Se você conseguiu compreender os conceitos descritos no primeiro artigo sobre distorção de áudio, então este será moleza. Se não, volte e leia novamente. Pode ser um pouco complicado na primeira vez.
Ao olhar as especificações para um componente de áudio como um amplificador ou processador, você deve ver uma especificação chamada THD+N. THD+N significa Distorção Harmônica Total mais Ruído. Baseado nesta descrição, é razoável pensar que a distorção muda a forma da onda que está sendo passada através do dispositivo.
Os dois gráficos abaixo mostram um tom de 1kHz relativamente puro nos domínios de frequência e tempo:
Um Olhar Sobre Distorção Harmônica
Se gravarmos uma onda senoidal pura de 1 kHz como uma faixa de áudio e olharmos do domínio de frequência, deveríamos ver um único pico na frequência fundamental de 1 kHz. O que acontece quando um processo distorce este sinal? Ele se torna 1,2 ou 1,4 kHz? Não. Distorções convencionais não eliminam ou movem a frequência fundamental. Mas, adicionará frequências adicionais. Podemos ter um pouco de 2 kHz ou 3 kHz, um pouquinho de 5 kHz e uma pitada de 7 kHz. Quanto mais harmônicos houver, mais "distorção harmônica" haverá.
Você pode ver que há algumas pequenas mudanças na forma de onda após ser reproduzida e gravada através de equipamentos de qualidade relativamente baixa. Oscilações de baixa e alta frequência são adicionadas ao tom fundamental de 1 kHz.
No nosso artigo anterior, mencionamos que o conteúdo de frequência de uma onda quadrada incluía harmônicos ímpares de ordem infinita. Por que é importante entender o conteúdo de frequência de uma onda quadrada quando falamos de áudio? A resposta está na compreensão do clipping de sinal.
Quando atingimos o limite de voltagem CA do nosso equipamento de áudio, coisas ruins acontecem. A forma de onda pode tentar aumentar, mas obtemos um ponto plano no topo e na base da forma de onda. Se pensarmos em como uma onda quadrada é produzida, são necessários harmônicos infinitos da frequência fundamental para combinar e criar o topo e base planos da onda quadrada. Este gráfico de domínio de tempo mostra um sinal com clipping severo.
Quando você faz clipping de um sinal de áudio, introduz comportamento semelhante a onda quadrada no sinal de áudio. Você está adicionando mais e mais conteúdo de alta frequência para preencher as lacunas acima da frequência fundamental. Clipping pode ocorrer em uma gravação, dentro de uma unidade de fonte, nas saídas da unidade de 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 configurar errado são reais, que é uma das muitas razões pelas quais recomendamos ter seu sistema de áudio instalado e ajustado por um profissional.
Vamos começar a analisar o conteúdo de frequência de uma forma de onda de 1 kHz com clipping. Olharemos um clipping suave dos domínios de frequência e tempo, e um clipping forte da mesma perspectiva. Para este exemplo, forneceremos a interface digital que usamos para testes de resposta de frequência de sistemas 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 de tempo:
Análise de Baixa DistorçãoOs gráficos abaixo mostram distorção no sinal de áudio devido a clipping no estágio de entrada da nossa interface digital. No domínio de tempo, você pode ver alguns pequenos pontos planos no topo da forma de onda. No domínio de frequência, você pode ver o conteúdo adicional em 2, 3, 4, 5, 6 kHz e além. Este nível de clipping 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 por causa do clipping. O som muda de um tom puro para um que é azedo. É um ótimo experimento para realizar.
Análise de Alta DistorçãoOs gráficos abaixo mostram o limite superior de quão forte podemos fazer clipping na entrada do nosso dispositivo de teste. Você pode ver que a onda senoidal de 1 kHz então se parece muito mais com uma onda quadrada. Não há forma de onda suave e rolante, apenas uma voltagem que salta de um extremo ao outro na mesma frequência do nosso sinal fundamental – 1 kHz. De uma perspectiva de domínio de frequência, há harmônicos significativos agora presentes no sinal de áudio. Não vai soar muito bem e, dependendo de onde isso ocorre no sinal de áudio, pode levar a danos no equipamento. Fique de olho naquele pequeno pico em 2 kHz, 4 kHz e assim por diante. Explicaremos aqueles momentaneamente.
Dano ao Equipamento Por Distorção de ÁudioAgora, aqui é onde toda essa física e teoria elétrica começam a valer a pena. Se estamos ouvindo música, sabemos que o sinal de áudio é composto de um número quase infinito de frequências diferentes. Instrumentos diferentes têm diferentes conteúdos de frequência harmônica e, claro, cada um pode tocar muitas notas diferentes, às vezes muitas ao mesmo tempo. Quando analisamos, vemos o quanto está acontecendo.
