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Lo básico sobre la distorsión en micrófonos

23 de septiembre de 2019

No queremos ninguna distorsión involuntaria en nuestra cadena de grabación. Desafortunadamente, generalmente hay alguna forma de distorsión presente, aunque está por debajo del umbral de audibilidad. Al configurar la cadena de grabación, los enlaces individuales de la cadena de audio pueden contribuir a la distorsión sumada, que eventualmente puede volverse audible.

Antes de considerar la cantidad de distorsión, debemos definir las diversas formas de distorsión que encontramos en nuestro equipo, y en este caso, con un enfoque especial en los micrófonos. También debemos considerar el sistema auditivo (los oídos y el cerebro), que establece los límites reales para la audibilidad.

Distorsión: lineal o no lineal?
Cuando una señal pasa de entrada a salida, cualquier cambio en esa señal (es decir, la forma de onda de la señal) puede considerarse como una distorsión. En general, toda distorsión es no lineal. Sin embargo, el cambio de magnitud podría considerarse como “distorsión lineal”, ya que puede corregirse en una etapa posterior. El retraso de una señal a veces también se considera una distorsión lineal ya que la forma de onda está intacta, solo se entrega un poco más tarde.

Debido a estas definiciones, cualquier ecualización aplicada a propósito, cualquier cambio de ancho de banda y cualquier limitación, causa un tipo de distorsión. Sin embargo, debemos ser conscientes de la distorsión no deseada y de cómo afecta la calidad del sonido percibido.

Distorsión: ¿de dónde viene?
La distorsión ocurre debido a limitaciones y otras no linealidades en un sistema. Incluso el sonido en el aire tiene una limitación en su magnitud. Cuando el nivel de presión sonora excede los 194 dB SPL, no hay más moléculas de aire para formar la parte negativa de la onda sonora cuando llega al punto de un vacío total. (Ver la figura a continuación).

Figura 1. Distorsión en el aire cuando el SPL supera los 194 dB.

 

Figura 2. Archivo de sonido: el Apollo 13 despega. Después de 60 segundos, puede escuchar lo que suena como una fuerte distorsión. Eso es distorsión en el aire. Si observa la forma de onda (arriba), puede ver que las partes positivas son más altas que las negativas.

 

Distorsión en micrófonos
Un componente principal del micrófono es el diafragma. Si el micrófono es de tipo condensador, el diafragma tiene una posición frente a una placa posterior. El espacio entre los dos está en el rango de 20-50 µm.

Al colocar el micrófono en una situación de alto SPL, es obvio que hay un límite para la excursión del diafragma, al menos cuando se empuja en la dirección de la placa posterior. Además, el material del diafragma en sí tiene un límite de cuán “estirable” es en cualquier dirección.

Cualquier micrófono de condensador necesita un intermedio electrónico que convierta la alta impedancia del transductor en una impedancia relativamente baja para alimentar cables más largos. Este diseño electrónico puede ser una fuente de comportamiento no simétrico. (CORE by DPA es un intento exitoso de mejorar esto).

Aunque los fabricantes intentan constantemente mejorar los micrófonos, existen límites para los sistemas de micrófonos que eventualmente pueden causar distorsión.

Figure 3. A way to describe nonlinearities of a system. The blue curve: No limitations. The red dashed curve: Limitations in the system.

 

¿Cómo especificar la distorsión?
Según las normas IEC [1, 2], la no linealidad de amplitud se expresa mediante tres medidas: distorsión armónica total (THD), distorsión del enésimo orden y distorsión de frecuencia de diferencia de segundo orden. que significan estas expresiones?

Distorsión armónica total: una onda sinusoidal pura consta de una y solo una frecuencia. Cuando se distorsiona (típico mediante recorte), se generan frecuencias adicionales (múltiplos enteros del tono fundamental). Si el micrófono se coloca en un campo de sonido de un tono puro (por ejemplo, 1 kHz), los productos de distorsión, los armónicos generados, incluyen componentes de frecuencia a 2 kHz, 3 kHz, 4 kHz, etc., que normalmente disminuyen de nivel. (En caso de recorte simétrico, solo se generan armónicos desiguales, tercero, quinto, séptimo, etc.).

La medición de THD se lleva a cabo midiendo la cantidad (RMS) de todos los armónicos de orden superior como un porcentaje del nivel de la frecuencia fundamental. El resultado debe ser preferiblemente <1% en la mayor parte del rango dinámico. Una distorsión armónica del 1% significa que los componentes de frecuencia no deseados tienen un nivel de 40 dB por debajo de la frecuencia fundamental. Este es un límite preferido por muchos fabricantes de micrófonos. Este también es un límite “visual”, ya que esta cantidad de distorsión se hace visible en la forma de onda, por ejemplo, monitoreada en un osciloscopio o cuando se graba y se ve en el DAW.

Figure 4. THD is the portion of harmonics that occur due to nonlinearity, for instance clipping.

 

En la práctica, el THD es difícil de medir con SPL bajos a medios, ya que el altavoz normalmente presenta una distorsión más alta en comparación con el micrófono. Sin embargo, al acercarse a niveles cercanos a los límites máximos de SPL del micrófono, el THD puede aumentar rápidamente.

