Fonógrafo: do estanho à fita cassete e ao CD

O que acontece quando você fala em um fonógrafo

Fique alguns segundos diante da cena e você verá o truque mais antigo da gravação sonora. Um manequim se inclina sobre uma pequena máquina de ferro e fala em um bocal. Atrás do bocal, um diafragma fino vibra com a voz, e uma ponta de aço presa a ele pressiona uma folha de estanho enrolada em um tambor. O tambor gira e se desloca lateralmente sobre um parafuso, de modo que a ponta deixa uma trilha em espiral na folha. Depois, o tambor volta ao ponto de partida, uma segunda ponta, mais leve, percorre a mesma trilha, e a voz volta a sair por uma pequena corneta.

Um fonógrafo é apenas isso: uma maneira de transformar o movimento do ar na forma de um sulco, e a forma de um sulco novamente no movimento do ar. Tudo o mais nesta página, os cilindros de cera, os discos de 78 rpm, as cápsulas elétricas, as fitas e o disco compacto, é uma resposta diferente às mesmas duas perguntas. Onde se guarda a forma da onda e como se faz sua leitura sem destruí-la?

A cena tem sete máquinas. Escolha uma com o controle Máquina. Ampliação leva você da máquina inteira até a agulha ou a cabeça de fita e, depois, ao microscópio, onde o sulco, as partículas magnetizadas de uma fita ou as cavidades de um CD são desenhados a partir do mesmo sinal que você pode ouvir. Velocidade altera a rapidez com que o suporte passa pela agulha ou pela cabeça, e o mostrador indica o que isso faz com a altura do som. O som permanece desligado até você ativá-lo, e sua própria voz só entra no sulco se você pressionar Gravar minha voz e permitir o microfone. Nada do que você grava sai da página.

O som é uma onda de pressão

A voz é ar sendo empurrado e puxado. Suas pregas vocais se abrem e se fecham mais de cem vezes por segundo, e cada sopro aumenta um pouquinho a pressão do ar diante da boca. A pressão elevada se propaga para fora à velocidade do som, cerca de 343 m/s no ar à temperatura ambiente, seguida por uma queda e, depois, por outra elevação. Um microfone, um tímpano ou um diafragma de fonógrafo nesse ar é empurrado para dentro e para fora pelo mesmo padrão.

Dois números descrevem uma onda simples. A frequência é quantas vezes por segundo a pressão sobe e desce, medida em hertz (Hz). O comprimento de onda é a distância que a onda percorre durante um desses ciclos. A velocidade relaciona essas grandezas:

comprimento de onda = velocidade ÷ frequência

No ar, um tom de 1000 Hz (1 kHz) tem comprimento de onda de 343 ÷ 1000 = 0,343 m, aproximadamente a largura dos ombros de uma pessoa. A mesma fórmula reaparece nesta página porque todo suporte de gravação é uma espécie de ar lento e congelado. Quando um sulco passa por uma agulha a 0,5 m/s, um tom de 1 kHz ocupa 0,5 ÷ 1000 m = 0,5 mm de sulco. Quando uma fita cassete passa pela cabeça a 4,76 cm/s, o mesmo tom ocupa 47,6 µm de fita.

Uma voz real não é um único tom. As pregas vocais produzem uma fundamental em torno de 100 a 250 Hz, e a forma da boca e da garganta reforça alguns dos harmônicos acima dela. Essas faixas reforçadas, chamadas formantes, são o que diferencia um "a" de um "i". A frase falada na cena é construída da mesma maneira no navegador: um zumbido em torno de 120 Hz moldado por 3 formantes para cada vogal. Não é uma gravação de ninguém, portanto não há direitos autorais sobre ela.

O fonógrafo de folha de estanho de 1877

Segundo os Thomas A. Edison Papers da Rutgers University, Edison teve a ideia de gravar som em julho de 1877 enquanto trabalhava em um transmissor telefônico. Em uma anotação de laboratório, descreveu um diafragma de telefone com uma ponta de gravação por pressão encostada em papel parafinado que se movia rapidamente, e escreveu que as vibrações ficavam "bem marcadas". Ele retomou a ideia nos meses seguintes e, no fim de novembro, já tinha um projeto básico.

O primeiro fonógrafo era um cilindro sulcado sobre um eixo comprido. O eixo tinha um passo de rosca de 10 filetes por polegada e era girado por uma manivela. Em vez de papel parafinado, Edison enrolou um pedaço de folha de estanho no cilindro como superfície de gravação. O mecânico John Kruesi o construiu na primeira semana de dezembro de 1877. Quando ficou pronto, Edison colocou a folha e gravou a cantiga infantil "Mary Had a Little Lamb". Os Edison Papers observam que o primeiro fonógrafo tinha mecanismos separados de gravação e reprodução, e que projetos posteriores os combinaram.

A patente veio logo depois. A patente dos Estados Unidos 200,521, de um aperfeiçoamento em fonógrafos ou máquinas falantes, foi concedida em 19 de fevereiro de 1878. A máquina foi amplamente exibida nos Estados Unidos e na Europa e tornou Edison famoso como o "Mago de Menlo Park". Também despertou interesse real entre cientistas, que a usaram para estudar acústica.

Mas os Edison Papers são diretos sobre suas limitações: as gravações em folha de estanho nunca foram inteiramente satisfatórias, e Edison levou mais dez anos para produzir uma máquina comercial. A folha rasga, não pode ser retirada e recolocada no tambor exatamente no mesmo lugar, e as marcas se achatam a cada passagem da agulha. Experimente na cena. Ajuste Reproduções para 10 e reproduza a folha: o sulco fica mais raso, o som fica mais baixo e abafado, e o ruído aumenta.

