Se você conseguiu entender os conceitos descritos no primeiro artigo sobre distorção de áudio, então este será um pedaço de bolo. Se não, volte e faça outra leitura. Pode ser um pouco complicado na primeira vez.
Análise de áudio sem distorção
Ao observar as especificações de um componente de áudio como um amplificador ou processador, você deverá ver uma especificação chamada THD+N. THD+N significa Distorção Harmônica Total mais Ruído. Com base nessa descrição, é razoável pensar que a distorção altera a forma da forma de onda que está sendo passada pelo dispositivo.
Os dois gráficos abaixo mostram um tom de 1kHz relativamente puro nos domínios de frequência e tempo:
Uma olhada na distorção harmônica
Se gravarmos uma onda senoidal pura de 1 kHz como uma faixa de áudio e olharmos para ela no domínio da frequência, devemos ver um único pico na frequência fundamental de 1 kHz. O que acontece quando um processo distorce este sinal? Torna-se 1,2 ou 1,4 kHz? Não. As distorções convencionais não eliminam ou movem a frequência fundamental. Mas, adicionará frequências adicionais. Podemos ter um pouco de 2 kHz ou 3 kHz, um pequenino mas de 5 kHz e um pouquinho de 7 kHz. Quanto mais harmônicos houver, mais “distorção harmônica” haverá.
Você pode ver que há algumas pequenas mudanças na forma de onda depois de ser reproduzida e gravada por meio de alguns equipamentos de qualidade relativamente baixa. As oscilações de baixa e alta frequência são adicionadas ao tom fundamental de 1 kHz.
Corte de sinal
Em nosso último artigo, mencionamos que o conteúdo de frequência de uma onda quadrada inclui infinitos harmônicos de ordem ímpar. Por que é importante entender o conteúdo de frequência de uma onda quadrada quando falamos de áudio? A resposta está em uma compreensão do corte de sinal.
Quando atingimos o limite de tensão CA do nosso equipamento de áudio, coisas ruins acontecem. A forma de onda pode tentar aumentar, mas obtemos um ponto plano na parte superior e inferior da forma de onda. Se pensarmos em como uma onda quadrada é produzida, são necessários infinitos harmônicos da frequência fundamental para se combinarem para criar a parte superior e inferior plana da onda quadrada. Este gráfico no domínio do tempo mostra um sinal com corte severo.
Ao recortar um sinal de áudio, você introduz um comportamento semelhante a uma onda quadrada ao sinal de áudio. Você está adicionando cada vez mais conteúdo de alta frequência para preencher as lacunas acima da frequência fundamental. O clipping pode ocorrer em uma gravação, dentro de uma unidade fonte, nas saídas da unidade fonte, nas entradas de um processador, dentro de um processador, nas saídas de um processador, nas entradas de um amplificador ou nas saídas de um amplificador. As chances de errar nas configurações são reais, e esse é um dos muitos motivos pelos quais recomendamos que seu sistema de áudio seja instalado e ajustado por um profissional.
Conteúdo de Frequência
Vamos começar a analisar o conteúdo de frequência de uma forma de onda de 1 kHz cortada. Veremos um clipe suave dos domínios de frequência e tempo, e um clipe difícil da mesma perspectiva. Para este exemplo, forneceremos a interface digital que usamos para o teste de resposta de frequência do sistema de áudio OEM.
Aqui estão os gráficos de domínio de frequência e tempo do nosso sinal de áudio original de 1 kHz mais uma vez. O tom único aparece como o pico único esperado no gráfico de frequência e a forma de onda é suave no gráfico de domínio do tempo:
Análise de baixa distorção
Os gráficos abaixo mostram distorção no sinal de áudio devido ao corte no estágio de entrada de nossa interface digital. No domínio do tempo, você pode ver alguns pequenos pontos planos no topo da forma de onda. No domínio da frequência, você pode ver o conteúdo adicional em 2, 3, 4, 5, 6 kHz e além. Este nível de corte ou distorção excederia facilmente o padrão que a especificação CEA-2006A permite para medição de amplificador de potência. Você pode ouvir a mudança no tom de 1 kHz quando harmônicos adicionais são adicionados devido ao corte. O som muda de um tom puro para um tom azedo. É um ótimo experimento para realizar.
Análise de alta distorção
Os gráficos abaixo mostram o limite superior de quão forte podemos cortar a entrada para nosso dispositivo de teste. Você pode ver que a onda senoidal de 1 kHz se parece muito mais com uma onda quadrada. Não há forma de onda suave e rolante, apenas uma tensão que salta de um extremo ao outro na mesma frequência do nosso sinal fundamental – 1 kHz. Do ponto de vista do domínio da frequência, existem harmônicos significativos agora presentes no sinal de áudio. Não soará muito bem e, dependendo de onde isso ocorre no sinal de áudio, pode causar danos ao equipamento. Fique de olho nesse pequeno pico em 2 kHz, 4 kHz e assim por diante. Vamos explicá-los momentaneamente.
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.
