Toda la información de este capítulo ha sido extraída de: http://www.diac.upm.es/asignaturas/sistaudio/TFC Ignacio/index.html Página no disponible actualmente.    

4.1-Respuesta en frecuencia.

4.2-Distorsión.

4.3-Relación señal ruido.

4.4-Diafonía.

 

4.1- RESPUESTA EN FRECUENCIA.

 

Se llama respuesta en frecuencia al comportamiento de un dispositivo de audio frente a las distintas frecuencias que componen el espectro de audio (20 a 20.000 Hz).

Todos los dispositivos de audio cumplen una función determinada, los micrófonos recogen vibraciones acústicas y las convierten en señales eléctricas (que igualmente tendrán módulo, fase y frecuencia). Los altavoces convierten señales eléctricas en vibraciones acústicas. Todos los dispositivos manejan frecuencias de audio, pero no reaccionan igual ante todas las frecuencias.

De igual forma que el oído humano no escucha igual todas las frecuencias, los micrófonos tampoco, ni los amplificadores trabajan igual con todas igual, ni los altavoces son capaces de reproducir todas las frecuencias por igual. Esta última es la razón por la que en la mayoría de los equipos domésticos, hay por lo menos dos altavoces distintos por caja. Uno para reproducir las frecuencias graves y otro para reproducir las frecuencias altas.

Estas variaciones de respuesta conforme varía la frecuencia se miden en dB (decibelios) y se pueden representar gráficamente. La retícula sobre la que se suelen representar es la siguiente:

Escala logarítmica en el eje horizontal (frecuencia) y lineal en el vertical (dB).

En el eje horizontal se representan las frecuencias de forma logarítmica (similar a como el oído escucha).

La primera frecuencia marcada es la de 100 Hz, la marca anterior será la de 90 y la siguiente la de 200 Hz, la siguiente de 300 Hz… y así hasta llegar a 1.0 K que son 1000 Hz. La siguiente marca será de 2000 Hz. y así hasta 20.000 Hz. En este caso se representa el espectro desde 90 Hz. a más 20.000 Hz, pero el rango de frecuencias que se tome variará según las necesidades. Si por ejemplo se representa la respuesta en frecuencia de un altavoz de graves, la gráfica deberá empezar en 20 Hz. y no será necesario que se extienda a más 1.000 o 2.000 Hz.

En el eje vertical se encuentran las variaciones de nivel expresadas en dB (10 Log (medida de referencia) ). En esta representación cada salto es de 6 dB, pero las representaciones pueden variar según el grado de definición. Veamos un ejemplo práctico: respuesta en frecuencia de un altavoz genérico de frecuencias medias.

Gráfica de respuesta en frecuencia.

A la vista de la gráfica se diría que este altavoz tiene una respuesta en frecuencia de 450 Hz. a 4 KHz. con una variación de +/- 3dB. Caídas de más de10 dB en la respuesta en frecuencia equivale a decir que el aparato no trabaja en esa frecuencia. De este altavoz conocemos a través de la gráfica de respuesta en frecuencia que si se le alimenta con dos señales de igual nivel, una por ejemplo de 800 Hz. y otra de 4000 Hz, la segunda tendrá un nivel de presión sonora (NPS) 6 dB menor que la señal de 800 Hz. Esto significa que reproduciendo música o cualquier otra señal, las frecuencias cercanas a 800 Hz. se escucharán más que las cercanas a 3 KHz.

El caso más favorable (e imposible) de respuesta en frecuencia sería una línea recta que cubra todo el espectro. En este caso hablaríamos de respuesta en frecuencia plana. Como esto es imposible, se suele hablar de la “zona de respuesta plana”, aunque realmente se trata de una aproximación. En el caso anterior diríamos que la zona de respuesta plana es la definida entre 800 y 3000 Hz, ya que en esta zona es donde es útil el altavoz.

Zona de respuesta idealmente plana entre 200 Hz y 10 KHz

El oído humano tiene dificultad para detectar variaciones de nivel de presión de menos de 0.3 dB. Esto significa que si exponemos a una persona a un ruido (sonido continuo) y vamos variando el nivel de presión sonora (dando más volumen o menos al ruido), el sujeto notará variación cuando la diferencia de NPS (nivel de presión sonora) antes y después se aproxime a los 0.3 dB. Esto da una idea, de cuanta variación de respuesta en frecuencia es aceptable, por ejemplo en unos altavoces.

