Mediciones del sistema de audio

Respuesta en frecuencia

Esta medición indica en qué rango de frecuencia el nivel de salida de un componente de audio se mantendrá razonablemente constante (ya sea dentro de un rango de decibelios específico o con referencia a la amplitud a 1  kHz). Los preamplificadores también pueden contener ecualizadores, por ejemplo, para reproducir discos de vinilo que requieren corrección de respuesta de frecuencia RIAA ; en ese caso, la especificación puede describir qué tan cerca se ajusta la respuesta al estándar. Por otro lado, el rango de frecuencia es un término que a veces se usa para altavoces y otros transductores para indicar las frecuencias que se pueden usar, sin especificar necesariamente un rango de decibelios. El ancho de banda de potencia también está relacionado con la respuesta de frecuencia , indicando el rango de frecuencias que se pueden usar a alta potencia. 

Un componente con respuesta de frecuencia plana reproducirá el contenido en todas las frecuencias del rango de frecuencia especificado con la misma intensidad. El rango de frecuencia que se suele especificar para los componentes de audio es entreDe 20  Hz a 20  kHz, lo que refleja ampliamente el rango de audición humana . Los amplificadores de estado sólido y los reproductores de CD bien diseñados pueden tener una respuesta de frecuencia que varía solo 0,2  dB entre 20  Hz y 20  kHz. ^{[ 4 ]} Los altavoces tienden a tener respuestas de frecuencia considerablemente menos planas que esta.

Distorsión armónica total (THD)

El material musical contiene tonos distintos, y algunos tipos de distorsión implican tonos espurios al doble o al triple de las frecuencias de esos tonos. Esta distorsión relacionada armónicamente se llama distorsión armónica. Para alta fidelidad , se espera que esta sea <1% para dispositivos electrónicos; los elementos mecánicos como los altavoces suelen tener niveles inevitablemente más altos. Es relativamente fácil lograr una baja distorsión en electrónica con el uso de retroalimentación negativa , pero el uso de altos niveles de retroalimentación de esta manera ha sido tema de controversia entre los audiófilos . ^{[ 5 ]} En esencia, todos los altavoces producen más distorsión que los electrónicos, y no es raro escuchar una distorsión del 1-5% a niveles de escucha moderadamente altos. Los oídos humanos son menos sensibles a la distorsión en las bajas frecuencias, y se espera que los niveles sean inferiores al 10% a un volumen alto. La distorsión que crea solo armónicos de orden par para una entrada de onda sinusoidal a veces se considera menos intrusiva que la distorsión de orden impar.

Potencia de salida

La potencia de salida de los amplificadores se mide y se indica idealmente como la potencia de salida RMS ( valor cuadrático medio ) máxima por canal, a un nivel de distorsión específico y con una carga determinada, lo que, por convención y normativa gubernamental, se considera la medida más significativa de la potencia disponible en las señales musicales.

Las especificaciones de potencia requieren que se especifique la impedancia de carga y, en algunos casos, se proporcionarán dos valores (por ejemplo, la potencia de salida de un amplificador de potencia para altavoces se medirá normalmente a 4 y 8 ohmios ).

Distorsión de intermodulación (IMD)

La distorsión que no está relacionada armónicamente con la señal que se está amplificando es la distorsión de intermodulación. Es una medida del nivel de señales espurias que resultan de la combinación no deseada de señales de entrada de diferentes frecuencias. Este efecto resulta de las no linealidades en el sistema . Niveles suficientemente altos de retroalimentación negativa pueden reducir este efecto en un amplificador. ^{[ a ]} ​​La intermodulación en los transductores de altavoces es, al igual que con la distorsión armónica, casi siempre mayor que en la mayoría de los componentes electrónicos. La IMD aumenta con la excursión del cono. Reducir el ancho de banda de un transductor reduce directamente la IMD. Esto se logra dividiendo el rango de frecuencia deseado en bandas separadas con un crossover de audio y empleando transductores separados para cada banda de frecuencias. ^{[ b ]} La distorsión de intermodulación en sistemas de altavoces de múltiples transductores se puede reducir en gran medida con el uso de un crossover activo , aunque aumenta significativamente el costo y la complejidad del sistema.

