Quando falamos de qualquer sinal, seja de áudio, vídeo ou dados, há uma realidade acompanhada de alterações e erros cometidos a esse sinal à medida que passa por diferentes componentes eletrônicos, condutores ou campos magnéticos. Enquanto nos preocupamos quando ouvimos que um componente introduz distorção ou quando lemos especificações de distorção, a distorção faz parte da natureza e é simplesmente inevitável. Até que qualquer distorção atinja um nível significativo em um sinal analógico, ela não pode ser ouvida ou vista.
Começando com uma base em distorção de áudio
Com isso em mente, vamos criar uma base para observar e entender as propriedades de um sinal de áudio nos domínios elétrico e de frequência. Essas informações servirão como base para entender a distorção na parte dois deste artigo.
Qualquer sinal, seja ele de Corrente Contínua (DC) ou de Corrente Alternada (AC), pode ser analisado de duas maneiras – no domínio do tempo ou no domínio da frequência. Compreender a diferença entre esses dois domínios de observação simplificará drasticamente a vida de qualquer pessoa envolvida na indústria de eletrônicos móveis.
Quando observamos um sinal no domínio do tempo, estamos olhando para a amplitude do sinal em relação ao tempo. Normalmente, usaríamos um voltímetro ou osciloscópio para observar os sinais no domínio do tempo. Quando consideramos um sinal no domínio da frequência, estamos comparando a amplitude (ou força) de frequências individuais ou grupos de frequências dentro do sinal. Usamos um RTA (analisador em tempo real) em um computador ou dispositivos portáteis/de bancada para observar o domínio da frequência.
Corrente Contínua
Ao analisar a amplitude de um sinal elétrico, comparamos o sinal com uma referência; em 99% das aplicações, a referência é conhecida como terra. Para um sinal DC, o nível de tensão permanece constante em relação à referência de terra e ao tempo. Mesmo que haja flutuações, ainda é um sinal DC.
Se você fosse mapear o conteúdo de frequência de um sinal DC, você veria que tudo está em 0 hertz (Hz). A amplitude não muda em relação ao tempo.
Vamos considerar a tensão da bateria CC do seu carro ou caminhão. É um valor relativamente constante. Em relação à amplitude versus tempo, fica em torno de 12,7-12,9 volts em uma bateria totalmente carregada com o veículo desligado. Quando o veículo está funcionando e o alternador está carregando, essa tensão aumenta para cerca de 13,5 a 14,3 volts. Este aumento é causado porque o alternador está alimentando a corrente de volta para a bateria para carregá-la. Se a tensão produzida pelo alternador não fosse superior à tensão de repouso da bateria, a corrente não fluiria e a bateria não seria recarregada.
Corrente alternada
Sinal AC – Hora
Se observarmos um sinal AC, como um tom de 1 kHz, que usaríamos para definir os controles de sensibilidade em um amplificador, vemos algo muito diferente. No caso de um tom de teste puro como este, a forma de onda tem uma forma senoidal, chamada de onda senoidal. Se olharmos para uma onda senoidal em um osciloscópio, veremos uma forma de onda suavemente rolante que se estende tanto acima de nossa tensão de referência quanto abaixo.
Sinal AC – Frequência
Agora é sensato olhar para este mesmo sinal da perspectiva do domínio da frequência. O gráfico no domínio da frequência, se não houver distorção, mostrará uma única frequência. Em consideração a um sinal de áudio, a amplitude (ou altura) dessa medição de frequência depende de quão alto essa única frequência é em relação aos limites de nossa tecnologia de gravação ou dispositivo de medição.
Áudio
Quando ouvimos alguém falar ou tocar um instrumento musical, ouvimos muitas frequências diferentes ao mesmo tempo. O cérebro humano é capaz de decodificar as diferentes frequências e amplitudes. Com base em nossas experiências e nas diferenças de frequência e tempo de resposta entre um ouvido e outro, podemos determinar o que estamos ouvindo e a localização do som em relação a nós mesmos.
