Qué suena mejor al oído, un vinilo, un CD o un DVD de audio

Estas dos imágenes al microscopio electrónico de los surcos de un disco de vinilo (LP aumentado 500 veces, izquierda) y de un disco compacto (CD aumentado 20.000 veces, derecha) fueron obtenidas por Chris Supranowitz, un investigador en el Instituto de Óptica de la Universidad de Rochester. Para mí, la imagen de los surcos del vinilo tiene la belleza y el “calor” de lo analógico, comparada con la frialdad del compacto. En la imagen del vinilo se aprecia la técnica que usa para lograr grabar música en estéreo: el surco es asimétrico de tal forma que “los movimientos laterales representan la suma de los canales estéreo y los movimientos verticales representan la sustracción o resta de ambas señales” [wiki]. La suciedad que se aprecia es inevitable ya que es polvo microscópico pegado por electricidad estática a la superficie. Esa suciedad es la principal fuente de la “fritura” del sonido del vinilo, que muchos aún añoran. También podéis ver otra impresionante fotografía que nos muestra el surco de un vinilo al aumentarlo 1000 veces en la fuente de ambas imágenes: “Record grooves under an electron microscope,” SynthGear, February 17, 2010 [visto en "Vinilos bajo el microscópio electrónico," gracias a "El surco de un vinilo aumentado 1000 veces"]. Como decía uno de los meneantes, “tan imperfecto y es el mejor soporte de música… que nostalgia.”

¿Qué suena mejor, un vinilo o un CD? Los aficionados al vinilo afirman que el sonido del CD es “frío” y falto de rango dinámico, mientras que los defensores del CD afirman que los defectos principales del vinilo son el “crepitar” y la distorsión armónica. El oído humano tiene un rango dinámico de unos 120 dB, aunque una habitación no insonorisada en silencio tiene un nivel de ruido del orden de 20 dB, y por encima de 100 dB la mayoría de las personas sienten molestias. Un disco de vinilo tiene un rango dinámico máximo de unos 65 dB y un CD de música unos 96 dB (la música en vivo entre 100-120 dB). Ahora bien, otra cosa es cómo esté grabada la música [ver más abajo la "guerra del volumen"].

Al margen de la psicoacústica, que estudia como percibimos la música que oímos, se puede realizar una comparación técnica y objetiva como la que presenta  Chris Tham, “Dynamic Comparison of LPs vs CDs – Part 4,” Audioholics, Oline A/V Magazine, September 02, 2004. Chris utilizó su tarjeta de sonido (Audiotrak Prodigy 7.1) y el programa de análisis Cool Edit Pro. Tomó varios vinilos de música de su colección de los que tenía copia en CD o DVD-Audio y los limpió lo mejor que pudo con un kit de limpieza (recién comprado). Digitalizó el sonido ofrecido por su reproductor de vinilo muestreado a 96 kHz con una resolución de 24 bits, hizo lo mismo con el sonido (analógico) ofrecido por su reproductor de CD (o DVD), y los comparó con el sonido digital “real” del CD (o DVD) obtenido con Exact Audio Copy (o DVD Decrypter) que está muestreado a 44’1 kHz con una resolución de 16 bits. Los resultados son interesantes.

Lo primero que hay que recordar es que el espectro audible del oído humano se suele decir que es de 20 Hz a 20 kHz, aunque depende mucho de la persona y de la edad (los niños pequeños suelen oír frecuencias algo más altas y pierden esta cualidad con la edad). La mayoría de las personas en edad adulta no supera los 17 kHz, pero hay quienes alcanzan los 30 kHz (de hecho hay personas que oyen los silbatos ultrasónico para entrenar perros). En un CD se muestrea la música a 44’1 kHz para garantizar la reproducción perfecta (por el teorema del muestreo de Nyquist-Shannon) de frecuencias hasta 22’05 kHz, más allá de lo que una persona con oído estándar puede oír. Además, los estándares de alta fidelidad exigen una reproducción ”perfecta” a estas frecuencias. Aún así, muchos tweeter (altavoces de agudos) de las cajas acústicas de los equipos de música de calidad alcanzan frecuencias de reproducción cercanas a los 30 kHz. Los formatos como DVD-A o SACD que permiten frecuencias de muestreo muy altas (hasta 192 kHz en el DVD-A) son solo para profesionales que quieren “jugar” con el sonido en un estudio; los estudios sobre acústica humana indican que una persona normal no puede distinguir entre el sonido producido por un DVD-A y el de un CD [un estudio famoso es E. B. Meyer, D. R. Moran, “Audibility of a CD-Standard A/D/A Loop Inserted into High-Resolution Audio Playback,” J. Audio Eng. Soc. 55: 775-779, 2007, pero hay muchos otros que concluyen lo mismo).

