sexta-feira, 15 de novembro de 2019

Distorção Harmônica em Alto-falantes

Um certo tipo de de distorção produzido pelos sistemas de alto-falantes caracteriza-se pela geração de harmônicos, quando os mesmos estão reproduzindo um único tom, durante algum tempo. Este artigo traz alguns esclarecimentos sobre esse tipo de distorção, efetuando, inclusive, um teste, utilizando três frequências puras, relacionadas com a escala musical.


Se um sinal enviado a um alto-falante, formado apenas por um tom perfeitamente puro, é reproduzido com harmônicas adicionadas a ele, está ocorrendo distorção harmônica. Como estamos nos referindo a um tom simples, os componentes da distorção serão compostos pelas harmônicas dessa frequência fundamental.

Sabemos que os audiófilos, em geral, são mais afeitos a tons da escala musical, no que se refere a medidas de distorção, do que a frequências aleatórias de teste, as quais possuem uma base técnica, mas não musical. Por tal razão, utilizamos frequências de teste pertencentes a tons bem conhecidos da escala musical.


Os tons de teste foram escolhidos com muito cuidado. Em primeiro lugar, o número de frequências teve que ser limitado, de forma a evitar que o acúmulo de dados dificultasse a interpretação do desempenho. Em segundo lugar, decidiu-se que as frequências escolhidas deveriam conter não só a faixa usual de notas fundamentais, produzida por instrumentos musicais, mas deveriam também estar localizadas de forma a exibir possíveis problemas dos alto-falantes. E, por fim, a estrutura harmônica a ser medida deveria estar significativamente relacionada tanto à experiência musical, como aos problemas convencionais dos alto-falantes.

Assim, os tons escolhidos são os seguintes: a nota E1 (41,2 Hz); A2 (110 Hz); e A4 (440 Hz). E1 foi escolhida para representar a nota fundamental mais baixa encontrada em música; ela está localizada, também, perto ou abaixo do corte de baixa frequência, mesmo dos maiores sistemas de som. A nota A2 foi incluída pela sua posição tonal, ou seja, sua localização no ponto de transição entre os tons médios e graves, além do fato de poder ser reproduzida até pelos menores sistemas. A4, uma nota fundamental para muitos instrumentos e vocalistas, foi selecionada não apenas pela  sua importância musical, mas também porque localiza-se na faixa em que muitos alto-falantes estão em "crossover" ou onde o alto-falante de graves começa a perder sua influência. Nos casos em que o ponto de "crossover" ou transição ficou abaixo dos 500 Hz, substituímos A4 por uma outra nota musical, localizada meia oitava abaixo, aproximadamente, da frequência real de "crossover".

Uma outra justificativa da escolha dessas três frequências está no fato de que suas respectivas harmônicas preenchem completamente a faixa entre as três notas, sem sobreposição.

Na análise dessa distorção, os componentes harmônicos ou de distorção significativos são a segunda harmônica (o mesmo tom na oitava seguinte, superior) e a terceira harmônica ( o quinto tom na oitava seguinte). As harmônicas superiores (da quarta para cima) raramente são consideradas, por serem praticamente desprezíveis em alto-falantes utilizados de acordo com as especificações dos fabricantes. Quando tais harmônicas aparecem, podem ser ouvidas sob a forma de estalos, o que geralmente denuncia problemas mecânicos.

Escalas de medida


A distorção harmônica é medida em porcentagem. O nível do tom fundamental é definido como sendo 100%, em cada ponto de nossas medidas, e o componente de distorção é dado como uma porcentagem desse nível.

Essa medida percentual da distorção harmônica pode ser relacionada com nossa experiência musical da seguinte maneira:

Numa audição ao ar livre, a pressão do som cairá pela metade, cada vez que nossa distância, em relação à fonte, for dobrada. Imagine, por exemplo, que você esteja a 3 metros de um solista; se você recuar para 6 metros, o som direto será reduzido em 6 dB. Em outras palavras, se considerarmos um valor de 100% a 3 metros, teremos 50% a 6 metros. Caso você recue ainda mais, para 12 metros, haverá uma outra redução de 6 dB, perfazendo uma queda de pressão de 12 dB, ou uma mudança para 25% do nível original, tomado a 3 metros.