Por que 10 filetes por polegada? Cada volta da manivela desloca o tambor lateralmente em um filete, de modo que o sulco forma uma espiral com passo de 25,4 ÷ 10 = 2,54 mm. Isso é largo o suficiente para uma ponta de aço acompanhá-lo sozinha, o que importa em uma máquina sem braço e sem nada para orientar a agulha além do sulco que ela está abrindo.

Vinte anos antes: o fonoautógrafo de Scott

Edison não foi a primeira pessoa a gravar som. O Thomas Edison National Historical Park, do National Park Service, hoje afirma claramente que a gravação sonora foi inventada duas vezes: primeiro por Édouard-Léon Scott de Martinville, na França, em 1857, e depois, 20 anos mais tarde, por Edison.

O fonoautógrafo de Scott desenhava as vibrações de uma membrana em papel escurecido com fuligem, enrolado em um cilindro girado por manivela. Servia para observar o som, não para ouvi-lo novamente. Ninguém conseguia reproduzir um fonoautograma, de modo que, durante um século e meio, não houve prova de que os traçados contivessem algo reconhecível.

Em 2008, pesquisadores do grupo First Sounds encontraram gravações sobreviventes de Scott em arquivos franceses e as transformaram em som com um método de varredura óptica desenvolvido no Lawrence Berkeley National Laboratory. O First Sounds explica que um diapasão ajudou muito. Durante 1860, Scott registrou o traçado de um diapasão de 250 Hz ao lado de suas gravações, o que fornece uma referência de tempo: onde as ondulações do diapasão se aproximam, o cilindro estava girando devagar, e o som pode ser esticado de volta à velocidade correta. As gravações de 1857 não têm esse traçado, e a velocidade da mão na manivela variou tanto que suas melodias não podem ser reconhecidas.

O resultado mais conhecido é "Au clair de la lune", gravado em 9 de abril de 1860. O First Sounds o considera o mais antigo registro claramente reconhecível da voz humana recuperado até agora. Uma recitação de Othello, de Ducis, feita em abril de 1860, é o registro mais antigo de linguagem falada que pode ser reproduzido em sua velocidade original exata. Um fonoautograma de um diapasão de 435 Hz, de 1859, é o som reconhecível mais antigo reproduzido até o momento.

A primeira cena mostra a máquina de Edison porque ela foi a primeira capaz de reproduzir a própria gravação. O caso de Scott, na lista sob os controles, abre o microscópio em vez disso, porque um fonoautograma está mais próximo da imagem de um sulco do que de um sulco.

Como um sulco guarda uma onda

Observe o sulco da folha de estanho ao microscópio. Quando a voz empurra o diafragma para dentro, a ponta se aprofunda; quando a pressão cai, ela sobe. Portanto, o sulco segue um percurso constante pelo tambor, mas sua profundidade sobe e desce com o som. Colecionadores chamam isso de hill and dale, ou corte vertical. Os cilindros de Edison o mantiveram durante toda a sua história.

A outra maneira de guardar a mesma onda é manter a profundidade constante e deixar o sulco oscilar lateralmente. Esse corte lateral foi o que Emile Berliner usou nos discos de seu gramofone e, por volta de 1920, já havia se tornado o padrão para discos, como observa o guia de discos de 78 rpm da Yale University Library. Na cena, o gramofone e o toca-discos elétrico mostram um sulco lateral: as paredes mantêm a mesma altura enquanto o percurso ondula de um lado para o outro, e a agulha é empurrada para a esquerda e para a direita.

Nos dois casos, a gravação é a própria onda, escrita ao longo de uma linha. A relação entre a linha e o tempo é a velocidade superficial: quantos metros de sulco passam pela agulha a cada segundo. Para um cilindro, a velocidade superficial é a circunferência multiplicada pelas voltas por segundo. O tambor de estanho do modelo tem 101,6 mm de diâmetro e gira a cerca de 60 rpm (ambos são valores do modelo, pois o original era girado à mão), portanto

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

Nessa velocidade, um ciclo de um tom de 1 kHz ocupa 0,319 ÷ 1000 m, ou 319 µm de folha. Um tom de 10 kHz ocuparia 31,9 µm, mais fino do que uma impressão na folha feita por uma ponta de aço romba poderia guardar. Essa é uma razão para o som abafado da folha de estanho: o suporte não conseguia conter as ondas curtas das notas agudas.

O microscópio mostra exatamente a extensão de sulco indicada na legenda, e a forma de onda no mostrador é o sinal sob a agulha naquele instante. Com Câmera lenta ajustada para 100 ou 1000 vezes mais lento, você pode observar a forma do sulco deslizar sob a ponta. No tambor de estanho, 10 mm de folha guardam 10 ÷ 319 s, ou 31 ms, de som.

A cera substitui a folha de estanho

Os Edison Papers dizem que as primeiras tentativas de Edison de vender um fonógrafo de folha de estanho fracassaram e que foram Alexander Graham Bell e Charles Sumner Tainter, demonstrando uma máquina de cilindros de cera em meados da década de 1880, que o trouxeram de volta à gravação sonora. Bell, seu primo Chichester Bell e Tainter trabalhavam juntos como Volta Laboratory Associates, em Washington. Sua máquina, o grafofone, cortava o sulco na cera em vez de pressioná-lo na folha. O corte remove um fio fino de material e deixa um sulco limpo e durável que pode ser reproduzido muitas vezes.