Para la canción más famosa de la banda sonora de “Carros de fuego” de Vangelis comparó la copia digital exacta (EAC) del CD (1984), el CD reproducido y el LP (1981) reproducido. El resultado es que el rango dinámico del LP es menor que el del CD (reproducido), que a su vez es menor que el de la copia digital (como es de esperar el reproductor de CD altera el sonido grabado). La causa básica es el ruido de fondo en la reproducción del LP. Sin embargo, cuando estudió el ruido de fondo (en un silencio), como se muestra en la figura de arriba, observó que el ruido del CD pasa de -88 dB a -108 dB (debido a la tarjeta de sonido) bruscamente alrededor de 20kHz; sin embargo, el ruido del LP no muestra este salto y es más bajo que el del CD para frecuencias entre 1 kHz (-84 dB) y 10 kHz (-96 dB). La razón por la que el rango dinámico del CD es mejor que el del LP es que el ruido del LP a baja frecuencia es mucho mayor por debajo de los 500 Hz (subiendo hasta los -50 dB). Por tanto, para frecuencias altas el vinilo da un mejor sonido que el CD, que lo supera a frecuencias bajas. Chris Tham cree que el alto ruido a baja frecuencia en el vinilo podría ser debido a la copia máster original (“Original Master Recording“) que quizás haya sido procesada digitalmente previo a su uso para grabar el CD con objeto de eliminar dicho ruido.

Para una canción del disco “Café Bleu” de “The Style Council” comparó el CD original (1984)  reproducido, una copia remasterizada digitalmente del CD (2000) también reproducida, y el LP (1984) reproducido. El rango dinámico del CD remasterizado es muchísimo mayor que el del CD original, que a su vez es algo peor que el del LP original. En cuanto al espectro de la señal, el LP alcanza frecuencias de hasta casi 40 kHz, cuando el CD original y el remasterizado se cortan bruscamente alrededor de los 20 kHz. El CD remasterizado presenta una banda de “ruido” alrededor de 22’05 kHz, debida a la técnica de dithering utilizada para reducir el ruido en la remasterización. Ahora bien, Chris Tham duda de que las frecuencias por encima de 25 kHz en el vinilo sean parte del sonido original grabado y cree que podrían ser artefactos debidos al sistema de reproducción el vinilo. Por eso en su siguiente comparación, compara el LP con un DVD de audio.

Para la canción que da título al disco “What’s New” de Linda Ronstadt comparó el LP (1983) con un DVD-Audio (2002). El DVD-A está muestreado a 192 kHz con 24 bits de resolución que Chris remuestreó a 96 kHz para la comparación con el LP reproducido. El rango dinámico del DVD-A es mucho mayor que el del LP, pero lo que realmente llama la atención es la comparación del espectro. El DVD-A fue grabado de la misma cinta máster que el LP y presenta una banda de ruido alrededor de 29 kHz (una raya horizontal en la figura de arriba, izquierda), que no existe en el vinilo y que tiene su origen en la cinta máster. Comparando el espectro del vinilo con el del DVD-A entre 20 y 29 kHz se observa que el vinilo no reproduce bien estas frecuencias, pero las reproduce, cuando un CD no lo haría; quizás ahí radica la gran ventaja del LP respecto al CD, la reproducción de frecuencias grabadas en la cinta máster por encima de los 20 kHz. Aún así, el DVD-A da un sonido de mucha mejor calidad que el vinilo para dichas frecuencias (audibles solo para algunas personas con “buen oído”). Resultados similares se obtienen para la comparación entre LP y SACD (una variante del DVD solo para audio) y el audio en un DVD de vídeo (los interesados pueden consultar el artículo de Chris).

