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Lo que se preguntan sus alumnos de 3º de la ESO – VI: ¿Por qué podemos escuchar música, ver películas, etc., a partir de un trozo de plástico (CD, DVD)?




En esta serie de dudas estudiantiles vamos cubriendo las preguntas que los alumnos de Lorénzo Hernández le hacen en su clase de 3º de ESO. Hoy vamos a preguntarnos: ¿Por qué podemos escuchar música, ver películas, etc., a partir de un trozo de plástico (CD, DVD)? 

(Image*After)

Esta pregunta permite muchas interpretaciones, a ver si acertamos con la que pretendía el interrogador. Vamos a explicarlo para la música, aunque la idea para el vídeo es básicamente la misma.

La música[1] es una onda, una señal oscilante. Cuando nuestro oído recibe esa señal oscilante la envía a nuestro cerebro, que interpreta eso como música. Supongamos que la onda de música tiene una forma tal como esta:

Lógicamente esto es una simplificación, una onda de música real es muchíiiiisimo más larga y además mucho más “repetitiva”. Pero como ejemplo, nos vale.

Lo que guardamos en el CD no es esa forma, dado que un CD lo que guarda son números. No puede guardar “formas”.[2] Así que lo que se hace es digitalizar esa forma: es decir, ir tomando a intervalos regulares el valor de la forma de la música en ese momento:

Ahora, lo que guardamos en el CD es el valor de la onda en cada instante:

0 10
1 20
2 25
3 12
4 -1
5 -8
6 1
7 -2
8 -20
9 1
10 -2
11 10
12 1

Y ya está. Eso es lo que guarda un CD. Obviamente, la realidad es un poco más compleja, con distintos formatos, distintos estándares, distintas calidades posibles, distintas formas de hacer este proceso… pero el concepto es básicamente eso.

¿Qué hacemos luego cuando queremos escuchar esa música? Lo que hace el reproductor de música es leer esos números e ir poniéndolos al ir generando de nuevo la onda musical:

Como ves, la onda ha quedado “cuadrada”, no es exactamente igual que la onda original. Si intentáramos reproducir eso directamente sonaría raro (aunque cuando la calidad final no importa mucho, como por ejemplo cuando simplemente queremos generar un pitido, a veces sí que se hace directamente eso). Así que lo que hacemos después es suavizar la onda (técnicamente, a ese proceso se le llama “filtrado”), obteniendo:

Ahora sí, ya tenemos de nuevo la señal original. Si mandamos esa señal a un altavoz, estaremos escuchando la música.

Se puede demostrar matemáticamente que, si se cumplen determinadas condiciones y se realizan los pasos con unos determinados parámetros, la onda que se recupera es la misma que la original con un cierto nivel de ruido (que se puede calcular). En la práctica lo que ocurre es que ninguno de los pasos es perfectos… pero no importa: el resultado es lo bastante bueno como para que nuestro oído no note en demasía la diferencia.

 

Para saber más:
  1. Cualquier sonido, en realidad. []
  2. Curiosamente, los discos de vinilo sí que guardan la forma de la música (bueno, más o menos), aunque eso es tecnología tan obsoleta que nuestros lectores de secundaria probablemente ni han visto un vinilo en su vida. []

Sobre el autor:

J ( )

 

{ 15 } Comentarios

  1. Gravatar Karlos F | 08/03/2015 at 10:21 | Permalink

    No estaría mal agregar un enlace al artículo publicado por Pedro en la serie Inventos Ingeniosos, en el que explica el funcionamiento físico del CD.

    http://eltamiz.com/2008/03/14/inventos-ingeniosos-el-cd/

  2. Gravatar J | 09/03/2015 at 07:45 | Permalink

    Estupenda idea. hecho.

  3. Gravatar Juan Carlos | 09/03/2015 at 03:02 | Permalink

    He escuchado que el sonido en los discos de vinilo es mas agradable (para mi lo es) que en un CD/DVD (a pesar que la calidad es ciertamente inferior).

    que opinan del asunto?

    Saludos

  4. Gravatar J | 09/03/2015 at 06:38 | Permalink

    Juan Carlos,

    yo solo te puedo hablar de la parte técnica. Mi oído es de piedra: la música me gusta o no me gusta, pero no distingo una corchea de un DO.

