Todo lo que quería saber sobre la distorsión de audio:Parte 1

Cuando hablamos de cualquier señal, ya sea de audio, video o datos, hay una realidad acompañada de alteraciones y errores cometidos a esa señal a su paso por diferentes componentes electrónicos, conductores o campos magnéticos. Si bien nos preocupamos cuando escuchamos que un componente presenta distorsión o cuando leemos las especificaciones de distorsión, la distorsión es parte de la naturaleza y es simplemente inevitable. Hasta que cualquier distorsión alcanza un nivel significativo en una señal analógica, no se puede escuchar ni ver.

Empezando con una base en distorsión de audio

Con eso en mente, creemos una base para observar y comprender las propiedades de una señal de audio en los dominios eléctrico y de frecuencia. Esta información servirá como base para comprender la distorsión en la segunda parte de este artículo.

Cualquier señal, ya sea de corriente continua (CC) o de corriente alterna (CA), se puede analizar de dos maneras:en su dominio del tiempo o en el dominio de la frecuencia. Comprender la diferencia entre estos dos dominios de observación simplificará drásticamente la vida de cualquier persona involucrada en la industria de la electrónica móvil.

Cuando observamos una señal en el dominio del tiempo, estamos viendo la amplitud de la señal en relación con el tiempo. Normalmente, usaríamos un voltímetro u osciloscopio para observar señales en el dominio del tiempo. Cuando consideramos una señal en el dominio de la frecuencia, estamos comparando la amplitud (o fuerza) de frecuencias individuales o grupos de frecuencias dentro de la señal. Usamos un RTA (analizador en tiempo real) en una computadora o dispositivos portátiles/de mesa para observar el dominio de la frecuencia.

Corriente Directa

Al analizar la amplitud de una señal eléctrica, comparamos la señal con una referencia; en el 99% de las aplicaciones, la referencia se conoce como tierra. Para una señal de CC, el nivel de voltaje permanece constante con respecto a la referencia de tierra y al tiempo. Incluso si hay fluctuaciones, sigue siendo una señal de CC.

Si tuviera que graficar el contenido de frecuencia de una señal de CC, vería que todo está a 0 hercios (Hz). La amplitud no cambia en relación con el tiempo.

Consideremos el voltaje de la batería de CC de su automóvil o camión. Es un valor relativamente constante. Con respecto a la amplitud frente al tiempo, se encuentra alrededor de 12.7-12.9 voltios con una batería completamente cargada y el vehículo apagado. Cuando el vehículo está en marcha y el alternador se está cargando, este voltaje aumenta a alrededor de 13,5 a 14,3 voltios. Este aumento se debe a que el alternador está devolviendo corriente a la batería para cargarla. Si el voltaje producido por el alternador no fuera más alto que el voltaje de reposo de la batería, la corriente no fluiría y la batería no se recargaría.

Corriente alterna

Señal AC – Tiempo

Si observamos una señal de CA, como un tono de 1 kHz que usaríamos para establecer los controles de sensibilidad en un amplificador, vemos algo muy diferente. En el caso de un tono de prueba puro como este, la forma de onda tiene una forma sinusoidal, llamada onda sinusoidal. Si observamos una onda sinusoidal en un osciloscopio, vemos una forma de onda que se desplaza suavemente y que se extiende tanto por encima de nuestro voltaje de referencia como por debajo.

Señal de CA:frecuencia

Ahora es prudente observar esta misma señal desde la perspectiva del dominio de la frecuencia. El gráfico en el dominio de la frecuencia, si no hay distorsión, mostrará una sola frecuencia. Al considerar una señal de audio, la amplitud (o altura) de esa medición de frecuencia depende de qué tan alta sea esa frecuencia única en relación con los límites de nuestra tecnología de grabación o dispositivo de medición.

Sonido

Cuando escuchamos a alguien hablar o tocar un instrumento musical, escuchamos muchas frecuencias diferentes al mismo tiempo. El cerebro humano es capaz de decodificar las diferentes frecuencias y amplitudes. Según nuestras experiencias y las diferencias en la respuesta de frecuencia y tiempo entre un oído y el otro, podemos determinar lo que estamos escuchando y la ubicación del sonido en relación con nosotros mismos.