Entre 1887 e 1889, Edison e sua equipe desenvolveram fonógrafos e cilindros de cera aperfeiçoados, tecnicamente superiores ao grafofone. Também eram caros e difíceis de operar por causa do motor elétrico, de modo que encontraram apenas um mercado limitado como máquinas de ditado. Edison também tentou vender uma boneca falante com um pequeno fonógrafo dentro, mas ela era frágil demais.

O fonógrafo encontrou seu primeiro público de verdade de outra maneira. Na década de 1890, agentes instalaram mecanismos de moedas em fonógrafos de ditado e abriram salões de fonógrafos, onde os clientes podiam ouvir uma gravação por uma moeda de cinco centavos. Mais tarde naquela década surgiram fonógrafos baratos com motor de mola, e a empresa de Edison melhorou o modo de copiar as gravações. A partir daí, liderou o setor por cerca de uma década.

O UCSB Cylinder Audio Archive descreve os cilindros de cera marrom de 1895 a 1901 como as primeiras gravações sonoras vendidas em ampla escala comercial. Eram gravados em velocidades que variavam de cerca de 120 a 160 rpm e vinham com uma tira de papel identificando a gravação, pois no próprio cilindro só se escrevia um número. A maioria dessas tiras se perdeu. Por isso, quase todo cilindro comercial de cera marrom começa com um anúncio falado do título e do intérprete. Os cilindros virgens de cera marrom também podiam ser reutilizados: o sulco antigo era raspado, e Edison afirmava que um cilindro virgem podia ser reutilizado até 100 vezes. O arquivo o compara a um disco regravável.

A cópia era o ponto fraco. Até 1902, um intérprete cantava a mesma canção repetidamente diante de algumas cornetas de gravação, e cada apresentação produzia apenas um pequeno lote de cilindros.

Os números de um cilindro

Em 1902, Edison introduziu o processo Gold-Moulded. Um molde metálico era feito a partir de uma matriz de cera, e um cilindro virgem era aquecido dentro dele para se expandir nos sulcos. O nome vem da pequena quantidade de ouro usada para tornar a matriz condutora. A velocidade de reprodução foi padronizada em 160 rpm, e o passo do sulco permaneceu em 100 filetes por polegada. A UCSB observa que, a 160 rpm, um cilindro de 100 filetes por polegada toca por cerca de 1,5 a 2,5 minutos, razão pela qual eram vendidos como gravações de dois minutos.

O cilindro de cera do modelo tem 55,6 mm de diâmetro (2 3/16 in), e o comprimento útil para reprodução é considerado como 4 in. Então:

• voltas = 100 filetes por polegada × 4 in = 400 voltas
• tempo de reprodução = 400 ÷ 160 rpm = 2,5 min
• velocidade superficial = π × 0,0556 m × 160 ÷ 60 s = 0,466 m/s
• comprimento do sulco = 400 × π × 0,0556 m = 69,9 m

Um tom de 1 kHz ocupa 0,466 ÷ 1000 m = 466 µm de sulco. O número interessante é o que não muda. Um cilindro tem o mesmo diâmetro no começo e no fim do sulco, de modo que o sulco passa pela agulha a 0,466 m/s durante toda a reprodução. Um disco não consegue fazer isso, como mostram as próximas seções.

Em 1908, Edison dobrou a densidade dos sulcos. O cilindro Amberol tinha 200 filetes por polegada e tocava por cerca de 4 minutos. Exigia uma agulha nova, e as máquinas antigas precisavam ser adaptadas. Em 1912, tanto a linha de cera de dois minutos quanto a de quatro minutos foram encerradas, e Edison passou para o Blue Amberol, um cilindro de celuloide com o mesmo sulco de 4 minutos. O celuloide não se estilhaçava quando caía. A UCSB acrescenta uma reviravolta: a contração e a deformação ao longo do século seguinte tornaram muitos Blue Amberol difíceis de reproduzir, e hoje eles costumam soar pior do que os cilindros de cera que substituíram.

Outros fabricantes tentaram cilindros maiores e diferentes. Os cilindros Concert, vendidos a partir do fim de 1898, tinham 5 polegadas de diâmetro, mais que o dobro do tamanho padrão, e som mais alto. Foram inicialmente gravados a 120 rpm, depois a 144 rpm no fim de 1899 e a 160 rpm no início de 1902, e custavam de $4 a $5 cada, em comparação com 35 a 50 centavos de um cilindro padrão. Na França, o relojoeiro Henri Lioret fez uma boneca falante com um pequeno cilindro de celuloide em 1893 e depois passou a produzir seus próprios cilindros musicais duráveis de celuloide, reproduzidos a 100 ou 120 rpm e com duração de 30 segundos a 4 minutos.

O disco plano de Berliner

Emile Berliner, um inventor nascido na Alemanha e radicado em Washington, estudou tanto o fonógrafo quanto o grafofone antes de tentar outra coisa. O Library of Congress Information Bulletin descreve como ele passou dos cilindros aos discos planos de zinco de duas faces, com um sulco em espiral traçado por uma agulha. Em 8 de novembro de 1887, recebeu uma patente do gramofone, um aparelho para gravar e reproduzir sons, a patente dos Estados Unidos 372,786.

O disco plano tinha uma vantagem enorme. Um cilindro precisava ser copiado de uma matriz, e, antes da moldagem, isso significava gravar novamente ou copiar por meio de cornetas. Um disco podia ser prensado. Faça uma única vez um negativo metálico da matriz, e você poderá prensar milhares de gravações idênticas a partir dele. O artigo da Library of Congress diz que os discos planos podiam ser produzidos em massa a um custo muito menor que os cilindros de Edison. Berliner também via o gramofone como uma máquina de entretenimento doméstico desde o início, enquanto outros pensavam no fonógrafo como uma máquina de ditado para escritórios.

