Conoscere l'audio: distorsione, prima parte

Se segui i recensori audiofili, saprai che il loro scambio di titoli è un modo molto elegante per non dire assolutamente nulla di quantificabile sull'argomento pur sembrando ben informato sulle differenze immaginarie tra dispositivi che sono comunque tutti di qualità superlativa. Se ci segui, ti diremo che le uniche recensioni che contano sono le misurazioni reali delle prestazioni audio e i test di ascolto alla cieca. Non dobbiamo dirti come ascoltare la musica, ma forse è il momento nella nostra serie Know Audio di esaminare come vengono misurate le prestazioni audio.

Prima di mettersi al banco è necessario chiedersi cosa stiamo misurando. Quali sono le proprietà che contano in una catena audio o, in altre parole, cos'è che rende buono un dispositivo audio?

Naturalmente ci sono molte cose che possono essere misurate, ma quella che conta di più in questo contesto è probabilmente la distorsione. Probabilmente sei abituato alla distorsione nella musica, mentre una chitarra classica suona come una corda pizzicata, una chitarra rock suona... arrabbiata.

Questo perché il chitarrista rock utilizza un pedale per effetti che induce una distorsione udibile sul suono della chitarra altrimenti piuttosto pulito. Esistono molti pedali per effetti per chitarra diversi, ma alcuni dei più semplici pilotano semplicemente un amplificatore in clip per creare qualcosa di più vicino a un'onda quadra. Ma per capire cosa sta realmente accadendo, è necessario guardare la forma d'onda non nel dominio del tempo come un'onda sinusoidale o quadra, ma nel dominio della frequenza come uno spettro.

Se prendessi un perfetto oscillatore sinusoidale e lo collegassi a un analizzatore di spettro, ti aspetteresti di vedere un singolo picco corrispondente alla frequenza dell'onda sinusoidale. Se applichi una distorsione a quell'onda sinusoidale, l'analizzatore di spettro inizierà a mostrare picchi ad altre frequenze a seconda del tipo di distorsione applicata.

È un argomento che abbiamo esaminato in dettaglio qui a Hackaday in passato e immaginiamo che molti di voi avranno familiarità con la derivazione matematica di un'onda quadra da una serie di onde sinusoidali armoniche. La distorsione in un dispositivo audio viene misurata osservando questi picchi extra nello spettro ed è espressa come valore dB o come percentuale che indica la loro intensità relativa rispetto a quella del segnale originale. Per quei pedali per chitarra la cifra sarà dell'ordine delle decine di punti percentuali, mentre per un amplificatore audio di buona qualità sarà solo una frazione di punto percentuale. È anche normale vedere la cifra indicata come THD+N che indica la componente di rumore nel resto dello spettro, oltre a vederla indicata per una singola frequenza (solitamente 1kHz).

Misurare la distorsione è un processo apparentemente semplice, ma in pratica costruire uno strumento per farlo in modo efficace non è un compito facile. Un dispositivo in prova viene alimentato con un'onda sinusoidale pura quanto può essere generata e la tensione RMS della sua uscita viene misurata sia direttamente da esso che attraverso un filtro notch che rimuove la frequenza fondamentale dell'onda sinusoidale. L'idea è che il segnale filtrato restituisca solo la componente dell'uscita dovuta alla distorsione, e quindi possa essere confrontato con la cifra intera per ricavare quella cifra relativa.

Il progettista dello strumento deve quindi superare diversi ostacoli significativi, perché non solo l'oscillatore e il filtro devono essere il più vicino possibile alla perfezione, ma il resto della catena del segnale analogico non deve contribuire alla distorsione misurata. Ciò è reso ancora più difficile da uno strumento tipico che richiede queste caratteristiche su un'ampia gamma di frequenze; se un filtro a frequenza singola è una sfida, uno variabile lo è ancora di più. Un moderno analizzatore audio sarà tipicamente una combinazione controllata da computer di strumentazione digitale e analogica con l'oscillatore e le misurazioni sostituite da un DAC e ADC di altissima qualità, mentre il filtro mantiene un circuito analogico.

Il primo prodotto HP fu l'HP200A, un oscillatore audio di alta qualità che notoriamente aveva una lampadina a incandescenza come elemento non lineare nel suo circuito come mezzo per stabilizzare l'ampiezza e quindi ridurre la distorsione della sua uscita. Questa idea costituisce la base dei passaggi successivi per ridurre la distorsione dell'oscillatore, con circuiti di feedback e AGC migliorati.