Tout ce que vous avez voulu savoir sur la distorsion audio – Partie 2

Si vous avez pu saisir les concepts décrits dans le premier article sur la distorsion audio, alors celui-ci sera un morceau de gâteau. Sinon, revenez en arrière et faites une autre lecture. Cela peut être un peu compliqué la première fois.

Analyse audio sans distorsion

Lorsque vous examinez les spécifications d'un composant audio comme un amplificateur ou un processeur, vous devriez voir une spécification appelée THD+N. THD+N signifie distorsion harmonique totale plus bruit. Sur la base de cette description, il est raisonnable de penser que la distorsion modifie la forme de la forme d'onde qui traverse l'appareil.

Les deux graphiques ci-dessous montrent une tonalité relativement pure de 1 kHz dans les domaines fréquentiel et temporel :

Regard sur la distorsion harmonique

Si nous enregistrons une onde sinusoïdale pure de 1 kHz en tant que piste audio et que nous la regardons dans le domaine fréquentiel, nous devrions voir une seule pointe à la fréquence fondamentale de 1 kHz. Que se passe-t-il lorsqu'un processus déforme ce signal ? Devient-il 1,2 ou 1,4 kHz ? Non. Les distorsions conventionnelles n'élimineront ni ne déplaceront la fréquence fondamentale. Mais, cela ajoutera des fréquences supplémentaires. Nous pouvons avoir un petit peu de 2 kHz ou 3 kHz, un petit mais de 5 kHz et un tout petit peu de 7 kHz. Plus il y a d'harmoniques, plus il y a de "distorsion harmonique".

Vous pouvez voir qu'il y a quelques petits changements dans la forme d'onde après avoir été lue et enregistrée sur un équipement de qualité relativement médiocre. Les oscillations basse et haute fréquence sont ajoutées à la tonalité fondamentale de 1 kHz.

Écrêtage du signal

Dans notre dernier article, nous avons mentionné que le contenu fréquentiel d'une onde carrée comprenait une infinité d'harmoniques d'ordre impair. Pourquoi est-il important de comprendre le contenu fréquentiel d'une onde carrée lorsque l'on parle d'audio ? La réponse réside dans la compréhension de l'écrêtage du signal.

Lorsque nous atteignons la limite de tension alternative de notre équipement audio, de mauvaises choses se produisent. La forme d'onde peut tenter d'augmenter, mais nous obtenons un point plat en haut et en bas de la forme d'onde. Si nous repensons à la façon dont une onde carrée est produite, il faut des harmoniques infinis de la fréquence fondamentale pour se combiner pour créer le haut et le bas plats de l'onde carrée. Ce graphique dans le domaine temporel montre un signal avec un écrêtage important.

Lorsque vous écrêtez un signal audio, vous introduisez un comportement semblable à une onde carrée au signal audio. Vous ajoutez de plus en plus de contenu haute fréquence pour combler les lacunes au-dessus de la fréquence fondamentale. L'écrêtage peut se produire sur un enregistrement, à l'intérieur d'une unité source, sur les sorties de l'unité source, sur les entrées d'un processeur, à l'intérieur d'un processeur, sur les sorties d'un processeur, sur les entrées d'un amplificateur ou sur les sorties d'un amplificateur. Les risques d'erreurs de réglage sont réels, ce qui est l'une des nombreuses raisons pour lesquelles nous vous recommandons de faire installer et régler votre système audio par un professionnel.

Contenu fréquentiel

Commençons par analyser le contenu fréquentiel d'une forme d'onde écrêtée de 1 kHz. Nous examinerons un clip doux dans les domaines fréquentiel et temporel, et un clip dur dans la même perspective. Pour cet exemple, nous fournirons l'interface numérique que nous utilisons pour les tests de réponse en fréquence du système audio OEM.