Ruido

El nivel de ruido no deseado generado por el propio sistema o por interferencias de fuentes externas que se suman a la señal. El zumbido generalmente se refiere al ruido que se produce únicamente en las frecuencias de la red eléctrica (a diferencia, por ejemplo, del ruido blanco de banda ancha ), que se introduce por la inducción de señales de la red eléctrica en las entradas de las etapas de ganancia, por fuentes de alimentación reguladas de forma inadecuada o por una mala conexión a tierra de los componentes.

Diafonía

La diafonía introduce ruido (proveniente de otro canal de señal) causado por corrientes de tierra, inductancia parásita o capacitancia entre componentes o líneas. Reduce, a veces notablemente, la separación entre canales (por ejemplo, en un sistema estéreo). Una medición de diafonía proporciona un valor en decibelios con respecto al nivel nominal de la señal en la ruta que recibe la interferencia. La diafonía suele ser un problema únicamente en equipos que procesan múltiples canales de audio en el mismo chasis.

Relación de rechazo en modo común (CMRR)

En los sistemas de audio balanceados , las señales de entrada son iguales y opuestas, y cualquier interferencia presente en ambos cables se resta, cancelándola. La CMRR (Resistencia de Modo Común) mide la capacidad de un sistema para ignorar dicha interferencia, especialmente el zumbido en la entrada. Generalmente, solo es relevante con líneas de entrada largas o cuando existen problemas de bucle de tierra . Las entradas no balanceadas no tienen resistencia de modo común; el ruido inducido en ellas se manifiesta directamente como ruido o zumbido.

Rango dinámico y relación señal/ruido (SNR)

La relación señal/ruido ( SNR) es la relación entre el nivel máximo que un componente puede admitir y el nivel de ruido que produce. El ruido de entrada no se tiene en cuenta en esta medición. El rango dinámico se refiere a la relación entre el volumen máximo y mínimo en una fuente de señal determinada (por ejemplo, música o material de programa), y esta medición también cuantifica el rango dinámico máximo que puede manejar un sistema de audio. La relación se expresa en dB entre el nivel de ruido de fondo del dispositivo y la señal máxima (generalmente una onda sinusoidal ) que se puede emitir con un nivel de distorsión (bajo) especificado.

Desde principios de la década de 1990, diversas autoridades, incluida la Audio Engineering Society, han recomendado que las mediciones de rango dinámico se realicen con una señal de audio presente. Esto evita mediciones dudosas basadas en el uso de soportes en blanco o circuitos de silenciamiento.

La relación señal/ruido (SNR) es la relación entre el nivel de ruido de fondo y un nivel de referencia o nivel de alineación arbitrario . En equipos de grabación profesionales, este nivel de referencia suele ser de +4  dBu según la norma IEC 60268-17, aunque a veces es de 0  dBu en el Reino Unido y Europa, el nivel de alineación estándar de la EBU. Los términos "nivel de prueba" , "nivel de medición" y "nivel de alineación" tienen significados diferentes, lo que suele generar confusión. En equipos de consumo, no existe una norma oficial, aunque son comunes los valores de -10  dBV y -6 dBu. 

Los distintos soportes presentan características distintas en cuanto a niveles de ruido y margen dinámico . Aunque los valores varían ampliamente entre unidades, un casete analógico típico podría ofrecer 60  dB, un disco de vinilo alrededor de 70 dB y un CD casi 100 dB. ^{[ 7 ]} La mayoría de los amplificadores modernos de calidad tienen un rango dinámico superior a 110 dB, ^{[ 8 ]} que se aproxima al del oído humano , generalmente considerado en torno a los 130 dB.    

Distorsión de fase , retardo de grupo y retardo de fase

Un componente de audio perfecto mantendrá la coherencia de fase de una señal en todo el rango de frecuencias. La distorsión de fase puede ser extremadamente difícil de reducir o eliminar. El oído humano es en gran medida insensible a la distorsión de fase, aunque es sumamente sensible a las relaciones de fase relativas dentro de los sonidos que escuchamos. La naturaleza compleja de nuestra sensibilidad a los errores de fase, junto con la falta de una prueba práctica que proporcione una calificación de calidad fácilmente comprensible, es la razón por la que no forma parte de las especificaciones de audio convencionales. Los sistemas de altavoces con múltiples transductores pueden presentar distorsiones de fase complejas, causadas o corregidas por los filtros divisores de frecuencia, la ubicación de los transductores y el comportamiento de fase de cada transductor específico.