    De los vinilos se dice, frente a los CDs, dos cosas:

    1) Que tienen menor relación señal a ruido. Un CD, al estar digitalizado, está también cuantizado: es decir, la señal vale 4 o vale 5, pero no puede valer 4,8. De modo que si la señal real, la música de verdad, vale 4,8, no puedo ponerlo, tengo que poner 5. Eso se modela como una cierta cantidad estadística de ruido. Esa cantidad de ruido se puede estimar y se puede garantizar que, para una cantidad de bits determinados (8 bits, 16 bits, 32 bits,…) es menor que X. Bueno… pues X es muy muy pequeño. El ruido que introduce eso es muy pequeño. Los melómanos podrán decir si lo detectan o no; yo no lo detecto.

    2) Que tienen mayor rango dinámico. El rango dinámico es la distancia entre la señal más alta que puede producir y la más baja. No recuerdo la especificación, pero sí recuerdo que cuando me lo contaron me lo contaron como hecho cierto.

  5. Gravatar Juan Carlos | 10/03/2015 at 03:49 | Permalink

    “pero no distingo una corchea de un DO.”

    No, pero si yo ni eso siquiera, solo que he escuchado que el sonido es mas “agradable”, no que es mejor ni peor ni mas o menos elaborado.

    Talvez es ese sonidillo de fondo que tenian los vinilo, no se.

    Saludos

  6. Gravatar Rantamplan | 10/03/2015 at 06:16 | Permalink

    Hola, tengo la respuesta sobre la cuestión del vinilo-CD. bueno, al menos tengo “una” respuesta.

    Desde un punto de vista matemático e ingenieril el CD reproduce la señal original con mayor calidad. Es decir, es más fiel al original. El vinilo introduce más errores por lo que matemáticamente hablando la señal es de peor calidad.

    Sin embargo la gente tiende a olvidar que el cerebro no hace mediciones matemáticas, sino que decide si una música es “mejor” o “peor” en base a otros factores.

    Y la realidad es que los CDs se gravan en entornos completamente limpios de ruido (estudios de gravación) con técnicas de filtrado y seleccionando las mejores pistas de entre una docena de actuaciones de forma que la melodía quede “perfecta”, el CD no introduce errores perceptibles por nuestro oido y el aparato reproductor si es bueno lo reproduce sin errores.

    ¿Alguien se ha parado a pensar si a nuestro cerebro le gusta la perfección?.

    La respuesta es: A mucha gente no le gusta, de hecho un sonido “perfecto” completamente ausente de ruido le resulta “perturbador”, “irreal” e incluso “desagradable”.

    Un ejemplo: le pasa a algunas personas acostumbradas a los ruidos de la ciudad cuando paran el motor del coche y se bajan en medio del campo. la ausencia de ruido a algunos les parece algo “maravilloso” y a otros les hace sentirse incómodo.

    Pues un poco por ahí van los tiros.

    Una grabación ausente de ruido es matemáticamente hablando de mejor calidad, sin embargo eso no quiere decir que le vaya a gustar más a las personas.

  7. Gravatar Macluskey | 10/03/2015 at 09:49 | Permalink

    Rantamplan tiene bastante razón sobre lo del ruido. Yo siempre digo que en directo es mucho mejor que enlatado, y es casi imposible que un directo queda perfecto… pero tiene una magia especial.

    Los vinilos (y yo todavía tengo algún centenar que no pongo nunca) sí tenían la ventaja del rango dinámico, que se distingue sobre todo en clásica. Una pieza (sobre todo del Siglo Xx y XXI) es muy habitual que tenga pasajes casi inaudibles (un oboe al fondo con un resonar lejano de timbal que casi no se oye) con pasajes que literalmente te hacen daño al oído cuando la orquesta entra en tutti… Véase “Los Pinos de la Vía Apia”, de “Los Pinos de Roma” de Respighi para hacerse una idea.

    En un CD la música se “comprime”, porque no es capaz de cubrir tantos decibelios de rango dinámico, mientras que un vinilo sí que es capaz de cubrir ese rango.

    Pero, claro, están los clicks. Una mota de polvo, y click. Un minirallajo y click. Simplemente por ponerlos varias veces la aguja ya desgasta el material y… clik. CLICK, CLICK… A mí me ponía de los nervios. VIVA EL CD!!!

