Grafico della distorsione
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Grafico della distorsione
Il grafico della distorsione mostra la fondamentale della misurazione (la parte lineare della sua risposta), le sue componenti di distorsione fino alla nona armonica, la distorsione armonica totale (THD) e il livello del rumore di fondo che viene catturato prima dell'inizio della misurazione.
I grafici derivano dall'analisi della risposta all'impulso o da misurazioni sinusoidali a gradini. Le risposte all'impulso, misurate utilizzando gli sweep logaritmici, separano la distorsione dalla parte lineare della risposta del sistema. Le componenti di distorsione compaiono dietro l'impulso principale. L'analisi del contenuto in frequenza di queste componenti, consente di generare i grafici delle armoniche di distorsione. Quanto più lunga è la scansione, tanto migliore è la separazione delle componenti della distorsione le une dalle altre. Quando si misura un sistema con livelli di distorsione elevati, è bene utilizzare un'impostazione di sweep lunga (ad esempio 1M o superiore); con lunghezze di sweep più brevi, le armoniche potrebbero influenzarsi a vicenda dando origine a risultati fuorvianti. È possibile effettuare un controllo a campione sulle frequenze di interesse, utilizzando l'RTA e il generatore di segnale. Se si osservano discrepanze, è opportuno valutare invece la possibilità di effettuare una misurazione sinusoidale a gradini. Il rumore di fondo delle misurazioni effettuate con sweep logaritmici, aumenta con la frequenza. Per ottenere un rumore di fondo più basso è preferibile utilizzare più sweep, ma senza dimenticare che è necessario che l'ingresso e l'uscita si trovino sullo stesso dispositivo per poter ottenere risultati affidabili.
Sebbene la misurazione sinusoidale a gradini sia molto, molto più lenta di uno sweep logaritmico, essa può misurare in modo molto più accurato, bassi livelli di distorsione, in modo particolare alle alte frequenze e per le armoniche più alte. Le misurazioni della distorsione sinusoidale a gradini, sono in grado di mostrare componenti di distorsione fino alla nona armonica, THD e rumore di fondo, allo stesso modo dei risultati derivati dallo sweep ma, includendo anche i dati di THD+N (dove THD indica la distorsione armonica totale più il rumore e la distorsione non armonica) e N (dove N indica il rumore da solo e la distorsione non armonica). Da notare che il grafico del rumore di fondo mostrerà il contenuto spettrale del rumore misurato senza riproduzione del segnale. Il "Rumore" in N e in THD+N, mostrerà invece il livello sommato di tutte le distorsioni non armoniche e del rumore nell'intervallo di frequenza scelto per ciascuna frequenza di test. Di conseguenza si troverà molto più in alto rispetto al grafico del rumore di fondo. Per le misurazioni di livello a gradini, l'asse X può indicare dB SPL, dBFS, dBu, dBV, dBW, V o W del generatore o del livello di ingresso.
I grafici delle armoniche, possono essere generati solo per frequenze comprese all'interno della larghezza di banda della misurazione. Ad esempio, se viene effettuata una misurazione a 20 kHz, il grafico della seconda armonica potrà essere generato solo a 10 kHz, poiché la 2a armonica di 10 kHz è 20 kHz. Allo stesso modo il grafico della terza armonica potrà essere generato solo a 6,67 kHz (20/3). Il limite superiore per i grafici di distorsione, è dato dal 95% della frequenza di Nyquist (che è la metà della frequenza di campionamento). Ad esempio, con un campionamento a 44,1 kHz il limite superiore sarà: 0,95*44,1/2 = 20,95 kHz.
Il limite di frequenza inferiore per i grafici di distorsione, è pari a 10 Hz o alla frequenza iniziale della misurazione, a seconda di quale delle due sia la maggiore. In ogni caso, 10 Hz è il limite inferiore della parte logaritmica dello spettro di misurazione. Le frequenze iniziali inferiori a questa, utilizzeranno una porzione iniziale dello sweep lineare (per evitare di spendere una proporzione eccessiva del tempo di durata dello sweep a frequenze molto basse), il che significa che quella regione non potrà essere utilizzata per generare dati di distorsione. Da notare che gli sweep con frequenze iniziali di 20 Hz o superiori possono mostrare una distorsione crescente alle basse frequenze a causa dello "squillo" nel dominio del tempo relativo alle risposte all'impulso limitate in banda che si sovrappongono alle armoniche di distorsione. Per evitare ciò, è consigliato utilizzare ove possibile, frequenze di inizio inferiori a 20 Hz sweep di durata maggiore.
