Cómo guarda el sonido un disco de vinilo

Qué muestra el modelo

Si pones un disco a contraluz, ves la música, aunque sea un poco. Los pasajes fuertes se ven más rugosos y anchos que los suaves, y los silencios entre canciones aparecen como anillos lisos y brillantes. Lo que no se ve a simple vista es cómo un simple arañazo en el plástico consigue llevar una orquesta entera, y en estéreo.

Este modelo sigue el sonido desde el surco hasta el cable. Tiene un tocadiscos con un LP de 12 pulgadas, un brazo con pivote y una cápsula de imán móvil, y además un segundo escenario que muestra el surco bajo la aguja hasta unos 2000 aumentos. Puedes cambiar entre 33⅓, 45 y 78 rpm, mover la aguja del primer surco al último, frenar el tiempo hasta 1000 veces y escuchar una melodía corta que la página crea con la Web Audio API. El sonido está apagado hasta que lo actives.

Una ondulación en el surco es un sonido

El sonido en el aire es una onda de presión. Un micrófono la convierte en una señal eléctrica que sube y baja con el mismo patrón, y un torno de corte devuelve esa señal al movimiento: una cuchilla afilada oscila de lado a lado mientras debajo gira un disco de laca. La cuchilla deja un surco en espiral que ondula exactamente como ondulaba la señal. Al reproducir, la cadena va al revés. La aguja recorre el surco, las ondulaciones la empujan de un lado a otro y la cápsula convierte ese movimiento otra vez en voltaje.

Así que un surco es una gráfica del sonido, con el tiempo avanzando a lo largo de la espiral. Una ondulación completa es un ciclo de la onda. La melodía de esta página empieza con un mi por encima del do central, a 659 Hz en el canal izquierdo, así que el surco de esa nota ondula 659 veces por cada segundo que pasa bajo la aguja.

¿Cuánto mide una de esas ondulaciones? Depende de lo rápido que vaya el surco. Al principio de la cara la aguja está a 146 mm del centro, y a 33⅓ rpm el surco pasa a 2π × 0,146 m × 33,33 / 60 = 0,510 m/s. Si lo divides entre 659 Hz, cada ondulación mide 0,774 mm. La misma nota cerca de la etiqueta, en un radio de 60,3 mm, va a 0,210 m/s y se comprime en 0,319 mm. Activa «Cámara lenta» en la vista del surco y verás estas ondulaciones deslizarse junto a la aguja.

El surco al microscopio

Un surco estéreo moderno es una V tallada en el vinilo con sus dos paredes a 90° entre sí, de modo que cada pared se inclina 45° respecto a la vertical. En este modelo el surco mide 60 µm de ancho arriba y 30 µm de profundidad. Una cara del disco dura 22 minutos, que a 33⅓ rpm son 22 × 33,33 = 733 vueltas de la espiral. Tienen que caber entre los radios de 146 mm y 60,3 mm, así que la distancia media entre una vuelta y la siguiente es (146 − 60,3) / 733 = 0,117 mm. Son 8,6 surcos por milímetro, unos 217 por pulgada. Los discos reales varían la separación: el torno la abre para los graves fuertes y la cierra en los pasajes suaves, y por eso las bandas brillantes entre canciones se distinguen tan bien.

La aguja es un diamante pulido con la punta redondeada. Este modelo usa un radio de punta de 0,7 milésimas de pulgada, 17,8 µm. Una bola de ese tamaño no llega al fondo de un surco de 90°. Su centro queda 17,8 × √2 = 25,2 µm por encima del fondo y toca cada pared en un punto unos 17 µm por debajo de la superficie. Es a propósito. La aguja se apoya en las dos paredes, así que ambas la guían, y la suciedad que se deposita en el fondo del surco no se toca.