  8. Gravatar Karlos F | 11/03/2015 at 05:19 | Permalink

    La banda de rock The Black Keys usa métodos de grabación propios del siglo pasado probablemente buscando lograr el efecto que menciona Rantamplan.

    Otro ejemplo, podrían ser los sintetizadores de voz Vocaloid. Que si bien pueden cantar sin fallar una nota, suenan un tanto robóticos. Muchos compositores introducen intencionalmente errores propios de la voz humana, como sonidos de respiración, a fin de lograr un sonido menos artificial y más agradable al oído.

  9. Gravatar Sergio B | 11/03/2015 at 01:25 | Permalink

    Yo creo que estamos confundiendo dos definiciones de ruido. Por un lado la definicion que todos mas bien entendemos, la respiracion, un avion pasando por encima del concierto o tu padre viendo al tele en el salon y por otro lado ruido es la diferencia entre la onda original y la reproducida. En la primera, el vinilo no tiene por que ser peor, tambien se pueden grabar vinilos en estudios de grabacion y con los tratamientos que se quiera y en cuanto a la conservacion los cd’s son mejores, pero al final tambien aparecen cracks por ahi y suelen ser peores, por que la cancion se para o se salta. En la segunda definicion obviamente es mejor el vinilo, como explica bien J, y lo que ocurre es que lo que escuchamos en un cd no es la musica original, no quiere decir que rasque o nada, simplemente las frecuencias no son las originales y a eso se le llama ruido, con sus calculos logaritmicos para meterlo en decibelios y toda la pesca. Por otro lado, tampoco hay que comparar los aparatos reproductores de vinilo de su epoca, con los mp3 que escuchamos hoy en dia, por que los reproductores de vinilos actuales funcionan bastante mejor.

    En cuanto a la perfeccion, no se tu experiencia, pero en la mia, a la gente le gusta el silencio y los sonidos puros. Yo cada vez que en un concierto aspira demasiado fuerte el flautista me gustaria tirarle una piedra a la cabeza y ya no te digo si a alguien le da tos, que todo el mundo saca caramelos, no para que pare, sino para que se atragante y muera (igual no, pero que se calle lo desea hasta el que se ha quedado dormido). De hecho, si vas a conciertos de conciertistas jovenes, la principal diferencia es la falta de pureza en el sonido, ya no que se equivoquen (conciertistas jovenes buenos), sino que no saben hacer bien las transiciones. Y vamos, si hablamos de canto, lo que diferencia a un gran cantante de uno bueno es precisamente la pureza del sonido que es capaz de hacer, que el tono lo controlan todos (que no digo yo que no te pueda gustar una tia gritando, a mi me gusta, pero mas bien cuando lo que quiero es ruido agradable de fondo, que no me veo sentandome tranquilamente en mi sofa y para escuchar waka waka en fa menor).

    La constancia del ruido en las ciudades es hasta malo para la salud y si te hace sentir incomodo el silencio del campo, estoy casi seguro que hay alguna palabra psicologica para definirlo como enfermedad mental.

  10. Gravatar Rantamplan | 11/03/2015 at 06:07 | Permalink

    Hola Sergio B,

    Estoy de acuerdo contigo, pero creo que se requiere una puntualización para entender lo que yo quería transmitir.

    Según mi teorema (la hipotesis de Ranta) a la gente le gusta la perfección en el sonido hasta el límite humano. Mas allá hay algunas personas a las que les resulta desagradable.

    O dicho de otra forma: Compara la mejor cantante del mundo en la mejor ópera del mundo que tenga la mejor acústica posible con una grabación hecha con las herramientas habituales de un estudio de grabación “de medio pelo”.

    Apostaría algo a que la relación “señal a ruido” (concepto usado en ingeniería para medir la calidad de la señal) del estudio de grabación le da sopas con ondas a la que tu oído percibe en la ópera.

    Diría que desde un punto de vista matemático la calidad del CD escuchado con unos buenos cascos será varios órdenes de magnitud mejor que la de la ópera, y sin embargo la mayoría de la gente estará de acuerdo en que en la ópera suena mejor.

    ¿Por qué?

