Desvelando la Impureza del Sonido (Parte I): Distorsión Armónica y por Intermodulación en Sistemas de Audio
La distorsión en el contexto del audio se refiere a cualquier alteración no deseada que sufre una señal sonora al pasar a través de un sistema electrónico o acústico. Existen diversos tipos de distorsión, cada uno con sus propias causas y efectos sonoros característicos. En esta entrada, exploráremos dos de las formas más comunes y significativas de distorsión: la distorsión armónica y la distorsión por intermodulación. Ambas son tipos de distorsión de amplitud, lo que significa que la amplitud de la señal de salida deja de mantener una relación lineal y proporcional con las variaciones de amplitud de la señal de entrada original.
Distorsión Armónica: Añadiendo Colores No Deseados
La distorsión armónica ocurre cuando un componente de un sistema de sonido (como un amplificador, un preamplificador o incluso un altavoz funcionando fuera de su rango lineal) genera frecuencias que son múltiplos enteros de las frecuencias presentes en la señal de entrada original, pero que no existían en la señal fuente. Estas nuevas frecuencias son los denominados armónicos.
Recordemos que cualquier sonido complejo puede descomponerse en una frecuencia fundamental y una serie de armónicos que determinan su timbre. La distorsión armónica introduce armónicos adicionales, alterando el timbre original de una manera que a menudo se describe como "coloración" artificial del sonido.
Por ejemplo, si aplicamos una señal sinusoidal pura con una frecuencia fundamental de 50 Hz a la entrada de un circuito que introduce distorsión armónica, a la salida podríamos encontrar, además de la señal original de 50 Hz, señales con frecuencias de 100 Hz (el segundo armónico, 2 x 50 Hz), 150 Hz (el tercer armónico, 3 x 50 Hz), 200 Hz (el cuarto armónico, 4 x 50 Hz) y así sucesivamente. Estos armónicos no estaban presentes en la señal original y son producto de la no linealidad en la respuesta del componente.
Cuando la distorsión armónica es significativa, al llegar la señal a los altavoces puede dar la impresión de que estos están trabajando al límite de su capacidad, saturados o sobrecargados. En situaciones de funcionamiento a máxima potencia, una distorsión armónica severa puede incluso ser peligrosa para la integridad física de los altavoces, generando calor excesivo y posibles daños en los componentes.
Para cuantificar la distorsión armónica, se mide el nivel relativo de cada uno de los armónicos generados en comparación con el nivel de la frecuencia fundamental. Esta información puede especificarse para cada armónico individualmente, o bien se puede calcular un promedio de la distorsión total, conocido como Distorsión Armónica Total (THD).
La medida de la distorsión armónica se expresa como un porcentaje de la magnitud de la señal de salida. Cuanto menor sea este porcentaje, se considera que el dispositivo bajo prueba tiene una mayor fidelidad y una menor alteración de la señal original. Los equipos de audio de alta calidad suelen presumir de valores de THD extremadamente bajos.
Distorsión por Intermodulación: La Creación de Frecuencias No Relacionadas
La distorsión por intermodulación (IMD) ocurre cuando se aplican dos o más frecuencias distintas simultáneamente a la entrada de un sistema no lineal, y a la salida aparecen, además de las frecuencias originales y sus armónicos, nuevas frecuencias que no están relacionadas armónicamente con las señales de entrada.
Aunque la distorsión por intermodulación surge en circunstancias similares a la distorsión armónica (la no linealidad de los componentes), sus efectos sonoros son generalmente considerados más desagradables y artificiales. Mientras que la distorsión armónica genera frecuencias que son múltiplos de las originales (y por lo tanto, musicalmente relacionadas en cierta medida), la distorsión por intermodulación produce frecuencias parásitas que son la suma y la diferencia de las frecuencias fundamentales de entrada, así como la suma y la diferencia entre las fundamentales y sus armónicos, o incluso entre dos señales cualesquiera no relacionadas entre sí.
Consideremos un ejemplo práctico: si aplicamos dos frecuencias fundamentales, por ejemplo, 400 Hz y 500 Hz, a la entrada de un amplificador que introduce distorsión. Si solo hubiera distorsión armónica, a la salida aparecerían armónicos de 400 Hz (800 Hz, 1200 Hz, 1600 Hz, etc.) y armónicos de 500 Hz (1000 Hz, 1500 Hz, 2000 Hz, etc.).