¿Cuánto se mueven las ondulaciones hacia los lados? Las cápsulas se especifican a una velocidad de surco de 5 cm/s, un nivel de referencia habitual. A 1000 Hz esa velocidad exige un desplazamiento de pico de 0,05 / (2π × 1000) = 8,0 µm. La melodía del modelo usa 10 µm en el canal izquierdo y 12 µm en el derecho, así que la oscilación es una sexta parte del ancho del surco. En la vista 3D las ondulaciones se dibujan al doble de su tamaño real para que se puedan ver.

Dos paredes a 45 grados llevan dos canales

Un surco mono solo necesita moverse de lado. El estéreo necesita dos señales independientes en un mismo surco, leídas por una sola aguja. La solución que adoptaron los fabricantes de discos se llama sistema 45/45. La cuchilla se mueve en dos direcciones perpendiculares entre sí, cada una inclinada 45° respecto a la vertical, y cada dirección corresponde a un canal. En los discos estándar, el canal izquierdo mueve la aguja en perpendicular a la pared interior, la más cercana a la etiqueta, y el derecho en perpendicular a la pared exterior. En la vista de microscopio las paredes interiores están teñidas de azul y las exteriores de naranja.

Lo bonito es lo que pasa cuando los dos canales llevan el mismo sonido. Si sumas un empuje a 45° hacia arriba y a la izquierda con otro igual a 45° hacia abajo y a la izquierda, las partes verticales se anulan y queda un movimiento puramente lateral. Ese es justo el surco de un disco mono, así que un tocadiscos mono puede reproducir un disco estéreo y uno estéreo, un disco mono. Cuando los dos canales son opuestos, se anulan las partes laterales y la aguja solo sube y baja. Los tres casos dan: solo el izquierdo da (0,707; 0,707), izquierdo igual a derecho da (1,414; 0) e izquierdo opuesto a derecho da (0; 1,414).

Usa el control «Canales» para oírlo y verlo. Con solo el canal izquierdo, la aguja se desliza a lo largo de la pared exterior y solo cambia de forma la pared interior. Un artículo de revista de 1958 decía lo mismo: lo que lleva los canales es el movimiento de la punta, y decir que cada pared guarda una grabación es un atajo práctico, no toda la historia.

Cómo convierte la cápsula el movimiento en voltaje

La aguja está en el extremo de un cantiléver, un tubo fino de aluminio de unos 5,5 mm. Cerca del otro extremo, el cantiléver atraviesa un amortiguador de goma que hace de pivote, y detrás del pivote lleva un imán diminuto. Cuando el surco empuja la aguja hacia un lado, el imán se mueve hacia el otro entre cuatro bobinas fijas, dos por canal, colocadas a 45° para coincidir con las paredes del surco.

Un imán en movimiento cambia el flujo magnético que atraviesa una bobina, y la ley de Faraday dice que el voltaje en la bobina es proporcional a la rapidez con que cambia ese flujo. Por eso una cápsula magnética mide velocidad, no posición. Una cápsula típica de imán móvil da de 3 a 6 mV a la referencia de 5 cm/s. El modelo usa 5 mV. El mi del canal izquierdo, a 659 Hz y con una oscilación de 10 µm, alcanza un pico de 2π × 659 × 10 µm = 4,1 cm/s, lo que da unos 4,1 mV. La pantalla de salida de bobinas bajo el escenario dibuja los dos canales como voltajes de los últimos 6 ms.

Hay un problema. Si el surco se grabara para dar el mismo voltaje en todas las frecuencias, los graves necesitarían oscilaciones laterales enormes, tan anchas que invadirían el surco vecino, y los agudos oscilaciones tan pequeñas que se perderían en el siseo. Por eso los discos se graban con los graves atenuados y los agudos realzados, según la curva RIAA, con constantes de tiempo de 3180, 318 y 75 µs. El preamplificador de phono aplica la curva exactamente opuesta. La melodía de este modelo está entre 196 y 880 Hz, una zona en la que la curva cambia poco, así que el modelo la omite.