Este apartado ha tenido como ejemplo un altavoz; sin embargo todos los aparatos de audio tienen su respuesta en frecuencia característica. En una cadena se sonido, donde la señal pasa por varios equipos uno tras de otro, las respuestas en frecuencia de cada aparato se van sumando para conformar la respuesta en frecuencia total del equipo completo.

Supongamos que tenemos un reproductor de CD cuya señal cubre; casi todo el espectro de audio (rojo). La señal de este entra en un amplificador con una respuesta en frecuencia definida (verde). La señal que sale del amplificador ataca a un sistema de altavoces con otra respuesta definida (morado).

Respuesta en frecuencia de tres sistemas. Representación superpuesta.

La respuesta en frecuencia del conjunto de aparatos será la suma en dB de todas (azul). El amplificador del ejemplo provoca una caída en la respuesta de 6 dB a 6600 Hz y el sistema de altavoces provoca 6 dB de caída a esa misma frecuencia, la respuesta total tendrá una caída de 12 dB en esa frecuencia.

Respuesta en frecuencia total de los tres sistemas en cadena.

Como se ha dicho, todos los elementos por los que pasa la señal de sonido en una cadena de audio (o una cadena de música) van dejando su huella en el espectro de la señal, recortándola y limitándola. Es por esto que es importante que todos los equipos por los que atraviesa la señal de audio tengan la máxima calidad posible. En cualquier caso todos han de ser de calidad similar, ya que el elemento de peor calidad será el que pondrá el límite a la calidad del conjunto.

Actualmente, gracias al desarrollo de la electrónica, los equipos electrónicos suelen tener una respuesta en frecuencia bastante buena. El punto crítico suele estar en los altavoces, que son elementos mecánicos que no han evolucionado tanto como la electrónica por lo que sigue siendo muy costoso fabricar buenos altavoces. Suelen ser los altavoces los que más limitan la respuesta en frecuencia del conjunto y por lo tanto la calidad del conjunto. Por este motivo en las cadenas domésticas, un parámetro de calidad a tener en cuenta son los altavoces, ya que la electrónica es muy similar en todos los casos.

Otra filosofía muy acertada a la hora de buscar el mejor sonido a base de no modificar el espectro, es desechar todas las etapas en la cadena de sonido que no sean necesarias; ya que por muy buena calidad que tengan, siempre alterarán la señal. Así se explica que los equipos HI-FI más caros y de mayor calidad no tengan funciones como distintos tipos de ecualización, controles de tono, efecto cine… El motivo es que en estos aparatos de alta gama, la electrónica está cuidada al máximo y ese tipo de funciones “ensucian” la señal, alejándola de la original.

Otro aspecto que no se ha tratado es el tema de la fase. Todos los dispositivos electrónicos modifican la fase y mucho, por esto los equipos HI-FI de alta gama reducen al máximo la electrónica.

 

4.2- DISTORSIÓN.

 

En el sentido más general existe distorsión cuando la señal que sale de un equipo no es la misma que entró. La distorsión es otra medida de calidad de uso generalizado y suele ser dada por el fabricante.

Hay diferentes tipos de distorsión: distorsión lineal (de amplitud y de fase) y distorsión no lineal (THD y IMD).

  1.- Distorsión lineal de amplitud o distorsión de amplitud.

Se da cuando la señal a la salida del equipo no guarda la misma relación de amplitud entre las distintas frecuencias que la señal de entrada. Por ejemplo, a la entrada la señal tiene 10 dB de diferencia entre la banda de octava de 1000 Hz. y la de 2000 Hz, pero a la salida la diferencia es de 20 dB. Se ha producido distorsión de amplitud. La respuesta en frecuencia es una representación de la distorsión de amplitud. Un amplificador, por el hecho de elevar el nivel de la señal, no produce distorsión de amplitud, ya que eleva el nivel de todas las bandas de frecuencia en un número de decibelios para todas igual.