Baseando-se nesses dados, é possível estabelecer uma relação entre a porcentagem do componente de distorção e a distância em que se ouve tal nível de distorção. Uma porcentagem de 10% em relação ao nível original, por exemplo, equivaleria a uma distância de 30 metros, já que a 3 metros tínhamos 100%. Essa análise simplificada leva em conta o espaço livre para a propagação do som e pode ser utilizada como uma regra geral, por aqueles que tenham condições de relacioná-la com audições ao ar livre.

Dessa forma, podemos considerar uma distorção de 20% da terceira harmônica de A2 como sendo musicalmente equivalente à audição de dois instrumentos; um dos instrumentos estaria produzindo uma nota A2 pura, a uma certa distância subjetiva; o segundo instrumento, representando a distorção, estaria produzindo o quinto da oitava seguinte e estaria localizado a uma distância, ao ar livre, 5 vezes superior àquela do instrumento fundamental.

O efeito musical do segundo instrumento, em geral, não é considerável. Na verdade, uma distorção harmônica desse tipo pode enriquecer, subjetivamente, uma senóide pura que, em caso contrário, seria muito pobre. Cuidado, entretanto, para não cometer erros, assumindo que, se um certo efeito é benigno para um senóide, o mesmo é válido para um tom musical complexo. Esses tons são compostos, eles mesmos, por harmônicas cuja estrutura pode ser alterada, devido ao fato de que cada harmônica, no tom original, pode atuar como uma fundamental e então, produzir produtos adicionais de distorção. O resultado desse efeito não é, necessariamente, musicalmente correto.

A distorção harmônica pode ser medida, também, como uma função da potência do amplificador. Cada um dos três tons fundamentais em jogo possui seu valor de pressão, em relação à potência do sistema amplificador. A razão dessa medida é a de fornecer uma estimativa do nível de distorção relativa esperada, para o material de banda larga gravado, não modificado pelos controles de tonalidade. Isto permite que se determine o nível em que se pode ouvir música, com níveis aceitáveis de distorção e, ao mesmo tempo, mostra a potência necessária, no amplificador, para a reprodução de determinado nível de som. Além disso, tal medida possibilita observar a quantidade de distorção resultante de uma equalização do alto-falante para uma amplitude plana.

Procedimento nos testes


O método de medida da distorção harmônica efetuado, é ligeiramente diferente dos métodos convencionais. Utilizou-se um filtro Wiener casado, de banda estreita, otimizado para uma medida de tempo pouco inferior a um segundo. Esse filtro teve sua frequência central de aceitação constantemente colocada em fase com a harmônica adequada do sinal senoidal, utilizado para alimentar o alto-falante. Um atenuador transmissor, calibrado em incrementos de 2 dB, forneceu a frequência fundamental ao amplificador de potência empregado nos testes.

O receptor atenuador, que compensava o efeito introduzido pelo transmissor, reduzia o sinal vindo do microfone. Desse modo, o nível enviado ao filtro Wiener permanecia constante, durante as medições.

Na ocasião de uma medida, o filtro era ativado e este, por sua vez, produzia um "surto" da frequência fundamental, com a duração de 980 milissegundos, que era enviado ao amplificador. Ao fim desse período, a alimentação do transmissor era desligada e a saída do filtro, transferida a um circuito de memória. Um traçador de gráficos automáticos entrava então em cena, programado para traçar uma linha reta entre o ponto obtido na medida anterior e aquele obtido na medida atual, num gráfico X-Y (ou distorção x potência).

