poco cuerpo. La garganta estrecha de la bocina permite que el diafragma empuje con fuerza una pequeña columna de aire, y el ensanchamiento gradual transmite ese empuje a una columna cada vez más ancha hasta que llega a la habitación. Cuanto más larga y ancha sea la bocina, más graves serán las notas que puede transmitir. Por eso el gramófono de la escena lleva una bocina de flor de medio metro de diámetro y por eso las bocinas llegaron a ser lo bastante grandes como para llenar un rincón de una sala.

El punto débil de la grabación acústica era su alcance. La guía de Yale señala que nunca proporcionó alta fidelidad y que su rango dinámico era limitado. Los sonidos muy suaves y los muy fuertes no podían captarse a la vez, los graves profundos no movían lo suficiente la aguja, y los cantantes se colocaban cerca o lejos de la bocina para equilibrar un conjunto.

En la escena, el sonido del gramófono se limita a una banda de unos 200 Hz a 5 kHz, con ruido de superficie y chasquidos añadidos. Son valores del modelo destinados a hacer audible la diferencia frente a las máquinas posteriores, no medidas de una grabación concreta.

La grabación eléctrica desde 1925

En 1925 llegó el micrófono. La guía de Yale explica que, desde entonces, el artista cantaba ante un micrófono, un amplificador convertía la pequeña señal eléctrica en una potente y esa señal accionaba la aguja de corte. Los discos hechos de esta forma se llaman grabaciones eléctricas, y la primera se publicó en 1925. Yale añade que el término no suele utilizarse después de la llegada de la cinta magnética en 1947, cuando las sesiones se grababan en cinta antes de cortarse en disco.

La electricidad cambió ambos extremos. En la grabación, un micrófono no necesita que el intérprete grite hacia una bocina, así que una orquesta completa podía grabarse desde una distancia normal y el amplificador podía reforzar los graves que antes eran demasiado débiles para grabarse. En casa, un tocadiscos eléctrico sustituyó la bocina por 3 piezas: una cápsula que convierte el movimiento de la aguja en una tensión, un amplificador de válvulas de vacío que aumenta esa tensión y un altavoz que mueve el aire. El tocadiscos eléctrico de la escena las tiene todas. Activa Ver el interior para ver el brillo de las válvulas y el cono de papel detrás de la rejilla.

El motor también cambió. Un resorte va perdiendo fuerza y un regulador solo puede mantener su velocidad de forma aproximada. Un motor eléctrico ligado a la frecuencia de la red mantiene una velocidad exacta, y un engranaje fija la velocidad del disco. De ahí sale 3600 ÷ 46: un motor que gira a 3600 rpm, es decir, 60 vueltas por segundo con una alimentación de 60 Hz, y un engranaje de 46 dientes. El engranaje es uno de los hallazgos ocultos bajo el plato del tocadiscos eléctrico.

El tocadiscos eléctrico del modelo se limita en la escena a una banda de unos 90 Hz a 7 kHz, un valor del modelo elegido para sonar más lleno que el gramófono acústico y con una banda más estrecha que la cinta.

Velocidad y tono

Todas las máquinas analógicas de la escena siguen la misma regla. Si reproduces una grabación más deprisa de lo que se hizo, todas sus frecuencias aumentan en la misma proporción. Reprodúcela al doble de velocidad y un tono de 440 Hz se convierte en 880 Hz, una octava más alto. En el lenguaje musical, el desplazamiento en semitonos es

semitonos = 12 × log₂(velocidad de reproducción ÷ velocidad de grabación)

Algunos ejemplos calculados con esa fórmula:

• Un disco de 78,26 rpm reproducido a 80 rpm: 12 × log₂(80 ÷ 78,26) = 0,38 semitonos más agudo. Por esta razón, los primeros discos hechos a velocidades de 72 a 86 rpm suenan ligeramente incorrectos a una velocidad fija.
• Un disco de 78,26 rpm reproducido a 33⅓ rpm: 12 × log₂(33,333 ÷ 78,26) = -14,78 semitonos, más de una octava por debajo y más lento.
• Un casete que va un 6 % demasiado deprisa: 12 × log₂(1,06) = 1,01 semitonos más agudo.
• El doble de velocidad: 12 × log₂(2) = 12 semitonos, exactamente una octava.

Prueba el control Velocidad. Al 43 %, la lectura muestra unos -14,6 semitonos, cerca de cómo suena un disco de 78 en un tocadiscos ajustado a 33⅓. El tiempo de reproducción cambia en sentido contrario a la velocidad: una cara que dura 3,2 minutos al 100 % dura 3,2 ÷ 0,43 = 7,4 minutos al 43 %.