Analisar o conteúdo no domínio do tempo de um sinal de áudio é relativamente fácil. Usaríamos um osciloscópio para observar uma forma de onda de áudio. O osciloscópio nos mostrará a tensão do sinal versus o tempo. Esta é uma ferramenta poderosa em termos de compreensão da transmissão de sinal entre componentes de áudio.
Uma nota de piano
C Médio – Hora
Vejamos o conteúdo de amplitude e frequência de um som que a maioria de nós conhece bem. O gráfico a seguir é os primeiros 0,25 segundos de uma gravação da nota Dó (C4) central de um piano no domínio do tempo. Isso representa o golpe inicial do martelo na corda. Se você observar o gráfico menor acima do maior, verá que a nota se estende muito além desse segmento inicial de 0,25 segundo.
C médio – Frequência
Sabemos que a frequência fundamental desta nota é 261,6 Hz, mas se você observar os gráficos do domínio da frequência, podemos veja que várias frequências adicionais e importantes estão presentes. Essas frequências são chamadas de harmônicos. São múltiplos da frequência fundamental, e a amplitude desses harmônicos é o que faz um piano vertical pequeno soar diferente de um piano de cauda, de uma harpa ou de um violão. Todos esses instrumentos têm a mesma frequência fundamental de dó central de 261,6 Hz; seu conteúdo harmônico os faz soar diferentes. No caso desta gravação de notas de piano, podemos ver que há um grande pico em 523 Hz, depois picos cada vez menores em 790 Hz, 1055 Hz, 1320 Hz e assim por diante.
Formas de onda senoidal vs quadrada
Cada forma de onda de áudio é composta de uma combinação complexa de frequências fundamentais e harmônicas. O mais básico, como mencionamos, é uma onda senoidal pura. Uma onda senoidal tem apenas uma única frequência. Na outra extremidade do espectro está uma onda quadrada. Uma onda quadrada é composta de uma frequência fundamental, então uma combinação infinita de harmônicos de ordem ímpar em níveis exponencialmente decrescentes. Tenha isso em mente, pois se tornará importante mais tarde, quando começarmos a discutir a distorção.
Sinais de ruído
Ruído é um termo que descreve uma coleção de sons aleatórios ou ondas senoidais. No entanto, podemos agrupar uma grande coleção dessas ondas senoidais e usá-las como uma ferramenta para testar sistemas de áudio. Quando queremos medir a resposta de frequência de um componente como um processador de sinal ou um amplificador, podemos alimentar um sinal de ruído branco através do dispositivo e observar as mudanças que ele faz nas amplitudes de diferentes faixas de frequência.
Ruído Branco – Tempo
Você pode estar se perguntando, o que exatamente é ruído branco? É um grupo de ondas senoidais em diferentes frequências, dispostas de modo que a energia em cada banda de oitava seja igual às bandas de cada lado. Podemos ver o ruído branco de um domínio de tempo como mostrado aqui.
Ruído Branco – Frequência
Também podemos visualizá-lo no domínio da frequência, conforme exibido nesta imagem.
Variações na resposta
As pequenas ondulações no gráfico de frequência estão presentes porque leva muito tempo para que todas as diferentes frequências sejam reproduzidas e produzam um gráfico de régua plana. Em um osciloscópio de 1/3 de oitava, o gráfico seria essencialmente plano.
Fundação para domínios de tempo e frequência
Aí temos nossa base básica para entender a observação de sinais no domínio do tempo e no domínio da frequência. Também tivemos nosso primeiro vislumbre de como o conteúdo harmônico afeta o que ouvimos. Compreender esses conceitos é importante para quem trabalha com equipamentos de áudio, e ainda mais importante para quem instala e ajusta esses equipamentos. Seu especialista local em eletrônica móvel deve estar muito confortável com esses conceitos e pode usá-los para maximizar o desempenho de seu sistema de entretenimento móvel.
Se você chegou até aqui e quer aprender ainda mais sobre distorção de áudio, clique aqui para a Parte 2 deste artigo!