    Según la hipótesis de Ranta por que el CD tiene una calidad por encima del límite humano y eso en general no gusta.

  11. Gravatar Sergio B | 11/03/2015 at 10:06 | Permalink

    Saludos Ranta,

    Que quieres decir con mas calidad que el limite humano?

    La relacion senal ruido, al menos como la estudie yo, es la relacion entre una senal original y una copia de esta, si estas escuchando algo, ya sea una opera o unos amables vecinos taladrando a las ocho de la manana, como no es ninguna copia, la relacion senal ruido no tiene aplicacion clara, a no ser que definamos una de las que se reciben, por posicion especial, como la original. En ese caso, dependera de en que sitio de la opera estes, si te has gastado tus buenos dineros, seguramente sera mejor o igual que la del estudio de grabacion, ya que todos los aparatejos del estudio intentaran imitar esa y la senal que produzcan podra ser igual o diferente, no mejor, si estas en el quinto anfiteatro, sera mejor la del CD, aunque probablemente seria mejor si el estudio de grabacion la hubiese grabado en un vinilo.

  12. Gravatar Rantamplan | 13/03/2015 at 06:45 | Permalink

    Hola Sergio,

    Lo que quiero decir es que las cosas nos suenan raras cuando la pureza de los sonidos es superior a la que se puede conseguir por medios normales.

    Pero no me voy a alargar aquí ignora esa definición y entiende lo que te explico a continuación:

    En cuanto a la relación señal a ruido, tu definición no es exacta. La relación señal a ruido de cualquier señal es la relación entre la potencia de la señal y la potencia del ruido que inevitablemente la acompaña, tiene sentido para cualquier señal del mundo, ya esté grabada, emitida, se conozca la original o no.

    La relación señal a ruido puede calcularse mediante técnicas que se usan mucho en telecomunicaciones incluso si no se dispone de la señal original. Dependiendo de si la señal es analógica o digital se pueden aplicar diferentes técnicas para mejorar la relación señal a ruido o incluso eliminar completamente el ruido mediante una reconstrucción de la señal original (que no es necesario conocer de antemano, pero de la cual se tiene información), esto último es especialmente cierto para las señales digitales.

    Permiteme usar el ejemplo del taladro de los vecinos para ilustrar mi argumento integro (igual me alargo un poco, sorry).

    Supongamos que nuestro vecino se pone a taladrar por la mañana, la señal que genera el taladro contra la pared será lo que llamaremos la señal original.

    Sin embargo esa señal llega hasta tu casa distorsionada y atenuada. Atenuada por que hay una distancia y unas paredes entre el agujero del taladro y tu casa y distorsionada por que los rebotes con las paredes introducen ecos y atravesar paredes y puertas actúan como filtro que por un lado atenúan la señal y por otro lado introducen “réplicas” de la señal a diferentes frecuencias.

    Supongamos que en casa tienes un micrófono y un analizador de espectros (el típico electrodoméstico que todos tenemos en casa).

    Tu podrías recoger la señal recibida y visualizarla en el analizador, ahí verías las frecuencias de sonido y la potencia de esas frecuencias que llegan hasta tu micrófono.

    Nunca he trabajado en acústica, yo he trabajado en radiofrecuencia, pero apostaría a que lo que verías sería mucha potencia de señal en algún lugar del espectro y algunas réplicas a su alrededor.

    Con ayuda de un ordenador podrías eliminar esa réplicas quedarte solo con la de mayor potencia y tendrías una señal mucho más parecida a la original, también podrías aumentar un poco el volumen y con un poco de suerte y un par de visitas a casa del vecino atinar hasta poder reproducir en tus altavoces la señal original que salía del agujero de su taladro.

    Y esta señal reconstruida sería más fiel a la original, es decir: Tendría menos ruido y una mejor calidad.

    Alguien podría decirme: Pero es que la señal del taladro era ruido, la reducción de esa señal es una reducción del ruido, no me puedes decir que un ruido atenuado tiene “más ruido” que el ruido original.

    Y tiene sentido hablando desde un punto de vista humano, pero es erróneo hablando desde un punto de vista matemático.