Analizar el contenido en el dominio del tiempo de una señal de audio es relativamente fácil. Usaríamos un osciloscopio para observar una forma de onda de audio. El osciloscopio nos mostrará el voltaje de la señal en función del tiempo. Esta es una herramienta poderosa en términos de comprensión de la transmisión de señales entre componentes de audio.

Una nota de piano

Do medio – Tiempo

Veamos el contenido de amplitud y frecuencia de un sonido que la mayoría de nosotros conocemos bien. El siguiente gráfico son los primeros 0,25 segundos de una grabación de la nota C media (C4) de un piano en el dominio del tiempo. Esto representa el golpe inicial del martillo sobre la cuerda. Si observa el gráfico más pequeño sobre el más grande, verá que la nota se extiende mucho más allá de este segmento inicial de 0,25 segundos.

Do medio:frecuencia

Sabemos que la frecuencia fundamental de esta nota es de 261,6 Hz, pero si observa los gráficos en el dominio de la frecuencia, podemos ver que varias frecuencias adicionales e importantes están presentes. Estas frecuencias se denominan armónicos. Son múltiplos de la frecuencia fundamental, y la amplitud de estos armónicos es lo que hace que un pequeño piano vertical suene diferente a un piano de cola, a un arpa o a una guitarra. Todos estos instrumentos tienen la misma frecuencia C media fundamental de 261,6 Hz; su contenido armónico los hace sonar diferentes. En el caso de esta grabación de notas de piano, podemos ver que hay un pico grande a 523 Hz, luego picos cada vez más pequeños a 790 Hz, 1055 Hz, 1320 Hz y así sucesivamente.

Formas de onda sinusoidal frente a cuadrada

Cada forma de onda de audio se compone de una combinación compleja de frecuencias fundamentales y armónicas. La más básica, como mencionamos, es una onda sinusoidal pura. Una onda sinusoidal tiene una sola frecuencia. En el otro extremo del espectro hay una onda cuadrada. Una onda cuadrada se compone de una frecuencia fundamental, luego una combinación infinita de armónicos impares en niveles exponencialmente decrecientes. Tenga esto en cuenta, ya que será importante más adelante cuando comencemos a hablar sobre la distorsión.

Señales de ruido

Ruido es un término que describe una colección de sonidos aleatorios u ondas sinusoidales. Sin embargo, podemos agrupar una gran colección de estas ondas sinusoidales y usarlas como herramienta para probar sistemas de audio. Cuando queremos medir la respuesta de frecuencia de un componente como un procesador de señal o un amplificador, podemos alimentar una señal de ruido blanco a través del dispositivo y observar los cambios que hace en las amplitudes de diferentes rangos de frecuencia.

Ruido Blanco – Tiempo

Puede que se pregunte, ¿qué es exactamente el ruido blanco? Es un grupo de ondas sinusoidales a diferentes frecuencias, dispuestas de modo que la energía en cada banda de octava sea igual a las bandas de cada lado. Podemos ver el ruido blanco desde un dominio de tiempo como se muestra aquí.

Ruido Blanco – Frecuencia

También podemos verlo desde el dominio de la frecuencia, como se muestra en esta imagen.

Variaciones en la respuesta

Las ligeras ondulaciones en el gráfico de frecuencia están presentes porque lleva mucho tiempo reproducir todas las diferentes frecuencias y producir un gráfico de regla plana. En un osciloscopio de 1/3 de octava, el gráfico sería esencialmente plano.

Fundamentos para dominios de tiempo y frecuencia

Ahí tenemos nuestra base básica para comprender la observación de señales en el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia. También hemos visto por primera vez cómo el contenido armónico afecta lo que escuchamos. Comprender estos conceptos es importante para cualquier persona que trabaje con equipos de audio, y aún más importante para las personas que instalan y ajustan esos equipos. Su especialista local en electrónica móvil debería estar muy cómodo con estos conceptos y puede usarlos para maximizar el rendimiento de su sistema de entretenimiento móvil.

Si has llegado hasta aquí y quieres aprender aún más sobre la distorsión de audio, ¡haz clic aquí para la Parte 2 de este artículo!