Tutto Quello Che Avete Sempre Voluto Sapere Sulla Distorsione Audio – Parte 2
Se siete riusciti ad afferrare i concetti delineati nel primo articolo sulla distorsione audio, questo sarà una passeggiata. Se no, tornate indietro e rileggete. Può essere un po' complicato la prima volta.
Analisi Audio Non Distorto
Quando guardate le specifiche per un componente audio come amplificatore o processore, dovreste vedere una specifica chiamata THD+N. THD+N sta per Total Harmonic Distortion plus Noise (Distorsione Armonica Totale più Rumore). Basandoci su questa descrizione, è ragionevole pensare che la distorsione cambi la forma dell'onda che passa attraverso il dispositivo.
I due grafici sotto mostrano un tono 1kHz relativamente puro nei domini frequenza e tempo:
Uno Sguardo alla Distorsione Armonica
Se registriamo un'onda sinusoidale pura a 1 kHz come traccia audio e la guardiamo dal dominio 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 eliminano o spostano la frequenza fondamentale. Ma aggiungeranno frequenze addizionali. Potremmo avere un po' di 2 kHz o 3 kHz, un pochino di 5 kHz e un accenno di 7 kHz. Più armoniche ci sono, più "distorsione armonica" c'è.
Potete vedere che ci sono alcuni piccoli cambiamenti alla forma d'onda dopo essere stata riprodotta e registrata attraverso attrezzatura di qualità relativamente bassa. Oscillazioni sia a bassa che alta frequenza sono aggiunte al tono fondamentale 1 kHz.
Clipping del Segnale
Nel nostro ultimo articolo, abbiamo menzionato che il contenuto frequenziale di un'onda quadra include armoniche d'ordine dispari infinite. Perché è importante capire il contenuto frequenziale di un'onda quadra quando parliamo di audio? La risposta sta nella comprensione del clipping del segnale.
Quando raggiungiamo il limite di tensione AC del nostro equipaggiamento audio, succedono cose brutte. La forma d'onda può tentare di aumentare, ma otteniamo un punto piatto sulla parte superiore e inferiore. Se ripensiamo a come un'onda quadra è prodotta, servono infinite armoniche della frequenza fondamentale per combinarsi e creare la parte superiore e inferiore piatta dell'onda quadra. Questo grafico dominio tempo mostra un segnale con clipping severo.
Quando clippate un segnale audio, introducete comportamento tipo onda quadra al segnale audio. State aggiungendo sempre più contenuto ad alta frequenza per riempire i vuoti sopra la frequenza fondamentale. Il clipping può avvenire su una registrazione, dentro un'unità sorgente, sulle uscite dell'unità sorgente, sugli ingressi di un processore, dentro 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, ed è una delle tante ragioni per cui raccomandiamo di far installare e tarare il vostro impianto audio da un professionista.
Contenuto Frequenziale
Iniziamo ad analizzare il contenuto frequenziale di una forma d'onda 1 kHz clippata. Guarderemo un clipping lieve dai domini frequenza e tempo, e un clipping forte dalla stessa prospettiva. Per questo esempio, forniremo l'interfaccia digitale che usiamo per test di risposta in frequenza sistemi audio OEM.
Ecco i grafici dominio frequenza e tempo del nostro segnale audio originale 1 kHz ancora una volta. Il tono singolo appare come il picco singolo atteso sul grafico frequenza, e la forma d'onda è liscia nel grafico dominio tempo:
Analisi Bassa Distorsione
I grafici sotto mostrano distorsione nel segnale audio dovuta a clipping nello stadio d'ingresso della nostra interfaccia digitale. Nel dominio tempo, potete vedere alcuni piccoli punti piatti sulla cima della forma d'onda. Nel dominio frequenza, potete vedere il contenuto addizionale a 2, 3, 4, 5, 6 kHz e oltre. Questo livello di clipping o distorsione supererebbe facilmente lo standard che la specifica CEA-2006A permette per misurazione amplificatori di potenza. Potete sentire il cambiamento nel tono 1 kHz quando armoniche addizionali sono aggiunte per il clipping. Il suono cambia da tono puro a uno aspro. È un ottimo esperimento da fare.
Analisi Alta Distorsione
I grafici sotto mostrano il limite superiore di quanto forte possiamo clippare l'ingresso al nostro dispositivo di test. Potete vedere che l'onda sinusoidale 1 kHz sembra molto più un'onda quadra. Non c'è forma d'onda liscia e rotolante, solo una tensione che salta da un estremo all'altro alla stessa frequenza del nostro segnale fondamentale – 1 kHz. Da prospettiva dominio frequenza, ci sono armoniche significative ora presenti nel segnale audio. Non suonerà molto bene e, a seconda di dove avviene nel segnale audio, può portare a danni all'equipaggiamento. Tenete d'occhio quel piccolo picco a 2 kHz, 4 kHz e così via. Li spiegheremo tra poco.
Danni all'Equipaggiamento da Distorsione Audio
Ora, qui è dove tutta questa fisica e teoria elettrica iniziano a pagare. Se ascoltiamo musica, sappiamo che il segnale audio è composto da un numero quasi infinito di frequenze diverse. Strumenti diversi hanno contenuto armonico frequenziale diverso e, ovviamente, ciascuno può suonare molte note diverse, a volte molte alla volta. Quando analizziamo, vediamo quanto sta succedendo.