Existe un tipo concreto de distorsión, relacionada con la amplitud, que se llama distorsión por recorte. Se da en los equipos que amplifican la señal cuando trabajan por encima de sus posibilidades y consiste en un “recorte” de la forma de onda. Se produce porque al amplificador se le exige que amplifique la señal tanto, que los valores de tensión de pico de la señal, son superiores a los valores de tensión que da la fuente de alimentación. Por un principio básico, la máxima tensión posible que puede dar a la salida un equipo, es la que entrega la fuente de alimentación. Para seguir cumpliendo este principio la señal a la salida se recorta para valores superiores a los de la tensión de alimentación. Antes de que la distorsión por recorte sea audible, los valores de otras distorsiones se han disparado, ya que se está trabajando muy por encima de las capacidades del aparato.

Amplificador trabajando en saturación, entrega señal recortada a la salida.

  2.- Distorsión lineal de fase o distorsión de fase.

Se da cuando a la salida no se conserva la relación de fase entre las diferentes frecuencias de entrada. Este tipo de distorsión se da en todos los aparatos electrónicos y es muy difícil eliminarla. Los aparatos HI-FI de alta gama tratan de minimizar al máximo esta distorsión o compensarla, esto explica (en parte) su alto coste y la ausencia de funciones optativas que añaden electrónica y distorsión de fase. Por suerte, el oído tiene dificultad para detectar la fase y por eso (y por la dificultad de su tratamiento) la mayoría de equipos no abordan el problema.

Los dos tipos de distorsión anteriores no se suelen ser facilitados por el fabricante. El primero porque se supone que no existe o porque ya se da la “respuesta en frecuencia”. El segundo porque no se suele tratar este problema y el usuario común no lo va detectar.

  3.- Distorsión no lineal THD o Total Harmonic Distorsión.

Esta distorsión se produce por la aparición de armónicos de la señal original. Un armónico es una señal de frecuencia múltiplo de otra original. Si a la entrada tenemos un tono puro de frecuencia 1 KHz, sus armónicos aparecerán como tonos puros de frecuencia 2 KHz, 3 KHz, 4KHz… Cuando hay distorsión armónica, los armónicos simplemente aparecen pese a no ser deseados.

A continuación se muestra una representación del espectro de salida de un aparato con distorsión armónica. A la entrada del aparato sólo se le conecta un tono puro de f = 1 KHz. Así es como se suele medir la THD.

Espectro de un tono puro (1kHz) con sus armónicos producidos por la THD.

La figura muestra algo parecido a lo que se vería en un analizador de espectro. Una vez se obtiene esta gráfica, se mide la energía de todos los armónicos (en dB), se compara con el tono puro original y se calcula el porcentaje que representa del total. Cuanto mayor nivel tienen los armónicos, mayor es la distorsión armónica y peor “sonará” el equipo. Los fabricantes de equipos suelen facilitar este dato ya que es de los más relevantes.

La distorsión armónica o THD se mide en porcentaje (%) y los valores suelen ser siempre bastante inferiores al 1%. El porcentaje representa la parte del total de la energía a la salida, que pertenece a los armónicos, es decir, qué porcentaje es distorsión. Se calcula midiendo la tensión de las frecuencias armónicas y aplicando la siguiente fórmula:

Fórmula empleada para el cálculo de THD.

Donde V1, V2, V3… son las amplitudes en voltios de las distintas frecuencias armónicas y Vo es la amplitud del tono de frecuencia 1 KHz.

  4.- Distorsión no lineal IMD o distorsión de intermodulación.

Esta distorsión es debida a que varias frecuencias pertenecientes de una señal interactúan dentro del aparato generando unas terceras no deseadas. Uno de los métodos de medida es el siguiente: se introducen dos tonos puros (uno de 250 Hz y otro de 8 KHz y voltaje 1/4 del primero) y se mide el voltaje de las frecuencias de intermodulación a la salida. En la siguiente figura se representan las dos frecuencias puras y las posibles frecuencias de intermodulación (barras rojas).

 

Espectro de dos tonos puros (250Hz y 8kHz) y la distorsión armónica generada (rojo).