Velocidad bajo la aguja a 33⅓, 45 y 78 rpm

Cada punto de un disco que gira da una vuelta por vuelta, pero los puntos exteriores recorren más camino. La velocidad del surco bajo la aguja es v = 2πr × rpm / 60.

La relación entre el exterior y el interior es 146 / 60,3 = 2,42 a cualquier velocidad. Al principio de una cara de LP el surco pasa junto a la aguja a 1,8 km/h, como un paseo lento. Cerca de la etiqueta baja a unos 0,8 km/h.

Por qué cuesta más reproducir los surcos interiores

Un surco más lento significa ondulaciones más cortas. Un tono de 20 kHz en el borde exterior de un LP tiene una longitud de onda de 0,510 / 20 000 = 25,5 µm. Cerca de la etiqueta es de 10,5 µm. La punta de la aguja de este modelo mide 35,6 µm de ancho, más del triple que esa ondulación interior. Una punta redonda no puede seguir una curva mucho más cerrada que ella misma, así que los agudos pierden detalle y ganan distorsión hacia el final de la cara. Por eso los ingenieros de masterización suelen dejar para el final las canciones más tranquilas o menos exigentes, y por eso algunas reediciones para audiófilos se graban a 45 rpm en dos discos: a 45 rpm cada longitud de onda es 1,35 veces más larga.

El brazo con pivote añade un efecto menor. El torno de corte mueve su cuchilla en línea recta a lo largo de un radio, pero la aguja describe un arco. En el modelo el portacápsulas está girado 20,7° para que la cápsula quede alineada con el surco en un radio de 100 mm. En los demás puntos se desvía un poco, y el brazo gira 22,6° del primer surco al último.

Cambiar la velocidad cambia el tono

El surco no guarda ningún reloj. Solo guarda ondulaciones en fila, y es el tocadiscos el que decide a qué ritmo llegan. El disco del modelo se grabó para 33⅓ rpm. Si lo pones a 45 rpm, cada ondulación llega 45 / 33,33 = 1,35 veces más a menudo, así que cada frecuencia se multiplica por 1,35. En música son 12 × log₂(1,35) = 5,2 semitonos más agudo, algo más que una cuarta, y la melodía también va 1,35 veces más rápida. A 78 rpm el factor es 2,34, o 14,7 semitonos, más de una octava. Un la de 440 Hz sale a 594 Hz a 45 rpm y a 1030 Hz a 78 rpm.

Pulsa los botones de velocidad bajo el escenario con el sonido activado y oirás exactamente esto. La página reproduce el mismo búfer grabado y solo cambia su velocidad de reproducción, igual que el plato solo cambia lo rápido que gira.

¿Cuánto mide el surco de una cara?

Cada vuelta de la espiral es un círculo de radio algo menor que el anterior. Promediando toda la cara, el radio es (146 + 60,3) / 2 = 103,15 mm, así que una vuelta media mide 2π × 103,15 mm = 0,648 m. Multiplicado por 733 vueltas, una cara contiene 475 m de surco, casi medio kilómetro. Las dos caras juntas suman unos 0,95 km. Una suma numérica a lo largo de la espiral exacta da 475,28 m, así que el atajo del círculo medio acierta con un error muy inferior a un milímetro por vuelta.

Una comprobación elegante: 475 m en 22 minutos son 0,360 m/s, que es exactamente la velocidad del surco en el radio medio de 103,15 mm. En una cara la aguja recorre el largo de unos cuatro campos de fútbol y medio mientras avanza solo 85,7 mm hacia el centro.

Cilindros, 78, LP y 45, uno al lado del otro

La lista bajo el escenario compara 23 soportes de sonido, desde el papel de estaño de Edison hasta el videodisco con surco de RCA. Elige allí un disco y el modelo pone uno de ese tamaño a su velocidad. Dos números explican la mayoría de las diferencias: lo rápido que se mueve el surco y lo largo que es.