Durante os experimentos, foram utilizadas várias medidas preventivas. Em primeiro lugar, utilizou-se um osciloscópio, para se visualizar o sinal de saída do alto-falante, sinal que foi ouvido através de um sistema auxiliar de alto-falantes (precaução necessária para se observar certos ruídos mecânicos eventuais, que indicariam que o limite máximo de potência havia sido atingido). Em segundo lugar, o rápido "surto" de sinal foi escolhido de forma a evitar danos ao alto-falante, já que níveis elevados de potência, mantidos durante algum tempo, são capazes de destruir até o mais robusto dos alto-falantes. Como medida adicional de precaução, um certo equipamento automático media continuamente os volt-ampères instantâneos e os watt-segundos de energia acumulada, fornecendo indicações rápidas, em relação aos limites de segurança.

O microfone de medida foi instalado bem próximo ao transdutor sob teste, o que garantiu que os padrões de resposta não fornecessem leituras incorretas da distorção.

O significado dos testes


A primeira coisa a ter em mente, sobre tais medições de distorção harmônica, é que o nível dessa distorção é bem mais elevado em alto-falantes do que nos amplificadores. Para se ter uma ideia dessa diferença, basta dizer que um alto-falante, reproduzindo um sinal de nível elevado, pode apresentar uma distorção harmônica mil vezes superior à do amplificador que o está alimentando. A razão dessa disparidade e da relativa "audibilidade" dos alto-falantes, amplificadores e outras partes da cadeia de reprodução é um assunto de pesquisa profundo demais para ser abordado por nós, neste momento. O ponto básico, que todos devem recordar, é que as elevadas porcentagens de distorção harmônica dos alto-falantes, em relação aos amplificadores, é considerada uma característica normal. Por outro lado, não se deve assumir que é impossível distinguir entre um bom e um mau amplificador, simplesmente devido aos elevados níveis de distorção dos alto-falantes; as diferenças entre amplificadores serão notadas, na maioria dos casos.

Ao se estudar gráficos de distorção harmônica dos alto-falantes, é interessante observar se a distorção cresce suavemente com o aumento do nível de potência, já que os desvios que possam ocorrer nessa curva são bastantes informativos. Uma suspensão não-linear do alto-falante, por exemplo, é geralmente indicada por uma segunda harmônica moderadamente elevada, nos níveis mais baixos de potência (1% a 0,1 W, por exemplo), e por um crescimento vagaroso da mesma, com o aumento de potência.

Frequentemente, algumas dessas curvas decrescem com o aumento de potência, ao longo de uma faixa substancial. Em tais casos, uma segunda não-linearidade, tal como bobinas fora de centro, pode tornar-se considerável, em níveis elevados de sinal, causando um rápido aumento na distorção. Quando isto ocorre em sinais baixos, o som torna-se pouco claro, no que se refere ao balanço tonal.

Sem exagerar na generalização, pode-se afirmar que em qualquer caso onde a curva de distorção não suba suavemente, com o aumento do nível de sinal, há uma tendência à inversão da ordenação subjetiva no comportamento dos sons, em relação à audição natural ("ao vivo") dos mesmos. Tal distorção é percebida como algo diferente ou estranho no som reproduzido, sem que se consiga atinar perfeitamente sobre o que seria esse "algo".

A distorção harmônica é, em geral, maior na nota E1 do que em A2 ou A4. Normalmente, mas nem sempre, isto se verifica devido a uma maior excursão do cone do alto-falante. Se o nível de distorção cresce suavemente com o aumento da potência e, então, sobe abruptamente, o problema está na movimentação do cone.

No caso de aumento da terceira harmônica, será, provavelmente, a bobina saindo da região linear da estrutura magnética do alto-falante. O som, dessa forma, parecerá "grosso" e, talvez, subjetivamente mais alto do que é, na realidade.

Em todos os casos, porém, a distorção harmônica deve decrescer continuamente, com a diminuição do sinal. Se, no entanto, os níveis de distorção permanecerem elevados, mesmo com sinais de 0,1 W de potência, o som reproduzido estará definitivamente "colorido" pela distorção.

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