Por eso también el fonógrafo de estaño con manivela necesitaba un volante de inercia y los motores de resorte de las máquinas de cilindros y discos necesitaban un regulador. Una oscilación de unos pocos por ciento en la velocidad es una oscilación de una fracción de semitono en el tono, y el oído la percibe, especialmente en una nota sostenida. Las máquinas de cinta tenían el mismo problema con el cabrestante, y los oyentes llamaban a la versión lenta «wow» (lloro) y a la rápida «flutter».

El disco compacto es la excepción. Cambia la velocidad de su motor en la escena y el tono permanece igual. La razón está en la sección sobre por qué un CD conserva el tono.

Grabación magnética: alambre, papel y cinta

El surco no fue la única idea. El ensayo de Library of Congress «A Tale of Tape», del National Recording Preservation Plan, remonta la grabación magnética a un artículo del ingeniero estadounidense Oberlin Smith de 1878. La primera máquina funcional fue el telegráfono de Valdemar Poulsen de 1898 en Dinamarca, que magnetizaba un alambre de acero en movimiento. La grabación en alambre nunca tuvo gran fidelidad, dice el ensayo, pero fue un avance importante y se siguió usando durante muchos años. Se enredaba, se rompía con facilidad y era difícil de editar.

En 1927, el inventor alemán Fritz Pfleumer, que había trabajado en la fijación de polvo de oro al papel de cigarrillos, aplicó la misma idea para recubrir papel con polvo magnético. Patentó este papel sonoro en 1928 y concedió una licencia a la empresa eléctrica AEG en 1932. AEG construyó una grabadora alrededor de largas bobinas de cinta, y el ensayo de Library of Congress dice que AEG presentó el Magnetophon K1, la primera grabadora de cinta práctica, en la exposición de radio de Berlín de 1935. A finales de la década de 1930, la cinta alemana había pasado del papel a una base de plástico.

Las fuentes discrepan en los detalles y la escena lo indica. Un artículo de Manfred Krause para una convención de la Audio Engineering Society de 2002 identifica el modelo mostrado en 1935 como K2, no K1. Las mismas dos fuentes también discrepan sobre el paso siguiente, la polarización de alta frecuencia: el artículo de Krause la sitúa en el modelo K4 en 1940 y el ensayo de Library of Congress la atribuye a Walter Weber en 1941 en Alemania. El ensayo añade que W. L. Carlson y G. W. Carpenter habían solicitado una patente similar en Estados Unidos en 1921, concedida en 1927, y que Marvin Camras también patentó la polarización de alta frecuencia en 1941. La lista de casos bajo los controles da la fecha como aproximadamente 1940 a 1941.

Después de la Segunda Guerra Mundial, oficiales del US Army Signal Corps estudiaron las máquinas alemanas y John T. Mullin llevó de vuelta 2 mecanismos de transporte de cinta Magnetophon. Una cinta podía borrarse, grabarse de nuevo, cortarse con una cuchilla y unirse mediante un empalme, así que por primera vez se podía editar una grabación. La guía de Yale fecha en 1947 la llegada de la cinta magnética a la producción de discos. El empalme del magnetófono de bobina abierta de la escena es un hallazgo oculto.

Cómo escribe y lee un cabezal de cinta

Una grabadora de cinta almacena el sonido como magnetismo en diminutas partículas de óxido de hierro que recubren una cinta de plástico. El cabezal de grabación es un anillo de hierro dulce con una bobina a su alrededor y un entrehierro muy estrecho en la parte delantera, donde la cinta lo toca. La corriente del amplificador del micrófono circula por la bobina y crea un campo magnético que sale por el entrehierro hacia la cinta. A medida que esta pasa, cada tramo queda magnetizado con la dirección y la intensidad que tenía el campo en ese momento.

El cabezal de reproducción tiene la misma forma. Cuando la cinta magnetizada pasa ante su entrehierro, el campo cambiante atraviesa el anillo de hierro e induce una pequeña tensión en la bobina. En la escena, el microscopio sobre el magnetófono de bobina abierta muestra las partículas orientándose al norte o al sur con la señal bajo el cabezal, coloreadas de rojo y azul.

