Tutto quello che volevi sapere sulla distorsione audio – Parte 2
Se sei stato in grado di cogliere i concetti delineati nel primo articolo sulla distorsione audio, allora questo sarà un pezzo di torta. In caso contrario, torna indietro e leggi un'altra volta. Può essere un po' complicato la prima volta.
Analisi audio non distorta
Quando guardi le specifiche per un componente audio come un amplificatore o un processore, dovresti vedere una specifica chiamata THD+N. THD+N sta per Distorsione armonica totale più rumore. Sulla base di questa descrizione, è ragionevole pensare che la distorsione cambi la forma della forma d'onda che viene fatta passare attraverso il dispositivo.
I due grafici seguenti mostrano un tono di 1 kHz relativamente puro nei domini della frequenza e del tempo:
Uno sguardo alla distorsione armonica
Se registriamo un'onda sinusoidale pura da 1 kHz come traccia audio e la osserviamo dal dominio della frequenza, dovremmo vedere un singolo picco alla frequenza fondamentale di 1 kHz. Cosa succede quando un processo distorce questo segnale? Diventa 1,2 o 1,4 kHz? No. Le distorsioni convenzionali non elimineranno né sposteranno la frequenza fondamentale. Ma aggiungerà frequenze aggiuntive. Potremmo avere un po' di 2 kHz o 3 kHz, un piccolo ma di 5 kHz e una sfumatura di 7 kHz. Più armoniche ci sono, più "distorsione armonica" c'è.
Puoi vedere che ci sono alcune piccole modifiche alla forma d'onda dopo essere stata riprodotta e registrata con apparecchiature di qualità relativamente bassa. Sia le oscillazioni a bassa che ad alta frequenza vengono aggiunte al tono fondamentale di 1 kHz.
Ritaglio del segnale
Nel nostro ultimo articolo, abbiamo menzionato che il contenuto di frequenza di un'onda quadra includeva infinite armoniche di ordine dispari. Perché è importante comprendere il contenuto in frequenza di un'onda quadra quando si parla di audio? La risposta sta nella comprensione del clipping del segnale.
Quando raggiungiamo il limite di tensione CA delle nostre apparecchiature audio, accadono cose brutte. La forma d'onda potrebbe tentare di aumentare, ma otteniamo un punto piatto nella parte superiore e inferiore della forma d'onda. Se pensiamo a come viene prodotta un'onda quadra, ci vogliono infinite armoniche della frequenza fondamentale per combinarsi per creare la parte superiore e inferiore piatta dell'onda quadra. Questo grafico nel dominio del tempo mostra un segnale con un forte clipping.
Quando si ritaglia un segnale audio, si introduce un comportamento simile a un'onda quadra al segnale audio. Stai aggiungendo sempre più contenuti ad alta frequenza per colmare le lacune sopra la frequenza fondamentale. Il clipping può verificarsi su una registrazione, all'interno di un'unità sorgente, sulle uscite dell'unità sorgente, sugli ingressi di un processore, all'interno di un processore, sulle uscite di un processore, sugli ingressi di un amplificatore o sulle uscite di un amplificatore. Le possibilità di sbagliare le impostazioni sono reali, questo è uno dei tanti motivi per cui ti consigliamo di far installare e mettere a punto il tuo sistema audio da un professionista.
Contenuto di frequenza
Iniziamo ad analizzare il contenuto in frequenza di una forma d'onda ritagliata da 1 kHz. Osserveremo una clip delicata dai domini della frequenza e del tempo e una clip dura dalla stessa prospettiva. Per questo esempio, forniremo l'interfaccia digitale che utilizziamo per il test della risposta in frequenza del sistema audio OEM.
Ecco ancora una volta i grafici nel dominio della frequenza e del tempo del nostro segnale audio originale a 1 kHz. Il tono singolo viene visualizzato come picco singolo previsto sul grafico della frequenza e la forma d'onda è uniforme nel grafico nel dominio del tempo:
Analisi della bassa distorsione
I grafici seguenti mostrano la distorsione del segnale audio dovuta al clipping nello stadio di ingresso della nostra interfaccia digitale. Nel dominio del tempo, puoi vedere alcuni piccoli punti piatti nella parte superiore della forma d'onda. Nel dominio della frequenza, puoi vedere il contenuto aggiuntivo a 2, 3, 4, 5, 6 kHz e oltre. Questo livello di clipping o distorsione supererebbe facilmente lo standard consentito dalla specifica CEA-2006A per la misurazione dell'amplificatore di potenza. È possibile ascoltare il cambiamento nel tono di 1 kHz quando vengono aggiunte ulteriori armoniche a causa del clipping. Il suono cambia da un tono puro a uno aspro. È un ottimo esperimento da eseguire.
Analisi dell'elevata distorsione
I grafici seguenti mostrano il limite superiore di quanto possiamo ritagliare l'input sul nostro dispositivo di prova. Puoi vedere che l'onda sinusoidale da 1 kHz assomiglia molto di più a un'onda quadra. Non esiste una forma d'onda fluida e ondulatoria, solo una tensione che salta da un estremo all'altro alla stessa frequenza del nostro segnale fondamentale:1 kHz. Dal punto di vista del dominio della frequenza, ci sono armoniche significative ora presenti nel segnale audio. Non suonerà molto bene e, a seconda di dove ciò si verifica nel segnale audio, può causare danni alle apparecchiature. Tieni d'occhio quel piccolo picco a 2 kHz, 4 kHz e così via. Li spiegheremo momentaneamente.
Danni alle apparecchiature da distorsione audio
Ora, qui è dove tutta questa fisica e teoria elettrica iniziano a dare i loro frutti. Se ascoltiamo musica, sappiamo che il segnale audio è composto da un numero quasi infinito di frequenze diverse. Strumenti diversi hanno un contenuto di frequenza armonica diverso e, ovviamente, ognuno può suonare molte note diverse, a volte molte alla volta. Quando lo analizziamo, vediamo quanto sta succedendo.