    Supongamos que tu quieres vengarte al día siguiente reproduciendo el mismo ruido para fastidiarle la siesta al vecino, pero no quieres hacer agujeros en tu pared, entonces necesitas grabar su señal y recuperar la señal original exacta para que el sufra exactamente lo mismo que tu. Ni un poco más, ni un poco menos. Pues eso es lo que la relación señal a ruido matemática te da: una señal exactamente igual a la original, sea lo que sea.

    Ahora bien, ¿que señal es más agradable para el oído humano? ¿La señal original del taladro en casa del vecino? ¿O la señal atenuada y filtrada con mayor “ruido” matemáticamente hablando de tu casa?.

    Es más agradable la atenuada y distorsionada, y si pudiéramos atenuarla y distorsionarla más, mejor.

    Con esto pretendo demostrar que la definición de “calidad” matemática no es válida a la hora de determinar si un sonido es agradable al oído humano o no. Para poder asegurar si una señal con una calidad matemática más alta que otra es más agradable al oído humano que la otra, primero te tienes que asegurar que la señal original también lo era.

    Y aquí vienen cuando al matan: ¿que es más agradable? un tono puro o un tono ruidoso.

    Hagamos al prueba. Un buen piano suena “bien” cuando las notas son lo más puras posibles, ¿o no?, comprobémoslo, hagamos una competición entre un piano:

    http://mediateca.educa.madrid.org/audio/reproducir.php?id_audio=ua95msdmxp1c8chn

    Y mi sintetizador:

    http://onlinetonegenerator.com/432Hz.html

    Para hacer la competición necesito que pongas el sintetizador a 562 HZ (que creo que es la frecuencia que es el tono del piano de arriba).

    Reproduce ambas. ¿Cual suena mejor? Espero que me digas que el tono del sintetizador, por que a nivel de “calidad de tono” le da sopas con ondas al piano.

    No es así ¿Verdad? el piano a pesar de ser más “ruidoso” suena mejor.

    Y es muy curioso, por que todos los instrumentos “suenan mejor” y son más caros cuanto más puras son las notas que reproducen, pero solamente por que ningún instrumento es realmente capaz de producir una nota pura, si pudieran, entonces el instrumento no valdría para nada.

    Todas las notas de todos los instrumentos introducen un ruido. Ese ruido es diferente en función de cada instrumento y de hecho es lo que hace que un piano suene diferente que una guitarra aunque los dos toquen la misma nota.

    La pregunta clave que nos tenemos que hacer ahora es: ¿Y cuanto de ruidosa tiene que ser mi señal con respecto a la pureza absoluta para que a nuestro cerebro le guste más?.

    Por suerte la respuesta es: “depende”. Ni siquiera está claro que tipo de ruido hay que meter, hay a quien le gusta más las guitarras (con su ruido característico que proviene mayormente de ecos de su caja de resonancia) y hay a quien les gusta más las flautas (que dan notas más puras pero que presentan un ruido que proviene de las turbulencias en los flujos de aire).

    Y hay a gente que la música les gusta con muy poquito ruido de fondo y los CDs les encantan.

    Y otros que los que les va es que haya un poco de zumbido por debajo y prefieren el vinilo.

    ¡¡Perdón por el post!! espero que por lo menos haya quedado claro.

  13. Gravatar J | 13/03/2015 at 07:08 | Permalink

    En cuanto a la relación señal a ruido, tu definición no es exacta. La relación señal a ruido de cualquier señal es la relación entre la potencia de la señal y la potencia del ruido que inevitablemente la acompaña, tiene sentido para cualquier señal del mundo, ya esté grabada, emitida, se conozca la original o no.

    No coincido con esta definición (lo cual no es un apoyo o enmienda a la totalidad del comentario, solo de este párrafo). El ruido tiene que medirse frente a una señal de referencia.

    El ejemplo más típico es la relación señal-ruido (en la jerga se le llama SNR, Signal-to-Noise-Relation) en la cadena de recepción de una antena. En ese escenario se llama “señal original” a lo que entra por la antena y por lo tanto se calcula el ruido que introducen los elementos que hay entre la antena y la reprodución. Si eres el fabricante del aparato receptor, mejor que eso no lo puedes obtener, y por lo tanto consideras “señal” a lo que entra por la antena. Pero si no eres el diseñador del aparato receptor, sino el diseñador del sistema completo, a lo mejor por ejemplo puedes decidir trabajar en otra banda de frecuencia en que las gotas de lluvia no te distorsionen la señal, y por lo tanto la señal de referencia es lo que sale de la antena emisora, y tu SNR tiene en cuenta también la propagación desde el emisor al receptor.