La longitud de onda vuelve a fijar el límite. En la cinta, la longitud de onda es la velocidad de la cinta dividida por la frecuencia:

• bobina abierta a 19,05 cm/s: 1 kHz ocupa 0,1905 ÷ 1000 m = 190,5 µm, y 10 kHz ocupa 19,05 µm
• casete compacto a 4,76 cm/s: 1 kHz ocupa 47,6 µm, y 10 kHz ocupa 4,76 µm

Para reproducir una onda, el entrehierro del cabezal debe ser más estrecho que aproximadamente la mitad de su longitud de onda, así que los 4,76 µm del casete a 10 kHz necesitan un entrehierro de un par de micrómetros. La cinta lenta exige cabezales muy finos y partículas finas, razón por la que el casete necesitó años de mejoras antes de usarse para música y por la que los estudios hacían correr la cinta a velocidades mayores, como 38,1 cm/s.

Las partículas magnéticas no responden proporcionalmente a los campos débiles. Resisten pequeños cambios y después cambian de golpe, un efecto llamado histéresis. Si se graban directamente, los sonidos suaves salen distorsionados y enterrados en ruido. La polarización de alta frecuencia lo resuelve. Se añade a la señal en el cabezal de grabación un tono muy por encima del límite de audición. Hace oscilar las partículas de un lado a otro tan deprisa que se asientan en proporción a la señal de audio superpuesta. La propia polarización es demasiado aguda para oírse y el cabezal de reproducción no la reproduce. El cabezal de borrado utiliza una versión más intensa del mismo campo de alta frecuencia para desordenar lo que hubiera antes en la cinta.

El cabrestante, no las bobinas, fija la velocidad. Las bobinas giran más deprisa o más despacio a medida que sus paquetes de cinta crecen o disminuyen, así que la cinta queda aprisionada entre un cabrestante de acero que gira a una velocidad exacta y un rodillo de goma. En la escena, observa la bobina receptora del magnetófono de bobina abierta: gira deprisa al principio, cuando su paquete es pequeño, y más despacio a medida que se llena.

El casete compacto

El Philips Museum cuenta la historia a partir de los archivos de la empresa. En 1961 se pidió al grupo de desarrollo de grabadoras de Philips en Hasselt, Bélgica, que hiciera una grabadora pequeña alimentada por pilas y un casete para ella, para sustituir a las grabadoras de bobina abierta entonces habituales en casa. El responsable del desarrollo de producto era Lou Ottens. Decidió que la facilidad de uso era lo primero: jóvenes y mayores, e incluso los más torpes, tenían que poder manejarla. El tamaño venía después. Ottens mandó cortar un bloque de madera que cupiera en el bolsillo de su chaqueta, y ese tamaño fijó el del casete y la grabadora. El bloque es un hallazgo oculto en la escena, junto a la grabadora portátil.

La Philips Pocket Recorder EL 3300 y su casete se presentaron por primera vez en la Internationale Funkausstellung de Berlín en 1963. Philips concedió después a otros fabricantes una licencia gratuita del sistema de casete compacto, siempre que respetaran sus normas técnicas. En septiembre de 1967, según informó el Philips Courier, 70 empresas de todo el mundo fabricaban grabadoras de casete basadas en él. Siguió siendo un soporte sonoro importante durante más de 35 años y se convirtió en el sistema de grabación doméstica más utilizado.

Dentro de la carcasa no hay que enhebrar nada. Dos núcleos llevan la cinta, que recorre el borde delantero ante aberturas por las que entran el cabezal, el cabrestante y el rodillo de presión. Una almohadilla de fieltro sobre un resorte presiona la cinta contra el cabezal desde atrás. Los apuntes sobre magnetófonos de casete de IIT Kanpur indican una velocidad de 1,875 pulgadas por segundo, 4,76 cm/s, mantenida por el rodillo de presión al apretar la cinta contra el cabrestante: con poca presión la cinta resbala; con demasiada, puede aplastarse.

Un casete C60 contiene 30 minutos por cara. A 4,76 cm/s eso necesita

30 min × 60 s × 4,76 cm/s = 8568 cm = 85,7 m de cinta

La cinta del modelo tiene 3,81 mm de anchura y la carcasa mide 100,4 × 63,8 × 12 mm, con los núcleos separados 42,5 mm. Esas son las dimensiones incorporadas al modelo.

El disco compacto

Philips trabajó en el siguiente soporte mientras el casete seguía creciendo. Junto con Sony introdujo el disco compacto en noviembre de 1982, primero en Japón y 4 meses después en Europa y Estados Unidos, según el Philips Museum. El sistema unía dos tecnologías: la lectura óptica de un disco con un láser y la codificación y el procesamiento digital de la señal. El formato de audio es la norma IEC 60908, y la versión de datos del disco se describe en ECMA-130, que Ecma International publica gratuitamente.