O caminho não foi tranquilo. Em uma viagem à Alemanha em 1889, Berliner fez um acordo com uma fabricante de brinquedos para produzir pequenos discos de brinquedo e aparelhos girados à mão. De volta à América, fundou a American Gramophone Company e depois a United States Gramophone Company, em Washington. Para manter a velocidade uniforme, trabalhou com a oficina mecânica de Eldridge R. Johnson em Camden, Nova Jersey, em máquinas com motores de mola, e o mesmo artigo atribui a Johnson a ideia de colocar rótulos nos discos. Na cena, o rótulo de papel no centro do disco do gramofone é um dos achados escondidos, assim como a chave da mola no gabinete.

Um incêndio atingiu a fábrica de Berliner em Washington em 29 de setembro de 1897. Vieram disputas de patentes e cópias de concorrentes e, em junho de 1900, uma ordem judicial fechou a Berliner Gramophone Company da Filadélfia. Berliner transferiu seus direitos de patente para Johnson, que fundou a Victor Talking Machine Company, enquanto Berliner manteve uma participação financeira.

Por que os discos venceram

Um disco é fácil de guardar na prateleira, fácil de enviar pelo correio e fácil de fabricar aos milhares, e comporta um pouco mais de música que um cilindro de dois minutos. A história do Blue Amberol da UCSB observa que, em 1912, os concorrentes mais fortes de Edison eram a Victor Talking Machine Company e a Columbia Phonograph Company, que já haviam parado de fabricar cilindros. O guia de Yale resume o resultado: na década de 1910, os discos planos eram o principal suporte de gravação sonora. Edison manteve o Blue Amberol até 1929.

Edison também fez seus próprios discos. O museu da Iowa State University tem um fonógrafo Edison Diamond Disc e descreve as gravações como discos de 1/4 in de espessura, feitos de argila e goma-laca e reproduzidos com um diamante verdadeiro. A série Diamond Disc durou de 1912 a 1929. Fiel aos cilindros de Edison, seu sulco era de corte vertical, não lateral.

O cilindro tinha algo que o disco não tinha: mantinha a mesma velocidade do sulco do início ao fim. Em um disco, as voltas externas são muito mais longas que as internas, mas levam o mesmo tempo para tocar. O sulco desacelera à medida que a agulha avança para dentro, e as notas agudas perto do rótulo ficam comprimidas em um trecho menor de sulco. Ative o microscópio sobre o gramofone e observe o mostrador enquanto o braço avança para dentro. A velocidade superficial cai, assim como o comprimento de sulco ocupado por uma onda de 1 kHz.

Os números de um disco de 78

As velocidades dos primeiros discos variavam muito. O guia de Yale diz que as velocidades de gravação e reprodução iam de 72 a 86 rpm antes de se fixarem em 78, e que, em 1910, a maioria dos discos era feita a cerca de 78 a 80 rpm. Em 1925, 78,26 rpm foi escolhida como padrão para aparelhos motorizados, porque um motor comum de 3600 rpm girando uma engrenagem de 46 dentes produz

3600 ÷ 46 = 78,26 rpm

O mesmo guia informa o tempo de reprodução por lado: cerca de 3 minutos para um disco de 10 polegadas e cerca de 4 a 5 minutos para um de 12 polegadas. O disco de gramofone de 10 polegadas do modelo tem seu sulco entre os raios de 117 mm e 50 mm, com 96 sulcos por polegada. Esses três números são valores do modelo escolhidos para serem típicos, não medições de uma gravação específica, portanto os resultados abaixo são estimativas:

• voltas = (117 − 50) mm ÷ 25,4 mm × 96 = 253 voltas
• tempo de reprodução = 253 ÷ 78,26 rpm = 3,2 min
• velocidade do sulco na borda = 2π × 0,117 m × 78,26 ÷ 60 s = 0,96 m/s
• velocidade do sulco no fim = 2π × 0,050 m × 78,26 ÷ 60 s = 0,41 m/s
• comprimento do sulco ≈ 253 × π × (0,117 + 0,050) m = 133 m

Os 3,2 minutos concordam com o valor de Yale de cerca de 3 minutos. Na borda externa, um tom de 1 kHz ocupa 959 µm de sulco; perto do rótulo, ocupa 410 µm. Para o disco de 12 polegadas do toca-discos elétrico, o modelo usa de 146 mm a 60 mm, o que dá 325 voltas, 4,2 minutos e 1,20 m/s na borda, caindo para 0,49 m/s no fim. Os 4 a 5 minutos de Yale novamente se encaixam.

Por que tão pouco tempo? O sulco de um disco de 78 é largo porque uma agulha de aço em um sulco de goma-laca precisa de espaço, e o disco gira rápido. O disco de longa duração de 1948 manteve o disco, mas usou um sulco fino e 33⅓ rpm; a exposição sobre o disco de vinil continua essa parte da história.

A corneta e a gravação acústica

Antes de 1925, não havia eletricidade em nenhuma etapa de uma gravação em disco. O guia de Yale descreve o processo: o intérprete cantava ou tocava em uma grande corneta, e a própria energia do som fazia vibrar a agulha de gravação e cortava a matriz de cera. A reprodução seguia o caminho inverso. O sulco movia a agulha, a agulha movia um diafragma de mica na caixa acústica, e a corneta transmitia o movimento do diafragma para o ambiente.

