Todo lo que quería saber sobre la distorsión de audio:Parte 2

Si fue capaz de comprender los conceptos descritos en el primer artículo sobre la distorsión de audio, entonces este será una pieza de pastel. Si no, regresa y haz otra lectura. Puede ser un poco complicado la primera vez.

Análisis de audio sin distorsiones

Al mirar las especificaciones de un componente de audio como un amplificador o un procesador, debería ver una especificación llamada THD+N. THD+N significa Distorsión Armónica Total más Ruido. Con base en esta descripción, es razonable pensar que la distorsión cambia de la forma de onda que pasa a través del dispositivo.

Los dos gráficos a continuación muestran un tono de 1kHz relativamente puro en los dominios de frecuencia y tiempo:

Una mirada a la distorsión armónica

Si grabamos una onda sinusoidal pura de 1 kHz como pista de audio y la observamos desde el dominio de la frecuencia, deberíamos ver un solo pico a la frecuencia fundamental de 1 kHz. ¿Qué sucede cuando un proceso distorsiona esta señal? ¿Se convierte en 1,2 o 1,4 kHz? No. Las distorsiones convencionales no eliminarán ni moverán la frecuencia fundamental. Pero, agregará frecuencias adicionales. Podemos tener un poco de 2 kHz o 3 kHz, un pequeño pero de 5 kHz y una pizca de 7 kHz. Cuantos más armónicos hay, más "distorsión armónica" hay.

Puede ver que hay algunos pequeños cambios en la forma de onda después de reproducirla y grabarla con un equipo de calidad relativamente baja. Tanto las oscilaciones de baja como de alta frecuencia se agregan al tono fundamental de 1 kHz.

Recorte de señal

En nuestro último artículo, mencionamos que el contenido de frecuencia de una onda cuadrada incluía infinitos armónicos impares. ¿Por qué es importante comprender el contenido de frecuencia de una onda cuadrada cuando hablamos de audio? La respuesta radica en comprender el recorte de señal.

Cuando alcanzamos el límite de voltaje de CA de nuestro equipo de audio, suceden cosas malas. La forma de onda puede intentar aumentar, pero obtenemos un punto plano en la parte superior e inferior de la forma de onda. Si recordamos cómo se produce una onda cuadrada, se necesitan infinitos armónicos de la frecuencia fundamental para combinarse y crear la parte superior e inferior planas de la onda cuadrada. Este gráfico en el dominio del tiempo muestra una señal con un recorte severo.

Cuando recorta una señal de audio, introduce un comportamiento de onda cuadrada en la señal de audio. Está agregando más y más contenido de alta frecuencia para llenar los espacios por encima de la frecuencia fundamental. El recorte puede ocurrir en una grabación, dentro de una unidad fuente, en las salidas de la unidad fuente, en las entradas de un procesador, dentro de un procesador, en las salidas de un procesador, en las entradas de un amplificador o en las salidas de un amplificador. Las posibilidades de que la configuración sea incorrecta son reales, lo cual es una de las muchas razones por las que recomendamos que un profesional instale y ajuste su sistema de audio.

Contenido de frecuencia

Comencemos a analizar el contenido de frecuencia de una forma de onda recortada de 1 kHz. Veremos un clip suave desde los dominios de la frecuencia y el tiempo, y un clip duro desde la misma perspectiva. Para este ejemplo, proporcionaremos la interfaz digital que usamos para las pruebas de respuesta de frecuencia del sistema de audio OEM.

Aquí están los gráficos de dominio de frecuencia y tiempo de nuestra señal de audio original de 1 kHz una vez más. El tono único aparece como el pico único esperado en el gráfico de frecuencia y la forma de onda es suave en el gráfico de dominio de tiempo:

Análisis de baja distorsión

Los gráficos a continuación muestran la distorsión en la señal de audio debido al recorte en la etapa de entrada de nuestra interfaz digital. En el dominio del tiempo, puede ver algunos pequeños puntos planos en la parte superior de la forma de onda. En el dominio de la frecuencia, puede ver el contenido adicional a 2, 3, 4, 5, 6 kHz y más. Este nivel de recorte o distorsión superaría fácilmente el estándar que permite la especificación CEA-2006A para la medición del amplificador de potencia. Puede escuchar el cambio en el tono de 1 kHz cuando se agregan armónicos adicionales debido al recorte. El sonido cambia de un tono puro a uno amargo. Es un gran experimento para realizar.