Voici à nouveau les graphiques de domaine de fréquence et de temps de notre signal audio original de 1 kHz. La tonalité unique apparaît comme le pic unique attendu sur le graphique de fréquence, et la forme d'onde est lisse dans le graphique de domaine temporel :

Analyse à faible distorsion

Les graphiques ci-dessous montrent la distorsion du signal audio due à l'écrêtage de l'étage d'entrée de notre interface numérique. Dans le domaine temporel, vous pouvez voir quelques petits points plats en haut de la forme d'onde. Dans le domaine fréquentiel, vous pouvez voir le contenu supplémentaire à 2, 3, 4, 5, 6 kHz et au-delà. Ce niveau d'écrêtage ou de distorsion dépasserait facilement la norme autorisée par la spécification CEA-2006A pour la mesure de l'amplificateur de puissance. Vous pouvez entendre le changement dans la tonalité de 1 kHz lorsque des harmoniques supplémentaires sont ajoutées en raison de l'écrêtage. Le son passe d'un son pur à un son aigre. C'est une excellente expérience à réaliser.

Analyse de distorsion élevée

Les graphiques ci-dessous montrent la limite supérieure de la force avec laquelle nous pouvons écrêter l'entrée de notre appareil de test. Vous pouvez voir que l'onde sinusoïdale de 1 kHz ressemble alors beaucoup plus à une onde carrée. Il n'y a pas de forme d'onde lisse et roulante, juste une tension qui saute d'un extrême à l'autre à la même fréquence que notre signal fondamental - 1 kHz. Du point de vue du domaine fréquentiel, des harmoniques importantes sont maintenant présentes dans le signal audio. Cela ne sonnera pas très bien et, selon l'endroit où cela se produit dans le signal audio, cela peut endommager l'équipement. Gardez un œil sur ce petit pic à 2 kHz, 4 kHz et ainsi de suite. Nous allons les expliquer dans un instant.

Dommages matériels dus à la distorsion audio

Maintenant, c'est là que toute cette théorie physique et électrique commence à porter ses fruits. Si nous écoutons de la musique, nous savons que le signal audio est composé d'un nombre presque infini de fréquences différentes. Différents instruments ont un contenu de fréquence harmonique différent et, bien sûr, chacun peut jouer de nombreuses notes différentes, parfois plusieurs à la fois. Lorsque nous l'analysons, nous voyons tout ce qui se passe.

Que se passe-t-il lorsque nous commençons à écrêter notre signal musical ? Nous obtenons des harmoniques de tous les signaux audio qui sont déformés. Imaginez que vous écrêtez des ondes sinusoïdales de 1,0 kHz, 1,1, 1,2, 1,3, 1,4 et 1,5 kHz, toutes en même temps, en quantités différentes. Chacun ajoute un contenu harmonique au signal. Nous ajoutons très rapidement beaucoup plus d'énergie haute fréquence au signal que dans l'enregistrement original.

Si nous pensons à nos haut-parleurs, nous divisons généralement leurs tâches en deux ou trois gammes de fréquences - les graves, les médiums et les aigus. Pour les besoins de cet exemple, supposons que nous utilisons un haut-parleur coaxial avec notre filtre passe-haut réglé à 100 Hz. Les tweeters - les plus fragiles de nos haut-parleurs de système audio - reproduisent une quantité donnée de contenu audio au-dessus de 4 kHz, en fonction de la valeur du réseau de croisement passif. La quantité de puissance que les tweeters reçoivent est proportionnelle à la musique et à la puissance que nous envoyons au haut-parleur médium.

Si nous commençons à déformer le signal audio à tout moment, nous commençons à ajouter des harmoniques, ce qui signifie plus de travail pour les tweeters. Soudain, nous avons ce son dur, strident, déformé et beaucoup plus d'énergie étant envoyée aux tweeters. Si nous dépassons leurs limites de gestion de la puissance thermique, ils tomberont en panne. En fait, les tweeters soufflés semblent être une réalité dans l'industrie de l'électronique mobile. Mais ils ne devraient pas l'être.