La lista deja clara una gran ventaja del cilindro. Cada vuelta del surco de un cilindro mide lo mismo, así que la velocidad de la superficie nunca cambia. Un cilindro de cera estándar mide 2¼ pulgadas de diámetro, y a las 120 rpm de las primeras grabaciones su superficie se mueve a π × 0,0572 m × 120 / 60 = 0,36 m/s de la primera nota a la última. La Biblioteca del Congreso señala que la velocidad constante del cilindro era parte del motivo de su buen sonido. El disco renunció a ello a cambio de ser plano, barato de prensar y fácil de guardar.

La velocidad en el borde es π × diámetro × rpm / 60, la que tendría un surco justo en el canto. La música empieza un poco más adentro. Un 78 mueve su surco el doble de rápido que un LP, y por eso los discos de goma laca, con surcos gruesos, podían grabar agudos. El LP redujo la velocidad y lo compensó con un microsurco mucho más fino, así que las mismas 12 pulgadas guardan 22 minutos en lugar de unos cuatro y medio. El single de 45 fue en sentido contrario en tamaño: un disco de 7 pulgadas a 45 rpm mueve su surco exterior a una velocidad parecida a la de un LP de 10 pulgadas. En Corea el 78 se suele llamar disco SP, y el 45 con su gran agujero central se conoce como disco dónut.

Un videodisco CED almacenaba 60 minutos de vídeo en cada cara de un disco de 12 pulgadas. Una aguja leía las señales grabadas en el surco.

Velocidad y longitud del surco: una comprobación con cuentas

Los números de las secciones anteriores se pueden comprobar con una sola línea de aritmética cada uno, y hacerlo a mano es la mejor manera de fiarse de ellos. Toma el comienzo de una cara a 33⅓ rpm. Una vuelta dura 60 / 33,33 = 1,8 s. El surco ahí es una circunferencia de 146 mm de radio, así que una vuelta mide 2π × 0,146 = 0,917 m, y 0,917 m en 1,8 s son 0,510 m/s, unos 51 cm/s. Cerca de la etiqueta el radio es de 60,3 mm, una vuelta mide 0,379 m y 0,379 / 1,8 = 0,210 m/s, unos 21 cm/s. El surco exterior pasa bajo la aguja a unos 50 cm/s y el interior a unos 20 cm/s, como muestra la lectura de velocidad al arrastrar el control Aguja en.

Las mismas dos magnitudes dan la longitud del surco de una cara sin ningún truco de promedios. Desliza la aguja hasta el final de la cara y lee Surco recorrido: el contador llega a unos 475 m tras 22 minutos. Divide entre el tiempo, 475 m / 1320 s, y obtienes 0,360 m/s. Es la velocidad en el radio medio, lo que cabe esperar, porque la aguja pasa el mismo tiempo en cada vuelta, pero cada vuelta es un poco más corta.

Amplitud y frecuencia: por qué existe la curva RIAA

Un surco guarda dos cosas a la vez. Cuánto se desplaza la aguja hacia los lados es la amplitud, y cuántas oscilaciones caben en un segundo es la frecuencia. Una cápsula magnética no responde a la oscilación en sí, sino a su velocidad, y para un tono constante la velocidad máxima es 2π × frecuencia × oscilación. Si un disco se grabara de modo que todas las notas tuvieran la misma oscilación, el voltaje de la cápsula crecería en proporción a la frecuencia, y los graves sonarían 1000 veces más bajos que un agudo 1000 veces más alto. Si se grabara de modo que todas las notas tuvieran la misma velocidad, una nota de 20 Hz necesitaría una oscilación 50 veces mayor que una de 1000 Hz, y el surco invadiría al vecino.