Respuesta transitoria

Un sistema puede tener baja distorsión para una señal de estado estacionario, pero no en transitorios repentinos. En los amplificadores, este problema puede atribuirse a las fuentes de alimentación en algunos casos, a un rendimiento insuficiente en altas frecuencias o a una retroalimentación negativa excesiva. Las mediciones relacionadas son la velocidad de respuesta y el tiempo de subida . La distorsión en la respuesta transitoria puede ser difícil de medir. Se ha descubierto que muchos diseños de amplificadores de potencia que, por lo demás, son buenos, tienen velocidades de respuesta inadecuadas, según los estándares modernos. En los altavoces, el rendimiento de la respuesta transitoria se ve afectado por la masa y las resonancias de los transductores y las cajas, y por el retardo de grupo y el retardo de fase introducidos por el filtrado de cruce o la alineación temporal inadecuada de los transductores del altavoz. La mayoría de los altavoces generan cantidades significativas de distorsión transitoria, aunque algunos diseños son menos propensos a esto (por ejemplo, altavoces electrostáticos , tweeters de arco de plasma , tweeters de cinta y cajas de bocina con múltiples puntos de entrada ).

Factor de amortiguación

La relación entre la impedancia de salida de un amplificador y los cables de conexión y la resistencia de CC de una bobina móvil . Generalmente se cree que un número mayor es mejor. Esta es una medida de qué tan bien un amplificador de potencia controla el movimiento no deseado de un transductor de altavoz . Un amplificador debe ser capaz de suprimir las resonancias causadas por el movimiento mecánico (por ejemplo, inercia ) de un cono de altavoz. Esto es especialmente importante para un transductor de baja frecuencia con mayor masa. Para los transductores de altavoz convencionales, esto implica esencialmente asegurar que la impedancia de salida del amplificador sea cercana a cero y que los cables del altavoz sean suficientemente cortos y tengan un diámetro suficientemente grande. Un factor de amortiguación de 20 o más se considera adecuado para sistemas de refuerzo de sonido en vivo , ya que el SPL del movimiento del transductor relacionado con la inercia es 26  dB menor que el nivel de señal y no se escuchará. ^{[ 9 ]} La retroalimentación negativa en un amplificador reduce su impedancia de salida efectiva y, por lo tanto, aumenta su factor de amortiguación. ^{[ 10 ]}

¡Guau y aleteo!

Estas mediciones están relacionadas con el movimiento físico de un componente, principalmente el mecanismo de accionamiento de soportes analógicos , como discos de vinilo y cintas magnéticas . La fluctuación de velocidad ( Wow ) es una variación lenta (de unos pocos Hz), causada por la deriva a largo plazo de la velocidad del motor de accionamiento, mientras que el trémolo ( flutter ) son variaciones más rápidas (de unas pocas decenas de Hz), generalmente causadas por defectos mecánicos como la falta de redondez del cabrestante de un mecanismo de transporte de cinta. La medición se expresa en porcentaje, y un valor menor indica un mejor resultado.

Retumbar

Medida del ruido de baja frecuencia (varias decenas de Hz) que produce el plato giratorio de un sistema de reproducción analógico. Este ruido se debe a rodamientos defectuosos, bobinados irregulares del motor, vibraciones en las bandas de impulsión de algunos platos giratorios y vibraciones de la sala (por ejemplo, del tráfico) que se transmiten a través del soporte del plato giratorio y, por lo tanto, a la cápsula fonográfica.

Cabe destacar que los sistemas digitales no sufren muchos de estos efectos analógicos a nivel de señal. Siempre que los símbolos digitales sobrevivan a la transferencia entre componentes y puedan regenerarse perfectamente (por ejemplo, mediante técnicas de conformación de pulsos ), los datos se mantienen intactos. Normalmente, los datos se almacenan en una memoria intermedia y se transmiten mediante un oscilador de cristal de alta precisión . Por lo general, los datos no se degradan al pasar por las distintas etapas, ya que cada etapa regenera nuevos símbolos para su transmisión.