Cosa succede quando iniziamo a clippare il nostro segnale musicale? Otteniamo armoniche di tutti i segnali audio che sono distorti. Immaginate che stiate clippando 1,0 kHz, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 e 1,5 kHz, tutti allo stesso tempo, in quantità diverse. Ognuno aggiunge contenuto armonico al segnale. Aggiungiamo molto velocemente molta più energia ad alta frequenza al segnale di quanta fosse nella registrazione originale.
Se pensiamo ai nostri altoparlanti, tipicamente dividiamo i loro compiti in due o tre gamme di frequenza – bassi, midrange e alti. Per questo esempio, assumiamo di usare un altoparlante coassiale con crossover passa-alto a 100 Hz. I tweeter – i più fragili dei nostri altoparlanti – stanno riproducendo una data quantità di contenuto audio sopra 4 kHz, basata sul valore della rete crossover passivo. La quantità di potenza che i tweeter ricevono è proporzionale alla musica e alla potenza che inviamo al midrange.
Se iniziamo a distorcere il segnale audio in qualsiasi punto, iniziamo ad aggiungere armoniche, che significa più lavoro per i tweeter. Improvvisamente, abbiamo questo suono aspro, stridulo, distorto e molta più energia inviata ai tweeter. Se superiamo i loro limiti di tenuta termica, falliranno. In effetti, tweeter bruciati sembrano un fatto di vita nell'industria mobile electronics. Ma non dovrebbero esserlo.
Altra Distorsione
Sotto è il grafico dominio frequenza di tre onde sinusoidali suonate simultaneamente. Le onde sono a 750 Hz, 1000 Hz e 1250 Hz. Questo è il file di riproduzione originale che abbiamo creato per questo test:
Dopo aver fatto suonare la traccia a tre onde sinusoidali attraverso il computer e registrata di nuovo via interfaccia digitale, ecco cosa abbiamo visto. Chiariamo: Questo segnale non stava clippando:
Potete vedere che è un bel pasticcio. Cosa state vedendo si chiama distorsione d'intermodulazione. Due cose stanno accadendo. Otteniamo armoniche delle tre frequenze originali. Rappresentate dai picchi a 1500, 2000 e 2500 Hz. Otteniamo anche rumore basato sulla 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 pezzi di equipaggiamento audio suonano meglio di altri? Bingo!
Mentre aumentiamo il livello di registrazione, iniziamo a clippare il circuito d'ingresso della nostra interfaccia digitale e creiamo ancora più armoniche ad alta frequenza. Potete vedere i risultati qui:
Ora, per mostrare cosa succede quando clippate un segnale audio complesso, e perché la gente continua a bruciare tweeter, ecco lo stesso segnale a tre onde sinusoidali, clippato il più forte possibile nella nostra interfaccia digitale:
Potete vedere contenuto estensivo ad alta frequenza sopra 5 kHz. Non dimenticate – non avevamo mai informazioni sopra 1250 Hz nella registrazione originale. Immaginate una traccia musicale moderna compressa con audio quasi full-spectrum, riprodotta con clipping. Il contenuto ad alta frequenza sarebbe pazzesco. È davvero inutile che così tanti tweeter straordinari abbiano dato la vita per sistemi configurati impropriamente.
Alcuni Ultimi Pensieri sulla Distorsione Audio
C'è stato un mito che clippare un segnale audio produce tensione DC, e che questa tensione DC scaldava le bobine mobili causandone il fallimento. Date le analisi dei grafici dominio frequenza di questo articolo, ora potete vedere che è ben lungi da un segnale DC. In effetti, è semplicemente solo un sacco di contenuto audio ad alta frequenza.
La distorsione d'intermodulazione è un argomento sensibile. Pochissimi produttori testano il loro equipaggiamento per alti livelli di distorsione d'intermodulazione. Se un componente come un altoparlante o amplificatore che state usando produce distorsione d'intermodulazione, non c'è modo di liberarsene. L'unica scelta è sostituirlo con un prodotto di qualità superiore, meglio progettato. Ogni prodotto ha qualche quantità di distorsione. Quanta potete convivere sta a voi.
La distorsione causata da clipping di un segnale audio è molto facilmente evitabile. Una volta che il vostro installatore ha completato il tuning finale del sistema, può guardare il segnale tra ogni componente sul vostro sistema su un oscilloscopio con il sistema al livello massimo di riproduzione. Conoscendo i limiti superiori per tensione (sia nel dispositivo successivo nella catena audio che in un altoparlante riguardo le sue capacità massime di tenuta termica), il vostro installatore può regolare la struttura di gain del sistema per eliminare le possibilità di clipping del segnale o surriscaldamento dell'altoparlante. Il risultato è un sistema che suona benissimo e durerà anni e anni, e non sacrificherà tweeter agli dei del car audio.
Questa era la Parte 2 della nostra serie in due parti su "Tutto Quello Che Avete Sempre Voluto Sapere Sulla Distorsione Audio". Nel caso l'aveste persa, cliccate qui per la Parte 1.