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, celui-ci sera un jeu d'enfant. Sinon, retournez le relire. Cela peut être un peu compliqué la première fois.
Analyse audio non distordu
En examinant 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 l'onde qui passe à travers le dispositif.
Les deux graphiques ci-dessous montrent un ton 1 kHz relativement pur dans les domaines fréquentiel et temporel :
Un regard sur la distorsion harmonique
Si nous enregistrons une onde sinusoïdale pure de 1 kHz comme piste audio et l'examinons depuis le domaine fréquentiel, nous devrions voir un seul pic à la fréquence fondamentale de 1 kHz. Que se passe-t-il lorsqu'un processus distord ce signal ? Devient-il 1,2 ou 1,4 kHz ? Non. Les distorsions conventionnelles n'éliminent ni ne déplacent la fréquence fondamentale. Mais elles ajouteront des fréquences supplémentaires. Nous pourrions avoir un peu de 2 kHz ou 3 kHz, une infime partie de 5 kHz et une touche de 7 kHz. Plus il y a d'harmoniques, plus il y a de "distorsion harmonique".
Vous pouvez voir qu'il y a de petits changements dans la forme d'onde après lecture et enregistrement via un équipement de qualité relativement faible. Des oscillations de basse et haute fréquence sont ajoutées au ton fondamental de 1 kHz.
Écrasement du signal (Clipping)
Dans notre dernier article, nous avons mentionné que le contenu fréquentiel d'une onde carrée incluait des harmoniques impairs d'ordre infini. Pourquoi est-il important de comprendre le contenu fréquentiel d'une onde carrée quand on parle d'audio ? La réponse réside dans la compréhension de l'écrasement du signal (clipping).
Lorsque nous atteignons la limite de tension CA de notre équipement audio, de mauvaises choses se produisent. La forme d'onde peut tenter d'augmenter, mais nous obtenons un plateau sur le haut et le 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 et créer le haut et le bas plats de l'onde carrée. Ce graphique du domaine temporel montre un signal avec un écrasement sévère.
Lorsque vous écrasez un signal audio, vous introduisez un comportement de type onde carrée dans le signal audio. Vous ajoutez de plus en plus de contenu haute fréquence pour combler les lacunes au-dessus de la fréquence fondamentale. L'écrasement peut se produire sur un enregistrement, à l'intérieur d'une source, sur les sorties de la 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 chances de mal régler les paramètres sont réelles, ce qui est l'une des nombreuses raisons pour lesquelles nous recommandons de faire installer et régler votre système audio par un professionnel.
Contenu fréquentiel
Commençons à analyser le contenu fréquentiel d'une forme d'onde de 1 kHz écrêtée. Nous examinerons un écrasement léger depuis les domaines fréquentiel et temporel, et un écrasement dur sous la même perspective. Pour cet exemple, nous fournirons l'interface numérique que nous utilisons pour les tests de réponse en fréquence des systèmes audio OEM.
Voici les graphiques des domaines fréquentiel et temporel de notre signal audio original de 1 kHz à nouveau. Le ton unique apparaît comme le pic unique attendu sur le graphique fréquentiel, et la forme d'onde est lisse dans le graphique du domaine temporel :
Analyse à faible distorsion
Les graphiques ci-dessous montrent la distorsion dans le signal audio due à l'écrasement dans l'étage d'entrée de notre interface numérique. Dans le domaine temporel, vous pouvez voir de petits plateaux au sommet de la forme d'onde. Dans le domaine fréquentiel, vous pouvez voir le contenu additionnel à 2, 3, 4, 5, 6 kHz et au-delà. Ce niveau d'écrasement ou de distorsion dépasserait facilement la norme que la spécification CEA-2006A permet pour la mesure d'amplificateur de puissance. Vous pouvez entendre le changement dans le ton de 1 kHz lorsque des harmoniques supplémentaires sont ajoutées à cause de l'écrasement. Le son passe d'un ton pur à un son acide. C'est une excellente expérience à réaliser.
Analyse à forte distorsion
Les graphiques ci-dessous montrent la limite supérieure de la force avec laquelle nous pouvons écraser l'entrée de notre dispositif 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. D'un point de vue du domaine fréquentiel, il y a maintenant des harmoniques significatifs présents dans le signal audio. Cela ne sonnera pas très bien et, selon l'endroit où cela se produit dans le signal audio, peut entraîner des dommages à l'équipement. Gardez un œil sur ce petit pic à 2 kHz, 4 kHz et ainsi de suite. Nous les expliquerons sous peu.