Sin embargo, si el amplificador también genera distorsión por intermodulación, en la señal de salida aparecerán nuevas frecuencias como:
- La suma de las fundamentales: 400Hz + 500Hz = 900Hz
- La diferencia de las fundamentales: 500Hz − 400Hz = 100Hz
- La suma de una fundamental y un armónico: 1000Hz (2ºarmonico de 500Hz) + 400Hz = 1400Hz
- Y muchas otras combinaciones de suma y diferencia.
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| Figura 2: Representación espectral de dos señales de entrada (picos en 400 Hz y 500 Hz) comparada con la misma señal después de pasar por un sistema que introduce distorsión por intermodulación (aparición de nuevos picos en 100 Hz, 900 Hz, 1400 Hz y otras frecuencias no armónicamente relacionadas). |
Los amplificadores de audio son una de las fuentes más comunes e importantes de distorsión por intermodulación en un sistema de sonido, y es crucial que las especificaciones técnicas de un amplificador incluyan siempre el valor de esta distorsión.
La intermodulación se considera generalmente la forma de distorsión más perjudicial para la calidad del sonido, ya que genera disonancias y artefactos sonoros que resultan incompatibles con una reproducción musical natural y agradable. Estas frecuencias no armónicamente relacionadas pueden sonar ásperas, metálicas o simplemente "sucias", empañando la claridad y la pureza del sonido original.
Al igual que la distorsión armónica, la distorsión por intermodulación se mide mediante un porcentaje que representa la suma de las amplitudes de todas las frecuencias de intermodulación generadas en relación con la amplitud de las señales de entrada originales. Es fundamental tener en cuenta que la cantidad de distorsión por intermodulación suele depender de la frecuencia y la amplitud de las señales de entrada. Por lo tanto, cualquier valor de porcentaje de IMD debe ir acompañado de la especificación del nivel de la señal de entrada utilizada como referencia y las frecuencias de prueba empleadas para la medición.
La Técnica en la Práctica: Minimizando la Distorsión para un Sonido Puro
En la práctica del diseño y la operación de sistemas de audio, el objetivo primordial es minimizar tanto la distorsión armónica como la distorsión por intermodulación para lograr una reproducción sonora lo más fiel posible a la señal original. Esto se logra a través de varios enfoques:
- Diseño de Componentes Lineales: Los ingenieros se esfuerzan por diseñar circuitos y componentes activos (transistores, válvulas, circuitos integrados) que operen dentro de su rango lineal, donde la salida es directamente proporcional a la entrada, minimizando así la generación de armónicos no deseados y productos de intermodulación.
- Selección de Componentes de Alta Calidad: La elección de componentes con bajas especificaciones de distorsión es crucial. Los fabricantes de equipos de audio de alta fidelidad invierten en componentes precisos y lineales.
- Diseño de Circuitos con Baja Retroalimentación Negativa (NFB): Si bien la retroalimentación negativa se utiliza para reducir la distorsión y mejorar la estabilidad, una cantidad excesiva puede generar otros tipos de distorsión y artefactos. Un diseño equilibrado es esencial.
- Operación Dentro de los Límites de Diseño: Es importante operar los equipos de audio dentro de los rangos de voltaje y corriente para los que fueron diseñados. Sobrecargar un amplificador o un altavoz puede aumentar drásticamente la distorsión.
- Ajuste y Calibración Adecuados: En sistemas complejos, la correcta calibración y ajuste de los niveles de señal entre los diferentes componentes es fundamental para evitar la saturación y la distorsión.
Comprender los niveles de señal y evitar la sobreexcitación de los componentes es crucial para prevenir la distorsión. Operar dentro de los márgenes seguros de SPL de los altavoces también es importante para evitar la distorsión y el daño de los oídos.
En la producción musical, si bien a veces se utiliza la distorsión de forma creativa como un efecto intencional (por ejemplo, la distorsión de una guitarra eléctrica), es fundamental distinguir entre la distorsión artística y la distorsión no deseada introducida por un equipo que no funciona correctamente. Un buen ingeniero de sonido debe ser capaz de identificar y controlar ambos tipos de distorsión.
Conclusión: Buscando la Pureza en la Reproducción Sonora
La distorsión armónica y por intermodulación son dos de los principales enemigos de la reproducción de audio de alta fidelidad. Comprender sus causas, sus efectos sonoros y cómo se miden es esencial para cualquier persona que aspire a trabajar con sonido de calidad, ya sea en el diseño de equipos, la grabación musical o la escucha crítica. Al esforzarnos por minimizar estas impurezas en la señal, podemos acercarnos al ideal de una reproducción sonora transparente y fiel a la intención original del artista.