La industria adoptó un compromiso, la curva RIAA, definida por tres constantes de tiempo: 3180 µs, 318 µs y 75 µs. Corresponden a frecuencias de corte de 1 / (2π × 3,18 ms) = 50 Hz, 1 / (2π × 0,318 ms) = 500 Hz y 1 / (2π × 75 µs) = 2122 Hz. Calculado con esas constantes, el disco se graba con los graves atenuados unos 19 dB a 20 Hz y 13 dB a 100 Hz, respecto a 1000 Hz, y los agudos realzados unos 14 dB a 10 kHz y 20 dB a 20 kHz. El preamplificador de phono aplica exactamente la inversa. Texas Instruments describe las mismas tres constantes, 3180 µs, 318 µs y 75 µs, en su nota de aplicación sobre un preamplificador de phono. Así, la oscilación de los graves se mantiene en un tamaño que el surco puede llevar, y los agudos quedan muy por encima del ruido del vinilo. Como efecto secundario, los arañazos y chasquidos, que son sobre todo de alta frecuencia, los baja el preamplificador junto con el realce de agudos.

El surco 45/45 en números

En el sistema 45/45 cada pared del surco lleva un canal. Las dos direcciones de movimiento forman un ángulo recto, así que no interfieren: empujar la aguja en la dirección del canal izquierdo no la mueve nada en la dirección del canal derecho. Cuando ambos canales llevan la misma señal, los dos movimientos se suman en una oscilación puramente lateral, que es justo lo que hace un surco mono. Por eso un disco mono se podía reproducir con una cápsula estéreo, y por eso, con señales iguales, la vista del surco parece una simple ondulación lateral. Cuando los dos canales llevan señales opuestas, la aguja se mueve en cambio justo arriba y abajo, el movimiento de colina y valle de los cilindros de Edison.

Usa la elección de canal bajo el escenario para verlo. Con Solo I la aguja se mueve a 45° hacia la pared interior, con Solo D hacia la pared exterior, y con I + D el movimiento es la suma de ambos. En el modelo el canal izquierdo oscila 10 µm y el derecho 12 µm, así que los movimientos diagonales se combinan en una trayectoria que no es ni puramente lateral ni puramente vertical.

Desgaste y fuerza de apoyo

La aguja debe apoyar con la fuerza suficiente para no salirse del surco cuando las ondulaciones intentan lanzarla fuera, así que el brazo aplica una pequeña fuerza hacia abajo. En este modelo la aguja toca cada pared en un punto de solo unos micrómetros de ancho. Como ilustración con valores supuestos, una fuerza de 1,5 g, que son 0,0147 N, repartida entre dos zonas de contacto de 10 µm × 10 µm cada una, da una presión de 0,0147 / (2 × 1 × 10⁻¹⁰ m²) = 7,4 × 10⁷ Pa, unas 740 atmósferas. No son valores medidos y la superficie de contacto real cambia a medida que la aguja se asienta, pero muestran por qué un disco puede desgastarse y por qué la punta es de diamante. El polvo del surco se aprieta contra las paredes con la misma presión, y por eso importa limpiar el disco antes de ponerlo. El modelo deja fuera la fuerza de apoyo, y la aguja nunca pierde el contacto.

La segunda vida del disco: las ventas

El vinilo no desapareció sin más cuando llegaron el disco compacto y el streaming. La Recording Industry Association of America, en su informe de ingresos de cierre de 2024, dice que el vinilo continuó un auge de casi 20 años mientras los ingresos totales de la música en Estados Unidos crecían un 3 % hasta 17,7 mil millones de dólares a valor minorista estimado. La RIAA también publica sus cifras anuales de ventas en una base de datos en línea donde se puede comparar cada formato a lo largo del tiempo. Un disco es un objeto físico que se sostiene en la mano, y su gran carátula, su duración fija y el hecho de que haya que darle la vuelta tras 22 minutos son justo lo que dicen apreciar quienes vuelven a él.