Los sistemas digitales tienen sus propios problemas. La digitalización añade ruido de cuantificación , que es medible y depende de la profundidad de bits de audio del sistema, independientemente de otros problemas de calidad. Los errores de sincronización en los relojes de muestreo ( jitter ) dan lugar a una distorsión no lineal (modulación FM) de la señal. Una medida de calidad para un sistema digital (tasa de error de bits) se relaciona con la probabilidad de un error en la transmisión o recepción. El ancho de banda está determinado por la frecuencia de muestreo . En general, los sistemas digitales son mucho menos propensos a errores que los sistemas analógicos; sin embargo, casi todos los sistemas digitales tienen entradas o salidas analógicas, y ciertamente todos los que interactúan con el mundo analógico lo hacen. Estos componentes analógicos del sistema digital pueden sufrir efectos analógicos y potencialmente comprometer la integridad de un sistema digital bien diseñado.

Estar nervioso

Una medición de la variación en el período y la sincronización absoluta entre el reloj medido y un reloj ideal. La fluctuación (jitter) puede aumentar el nivel de ruido en los convertidores analógico-digitales (ADC) y digital-analógicos (DAC) y, cuando es severa, introducir componentes espectrales erráticos, llamados birdys .

Frecuencia de muestreo

Especificación de la frecuencia con la que se toman las mediciones de la señal analógica. Esta se mide en muestras por segundo ( hercios) . Una mayor frecuencia de muestreo permite un mayor ancho de banda total o respuesta en frecuencia de banda de paso, y permite utilizar filtros anti-aliasing menos pronunciados en la banda de rechazo, lo que a su vez puede mejorar la linealidad de fase general en la banda de paso.

Profundidad de bits

En el audio por modulación por impulsos codificados (PCM) , la profundidad de bits es la cantidad de bits de información en cada muestra . La cuantización , un proceso utilizado en el muestreo de audio digital, genera un error en la señal reconstruida . La relación señal-ruido de cuantización es un múltiplo de la profundidad de bits.

Los CD de audio utilizan una profundidad de bits de 16 bits, mientras que los discos DVD-Video y Blu-ray pueden utilizar audio de 24 bits. El rango dinámico máximo de un sistema de 16 bits es de aproximadamente 96  dB, ^{[ 11 ]} mientras que para 24 bits es de aproximadamente 144  dB.

El tramado se puede utilizar en la masterización de audio para aleatorizar el error de cuantización , y algunos sistemas de tramado utilizan la conformación de ruido para dar forma espectral al nivel de ruido de cuantización. El uso de tramado con conformación puede aumentar el rango dinámico efectivo del audio de 16 bits a alrededor de 120  dB. ^{[ 12 ]}

Para calcular el rango dinámico teórico máximo de un sistema digital ( relación señal-ruido de cuantificación (SQNR)), utilice el siguiente algoritmo para la profundidad de bits Q:

${\displaystyle \mathrm {SQNR} =20\log _{10}(2^{Q})\approx 6.02\cdot Q\ \mathrm {dB} \,\!}$

Ejemplo: Un sistema de 16 bits tiene ^2¹⁶ posibilidades diferentes, de 0 a 65.535. La señal más pequeña sin tramado es 1, por lo que el número de niveles diferentes es uno menos, ^2¹⁶ − 1.

Así, para un sistema digital de 16 bits, el rango dinámico es 20·log(2 ¹⁶ − 1) ≈ 96  dB.

Precisión/sincronización de la muestra

Más que una especificación, se trata de una capacidad. Dado que cada dispositivo de audio digital independiente funciona con su propio oscilador de cristal , y no existen dos cristales exactamente iguales, la frecuencia de muestreo variará ligeramente. Esto provocará que los dispositivos se desfasen con el tiempo. Los efectos pueden ser diversos. Si un dispositivo digital se utiliza para monitorizar otro, se producirán interrupciones o distorsión en el audio, ya que un dispositivo generará más o menos datos que el otro por unidad de tiempo. Si dos dispositivos independientes graban simultáneamente, uno se retrasará cada vez más con el tiempo. Este efecto puede evitarse mediante la sincronización con reloj de palabra . También puede corregirse en el dominio digital mediante un algoritmo de corrección de desfase. Dicho algoritmo compara las frecuencias relativas de dos o más dispositivos y elimina o añade muestras de las secuencias de cualquier dispositivo que se desvíe demasiado del dispositivo maestro. La frecuencia de muestreo también variará ligeramente con el tiempo, debido a los cambios de temperatura de los cristales, etc. Véase también recuperación de reloj.

Linealidad

La no linealidad diferencial y la no linealidad integral son dos medidas de la precisión de un convertidor analógico-digital . Básicamente, miden qué tan cerca están los niveles umbral de cada bit de los niveles teóricos igualmente espaciados.