Conheça o áudio: Distorção Parte Um

Se você seguir os revisores audiófilos, saberá que o comércio de estoque deles é uma maneira muito sofisticada de não dizer absolutamente nada de substância quantificável sobre o assunto, ao mesmo tempo em que soa bem informado sobre diferenças imaginárias entre dispositivos que são todos de qualidade superlativa. Se você nos seguir, diremos que as únicas análises que importam são medições reais de desempenho de áudio e testes de audição cega. Não precisamos dizer a você como ouvir música, mas talvez seja hora de nossa série Know Audio ver como o desempenho do áudio é medido.

Antes de chegar ao banco, primeiro é necessário perguntar exatamente o que estamos medindo. Quais são as propriedades que importam em uma cadeia de áudio ou, em outras palavras, o que torna um dispositivo de áudio bom?

É claro que há muitas coisas que podem ser medidas, mas a que mais importa nesse contexto é provavelmente a distorção. Você provavelmente está acostumado com a distorção na música, enquanto um violão clássico soa como uma corda sendo dedilhada, um violão de rock soa... raivoso.

Isso ocorre porque o guitarrista de rock usa um pedal de efeitos que induz uma distorção audível no som de guitarra bastante limpo. Existem muitos pedais de efeitos de guitarra diferentes a serem encontrados, mas alguns dos mais simples apenas acionam um amplificador para cortar para fazer algo mais próximo de uma onda quadrada. Mas para entender o que realmente está acontecendo, é necessário olhar para a forma de onda não no domínio do tempo como uma onda senoidal ou quadrada, mas no domínio da frequência como um espectro.

Se você pegasse um oscilador de onda senoidal perfeita e o conectasse a um analisador de espectro, esperaria ver um único pico correspondente à frequência da onda senoidal. Se você aplicar distorção a essa onda senoidal, o analisador de espectro começará a mostrar picos em outras frequências, dependendo do tipo de distorção que está sendo aplicada.

É um assunto que examinamos em detalhes aqui no Hackaday no passado, e acreditamos que muitos de vocês estarão familiarizados com a derivação matemática de uma onda quadrada a partir de uma série de ondas senoidais harmônicas. A distorção em um dispositivo de áudio é medida observando esses picos extras no espectro e é expressa como um valor em dB ou uma porcentagem que indica sua força relativa em comparação com a do sinal original. Para esses pedais de guitarra, o valor será de dezenas por cento, enquanto para um amplificador de áudio de boa qualidade será apenas uma fração de um por cento. Também é comum ver o valor cotado como THD+N que indica a componente de ruído no resto do espectro, bem como vê-lo cotado para uma única frequência (normalmente 1kHz).

Medir a distorção é um processo superficialmente simples, mas na prática construir um instrumento para fazê-lo efetivamente não é uma tarefa fácil. Um dispositivo em teste é alimentado com uma onda senoidal tão pura quanto pode ser gerada, e a tensão RMS de sua saída é medida diretamente a partir dele e através de um filtro notch que remove a frequência fundamental da onda senoidal. A ideia é que o sinal filtrado retorne apenas o componente da saída devido à distorção e, portanto, possa ser comparado ao valor completo para derivar esse valor relativo.

O projetista do instrumento, portanto, tem vários obstáculos significativos a superar, porque não apenas seu oscilador e filtro devem ser o mais próximo possível da perfeição, mas o restante de sua cadeia de sinal analógico não deve contribuir para a distorção que está sendo medida. Isso se torna ainda mais difícil por um instrumento típico que exige essas características em uma ampla faixa de frequência; se um único filtro de frequência é um desafio, então um variável é muito mais. Um analisador de áudio moderno será tipicamente uma combinação controlada por computador de instrumentação digital e analógica com o oscilador e as medições substituídas por um DAC e ADC de alta qualidade, enquanto o filtro retém um circuito analógico.

O primeiro produto HP foi o HP200A, um oscilador de áudio de alta qualidade que tinha uma lâmpada incandescente como um elemento não linear em seu circuito como um meio de estabilizar a amplitude e, assim, reduzir a distorção de sua saída. Essa ideia forma a base das etapas subsequentes para reduzir a distorção do oscilador, com feedback aprimorado e circuitos AGC.