Análisis de alta distorsión

Los gráficos a continuación muestran el límite superior de la fuerza con la que podemos recortar la entrada a nuestro dispositivo de prueba. Puede ver que la onda sinusoidal de 1 kHz se parece mucho más a una onda cuadrada. No hay una forma de onda suave y ondulante, solo un voltaje que salta de un extremo al otro a la misma frecuencia que nuestra señal fundamental:1 kHz. Desde la perspectiva del dominio de la frecuencia, ahora hay armónicos significativos presentes en la señal de audio. It won’t sound very good and, depending on where this occurs in the audio signal, can lead to equipment damage. Keep an eye on that little spike at 2 kHz, 4 kHz and so on. We will explain those momentarily.

Equipment Damage From Audio Distortion

Now, here is where all this physics and electrical theory start to pay off. If we are listening to music, we know that the audio signal is composed of a nearly infinite number of different frequencies. Different instruments have different harmonic frequency content and, of course, each can play many different notes, sometimes many at a time. When we analyze it, we see just how much is going on.

What happens when we start to clip our music signal? We get harmonics of all the audio signals that are distorted. Imagine that you are clipping 1.0 kHz, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 and 1.5 kHz sine waves, all at the same time, in different amounts. Each one adds harmonic content to the signal. We very quickly add a lot more high-frequency energy to the signal than was in the original recording.

If we think about our speakers, we typically divided their duties into two or three frequency ranges – bass, midrange and highs. For the sake of this example, let’s assume we are using a coaxial speaker with our high-pass crossover set at 100 Hz. The tweeters – the most fragile of our audio system speakers – are reproducing a given amount of audio content above 4 kHz, based on the value of the passive crossover network. The amount of power the tweeters get is proportional to the music and the power we are sending to the midrange speaker.

If we start to distort the audio signal at any point, we start to add harmonics, which means more work for the tweeters. Suddenly, we have this harsh, shrill, distorted sound and a lot more energy being sent to the tweeters. If we exceed their thermal power handling limits, they will fail. In fact, blown tweeters seem as though they are a fact of life in the mobile electronics industry. But they shouldn’t be.

More Distortion

Below is frequency domain graph of three sine waves being played at the same time. The sine waves are at 750 Hz, 1000 Hz and 1250 Hz. This is the original playback file that we created for this test:

After we played the three sine wave track through our computer and recorded it again via our digital interface, here is what we saw. Let’s be clear:This signal was not clipping:

You can see that it’s quite a mess. What you are seeing is called intermodulation distortion. Two things are happening. We are getting harmonics of the original three frequencies. These are represented by the spikes at 1500, 2000 and 2500 Hz. We are also getting noise based on the difference between the frequencies. In this case, we see 250 Hz multiples – so 250 Hz, 500 Hz, 1500 Hz and so on. Ever wonder why some pieces of audio equipment sound better than others? Bingo!

As we increase the recording level, we start to clip the input circuitry to our digital interface and create even more high-frequency harmonics. You can see the results of that here:

Now, to show what happens when you clip a complex audio signal, and why people keep blowing up tweeters, here is the same three-sine wave signal, clipped as hard as we can into our digital interface:

You can see extensive high-frequency content above 5 kHz. Don’t forget – we never had any information above 1250 Hz in the original recording. Imagine a modern compressed music track with nearly full-spectrum audio, played back with clipping. The high-frequency content would be crazy. It’s truly no wonder so many amazing little tweeters have given their lives due to improperly configured systems.

A Few Last Thoughts about Audio Distortion

There has been a myth that clipping an audio signal produces DC voltage, and that this DC voltage was heating up speaker voice coils and causing them to fail. Given what we have examined in the frequency domain graphs of this article, you can now see that it is quite far from a DC signal. In fact, it’s simply just a great deal of high-frequency audio content.

Intermodulation distortion is a sensitive subject. Very few manufacturers even test their equipment for high levels of intermodulation distortion. If a component like a speaker or an amplifier that you are using produces intermodulation distortion, there is no way to get rid of it. Your only choice is to replace it with a higher-quality, better-designed product. Every product has some amount of distortion. How much you can live with is up to you.

Distortion caused by clipping an audio signal is very easily avoided. Once your installer has completed the final tuning of your system, he or she can look at the signal between each component in your system on an oscilloscope with the system at its maximum playback level. Knowing what the upper limits are for voltage (be it into the following device in the audio chain or into a speaker regarding its maximum thermal power handling capabilities), your installer can adjust the system gain structure to eliminate the chances of clipping the signal or overheating the speaker. The result is a system that sounds great and will last for years and years, and won’t sacrifice tweeters to the car audio gods.

This was Part 2 in our two part series on “Everything You’ve Wanted To Know About Audio Distortion”. In case you missed it, click here for Part 1.