Uma corneta é um dispositivo de adaptação. Um diafragma com alguns centímetros de diâmetro é muito ruim para empurrar uma grande massa de ar, e sozinho produz um som fraco e sem corpo. A garganta estreita da corneta permite que o diafragma empurre com força uma pequena coluna de ar, e o alargamento gradual transmite esse impulso a uma coluna cada vez mais larga até chegar ao ambiente. Quanto mais comprida e larga for a corneta, mais graves serão as notas que ela pode transmitir. É por isso que o gramofone da cena tem uma corneta em forma de flor com meio metro de diâmetro, e por isso as cornetas cresceram até ocupar um canto da sala.

O ponto fraco da gravação acústica era sua capacidade limitada de captar a faixa de sons. O guia de Yale observa que a gravação acústica nunca proporcionou alta fidelidade e que sua faixa dinâmica era limitada. Sons muito baixos e muito altos não podiam ser captados ao mesmo tempo, os graves profundos não moviam suficientemente a agulha, e os cantores eram posicionados perto ou longe da corneta para equilibrar um conjunto.

Na cena, o som do gramofone é limitado à faixa de cerca de 200 Hz a 5 kHz, com ruído de superfície e estalos acrescentados. Esses são valores do modelo destinados a tornar a diferença audível ao lado das máquinas posteriores, não medições de um disco específico.

A gravação elétrica a partir de 1925

Em 1925, chegou o microfone. O guia de Yale explica que, a partir de então, o artista cantava em um microfone, um amplificador transformava o pequeno sinal elétrico em um sinal forte, e esse sinal acionava a agulha de corte. Os discos feitos assim são chamados de gravações elétricas, e o primeiro foi lançado em 1925. Yale acrescenta que o termo não costuma ser usado depois da chegada da fita magnética, em 1947, quando as sessões de gravação passaram para a fita antes de serem cortadas em disco.

A eletricidade mudou as duas pontas. Na gravação, um microfone não exige que o intérprete grite em uma corneta, de modo que uma orquestra inteira podia ser gravada a uma distância normal, e o amplificador podia reforçar graves antes fracos demais para o corte. Em casa, um toca-discos elétrico substituiu a corneta por 3 partes: uma cápsula que transforma o movimento da agulha em tensão, um amplificador com válvulas que aumenta essa tensão e um alto-falante que move o ar. O toca-discos elétrico da cena tem todas elas. Ative Ver por dentro para ver as válvulas brilharem e o cone de papel atrás da grade.

O motor também mudou. Uma mola perde força, e um regulador só consegue manter sua velocidade aproximadamente constante. Um motor elétrico ligado à frequência da rede mantém uma velocidade exata, e uma engrenagem define a velocidade do disco. É daí que vem 3600 ÷ 46: um motor funcionando a 3600 rpm, ou 60 voltas por segundo em uma alimentação de 60 Hz, e uma engrenagem de 46 dentes. A engrenagem é um dos achados escondidos sob o prato do toca-discos elétrico.

O toca-discos elétrico do modelo é limitado na cena à faixa de cerca de 90 Hz a 7 kHz, um valor do modelo escolhido para soar mais encorpado que o gramofone acústico e mais restrito que a fita.

Velocidade e altura do som

Todas as máquinas analógicas da cena seguem a mesma regra. Se você reproduzir uma gravação mais rápido do que ela foi feita, todas as frequências nela sobem na mesma proporção. Reproduza ao dobro da velocidade e um tom de 440 Hz se torna 880 Hz, uma oitava acima. Na linguagem da música, o deslocamento em semitons é

semitons = 12 × log₂(velocidade de reprodução ÷ velocidade de gravação)

Alguns exemplos calculados a partir dessa fórmula:

• Um disco de 78,26 rpm reproduzido a 80 rpm: 12 × log₂(80 ÷ 78,26) = 0,38 semitons acima. É por isso que os primeiros discos, feitos em velocidades de 72 a 86 rpm, soam um pouco errados em uma velocidade fixa.
• Um disco de 78,26 rpm reproduzido a 33⅓ rpm: 12 × log₂(33,333 ÷ 78,26) = -14,78 semitons, mais de uma oitava abaixo e lento.
• Uma fita cassete rodando 6 % mais rápido: 12 × log₂(1,06) = 1,01 semitons acima.
• O dobro da velocidade: 12 × log₂(2) = 12 semitons, exatamente uma oitava.

Experimente o controle Velocidade. A 43 %, o mostrador indica cerca de -14,6 semitons, próximo de como soa um disco de 78 em um toca-discos ajustado para 33⅓. O tempo de reprodução varia no sentido contrário ao da velocidade: um lado que dura 3,2 minutos a 100 % dura 3,2 ÷ 0,43 = 7,4 minutos a 43 %.

Também é por isso que o fonógrafo de folha de estanho com manivela precisava de um volante de inércia, e os motores de mola das máquinas de cilindro e disco precisavam de um regulador. Uma oscilação de alguns por cento na velocidade é uma oscilação de uma fração de semitom na altura, e o ouvido a percebe, especialmente em uma nota sustentada. As máquinas de fita tinham o mesmo problema com o eixo de tração, e os ouvintes chamavam a versão lenta de wow e a rápida de flutter.

O disco compacto é a exceção. Altere a velocidade de seu motor na cena e a altura permanece igual. A razão está na seção sobre por que um CD mantém a altura do som.

Gravação magnética: fio, papel e fita

O sulco não foi a única ideia. O ensaio "A Tale of Tape", da Library of Congress, no National Recording Preservation Plan, remonta a gravação magnética a um artigo do engenheiro americano Oberlin Smith, de 1878. A primeira máquina funcional foi o telegrafone de Valdemar Poulsen, de 1898, na Dinamarca, que magnetizava um fio de aço em movimento. A gravação em fio nunca teve grande fidelidade, diz o ensaio, mas foi um avanço importante e continuou em uso por muitos anos. O fio se emaranhava, rompia facilmente e era difícil de editar.