La distorsione armonica totale viene generata dalle armoniche disponibili. È presente un comando per selezionare l'armonica più alta da utilizzare nel calcolo della THD, scelta tra quelle incluse, mostrate nella legenda del grafico in base al nome della traccia. A frequenze più alte il grafico THD incorporerà meno armoniche, in base a quelle disponibili.
Se nelle Preferenze di Analisi, è selezionata l'opzione Apply cal files to distortion, i risultati includeranno le correzioni del file cal per le risposte (come nel caso delle cifre di distorsione RTA). L'applicazione dei file cal, pur aumentando il rumore di fondo, fornirà risultati più accurati nelle regioni in cui la frequenza fondamentale o le armoniche saranno influenzate dalle attenuazioni dell'interfaccia e di questo si dovrebbe tener conto quando si visualizzano i risultati. Se sono necessarie correzioni ai file di calibrazione di grandi dimensioni, assicuratevi che nelle Preferenze di Analisi, l'opzione Limit cal data boost to 20 dB, non sia selezionata. Si noti che qualsiasi modifica successiva effettuata sui file cal NON aggiornerà i risultati della distorsione, poichè essi sono stati generati dai file cal in uso al momento in cui è stata effettuata la misurazione.
Ai grafici fondamentale e armonico derivati dalle misurazioni dello sweep, sarà applicato uno smooth di 1/24 di ottava. Questa opzione non può essere modificata. I dati di distorsione possono essere esportati in un file di testo utilizzando File → Export → Distortion Data as text.
Controlli della distorsione
Il pannello di controllo per il grafico della distorsione, dispone dei seguenti comandi:
Per impostazione predefinita, il grafico mostra i livelli assoluti della frequenza fondamentale e delle armoniche. L'asse Y può essere impostato per indicare dB SPL, dBFS, dBu, dBV, dBW, volt, watt, dBr o percentuale. I valori per dBW e Watt, derivano dalle tensioni misurate utilizzando il valore di impedenza di riferimento nelle impostazioni di visualizzazione dell' RTA. Se l'asse Y è impostato su percentuale o su dBr, le armoniche verranno divise per la frequenza fondamentale, mostrando il loro livello relativo e la fondamentale apparirà come una linea piatta a 0 dBr o al 100%. Il valore della legenda relativo alla fondamentale, continuerà ad indicare il suo livello assoluto, mentre le letture per le armoniche e la THD, dipenderanno dall'impostazione delle Distortion figures. La normalizzazione del grafico provocherà un aumento dei valori delle tracce di distorsione alle alte frequenze a fronte di una diminuzione della risposta del sistema misurato (come solitamente accade). Tale effetto, risulterà esagerato se verrà selezionata l'opzione Use harmonic frequency as ref (vedere la sezione successiva). L'aumento dovuto al basso livello della fondamentale, può essere controllato selezionando Limit norm. to 30 dB below peak. Questo imposterà un limite inferiore sulla fondamentale a 30 dB sotto il suo livello di picco - ad esempio, se il picco della fondamentale fosse a 95 dB, il livello minimo utilizzato per la normalizzazione risulterebbe essere a 65 dB.