Un CD no almacena la forma de la onda. Mide la onda 44 100 veces por segundo en cada uno de 2 canales, escribe cada medida como un número de 16 bits y almacena los números. El teorema del muestreo, explicado en los apuntes de J. O. Smith en el CCRMA de Stanford, dice que una señal muestreada a una frecuencia dada puede reconstruirse exactamente si no contiene ninguna frecuencia por encima de la mitad de esa frecuencia de muestreo. La mitad de 44 100 es 22 050 Hz, por encima de lo que pueden oír la mayoría de los adultos. La tasa de audio sin procesar es

44 100 × 16 bit × 2 = 1 411 200 bit/s

Los números se codifican en un patrón de cavidades prensadas en plástico, que se lee desde abajo a través del disco. ECMA-130 fija el paso de la pista espiral en 1,6 µm ± 0,1 µm y la velocidad de lectura entre 1,2 y 1,4 m/s con una tasa de bits de canal de 4,3218 Mbit/s. También dice que un cambio de cavidad a zona plana o de zona plana a cavidad representa un 1, y la ausencia de cambio un 0. La codificación mantiene las cavidades y zonas planas entre 3 y 11 bits de canal de longitud. Un bit de canal dura 1 ÷ 4,3218 MHz = 231,4 ns, así que a 1,2 m/s:

• cavidad más corta = 3 × 231,4 ns × 1,2 m/s = 0,833 µm
• cavidad más larga = 11 × 231,4 ns × 1,2 m/s = 3,054 µm

A 1,4 m/s miden 0,972 µm y 3,563 µm. El microscopio de la escena muestra 3 pistas vecinas de cavidades y el punto del láser, que se desplazan otras 1000 veces más despacio que el ajuste Cámara lenta, porque a 1,3 m/s los 8 µm visibles pasarían en unos 6 µs.

ECMA-130 añade que la pista forma una espiral hacia fuera cuando el disco gira en sentido antihorario visto desde el láser. Un CD se reproduce del centro hacia el borde, al contrario que un disco fonográfico. Esa es una de las tarjetas del reverso situadas bajo los controles.

Por qué un CD conserva el tono

Un tocadiscos reproduce más deprisa y el tono sube, porque el surco es la onda y estás haciendo que pase más deprisa ante la aguja. Un reproductor de CD funciona de otra manera. El disco gira a la velocidad necesaria para que la pista pase ante el láser a una velocidad constante de 1,2 a 1,4 m/s, de modo que el motor gira más deprisa cerca del centro y más despacio cerca del borde. A 1,3 m/s:

• a un radio de 25 mm: 1,3 ÷ (2π × 0,025 m) × 60 = 497 rpm
• a un radio de 58 mm: 1,3 ÷ (2π × 0,058 m) × 60 = 214 rpm

Los números leídos del disco entran en una pequeña memoria y un reloj de cristal los envía al convertidor a exactamente 44 100 por segundo y por canal. Si el disco gira un poco deprisa, la memoria se llena y el reproductor ralentiza el motor. La salida nunca ve la velocidad del disco, así que el tono no puede cambiar con ella.

En la escena, poner Velocidad al 150 % en el reproductor de CD hace que el disco gire más deprisa, pero la lectura dice que el tono no cambia y el sonido no se desplaza. La línea de estado explica por qué.

La pista es larga. Un disco de 74 minutos leído a entre 1,2 y 1,4 m/s contiene de 74 × 60 × 1,2 = 5328 m a 74 × 60 × 1,4 = 6216 m de espiral, entre 5,3 y 6,2 km. Con un paso de pista de 1,6 µm, la franja entre un radio de 25 mm y otro de 58 mm contiene (58 − 25) mm ÷ 0,0016 mm = 20 625 vueltas. 74 minutos de estéreo a 1 411 200 bit/s son 74 × 60 × 1 411 200 ÷ 8 = 783,2 millones de bytes de audio antes de la corrección de errores.

Cuánto cabe en una cara

La tabla situada bajo los controles calcula cada máquina a partir de sus datos de entrada. En resumen:

• lámina de estaño: 40 vueltas a unas 60 rpm, unos 0,7 minutos (estimación)
• cilindro de cera: 400 vueltas a 160 rpm, 2,5 minutos
• disco de 78 de 10 pulgadas: 253 vueltas a 78,26 rpm, unos 3,2 minutos (estimación)
• disco eléctrico de 78 de 12 pulgadas: 325 vueltas, unos 4,2 minutos (estimación)
• bobina abierta: 548,6 m (1800 ft) de cinta a 19,05 cm/s, 48 minutos
• casete compacto C60: 85,7 m a 4,76 cm/s, 30 minutos por cara
• disco compacto: 74 minutos

Dos cosas destacan. La primera es cuánto importa la longitud de onda. El surco de un disco de 78 pasa ante la aguja a aproximadamente 1 m/s y solo contiene 3 minutos; un casete se mueve 20 veces más despacio y contiene 30 minutos, porque la cinta puede guardar ondas 20 veces más cortas. La segunda es que la velocidad superficial del CD de 1,3 m/s es mayor que la de cualquiera de los surcos, pero contiene 74 minutos, porque sus pistas están separadas 1,6 µm en lugar de 265 µm y almacena números en vez de la onda.