En resumen, el vinilo se suena mejor que el CD porque tiene un rango dinámico relativo (quizás debido a la “guerra del volumen”), aunque tiene niveles de distorsión y ruido mayores en ciertas frecuencias. El vinilo reproduce ciertos ultrasonidos grabados en la cinta máster de audio, aunque no con la calidad con la que lo reproducen formatos de audio de alta frecuencia de muestreo como el DVD-A o el SACD; pero estos ultrasonidos no son audibles para una persona normal. Chris cree que el responsable del “calor” que los aficionados asocian al vinilo a diferencia del “frío” de lo digital podría ser la distorsión y el rango dinámico relativo del vinilo; este último factor depende más del ingeniero de sonido que del formato y en las pruebas realizadas por Chris con grabaciones comerciales son mayores en el vinilo que en los formtos digitales (incluso DVD-A y SACD), pero sus pruebas son concretas y no corresponden a un estudio estadístico serio. Mi comentario, ya que Chris lo deja como pregunta al lector, es que lo que en el mundo digital se puede considerar un perjuicio, para los aficionados al vinilo podría ser un “beneficio.”

PS (4 ene. 2010): Gracias a todos por vuestros comentarios. He metido la pata en varias ocasiones en este artículo, por lo que he hecho varios cambios en función de lo que me habéis comentado. Espero que ahora refleje mejor su contenido.

Por otro lado, como bien habéis indicado muchos de vosotros, la mayor diferencia entre un vinilo hace 30 años y un CD de ahora es cómo se grabó la música en el estudio, la llamada “guerra del volumen” (vídeo de youtube muy explicativo). Un disco de hoy en día tiene que sonar “bien” en múltiples medios (desde un mp3 mientras caminas por la calle, en el interior de tu coche, en un bar repleto de gente, en tu salón de casa, etc.), por lo que se ha tendido a grabar la música con muy poco rango dinámico relativo (sonido muy “normalizado”); el problema es que a bajo volumen se escucha fatal y a volumen alto se pierde calidad.

El documental que no te puedes perder si te gusta este blog: Escépticos, ¿Fuimos a la luna?

“Escépticos: ¿Fuimos a la Luna?” Producido por ETB 2 y K 2000. Creado, escrito y dirigido por Jose A. Pérez. Presentado por Luis Alfonso Gámez.

PS (3 enero 2011): Supongo que todos conoceréis este otro programa: “Cazadores de Mitos – El mito del alunizaje,” youtube.

Mi revisión de las predicciones científicas de la revista Nature para el año 2011

Todos los años, en el primer número de enero de la revista Nature, periodistas científicos predicen algunos descubrimientos científicos que serán noticia dicho año. Las predicciones no siempre son acertadas, pero yo diría que aciertan algo así como el 50%. Las predicciones para 2011 se publicarán en papel el 6 de enero, pero aparecieron online ayer: Richard Van Noorden, Heidi Ledford & Adam Mann, “New year, new science,” News, Nature, Published online 31 December 2010. Las recopilaré con algunos comentarios de mi propia cosecha.

El superláser del NIF logrará la fusión nuclear. Una predicción arriesgada, pero es seguro que los científicos que trabajan en el National Ignition Facility, en el Lawrence Livermore National Laboratory, California, EE.UU., la instalación con el láser más potente del mundo, tratarán de lograr que la fusión nuclear de una muestra de isótopos de hidrógeno produzca más energía que la energía incidente del láser. Los expertos, según Nature, le dan un 50% de posibilidades a que lo logren. Quien sabe, si no es este año, será el siguiente, o el siguiente, …, ya se sabe que la fusión nuclear es la energía del futuro, del futuro que nunca llega. Este año (2010), el proyecto de reactor de fusión ITER ha tenido problemas de financiación ya que la Unión Europea ha recortado su contribución. La fusión nuclear mediante tokamaks de confinamiento magnético siempre está a 25 años vista. Esperemos que si el NIF se pone a la zaga y meta presión sobre el ITER, en los próximos años nos llevemos la sorpresa de que la fusión nuclear empiece a estar a solo 20 años vista.