O que acontece quando começamos a fazer clipping do nosso sinal de música? Obtemos harmônicos de todos os sinais de áudio que são distorcidos. Imagine que você está fazendo clipping de 1,0 kHz, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 e 1,5 kHz ondas senoidais, todas ao mesmo tempo, em quantidades diferentes. Cada uma adiciona conteúdo harmônico ao sinal. Adicionamos muito rapidamente muito mais energia de alta frequência ao sinal do que estava na gravação original.
Se pensarmos em nossos alto-falantes, tipicamente dividimos seus deveres em duas ou três faixas de frequência – grave, médio e agudos. Para o bem deste exemplo, vamos assumir que estamos usando um alto-falante coaxial com nosso crossover passa-alta definido em 100 Hz. Os tweeters – os mais frágeis dos alto-falantes do nosso sistema de áudio – estão reproduzindo uma determinada quantidade de conteúdo de áudio acima de 4 kHz, baseado no valor da rede de crossover passivo. A quantidade de potência que os tweeters recebem é proporcional à música e à potência que estamos enviando ao alto-falante de médio alcance.
Se começarmos a distorcer o sinal de áudio em qualquer ponto, começamos a adicionar harmônicos, o que significa mais trabalho para os tweeters. De repente, temos este som áspero, estridente, distorcido e muito mais energia sendo enviada aos tweeters. Se excedermos seus limites de capacidade de potência térmica, eles falharão. Na verdade, tweeters queimados parecem ser um fato da vida na indústria de eletrônicos móveis. Mas não deveriam ser.
Abaixo está gráfico de domínio de frequência de três ondas senoidais sendo tocadas ao mesmo tempo. As ondas senoidais estão em 750 Hz, 1000 Hz e 1250 Hz. Este é o arquivo de reprodução original que criamos para este teste:
Depois que tocamos a faixa de três ondas senoidais através do nosso computador e gravamos novamente via nossa interface digital, aqui está o que vimos. Vamos ser claros: Este sinal não estava fazendo clipping:
Você pode ver que é uma bagunça. O que você está vendo é chamado distorção de intermodulação. Duas coisas estão acontecendo. Estamos obtendo harmônicos das três frequências originais. Estes são representados pelos picos em 1500, 2000 e 2500 Hz. Também estamos obtendo ruído baseado na diferença entre as frequências. Neste caso, vemos múltiplos de 250 Hz – então 250 Hz, 500 Hz, 1500 Hz e assim por diante. Já se perguntou por que alguns equipamentos de áudio soam melhor que outros? Bingo!
À medida que aumentamos o nível de gravação, começamos a fazer clipping no circuito de entrada da nossa interface digital e criamos ainda mais harmônicos de alta frequência. Você pode ver os resultados disso aqui:
Agora, para mostrar o que acontece quando você faz clipping de um sinal de áudio complexo, e por que as pessoas continuam queimando tweeters, aqui está o mesmo sinal de três ondas senoidais, com clipping tão forte quanto podemos na nossa interface digital:
Você pode ver conteúdo extensivo de alta frequência acima de 5 kHz. Não esqueça – nunca tivemos nenhuma informação acima de 1250 Hz na gravação original. Imagine uma faixa de música moderna comprimida com áudio de espectro quase completo, reproduzida com clipping. O conteúdo de alta frequência seria louco. É verdadeiramente de se admirar que tantos tweeters incríveis tenham dado suas vidas devido a sistemas mal configurados.
Houve um mito de que fazer clipping de um sinal de áudio produz voltagem CC, e que esta voltagem CC estava aquecendo as bobinas de voz dos alto-falantes e causando falhas. Dado o que examinamos nos gráficos de domínio de frequência deste artigo, você pode ver que está bem longe de um sinal CC. Na verdade, é simplesmente apenas uma grande quantidade de conteúdo de áudio de alta frequência.
Distorção de intermodulação é um assunto sensível. Poucos fabricantes testam seus equipamentos para altos níveis de distorção de intermodulação. Se um componente como um alto-falante ou amplificador que você está usando produz distorção de intermodulação, não há como se livrar dela. Sua única escolha é substituí-lo por um produto de maior qualidade, melhor projetado. Todo produto tem alguma quantidade de distorção. Quanto você pode conviver é com você.
Distorção causada por clipping de sinal de áudio é muito facilmente evitada. Uma vez que seu instalador completou o ajuste final do seu sistema, ele ou ela pode olhar o sinal entre cada componente do seu sistema em um osciloscópio com o sistema no nível máximo de reprodução. Conhecendo os limites superiores para voltagem (seja no dispositivo seguinte na cadeia de áudio ou em um alto-falante quanto à sua capacidade máxima de potência térmica), seu instalador pode ajustar a estrutura de ganho do sistema para eliminar as chances de clipping do sinal ou superaquecimento do alto-falante. O resultado é um sistema que soa ótimo e durará anos e anos, e não sacrificará tweeters aos deuses do áudio automotivo.
Esta foi a Parte 2 em nossa série de duas partes sobre "Tudo Que Você Queria Saber Sobre Distorção de Áudio". Caso tenha perdido, clique aqui para a Parte 1.
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