La cifra de bobina abierta se calcula como 548,6 m ÷ 0,1905 m/s = 2880 s = 48 minutos en una bobina de 7 pulgadas de 1800 ft. La cifra del casete son los 30 minutos por cara del C60, que necesitan los 85,7 m calculados antes. La cifra de la lámina de estaño es 40 vueltas ÷ 60 rpm = 0,67 minutos.

Escuchar los surcos sin tocarlos

Una aguja desgasta lo que reproduce, y un cilindro de cera agrietado o un disco de cera sobre cartón quizá no sobrevivan ni siquiera a otra reproducción. Desde principios de la década de 2000, físicos de Lawrence Berkeley National Laboratory han leído los surcos con luz en lugar de hacerlo por contacto. Su método, llamado IRENE, realiza un escaneo óptico de alta resolución del surco, calcula cómo se habría movido una aguja a través de él y convierte ese movimiento en un archivo sonoro, eliminando arañazos y saltos durante el proceso.

La Berkeley Lab Engineering Division describe cómo comenzó el proyecto hace más de 20 años con Library of Congress. Una de las primeras iniciativas digitalizó más de 3000 grabaciones en cera de pueblos indígenas de Norteamérica del Phoebe Hearst Museum of Anthropology de UC Berkeley. El equipo pasó después a unas 200 grabaciones experimentales del Volta Laboratory de Alexander Graham Bell de la década de 1880, conservadas en el National Museum of American History del Smithsonian, algunas de ellas finas capas de cera sobre cartón de encuadernación. Uno de esos discos contiene la propia voz de Bell. En 2025, el equipo utilizó un programa de reconocimiento de voz para ayudar a transcribir un disco del Volta muy agrietado cuyas palabras nadie había logrado entender.

La conservación de las grabaciones corrientes es la tarea de mayor alcance. El Council on Library and Information Resources y Library of Congress publicaron en 2010 un estudio nacional, The State of Recorded Sound Preservation in the United States, y el informe de 2006 Capturing Analog Sound for Digital Preservation establece cómo transferir el sonido analógico de forma segura. La propia guía de Library of Congress para el cuidado de materiales de audio trata el almacenamiento y la manipulación de discos y cintas.

Los discos digitales también necesitan cuidados. NIST y Library of Congress probaron CD y DVD grabables envejecidos a temperatura y humedad elevadas, en un estudio de 2005 publicado como NIST Special Publication 500-263, y los científicos de conservación de la biblioteca siguen estudiando la longevidad de los CD.

En qué se diferencia el modelo de las máquinas reales

La escena muestra el principio de cada máquina y algunas piezas están simplificadas.

• El diámetro de 101,6 mm del tambor de estaño, su velocidad de 60 rpm y sus 4 in de longitud útil de reproducción son valores del modelo. El original se giraba a mano a la velocidad que escogiera el operador.
• Los radios de los discos y los 96 surcos por pulgada de los discos de 78 son valores típicos del modelo. Los discos reales de 78 variaban según el fabricante y el año.
• El microscopio dibuja el surco, las partículas y las cavidades a partir de la misma señal que escuchas, con la amplitud exagerada para que se vea la forma. La longitud mostrada es la que indica el rótulo; la profundidad y la anchura no están a la misma escala.
• Las partículas de cinta se dibujan mucho mayores y menos numerosas que las reales, cuya longitud es muy inferior a un micrómetro.
• El CD muestra cavidades y zonas planas con longitudes de 3 a 11 bits de canal, pero en un patrón aleatorio, no audio codificado real. Se omiten la corrección de errores, el código de ocho a catorce y el servomecanismo de enfoque.
• El sonido se genera en tu navegador: un filtro de banda, un poco de ruido y chasquidos y un cambio de velocidad. Los límites de banda y los niveles de ruido son valores del modelo elegidos para que las diferencias resulten claras, no medidas.
• La primera escena recorre un cuarto de la espiral de estaño en 6 segundos para que puedas verla girar.