Em 1927, o inventor alemão Fritz Pfleumer, que havia trabalhado na incorporação de pó de ouro ao papel de cigarro, aplicou a mesma ideia para revestir papel com pó magnético. Patenteou esse papel sonoro em 1928 e o licenciou à empresa elétrica AEG em 1932. A AEG construiu um gravador em torno de longas bobinas de fita, e o ensaio da Library of Congress diz que a AEG apresentou o Magnetophon K1, o primeiro gravador de fita prático, na exposição de rádio de Berlim em 1935. No fim da década de 1930, a fita alemã já havia passado do papel para uma base plástica.

As fontes divergem nos detalhes, e a cena assinala isso. Um artigo de Manfred Krause para a convenção de 2002 da Audio Engineering Society identifica o modelo apresentado em 1935 como K2, não K1. O mesmo par de fontes também diverge quanto ao passo seguinte, a polarização de alta frequência: o artigo de Krause a situa no modelo K4 em 1940, e o ensaio da Library of Congress a atribui a Walter Weber em 1941, na Alemanha. O ensaio acrescenta que W. L. Carlson e G. W. Carpenter haviam solicitado uma patente semelhante nos Estados Unidos em 1921, concedida em 1927, e que Marvin Camras também patenteou a polarização de alta frequência em 1941. A lista de casos sob os controles dá a data como aproximadamente 1940 a 1941.

Depois da Segunda Guerra Mundial, oficiais do US Army Signal Corps estudaram as máquinas alemãs, e John T. Mullin trouxe 2 mecanismos de transporte de fita Magnetophon. Uma fita podia ser apagada, regravada, cortada com uma lâmina e unida por uma emenda, de modo que, pela primeira vez, uma gravação podia ser editada. O guia de Yale data a chegada da fita magnética à produção de discos em 1947. A emenda no gravador de rolo da cena é um achado escondido.

Como uma cabeça de fita grava e lê

Um gravador de fita guarda o som como magnetismo em minúsculas partículas de óxido de ferro que revestem uma tira de plástico. A cabeça de gravação é um anel de ferro doce com uma bobina ao redor e uma fenda muito estreita na frente, onde a fita encosta. A corrente do amplificador do microfone passa pela bobina e cria um campo magnético que sai pela fenda e entra na fita. Conforme a fita passa, cada trecho fica magnetizado na direção e com a intensidade que o campo tinha naquele instante.

A cabeça de reprodução tem o mesmo formato. Quando a fita magnetizada passa por sua fenda, o campo variável atravessa o anel de ferro e induz uma pequena tensão na bobina. Na cena, o microscópio sobre o gravador de rolo mostra as partículas se orientando para o norte ou para o sul conforme o sinal sob a cabeça, coloridas de vermelho e azul.

O comprimento de onda estabelece novamente o limite. Na fita, o comprimento de onda é a velocidade da fita dividida pela frequência:

• gravador de rolo a 19,05 cm/s: 1 kHz ocupa 0,1905 ÷ 1000 m = 190,5 µm, e 10 kHz ocupa 19,05 µm
• fita cassete compacta a 4,76 cm/s: 1 kHz ocupa 47,6 µm, e 10 kHz ocupa 4,76 µm

Para reproduzir uma onda, a fenda da cabeça precisa ser mais estreita que aproximadamente metade de seu comprimento de onda, portanto os 4,76 µm da fita cassete a 10 kHz exigem uma fenda de cerca de dois micrômetros. Uma fita lenta exige cabeças muito finas e partículas finas, razão pela qual a fita cassete precisou de anos de aperfeiçoamento antes de ser usada para música, e os estúdios rodavam fitas em velocidades maiores, como 38,1 cm/s.

As partículas magnéticas não respondem proporcionalmente a campos fracos. Resistem a pequenas mudanças e depois mudam de uma vez, um efeito chamado histerese. Gravados diretamente, os sons baixos saem distorcidos e enterrados no ruído. A polarização de alta frequência resolve isso. Um tom muito acima da faixa audível é acrescentado ao sinal na cabeça de gravação. Ele agita as partículas de um lado para o outro tão depressa que elas se estabilizam proporcionalmente ao sinal de áudio sobreposto. A própria polarização é alta demais para ser ouvida e não é reproduzida pela cabeça de reprodução. A cabeça de apagamento usa uma versão mais forte do mesmo campo de alta frequência para desorganizar o que havia na fita antes.

O eixo de tração, não os rolos, define a velocidade. Os rolos giram mais rápido ou mais devagar conforme seus volumes de fita crescem ou diminuem, portanto a fita é prensada entre um eixo de tração de aço girando a uma velocidade exata e um rolete de borracha. Na cena, observe o rolo de recolhimento no gravador de rolo: ele gira rapidamente no início, quando seu volume de fita é pequeno, e mais devagar conforme se enche.

A fita cassete compacta

O Philips Museum conta a história a partir dos arquivos da empresa. Em 1961, o grupo de desenvolvimento de gravadores da Philips em Hasselt, na Bélgica, recebeu a tarefa de criar um pequeno gravador a pilhas e uma fita cassete para ele, substituindo os gravadores de rolo então comuns em casa. O chefe do desenvolvimento de produtos era Lou Ottens. Ele decidiu que a facilidade de uso vinha primeiro: jovens e idosos, e até os mais desajeitados, precisavam conseguir operá-lo. O tamanho vinha em seguida. Ottens mandou cortar um bloco de madeira para caber no bolso de seu paletó, e esse tamanho definiu o da fita cassete e do gravador. O bloco é um achado escondido na cena, ao lado do gravador portátil.