    Cuando se estudia el concepto de cuantización en los CDs (que es lo que abre estos comentarios) se considera como señal de referencia lo que se intenta grabar en el CD… obviamente si eso a su vez está “manchado” por la estática de la radio, pues el ruido “total” es mayor… ¿seguro? ¿seguro-seguro-seguro? Pues no. Eso depende. Tú mismo pones el ejemplo: si lo que estás estudiando como señal es el golpeteo del taladro, eso no es ruido. A lo mejor precisamente quieres grabar la estática y eso es tu señal. Ejemplo, “Do you remember rock’n'roll radio”, de Los Ramones, en sus segundos iniciales: la estática es parte de la obra artística.

    El ruido es ruido respecto a algo, una señal de referencia. No toda señal tiene ruido… precisamente la señal de referencia no tiene ruido por la mera defición de señal de referencia. Todo depende de dónde pongas el límite de tu sistema.

  14. Gravatar Macluskey | 13/03/2015 at 07:25 | Permalink

    Sólo por molestar…

    Lo que Ranta llama “ruido” que genera un instrumento, en realidad se llama “armónicos”. Cuando una cuerda vibra (o una columna de viento, o una membrana de un timbal…), no sólo genera la frecuencia exacta a la que esté afinada, sino una serie de armónicos, que según sean más o menos genera un sonido diferente… lo que se llama “timbre”.

    Gustavo ne su serie http://eltamiz.com/elcedazo/musica-y-ciencia/ lo explica mucho mejor que yo…

  15. Gravatar Rantamplan | 16/03/2015 at 06:06 | Permalink

    Hola J,

    Creo que más o menos estamos hablando de lo mismo, pero no estoy completamente de acuerdo contigo, de hecho creo que la diferencia de visión se debe a la perspectiva matemática formal frente a al perspectiva ingenieril práctica. A nivel de ingeniería en telecomunicaciones se mide la SNR sin conocer la señal original y sin tener ni idea de qué se ha transmitido.

    El proceso es muy sencillo, se escucha el canal cuando no se está transmitiendo nada. La potencia dentro de tu banda recibida es tu “ruido”. Después se escucha el canal con una transmisión, a la potencia de la señal recibida en tu banda le substraes la potencia del ruido y ya tienes la potencia de tu señal.

    Con la potencia de tu señal y la potencia de tu ruido ya estás capacitado para calcular la SNR. Es cierto que existen algunos casos raros en los que así no se puede hacer, por poner un ejemplo (pero hay más) me parece recordar que en transmisiones de campo cercano se producía un efecto por el que la señal transmitida interfería consigo misma y eso hace que el hecho de transmitir introduzca ruido en el canal.

    Con sus mas y sus menos esta es la técnica que emplean las wifis y los teléfonos para medir la cobertura y funciona muy bien para la mayoría de los temas de ingeniería de telecomunicaciones.

    Técnicas similares se emplean constantemente por los instaladores de antenas y demás, al final llevan un aparato que sin conocer la señal original te calculan la relación señal a ruido y te dicen que si la SNR es mayor de cierto valor la señal es “aceptable” y si es mayor de no se que otro valor la señal es “buena”.

    En definitiva lo que se hace es calcular la relación señal a ruido sobre “lo que quiera que sea que hayan querido transmitir”

    En lo que si que estoy de acuerdo contigo es que el ruido puede ser cero desde un punto de vista formal, a la práctica en telecomunicaciones eso no existe, pero si que entiendo que la teoría lo contemple como posible.

    Pero por ejemplo, al final el ruido se traduce en errores en la comunicación y una de las ventajas del mundo digital sobre las comunicaciones analógicas es que si el número de errores es lo suficientemente reducido es posible regenerar la señal original sin ninguna clase de error. Después de hacer ese proceso uno sabe que la relación señal a ruido es cero, lógicamente esto dura poco, solo mientras la señal se encuentre almacenada en memoria, en cuanto la saques de ahí ya vuelve a no ser cero y su valor se puede medir por técnicas similares a la de arriba.

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