Primera evidencia firme de la partícula responsable de la materia oscura. No, en Nature no esperan que esta partícula sea descubierta en el Large Hadron Collider (LHC) del CERN, en Ginebra, sino que sea desvelada por los experimentos subterráneos que publicarán sus datos el año que viene, como XENON100, en el Laboratorio Nacional de Gran Sasso, cerca de L’Aquila, Italia, y CDMS-II (Cryogenic Dark Matter Search) en la Mina de Soudan, en el norte de Minnesota, EE.UU. Según Nature, los expertos creen que alguno de estos laboratorios podría presentar una resultado positivo este año. Este año también se espera que asistamos a los últimos lanzamientos de la lanzadera espacial Endeavour de la NASA. El último, salvo que el Congreso Americano diga lo contrario (pues podría autorizar uno para noviembre), será en abril y enviará a la Estación Espacial Iternacional (ISS) el Espectrómetro Magnético Alfa (Alpha Magnetic Spectrometer o AMS) que estudiará los rayos cósmicos en busca de partículas de antimateria y de la materia oscura. No podemos esperar resultados científicos importantes del AMS para 2011 pero seguro que a finales de año publicarán los resultados de los primeros 6 meses de funcionamiento. Nunca se sabe, quizás AMS nos ofrezca la primera evidencia firme del secreto de la materia oscura.

Primera evidencia de la existencia de la supersimetría. Me vais a llamar aguafiestas, pero disiento de Nature, no creo que la SUSY sea descubierta en el LHC del CERN en 2011. En Nature ya predijeron las primeras pruebas de la SUSY en 2010 y se equivocaron. Pero no cejan, vuelven a predecirlas para 2011. La supersimetría proclama que cada partícula conocida tiene una compañera más pesada aún por descubrir, llamada superpartícula o supercompañera. La mayoría de los físicos teóricos creen que la partícula responsable de la materia oscura es una superpartícula (WIMP), en cuyo caso tendría una masa que permitiría que fuera descubierta en el LHC. Sin embargo, que las energías de las colisiones del LHC sean suficientes para desvelar la primera supercompañera es la predicción de los modelos más sencillos que corrigen el modelo estándar (modelos supersimétricos minimales). La SUSY introduce tal número de parámetros libres (los modelos minimales ya introducen más de 100) que es muy fácil ajustar las predicciones para que la masa de la superpartícula menos masiva sea muy superior a las energías alcanzables en el LHC. En mi opinión personal, la SUSY será descubierta en el s. XXI, pero hay que ser muy optimistas para pensar que el LHC la desvelará.

Se reduce el cerco para la búsqueda del bosón de Higgs.  El bosón de Higgs (o los bosones de Higgs, pues es muy posible que haya más de uno) será noticia en 2011, no por su descubrimiento, que yo no anticipo antes de 2013, sino por los nuevos límites de exclusión para su masa, tanto los obtenidos por el Tevatrón del Fermilab, en Batavia, cerca de Chicago, Illinois, EE.UU., que se publicarán durante el verano de 2011, como los obtenidos combinando las búsquedas de los experimentos ATLAS y CMS en el LHC del CERN, que se publicarán a finales del año 2011. La masa mínima para el bosón de Higgs obtenida en el Tevatrón se acercará, aunque no creo que supere, el límite obtenido por LEP2 del CERN hace casi 10 años. Pero el límite superior, 158 GeV/c², se reducirá bastante; en Nature no se atreven con ningún número, pero yo diría que se reducirá a unos 130 GeV/c²; es decir, a finales de 2011 podríamos estar buscando al bosón de Higgs en el intervalo de masas de 115 a 130 GeV/c², lo que puede parecer un pequeño avance, pero la frontera en la física de partículas elementales experimental siempre avanza más lento de lo que a los físicos teóricos les gustaría. También sabremos en 2011 si el LHC estará en modo colisiones en 2012, o en modo reparación, y si el Tevatrón acabará sus días en septiembre de 2011, como está previsto, o los prolongará hasta 2014 (si se aprueba su financiación, recomendada por la mayoría de los expertos).