Dommages à l'équipement dus à la distorsion audio
Maintenant, voici où toute cette physique et cette théorie électrique commencent à porter leurs 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 harmonique fréquentiel différent et, bien sûr, chacun peut jouer de nombreuses notes différentes, parfois plusieurs à la fois. Lorsque nous l'analysons, nous voyons à quel point il se passe de choses.
Que se passe-t-il lorsque nous commençons à écraser notre signal musical ? Nous obtenons des harmoniques de tous les signaux audio qui sont distordus. Imaginez que vous écrasez 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. Chacune ajoute du contenu harmonique au signal. Nous ajoutons très rapidement beaucoup plus d'énergie haute fréquence au signal qu'il n'y en avait dans l'enregistrement original.
Si nous pensons à nos haut-parleurs, nous divisons généralement leurs tâches en deux ou trois gammes de fréquences – basses, médiums et aigus. Pour cet exemple, supposons que nous utilisions un haut-parleur coaxial avec notre filtre passe-haut réglé à 100 Hz. Les tweeters – les plus fragiles de nos haut-parleurs audio – reproduisent une certaine quantité de contenu audio au-dessus de 4 kHz, basée sur la valeur du réseau de crossover 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 distordre le signal audio à n'importe quel point, nous commençons à ajouter des harmoniques, ce qui signifie plus de travail pour les tweeters. Soudain, nous avons ce son dur, strident, distordu et beaucoup plus d'énergie envoyée aux tweeters. Si nous dépassons leurs limites de tenue en puissance thermique, ils échoueront. En fait, les tweeters grillés semblent être une fatalité dans l'industrie de l'électronique mobile. Mais ils ne devraient pas l'être.
Plus de distorsion
Ci-dessous se trouve 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. C'est le fichier de lecture original que nous avons créé pour ce test :
Après avoir joué la piste à trois ondes sinusoïdales via notre ordinateur et l'avoir réenregistrée via notre interface numérique, voici ce que nous avons vu. Soyons clairs : ce signal n'était pas en écrasement :
Vous pouvez voir que c'est un vrai désordre. Ce que vous voyez s'appelle la distorsion d'intermodulation. Deux choses se produisent. Nous obtenons des harmoniques des trois fréquences originales. Elles sont représentées par les pics à 1500, 2000 et 2500 Hz. Nous obtenons également du bruit basé sur 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 vous êtes déjà demandé pourquoi certains équipements audio sonnent mieux que d'autres ? Bingo !
En augmentant le niveau d'enregistrement, nous commençons à écraser le circuit d'entrée de notre interface numérique et créons encore plus d'harmoniques haute fréquence. Vous pouvez voir les résultats ici :
Maintenant, pour montrer ce qui se passe quand vous écrasez un signal audio complexe, et pourquoi les gens continuent de griller des tweeters, voici le même signal à trois ondes sinusoïdales, écrasé 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'avions jamais d'information au-dessus de 1250 Hz dans l'enregistrement original. Imaginez une piste musicale moderne compressée avec un audio presque full-spectrum, jouée avec écrasement. Le contenu haute fréquence serait fou. C'est vraiment pas étonnant que tant de tweeters incroyables aient rendu l'âme à cause de systèmes mal configurés.
Quelques dernières réflexions sur la distorsion audio
Il y a eu un mythe selon lequel l'écrasement d'un signal audio produit une tension CC, et que cette tension CC chauffait les bobines mobiles 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 que c'est très loin d'un signal CC. En fait, c'est simplement une grande quantité de contenu audio haute fréquence.
La distorsion d'intermodulation est un sujet sensible. Très peu de fabricants testent même leur équipement pour des niveaux élevés de distorsion d'intermodulation. Si un composant comme un haut-parleur ou un amplificateur que vous utilisez produit de la 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, mieux conçu. Chaque produit a une certaine quantité de distorsion. Combien vous pouvez en tolérer dépend de vous.
La distorsion causée par l'écrasement d'un signal audio est très facilement évitée. Une fois que votre installateur a terminé le réglage final de votre système, il peut examiner le signal entre chaque composant de votre système sur un oscilloscope avec le système à son niveau de lecture maximum. Connaissant les limites supérieures pour la tension (que ce soit vers le dispositif suivant dans la chaîne audio ou vers un haut-parleur concernant ses capacités maximales de tenue en puissance thermique), votre installateur peut ajuster la structure de gain du système pour éliminer les risques d'écrasement du signal ou de surchauffe du haut-parleur. Le résultat est un système qui sonne bien et durera des années, sans sacrifier de tweeters aux dieux de l'audio auto.
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 manquée, cliquez ici pour la Partie 1.