Plus de distorsion

Ci-dessous, le graphique du domaine fréquentiel de trois ondes sinusoïdales jouées en même temps. Les ondes sinusoïdales sont à 750 Hz, 1000 Hz et 1250 Hz. Voici le fichier de lecture original que nous avons créé pour ce test :

Après avoir lu la piste à trois ondes sinusoïdales sur notre ordinateur et l'avoir réenregistrée via notre interface numérique, voici ce que nous avons vu. Soyons clairs :ce signal n'était pas écrêté :

Vous voyez que c'est un vrai gâchis. Ce que vous voyez est appelé distorsion d'intermodulation. Deux choses se produisent. Nous obtenons des harmoniques des trois fréquences d'origine. Ceux-ci sont représentés par les pointes à 1500, 2000 et 2500 Hz. Nous obtenons également du bruit en fonction de la différence entre les fréquences. Dans ce cas, nous voyons des multiples de 250 Hz - donc 250 Hz, 500 Hz, 1500 Hz et ainsi de suite. Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi certains équipements audio sonnent mieux que d'autres ? Bingo !

Au fur et à mesure que nous augmentons le niveau d'enregistrement, nous commençons à écrêter le circuit d'entrée à notre interface numérique et à créer encore plus d'harmoniques à haute fréquence. Vous pouvez en voir les résultats ici :

Maintenant, pour montrer ce qui se passe lorsque vous écrêtez un signal audio complexe, et pourquoi les gens continuent de faire exploser les tweeters, voici le même signal à trois ondes sinusoïdales, écrêté aussi fort que possible dans notre interface numérique :

Vous pouvez voir un contenu haute fréquence étendu au-dessus de 5 kHz. N'oubliez pas - nous n'avons jamais eu d'informations au-dessus de 1250 Hz dans l'enregistrement original. Imaginez une piste musicale compressée moderne avec un son presque complet, lu avec écrêtage. Le contenu haute fréquence serait fou. Il n'est vraiment pas étonnant que tant de petits tweeters incroyables aient donné leur vie à cause de systèmes mal configurés.

Quelques dernières réflexions sur la distorsion audio

Il y a eu un mythe selon lequel l'écrêtage d'un signal audio produit une tension continue et que cette tension continue chauffait les bobines vocales des haut-parleurs et les faisait échouer. Compte tenu de ce que nous avons examiné dans les graphiques du domaine fréquentiel de cet article, vous pouvez maintenant voir qu'il est assez éloigné d'un signal continu. En fait, il s'agit simplement d'une grande quantité de contenu audio haute fréquence.

La distorsion d'intermodulation est un sujet sensible. Très peu de fabricants testent même leurs équipements pour des niveaux élevés de distorsion d'intermodulation. Si un composant comme un haut-parleur ou un amplificateur que vous utilisez produit une distorsion d'intermodulation, il n'y a aucun moyen de s'en débarrasser. Votre seul choix est de le remplacer par un produit de meilleure qualité et mieux conçu. Chaque produit a une certaine quantité de distorsion. C'est à vous de décider combien vous pouvez vivre.

La distorsion causée par l'écrêtage d'un signal audio est très facilement évitée. Une fois que votre installateur a terminé le réglage final de votre système, il ou elle peut regarder le signal entre chaque composant de votre système sur un oscilloscope avec le système à son niveau de lecture maximum. Sachant quelles sont les limites supérieures de tension (que ce soit dans l'appareil suivant dans la chaîne audio ou dans un haut-parleur en ce qui concerne ses capacités de gestion de puissance thermique maximales), votre installateur peut ajuster la structure de gain du système pour éliminer les risques d'écrêtage du signal ou de surchauffe. le haut-parleur. Le résultat est un système qui sonne bien et qui durera des années et des années, et qui ne sacrifiera pas les tweeters aux dieux de l'audio automobile.

C'était la partie 2 de notre série en deux parties sur "Tout ce que vous avez voulu savoir sur la distorsion audio". Au cas où vous l'auriez manqué, cliquez ici pour la partie 1.