Las ciencias del espacio y la NASA son siempre una apuesta segura a la hora de predecir noticias. En 2011 asistiremos a los dos últimos vuelos (o misiones) de la lanzadera espacial Endeavour (quizás podría haber un tercero y último a finales de año, que está solicitado a falta de financiación). Pero la NASA será noticia también por las sondas de exploración del sistema solar. En marzo, la misión Messenger de la NASA se pondrá en órbita alrededor de Mercurio, el planeta más cercano al Sol, y en agosto, la sonda Dawn de la NASA se pondrá a orbitar al asteroide Vesta, uno de los más grandes del cinturón de asteroides entre Marte y Júpiter. La NASA lanzará varias misiones este año, la sonda Juno, que orbitará los polos de  Júpiter, los dos satélites gemelos de la misión GRAIL, que medirán el campo gravitatorio de la Luna, y el róver marciano MSL (por Mars Science Laboratory), un explorador marciano motorizado del tamaño de un automóvil que recorrerá la superficie del planeta rojo.

Por otro lado, muchas voces apuntan a que el telescopio espacial Kepler de la NASA descubrirá la primera tierra fuera del sistema solar (un exoplaneta con una masa igual a la de la tierra orbitando una estrella similar a nuestro Sol). Kepler ha descubierto cientos de nuevos planetas cuyos datos orbitales todavía no han sido publicados y se espera que conduzcan a varias noticias este año.

Más aún, la NASA y la ESA no descuidan el análisis de nuestro propio planeta, con énfasis en los efectos del cambio climático. El satélite GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer) de la ESA, que fue lanzado en mayo de 2008 para medir con altísima precisión el campo gravitatorio de la Tierra, publicará sus primeros resultados este año. Se espera que dichos datos permitan estudiar las variaciones del nivel de los oceános con gran precisión. La NASA lanzará en febrero el satélite Glory para medir la irradiancia solar que recibe la Tierra y el efecto de los aerosoles, y en junio el satélite Aquarius para medir la salinidad de los oceános.

Otras noticias relevantes según Nature. Los testigos del cambio climático en los hielos de Groenlandia del proyecto NEEM (North Greenland Eemian Ice Drilling) alcanzaron en julio de 2010 los 2500 metros de profundidad y los primeros resultados, que desvelarán detalles del periodo interglaciar eemiense (hace entre 130.000 y 115.000 años), cuando la temperatura global de la Tierra era 5°C más caliente que en la actualidad, se publicarán próximamente. Se esperan también nuevos resultados de los análisis del estudio de asociación genómica (GWAS) sobre cómo afectan los genes a ciertas enfermedades, como la obesidad y la diabetes, y al metabolismo en general. Igual que el año pasado, en Nature vuelven a asegurar que será noticia la explosión de genomas de nuevos seres vivos que serán secuenciados y publicados este año.  También serán noticia las células madre pluriopotentes inducidas  (iPS), en especial como modelos para el estudio de desórdenes psiquiátricos y para el descubrimiento de nuevos fármacos (screening preclínico). Telaprevir, el nuevo fármaco para combatir la hepatitis C, enfermedad vírica que afecta al 3% de la población mundial, será aprobado este año en EE.UU. (US Food and Drug Administration). Finalmente, la biología sintética, que gracias al trabajo del español Ricard Solé y sus colegas ha entrado en el dominio multicelular, ofrecerá gran número de noticias en el contexto de colonias de bacterias y sus usos farmacológicos en medicina.

Ya que estamos puestos, me gustaría aportar mi granito de arena a las predicciones de Nature. Permitidme algunas predicciones adicionales de mi propia cosecha.

Se descubrirá la existencia de una cuarta generación de partículas elementales. En enero de 2010, los datos cosmológicos más precisos obtenidos a partir del fondo cósmico de microondas, obtenidos por el satélite WMAP tras 7 años de observaciones, indicaban que había 4 generaciones (familias) de neutrinos (4’34 ± 0’86 familias al 68% CL). Estos datos contradecían a los del LEP2 del CERN que indican la existencia de  sólo 3 familias de neutrinos afectados por la fuerza débil (2′9840 ± 0′0082 familias). Pero LEP2 solo limita la existencia de neutrinos ligeros y un neutrino con una masa mayor de unos 50 GeV/c² sería compatible con LEP2. Nadie espera que se publiquen, de forma anticipada, datos del satélite Planck (se esperan para 2012), pero quizás se brinde alguna noticia al respecto, para que el público sepa que Planck sigue “vivo.” Esta noticia sería un descubrimiento menor para Planck, ya que sus grandes descubrimientos irán en la línea de la teoría de la inflación y la posibilidad de ondas gravitatorias en los primeros instantes de la gran explosión. También podría haber evidencia a favor de una cuarta generación de partículas en el LHC del CERN, que ya ha ofrecido límites de exclusión por encima de los ofrecidos por el Tevatrón del Fermilab, pero todavía muy inferiores a los que se obtendrán a finales de 2011.