Las frecuencias resultantes de la intermodulación siempre aparecen en torno a la frecuencia más alta y separada de ella por múltiplos de la frecuencia más baja. En este caso las frecuencias de intermodulación aparecen en torno a la frecuencia de 8 KHz. y con distancias en frecuencia de 250 Hz, 500 Hz, 750 Hz… es decir a frecuencias 8K +/- n·250. Donde n toma valores de 1, 2, 3…

La distorsión de intermodulación se mide en porcentaje (%), y se calcularía midiendo la tensión de las frecuencias de intermodulación y aplicando la siguiente fórmula:

Fórmula empleada para el cálculo de IMD.

Donde Vi son las amplitudes en voltios de las distintas frecuencias de intermodulación y Vo es la amplitud del tono de frecuencia 8 KHz.

 

4.3- RELACIÓN SEÑAL RUIDO.

 

La relación señal ruido (S/N) es la diferencia entre el nivel de la señal y el nivel de ruido. Se entiende como ruido cualquier señal no deseada, en este caso, la señal eléctrica no deseada que circula por el interior de un equipo electrónico. El ruido se mide sin ninguna señal a la entrada del equipo.

Se habla de relación señal ruido (S/N) porque el nivel de ruido es más o menos perjudicial en función de cual sea el nivel de la señal. La S/N se calcula como la diferencia entre el nivel de la señal cuando el aparato funciona a nivel nominal de trabajo y el nivel de ruido cuando, a ese mismo nivel de trabajo, no se introduce señal. En un amplificador, cuanto más se gire el mando de potencia, más se amplificará la señal y en la misma medida se amplificará el ruido.

Gráfica del nivel de la señal (verde) respecto al nivel de ruido (rojo).

A la salida de un equipo de audio, el nivel de la señal se mide en voltios (V). Midiendo en voltios la señal (S, signal), midiendo también en voltios el ruido (N, noise) y calculando el 20·log(S/N) se obtiene el valor de la relación señal ruido en dB, que es como normalmente se da. La calidad de un equipo se mide también por la relación señal ruido, cuanto mayor sea el valor de S/N mayor calidad tendrá el mismo.

La relación señal ruido se suele dar para una frecuencia de 1KHz. Aunque también se puede dar un valor para toda la banda de frecuencia de trabajo del aparato; en este caso se entiende que el valor de S/N es el menor para toda la banda, es decir, el más desfavorable. En el mejor de los casos se puede presentar la S/N como una gráfica del tipo respuesta en frecuencia, en donde se especifica el valor de la relación para cada una de las frecuencias.

La existencia ruido es inevitable en cualquier equipo electrónico. Una electrónica refinada disminuye el nivel de ruido, puede disminuirlo tanto que no sea medible por ser comparable al ruido del equipo de medida, pero siempre existe ruido. Algo parecido pasa con el sonido en el ambiente, es decir, por muchas condiciones de silencio que se den, siempre habrá ruido que será audible directamente o mediante métodos de amplificación. La fuente principal de ruido suele ser la fuente de alimentación del propio equipo.

 

4.4- DIAFONÍA.

 

También se habla de “separación entre canales”. Este efecto perjudicial se da únicamente en los equipos estéreo. Consiste en que la salida de un canal, se obtiene parte de la señal que está entrando al otro.

Debido a la cercanía de la electrónica que compone cada canal, las inducciones magnéticas y otros fenómenos magnetoeléctricos (podemos incluir “duendecillos”), si a la entrada del canal R de un equipo se introduce una señal, parte de esa señal también aparecerá a la salida del canal L, al que no se le introdujo ninguna. La diafonía suele aumentar conforme aumenta la frecuencia, a mayor frecuencia, menor separación entre canales. Este es un parámetro típico a tener en cuenta cuando se habla de amplificadores o etapas de potencia, ya que estos equipos manejan elevadas tensiones e intensidades que provocan fuertes inducciones. En el resto de equipos estéreo, la diafonía no suele alcanzar valores relevantes.

La diafonía o separación entre canales, se mide en dB (decibelios). Se suelen dar los valores (si se proporcionan) para unas frecuencias concretas significativas, típicamente 250 Hz, 1 KHz. y 10 KHz. También se suele especificar “diafonía inferior a “n” dB, lo que significa que para cada las frecuencias la separación entre canales es mayor o igual a “n” decibelios.