O Philips Pocket Recorder EL 3300 e sua fita cassete foram apresentados pela primeira vez na Internationale Funkausstellung, em Berlim, em 1963. A Philips então concedeu a outros fabricantes uma licença gratuita do sistema de fita cassete compacta, desde que seguissem suas regras técnicas. Em setembro de 1967, informou o Philips Courier, 70 empresas em todo o mundo já fabricavam gravadores cassete baseados nele. Continuou sendo um suporte sonoro importante por mais de 35 anos e se tornou o sistema de gravação doméstica mais usado.

Dentro da carcaça, não é preciso passar a fita por nenhum percurso. Dois carretéis sustentam a fita, que corre pela borda frontal diante das aberturas por onde entram a cabeça, o eixo de tração e o rolete pressor. Uma almofada de feltro sobre uma mola pressiona a fita contra a cabeça por trás. As notas de aula sobre gravadores cassete do IIT Kanpur dão a velocidade como 1,875 polegadas por segundo, 4,76 cm/s, mantida pelo rolete pressor que aperta a fita contra o eixo de tração: pressão insuficiente faz a fita escorregar, e pressão excessiva pode esmagá-la.

Uma fita cassete C60 comporta 30 minutos por lado. A 4,76 cm/s, isso exige

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

A fita do modelo tem 3,81 mm de largura e a carcaça, 100,4 × 63,8 × 12 mm, com os carretéis separados por 42,5 mm. Essas são as dimensões incorporadas ao modelo.

O disco compacto

A Philips trabalhou no suporte seguinte enquanto a fita cassete ainda crescia. Junto com a Sony, lançou o disco compacto em novembro de 1982, primeiro no Japão e, 4 meses depois, na Europa e nos Estados Unidos, segundo o Philips Museum. O sistema reuniu duas tecnologias: a leitura óptica de um disco com laser e a codificação e o processamento digital do sinal. O formato de áudio é o padrão IEC 60908, e a versão de dados do disco é descrita na ECMA-130, que a Ecma International publica gratuitamente.

Um CD não guarda a forma da onda. Ele mede a onda 44.100 vezes por segundo em cada um de 2 canais, escreve cada medição como um número de 16 bits e guarda os números. O teorema da amostragem, explicado nas notas de J. O. Smith no CCRMA de Stanford, diz que um sinal amostrado a determinada taxa pode ser reconstruído exatamente se não contiver nenhuma frequência acima da metade dessa taxa. Metade de 44.100 é 22.050 Hz, acima do que a maioria dos adultos pode ouvir. A taxa de áudio bruto é

44.100 × 16 bit × 2 = 1.411.200 bit/s

Os números são codificados em um padrão de cavidades prensadas no plástico, lidas por baixo através do disco. A ECMA-130 fixa o passo da trilha espiral em 1,6 µm ± 0,1 µm e a velocidade de leitura entre 1,2 e 1,4 m/s, com uma taxa de bits de canal de 4,3218 Mbit/s. Também diz que uma mudança de cavidade para região plana ou de região plana para cavidade representa um 1, e nenhuma mudança representa um 0. A codificação mantém cavidades e regiões planas com comprimentos entre 3 e 11 bits de canal. Um bit de canal dura 1 ÷ 4,3218 MHz = 231,4 ns, portanto, a 1,2 m/s:

• cavidade mais curta = 3 × 231,4 ns × 1,2 m/s = 0,833 µm
• cavidade mais longa = 11 × 231,4 ns × 1,2 m/s = 3,054 µm

A 1,4 m/s, elas têm 0,972 µm e 3,563 µm. O microscópio da cena mostra 3 trilhas vizinhas de cavidades e o ponto do laser, com a velocidade de deslocamento dividida por mais um fator de 1000 em relação ao ajuste de Câmera lenta, porque, a 1,3 m/s, os 8 µm em vista passariam em cerca de 6 µs.

A ECMA-130 acrescenta que a trilha espirala para fora quando o disco gira no sentido anti-horário visto pelo laser. Um CD toca do centro para a borda, ao contrário de um disco analógico. Essa é uma das cartas «Na verdade…» sob os controles.

Por que um CD mantém a altura do som

Um toca-discos reproduz mais rápido e a altura sobe, porque o sulco é a onda e você está fazendo a onda passar pela agulha mais depressa. Um reprodutor de CD funciona de outra maneira. O disco gira na velocidade necessária para manter a trilha passando pelo laser a uma velocidade constante entre 1,2 e 1,4 m/s, de modo que o motor funciona mais rápido perto do centro e mais devagar perto da borda. A 1,3 m/s:

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

Os números lidos do disco entram em uma pequena memória, e um relógio a cristal os envia ao conversor a exatamente 44.100 por segundo por canal. Se o disco gira um pouco rápido demais, a memória enche, e o aparelho reduz a velocidade do motor. A saída nunca recebe a velocidade do disco, portanto a altura não pode mudar com ela.

Na cena, ajustar Velocidade para 150 % no reprodutor de CD faz o disco girar mais rápido, mas o mostrador diz que a altura não mudou, e o som permanece igual. A linha de estado explica o motivo.