Malentendidos comunes

• La aguja quema el sonido del disco. La aguja no funde ni quema nada. Sigue mecánicamente las paredes del surco, y el sonido lo produce la cápsula.
• Las ondulaciones del surco se ven como el sonido. Miden solo de 8 a 12 µm de ancho, mucho menos de lo que distingue el ojo. Lo que ves como bandas son cambios en la separación entre surcos.
• El vinilo suena mejor porque tiene más detalle. Un disco de vinilo tiene una relación señal/ruido limitada y pierde agudos hacia la etiqueta. Su carácter viene de eso y de la cadena de corte y reproducción, no de un detalle extra.
• Un disco tiene la misma velocidad de surco en todas partes. La velocidad junto a la etiqueta es solo el 41 % de la del borde, como muestra la tabla de arriba.
• Las cápsulas estéreo estropean los discos mono. Un surco mono se mueve solo hacia los lados, y una cápsula estéreo lee ambas paredes con la misma señal.

Pruébalo en la pantalla

1. Pulsa Activar sonido, cambia la velocidad entre 33⅓, 45 y 78 rpm y escucha cómo sube el tono. Lee el valor de Tono: muestra 5,2 semitonos a 45 rpm.
2. Arrastra Aguja en desde el primer surco hasta el último. La lectura de Velocidad del surco baja de 0,510 m/s a 0,210 m/s y la de Longitud de onda se reduce con ella.
3. Elige Solo I, luego Solo D y luego I + D, y mira la pantalla de salida de bobinas. Cada canal mueve su propio par de bobinas.
4. Pasa el Zoom a Punta de la aguja y mira dónde toca la punta las paredes. No llega al fondo del surco.
5. Abre la lista de formatos y elige el LP de 12 pulgadas, luego el de 7 pulgadas a 45 y el videodisco CED. La velocidad en el borde cambia de 0,53 m/s a 0,42 m/s y a 7,07 m/s.

Qué simplifica este modelo

• El surco tiene el fondo en punta y las paredes rectas. Las cuchillas reales dejan un pequeño fondo redondeado.
• La separación entre surcos es constante. Los tornos reales la varían con la música.
• La melodía se graba como señal plana, sin curva RIAA, así que los voltajes de las bobinas corresponden directamente al surco.
• El movimiento de la cápsula se dibuja 45 veces más grande que en la realidad y las ondulaciones del surco 3D al doble de su tamaño. Las pantallas bajo el escenario usan unidades reales.
• Se omiten la fuerza de apoyo, el antiskating y la elasticidad del cantiléver. La aguja sigue el surco a la perfección.

Del papel de estaño al disco de larga duración

Según la Biblioteca del Congreso, Thomas Edison dibujó en julio de 1877 una máquina que grabaría el sonido marcándolo en una lámina de estaño. El primer fonógrafo de papel de estaño lo construyó su mecánico John Kruesi más tarde ese mismo año. La Biblioteca señala que la famosa fecha del 12 de agosto es dudosa, porque Edison no presentó su patente hasta el 24 de diciembre de 1877 y el diario de su ayudante Charles Batchelor sugiere que la máquina se construyó a principios de diciembre. La máquina de Edison y los cilindros de cera que la siguieron grababan el surco de arriba abajo, un patrón llamado de colina y valle.

Emile Berliner optó por lo lateral. El 8 de noviembre de 1887 obtuvo la patente del gramófono, que grababa con un surco lateral de profundidad constante, y poco después pasó la grabación a un disco plano. Los discos se podían estampar en grandes cantidades a partir de una matriz, y hacia los años 1910 ya habían desplazado a los cilindros. Durante medio siglo la mayoría de los discos fueron de goma laca y giraban a unas 78 rpm.

La Biblioteca del Congreso sitúa el siguiente paso en junio de 1948, cuando Columbia presentó el disco "Long Playing", un disco de 12 pulgadas a 33⅓ rpm con un microsurco mucho más fino. RCA Victor respondió en 1949 con el disco de 7 pulgadas a 45 rpm y un cambiadiscos, y el museo The Henry Ford conserva uno de aquellos primeros tocadiscos RCA de 45. Ya en 1932 se concedió a W. Bartlett Jones una patente para grabar dos canales en las dos paredes de un mismo surco, y los primeros LP estéreo comerciales aparecieron en el sello Audio Fidelity en noviembre de 1957.