Know Audio: Distorsión, primera parte

Si sigue a los revisores audiófilos, sabrá que su intercambio de acciones es una forma muy elegante de no decir absolutamente nada de sustancia cuantificable sobre el tema mientras suena bien informado sobre las diferencias imaginadas entre dispositivos que de todos modos son de calidad superlativa. Si nos sigue, le diremos que las únicas revisiones que importan son las mediciones reales del rendimiento de audio y las pruebas de audición a ciegas. No es necesario que le digamos cómo escuchar música, pero tal vez sea hora de que en nuestra serie Know Audio veamos cómo se mide el rendimiento del audio.

Antes de llegar al banco, primero es necesario preguntarse qué estamos midiendo. ¿Cuáles son las propiedades que importan en una cadena de audio o, en otras palabras, qué es lo que hace que un dispositivo de audio sea bueno?

Por supuesto, hay muchas cosas que se pueden medir, pero la que más importa en este contexto es probablemente la distorsión. Probablemente estés acostumbrado a la distorsión en la música, mientras que una guitarra clásica suena como una cuerda punteada, una guitarra de rock suena... enfadada.

Esto se debe a que el guitarrista de rock usa un pedal de efectos que induce una distorsión audible en el sonido de guitarra, que de otro modo sería bastante limpio. Se pueden encontrar muchos pedales de efectos de guitarra diferentes, pero algunos de los más simples simplemente conducen un amplificador al recorte para hacer algo más parecido a una onda cuadrada. Pero para entender lo que realmente está pasando, es necesario mirar la forma de onda no en el dominio del tiempo como una onda sinusoidal o una onda cuadrada, sino en el dominio de la frecuencia como un espectro.

Si tuviera que tomar un oscilador de onda sinusoidal perfecta y conectarlo a un analizador de espectro, esperaría ver un solo pico correspondiente a la frecuencia de la onda sinusoidal. Si aplica distorsión a esa onda sinusoidal, el analizador de espectro comenzará a mostrar picos en otras frecuencias según el tipo de distorsión que se esté aplicando.

Es un tema que hemos analizado en detalle aquí en Hackaday en el pasado, y suponemos que muchos de ustedes estarán familiarizados con la derivación matemática de una onda cuadrada a partir de una serie de ondas sinusoidales armónicas. La distorsión en un dispositivo de audio se mide observando estos picos adicionales en el espectro y se expresa como un valor de dB o un porcentaje que indica su fuerza relativa en comparación con la de la señal original. Para esos pedales de guitarra, la cifra será de decenas de por ciento, mientras que para un amplificador de audio de buena calidad será solo una fracción de uno por ciento. También es habitual ver la cifra citada como THD+N que indica el componente de ruido en el resto del espectro, además de verlo citado para una sola frecuencia (normalmente 1 kHz).

Medir la distorsión es un proceso superficialmente simple, pero en la práctica, construir un instrumento para hacerlo de manera efectiva no es una tarea fácil. Un dispositivo bajo prueba se alimenta con una onda sinusoidal tan pura como se puede generar, y el voltaje RMS de su salida se mide directamente desde él y a través de un filtro de muesca que elimina la frecuencia fundamental de la onda sinusoidal. La idea es que la señal filtrada devuelva solo el componente de la salida que se debe a la distorsión y, por lo tanto, se puede comparar con la cifra completa para derivar esa cifra relativa.

Por lo tanto, el diseñador del instrumento tiene varios obstáculos importantes que superar, porque no solo su oscilador y filtro deben ser lo más perfectos posible, sino que el resto de su cadena de señal analógica no debe contribuir a la distorsión que se mide. Esto se hace aún más difícil por un instrumento típico que requiere estas características en un amplio rango de frecuencia; si un filtro de frecuencia única es un desafío, uno variable lo es mucho más. Un analizador de audio moderno suele ser una combinación controlada por computadora de instrumentación digital y analógica con el oscilador y las mediciones reemplazadas por un DAC y ADC de muy alta calidad, mientras que el filtro conserva un circuito analógico.

El primer producto de HP fue el HP200A, un oscilador de audio de alta calidad que tenía una bombilla incandescente como elemento no lineal en su circuito como un medio para estabilizar la amplitud y así reducir la distorsión de su salida. Esta idea forma la base de los pasos subsiguientes para reducir la distorsión del oscilador, con retroalimentación mejorada y circuitos AGC.

Se sugiere que lea la nota 43 de la aplicación Linear Technologies, en la que Jim Williams ofrece una introducción completa a este tema, y ​​luego la nota de Cheng-We Pei sobre un oscilador de baja distorsión que utiliza un convertidor de RMS a CC en su circuito de retroalimentación.

Desafortunadamente, la mayoría de los generadores de funciones de sobremesa económicos no proporcionan este bajo nivel de distorsión, ya sea confiando en un filtro de paso bajo para distorsionar una onda cuadrada en algo parecido a una onda sinusoidal, o usando un DAC simple para la síntesis digital, por lo que para la medición de audio. vale la pena buscar un oscilador analógico antiguo no querido.

HP siguió fabricando derivados del 200A durante muchas décadas e innumerables empresas produjeron clones y copias, por lo que es comparativamente fácil encontrar osciladores más antiguos en el mercado de segunda mano o excedente.

El resto de los componentes son un poco más difíciles de encontrar, porque esos filtros son caros de producir y, por lo tanto, un analizador de audio puede ser un dispositivo increíblemente caro. Incluso los instrumentos más antiguos conservan su valor, y me considero excepcionalmente afortunado de haber obtenido mi analizador de distorsión HP334A totalmente analógico de la década de 1970 sin separarme del PIB de un país pequeño. Dado un ADC de alta calidad adecuado, es posible adoptar el enfoque de filtrado en el dominio digital, sin embargo, esto puede estar más allá de las capacidades de una tarjeta de sonido común. Investigué esta idea hace algunos años en una publicación de April Fool sobre cables de oro, y aunque el cable era una broma, sigue siendo una técnica de medición válida a la que podría volver en su momento.

Entonces, esto debería haber servido como una introducción básica a la distorsión de audio y por qué es importante tenerlo en cuenta para su placer auditivo. Habrá otro artículo de Know Audio sobre distorsión a continuación, en el que echamos un vistazo a las mediciones de distorsión del mundo real y echamos un vistazo más de cerca a los instrumentos.