A trilha é comprida. Um disco de 74 minutos lido a uma velocidade entre 1,2 e 1,4 m/s contém de 74 × 60 × 1,2 = 5328 m a 74 × 60 × 1,4 = 6216 m de espiral, entre 5,3 e 6,2 km. Com passo de trilha de 1,6 µm, a faixa entre os raios de 25 mm e 58 mm comporta (58 − 25) mm ÷ 0,0016 mm = 20.625 voltas. 74 minutos de estéreo a 1.411.200 bit/s são 74 × 60 × 1.411.200 ÷ 8 = 783,2 milhões de bytes de áudio antes da correção de erros.

Quanto cabe em um lado

A tabela sob os controles calcula cada máquina a partir de seus dados de entrada. Em resumo:

• folha de estanho: 40 voltas a cerca de 60 rpm, cerca de 0,7 minutos (estimativa)
• cilindro de cera: 400 voltas a 160 rpm, 2,5 minutos
• disco de 78 de 10 polegadas: 253 voltas a 78,26 rpm, cerca de 3,2 minutos (estimativa)
• disco elétrico de 78 de 12 polegadas: 325 voltas, cerca de 4,2 minutos (estimativa)
• gravador de rolo: 548,6 m (1800 ft) de fita a 19,05 cm/s, 48 minutos
• fita cassete compacta C60: 85,7 m a 4,76 cm/s, 30 minutos por lado
• disco compacto: 74 minutos

Duas coisas se destacam. A primeira é quanto o comprimento de onda importa. Um sulco de disco de 78 passa pela agulha a cerca de 1 m/s e comporta apenas 3 minutos; uma fita cassete se move 20 vezes mais devagar e comporta 30 minutos, porque a fita consegue guardar ondas 20 vezes mais curtas. A segunda é que a velocidade superficial do CD, de 1,3 m/s, é maior que a de qualquer sulco, mas ele comporta 74 minutos porque suas trilhas estão separadas por 1,6 µm em vez de 265 µm, e ele guarda números em vez da onda.

O valor do gravador de rolo é calculado como 548,6 m ÷ 0,1905 m/s = 2880 s = 48 minutos em um rolo de 7 polegadas com 1800 ft. O valor da fita cassete corresponde aos 30 minutos por lado da C60, que exigem os 85,7 m calculados acima. O valor da folha de estanho é 40 voltas ÷ 60 rpm = 0,67 minutos.

Ouvir sulcos sem tocá-los

Uma agulha desgasta o que reproduz, e um cilindro de cera rachado ou um disco feito de cera sobre papelão pode não sobreviver sequer a mais uma reprodução. Desde o início dos anos 2000, físicos do Lawrence Berkeley National Laboratory têm lido sulcos com luz. Seu método, chamado IRENE, faz uma varredura óptica de alta resolução do sulco, calcula como uma agulha teria se movido por ele e transforma esse movimento em um arquivo de som, removendo arranhões e saltos no processo.

A Berkeley Lab Engineering Division descreve como o projeto começou há mais de 20 anos com a Library of Congress. Um dos primeiros esforços digitalizou mais de 3000 gravações em cera de povos indígenas americanos do Phoebe Hearst Museum of Anthropology, da UC Berkeley. A equipe então passou a cerca de 200 gravações experimentais do Volta Laboratory de Alexander Graham Bell na década de 1880, preservadas no National Museum of American History do Smithsonian, algumas delas camadas finas de cera sobre cartão de encadernação. Um desses discos contém a voz do próprio Bell. Em 2025, a equipe usou um programa de reconhecimento de fala para ajudar a transcrever um disco Volta muito rachado, cujas palavras ninguém conseguira compreender.

A preservação das gravações comuns é a tarefa maior. O Council on Library and Information Resources e a Library of Congress publicaram em 2010 um estudo nacional, The State of Recorded Sound Preservation in the United States, e o relatório de 2006 Capturing Analog Sound for Digital Preservation estabelece como transferir som analógico com segurança. O próprio guia da Library of Congress sobre cuidados com materiais de áudio trata do armazenamento e manuseio de discos e fitas.

Os discos digitais também exigem cuidados. O NIST e a Library of Congress testaram CDs e DVDs graváveis envelhecendo-os em condições de calor e umidade elevados, em um estudo de 2005 publicado como NIST Special Publication 500-263, e os cientistas de preservação da biblioteca continuam estudando a longevidade dos CDs.

Como o modelo difere das máquinas reais

A cena mostra o princípio de cada máquina, e algumas partes são simplificadas.

• O diâmetro de 101,6 mm do tambor de estanho, sua velocidade de 60 rpm e seus 4 in de comprimento útil são valores do modelo. O original era girado à mão na velocidade escolhida pelo operador.
• Os raios dos discos e os 96 sulcos por polegada dos discos de 78 são valores típicos do modelo. Os discos de 78 reais variavam conforme o fabricante e o ano.
• O microscópio desenha o sulco, as partículas e as cavidades a partir do mesmo sinal que você ouve, com a amplitude exagerada para que a forma possa ser vista. O comprimento mostrado é o indicado na legenda; a profundidade e a largura não estão na mesma escala.
• As partículas da fita são desenhadas muito maiores e em menor quantidade que as reais, que têm comprimento bem inferior a um micrômetro.
• O CD mostra cavidades e regiões planas com comprimentos de 3 a 11 bits de canal, mas em um padrão aleatório, não áudio realmente codificado. A correção de erros, o código de oito para quatorze e o servo de focalização foram omitidos.
• O som é produzido em seu navegador: um filtro de banda, um pouco de ruído e estalos e uma mudança de velocidade. Os limites de banda e os níveis de ruído são valores do modelo escolhidos para tornar claras as diferenças, não medições.
• A primeira cena percorre um quarto da espiral da folha de estanho em 6 segundos para que você possa vê-la girar.