Cosa succede quando iniziamo a ritagliare il nostro segnale musicale? Otteniamo le armoniche di tutti i segnali audio che sono distorti. Immagina di ritagliare onde sinusoidali da 1,0 kHz, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 e 1,5 kHz, tutte contemporaneamente, in quantità diverse. Ognuno aggiunge contenuto armonico al segnale. Aggiungiamo molto rapidamente molta più energia ad alta frequenza al segnale rispetto alla registrazione originale.
Se pensiamo ai nostri altoparlanti, di solito dividiamo i loro compiti in due o tre gamme di frequenza:bassi, medi e alti. Per il bene di questo esempio, supponiamo di utilizzare un altoparlante coassiale con il nostro crossover passa-alto impostato a 100 Hz. I tweeter, i più fragili degli altoparlanti del nostro sistema audio, stanno riproducendo una determinata quantità di contenuto audio superiore a 4 kHz, in base al valore della rete crossover passiva. La quantità di potenza che ottengono i tweeter è proporzionale alla musica e alla potenza che stiamo inviando all'altoparlante di fascia media.
Se iniziamo a distorcere il segnale audio in qualsiasi momento, iniziamo ad aggiungere armoniche, il che significa più lavoro per i tweeter. All'improvviso, abbiamo questo suono aspro, stridulo, distorto e molto molto più energia viene inviata ai tweeter. Se superiamo i loro limiti di gestione della potenza termica, falliranno. In effetti, i tweeter soffiati sembrano essere un dato di fatto nell'industria dell'elettronica mobile. Ma non dovrebbero esserlo.
Più distorsione
Di seguito è riportato il grafico nel dominio della frequenza di tre onde sinusoidali riprodotte contemporaneamente. Le onde sinusoidali sono a 750 Hz, 1000 Hz e 1250 Hz. Questo è il file di riproduzione originale che abbiamo creato per questo test:
Dopo aver riprodotto la traccia a tre onde sinusoidali tramite il nostro computer e averla registrata di nuovo tramite la nostra interfaccia digitale, ecco cosa abbiamo visto. Intendiamoci:questo segnale non stava tagliando:
Puoi vedere che è un bel pasticcio. Quello che stai vedendo si chiama distorsione di intermodulazione. Succedono due cose. Stiamo ottenendo armoniche delle tre frequenze originali. Questi sono rappresentati dai picchi a 1500, 2000 e 2500 Hz. Stiamo anche ricevendo rumore in base alla differenza tra le frequenze. In questo caso, vediamo multipli di 250 Hz, quindi 250 Hz, 500 Hz, 1500 Hz e così via. Vi siete mai chiesti perché alcuni apparecchi audio suonano meglio di altri? Bingo!
Man mano che aumentiamo il livello di registrazione, iniziamo a agganciare i circuiti di ingresso alla nostra interfaccia digitale e creiamo ancora più armoniche ad alta frequenza. Puoi vedere i risultati qui:
Ora, per mostrare cosa succede quando si ritaglia un segnale audio complesso e perché le persone continuano a far esplodere i tweeter, ecco lo stesso segnale a tre onde sinusoidali, ritagliato il più forte possibile nella nostra interfaccia digitale:
Puoi vedere un ampio contenuto ad alta frequenza sopra i 5 kHz. Non dimenticare:non abbiamo mai avuto informazioni superiori a 1250 Hz nella registrazione originale. Immagina una moderna traccia musicale compressa con audio a spettro quasi completo, riprodotta con clipping. Il contenuto ad alta frequenza sarebbe pazzesco. Non c'è davvero da stupirsi che così tanti piccoli tweeter straordinari abbiano dato la vita a causa di sistemi configurati in modo errato.
Ultime considerazioni sulla distorsione audio
C'è stato un mito secondo cui il clipping di un segnale audio produce tensione CC e che questa tensione CC stesse riscaldando le bobine vocali degli altoparlanti e causandone il guasto. Dato ciò che abbiamo esaminato nei grafici nel dominio della frequenza di questo articolo, ora puoi vedere che è abbastanza lontano da un segnale CC. In realtà, è semplicemente solo una grande quantità di contenuti audio ad alta frequenza.
La distorsione di intermodulazione è un argomento delicato. Pochissimi produttori testano le loro apparecchiature per alti livelli di distorsione di intermodulazione. Se un componente come un altoparlante o un amplificatore che stai utilizzando produce una distorsione di intermodulazione, non c'è modo di eliminarla. La tua unica scelta è sostituirlo con un prodotto di qualità superiore e dal design migliore. Ogni prodotto ha una certa quantità di distorsione. Con quanto puoi vivere dipende da te.
La distorsione causata dal clipping di un segnale audio viene facilmente evitata. Una volta che l'installatore ha completato la messa a punto finale del sistema, può guardare il segnale tra ciascun componente del sistema su un oscilloscopio con il sistema al livello massimo di riproduzione. Conoscendo quali sono i limiti superiori per la tensione (che si tratti del dispositivo seguente nella catena audio o di un altoparlante per quanto riguarda le sue capacità di gestione della potenza termica massima), l'installatore può regolare la struttura del guadagno del sistema per eliminare le possibilità di clipping del segnale o surriscaldamento l'altoparlante. Il risultato è un sistema che suona alla grande e durerà per anni e anni e non sacrificherà i tweeter agli dei dell'autoradio.
Questa era la seconda parte della nostra serie in due parti su "Tutto ciò che avresti voluto sapere sulla distorsione audio". Se te lo sei perso, clicca qui per la Parte 1.