Distorsión del enésimo orden: esto es en principio lo mismo que THD, excepto que los armónicos se miden y cuantifican individualmente. A veces, el tercer armónico es de interés específico porque, por recorte simétrico, es el armónico que representa el nivel más alto de todos los armónicos generados.

Distorsión de frecuencia de diferencia: para esta medida, se aplican dos tonos sinusoidales puros a niveles idénticos. El estándar IEC define la distancia entre las frecuencias como 80 Hz. Un ejemplo de frecuencias es 1000 Hz y 1080 Hz. Sin embargo, puede aplicarse un barrido en un rango más amplio. Una distorsión de diferencia genera frecuencias de suma y diferencia (es decir, 1000 Hz y 1100 Hz crea una frecuencia de diferencia de 100 Hz). Estos componentes de frecuencia se miden y cuantifican como un porcentaje de las frecuencias fundamentales.

Cabe señalar que está muy bien aplicar una metodología estandarizada para la cuantificación de la distorsión. Sin embargo, las normas solo tienen en cuenta una pequeña selección de posibles formas de distorsión. En la vida real, las señales son mucho más complejas y también lo son los componentes de distorsión.

 

¿Qué es audible?
Para encontrar lo que importa debemos mirar la investigación psicoacústica. Aquí hay algunos fenómenos que influyen en la calidad de sonido percibida.

Umbral de audición: nuestro sistema auditivo tiene un límite inferior natural. Este límite varía con la frecuencia. A bajas frecuencias, el nivel de umbral es bastante alto. En el rango de frecuencia de 2-4 kHz, el nivel de umbral es bajo. Ver figura 5.

Figura 5. La curva indica el umbral de audición (personas con audición normal). Los humanos no pueden escuchar el sonido por debajo del umbral. Tenga en cuenta que los humanos no escuchan muy bien las bajas frecuencias de bajo nivel.

 

Enmascaramiento: cuando el oído está expuesto a la energía del sonido en un rango de frecuencia específico, se crea un enmascaramiento de las frecuencias circundantes. Este enmascaramiento funciona especialmente a frecuencias más altas.

La siguiente ilustración muestra las curvas de enmascaramiento de un tono puro de 1 kHz en varios SPL.

Figure 6. The diagram shows the masking curves of a 1 kHz pure tone at various SPLs.

 

Esto significa que muy a menudo los componentes de distorsión se vuelven inaudibles debido al enmascaramiento.

Figura 7. El tercer armónico (3 kHz) del tono de 1 kHz es inaudible debido al enmascaramiento, aunque la distorsión es del 5%.

 

Con respecto a la distorsión de frecuencia de diferencia, los componentes de frecuencia por debajo de las frecuencias de enmascaramiento se vuelven los más audibles. Esto también está relacionado con el hecho de que los tonos de diferencia no son necesariamente musicales y, por lo tanto, se perciben como más molestos.

El efecto de enmascaramiento es esencial para todos los formatos de audio de bits reducidos. Aquí, la distorsión puede ser alta y la relación señal / ruido baja. Sin embargo, nosotros (los oyentes en general) a menudo aceptamos la forma en que suena.

Distorsión del oído: el oído mismo genera distorsión. Este fenómeno existe especialmente en SPL más altos. El oído tiene su mejor resolución con SPL más bajos.

Este fenómeno se escucha al escuchar dos tonos que son casi igual de fuertes. Dependiendo del intervalo de frecuencia entre los dos tonos, se puede escuchar un tercer tono. Por ejemplo, si escucha dos tonos con el intervalo de un quinto, C3 y G3 (131 Hz y 196 Hz), su oído creará el tono de diferencia de 65 Hz (C2, que es una octava por debajo del C3. Un hecho utilizado cuando construir órganos de tubos para crear “sub-voces artificiales”).

A continuación se muestra un ejemplo de intermodulación o distorsión de frecuencia de diferencia. Se generan dos tonos. El oído produce una distorsión de tono diferente. Sin embargo, solo se perciben los tonos por debajo del tono real, debido al enmascaramiento.

Figura 8. Distorsión en el oído: componentes de frecuencia que se producen debido a dos frecuencias: 1 kHz y 1,6 kHz. Solo los dos componentes por debajo de 1 kHz se vuelven audibles.

 

Conclusión
En general, no debe haber distorsión en sus micrófonos. Sin embargo, en realidad hay algunos. Las medidas como THD y las mediciones de distorsión de frecuencia de diferencia no cuentan la historia completa. Sin embargo, los números en las especificaciones pueden considerarse como una indicación de cuán “saludable” es el diseño. Lo que percibe el oído es bastante complejo porque el oído produce distorsión en sí mismo. A pesar de los números, a mayor distorsión en su micrófono, más confuso y más claro es el sonido en su grabación.

Fuente: DPA website > https://www.dpamicrophones.com/mic-university/the-basics-about-distortion-in-mics?mc_cid=cbf462718b&mc_eid=762e838757