Ya hemos dicho que el bosón de Higgs no será descubierto en 2011. Pero el bosón de Higgs es la partícula estrella de la física de partículas en la actualidad y todo apunta que tiene una masa alrededor de 115 GeV y no superior a 120 GeV. Aún así, el límite inferior de LEP2 es de 114’4 GeV y el límite superior del Tevatrón (CDF+DZero), si existe una cuarta generación de partículas (modelo SM4), es inferior a 130 GeV. Quizás sea noticia la publicación de la reducción de este límite superior para el SM4. Quizás nuevas técnicas de análisis permitan descubrir un Higgs supersimétrico de baja masa (por debadjo de 100 GeV), pero parece poco probable. Aún así, podría haber cierta evidencia cuando se analicen en el LHC las desintegraciones en dos fotones del Higgs, las desintegraciones en las que el LHC (con pocos datos) gana con creces al Tevatrón (aunque tenga muchos datos).

Otras posibles noticias en física de partículas. Se espera que el LHC del CERN funcione desde el 21 de febrero hasta principios de noviembre con colisiones protón-protón a 8 TeV (en 2010 fueron a 7 TeV) y que acumule entre 2 y 3 inversos de femtobarn de datos (entre 40 y 60 veces más datos que este año); también se espera, y será noticia por ello, que seguirá funcionando durante 2012 (para recabar otro tanto). La razón fundamental es que todo indica que buscar el bosón de Higgs en el LHC será más fácil de lo que se pensaba. En las conferencias del verano (julio de 2011) y en las de invierno (diciembre 2011) aparecerán noticias muy interesantes sobre la búsqueda del bosón de Higgs (nuevos límites de exclusión para su masa), sobre la búsqueda de la supersimetría y sobre temas más exóticos (nuevos límites de exclusión del gravitino, ausencia de agujeros negros, …). No se espera ningún descubrimiento importante definitivo pero podría haber señales y evidencias a favor de la existencia del Higgs y de la SUSY que podrían ser motivo de noticias en muchos medios. Por otro lado, las colisiones de iones pesados (Pb-Pb) a finales de 2010 en el LHC del CERN están siendo analizadas ahora mismo. Quizás para el verano de 2011 se publicará el redescubrimiento de la antihipermateria en el LHC y alguna que otra sorpresa técnica. La física de los neutrinos también ofrecerá varias noticias interesantes en 2011; por ejemplo, SuperKamiokande publicará las medidas más precisas del ángulo θ31 (que mezcla neutrinos electrónicos y tauónicos); también serán noticia los primeros resultados de ICARUS T600, el detector de neutrinos utilizando argón líquido más grande del mundo, en el laboratorio subterráneo LNGS (Assergi, Italia) del INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare); finalmente, IceCube, el detector de neutrinos en la Antártida cuya instalación finalizó en diciembre de 2010, empezará a tomar datos en mayo de 2011, por lo que será noticia tras el verano cuando se presenten los primeros resultados de las búsquedas de neutrinos y materia oscura.

También creo que serán noticia la gravitación y los agujeros negros. En 2010 la noticia ha sido el desarrollo de trampas de antihidrógeno (antimateria) capaces de almacenar 38 antiátomos y todo apunta a que en 2011 será el anuncio de los primeros resultados en la medida de la gravedad aplicada a la antimateria. Nadie espera sorpresas, pero la confirmación de que la gravedad funciona igual con la materia que con la antimateria será noticia en todos los medios. En 2010 también se publicó la primera observación de la radiación de Hawking en un medio óptico no lineal, resultado que ha sido criticado por algunos especialistas. En 2011, yo apostaría a que será publicada la primera observación en un BEC (condensado de Bose-Einstein). Si se confirma pondrá a Hawking en la carrera hacia el Nobel. Si no se observa en BEC también será noticia ya que se pondrán dudas muy serias sobre la observación realizada este año.