I grafici della distorsione armonica e della THD in modalità normalizzata, utilizzano per impostazione predefinita come riferimento, il livello della fondamentale per ciascuna frequenza: ad esempio, le figure di distorsione per ciascuna armonica a 1 kHz, dipenderanno dal livello della fondamentale a 1 kHz. Se verrà selezionato Use harmonic frequency as ref , il riferimento sarà dato dalla frequenza dell'armonica. Ad esempio, a 1 kHz la figura della 2a armonica dipenderà dal livello della fondamentale a 2 kHz, la 3a armonica dipenderà dal livello della fondamentale a 3 kHz e così via. Questa modalità, segue una raccomandazione fatta da Steve F. Temme in "How to graph distortion measurements" presentato alla 94a convention AES nel marzo 1993. Se la risposta del sistema misurato è piatta, ai fini dei risultati ciò non fa alcuna differenza, ma quando la risposta non è piatta (come per la maggior parte delle misurazioni acustiche), essa può rimuovere l'influenza della risposta fondamentale dell'altoparlante dalle figure di distorsione. Ad esempio, supponiamo che la risposta dell'altoparlante sia piatta, a parte un picco di 6 dB a 2 kHz. 2 kHz è la 2a armonica di 1 kHz, quindi il livello della 2a armonica indicato ad 1 kHz, verrà aumentato di 6 dB a causa dell'aumento della fondamentale, quando come riferimento, viene utilizzata la frequenza di eccitazione. Allo stesso modo il livello della terza armonica a 667 Hz (2/3 kHz) verrà amplificato di 6 dB. Questo aumento non si manifesterebbe invece nelle figure di distorsione se, come riferimento, fosse utilizzata la frequenza armonica. L'utilizzo della frequenza armonica come riferimento, fornisce anche una visione più significativa della distorsione alle frequenze al di sotto dell'attenuazione alle basse frequenze del sistema, altrimenti i livelli di distorsione verrebbero aumentati al diminuire della fondamentale. Da notare che questa opzione non influenzerà le tracce quando il grafico non è normalizzato, ma influenzerà comunque i valori nella legenda se le figure della distorsione sono impostate per essere lette in percentuale o in dB rispetto alla fondamentale.
L'opzione Mask harmonics below noise floor, maschera le armoniche che si trovano al di sotto del rumore di fondo (alla frequenza dell'armonica). Anche la traccia della THD verrà visualizzata in grigio se tutte le armoniche che vi contribuiscono si trovano al di sotto del rumore di fondo. Nell'applicare il mascheramento per le misurazioni effettuate con lo sweep, REW tiene conto della capacità (limitata) dello sweep di discriminare le armoniche posizionate al di sotto del rumore di fondo alla frequenza armonica, che varia da 3 dB per la seconda armonica a quasi 10 dB per la nona.
L'opzione Plot harmonics at the harmonic frequency, cambia il modo in cui vengono tracciati gli ordini armonici per gli sweep di misurazione della distorsione: anzichè tracciare la distorsione alla frequenza della fondamentale, questa verrà tracciata alla frequenza dell'armonica, quindi (ad esempio), il livello della distorsione armonica del 2° ordine per 1 kHz, verrebbe tracciato a 2 kHz, dove si verifica appunto la distorsione. Ciò renderà più semplice correlare i livelli armonici con il livello della fondamentale alla frequenza armonica e aiuterà anche a distinguere gli effetti del rumore esterno, poiché questo influenza tutte le armoniche alla frequenza alla quale si verifica. La traccia THD non risentirà dell'influenza di questa opzione e continuerà a mostrare il valore della THD corrispondente ai livelli armonici alla loro frequenza fondamentale. Quando si tracciano le armoniche alla frequenza armonica, questa viene utilizzata come riferimento, indipendentemente dallo stato dell'impostazione Use harmonic frequency as ref.
Il menu a tendina Distortion figures, seleziona le unità utilizzate per indicare i livelli di distorsione armonica visualizzati nella legenda del grafico. Le scelte sono As Y axis, che mostra il livello utilizzando l'unità dell'asse Y selezionata; dB relative, che mostra di quanti dB l'armonica è sotto il livello della fondamentale e Percent, che mostra il livello armonico come percentuale della fondamentale. La frequenza alla quale viene catturato il livello della fondamentale, dipende dall'impostazione Use harmonic frequency as ref. (vedi sopra).
La casella di selezione Highest harmonic to show, consente di nascondere le armoniche più alte se non sono di interesse ai fini della misura. Ad esempio, se l'armonica più alta da mostrare fosse impostata su 3, sul grafico e nella legenda apparirebbero solamente le tracce della seconda e della terza armonica. Le armoniche misurate utilizzate per calcolare la THD, sono controllate dall'opzione Highest harmonic in THD.
La casella di selezione Highest harmonic in THD, permette di decidere quali tra le armoniche più elevate, escludere nel calcolo della THD. Ciò può essere auspicabile se, trovandosi queste nel rumore di fondo, aggiungono rumore al calcolo della THD.
Il pulsante Trace options, apre una finestra di dialogo che consente di modificare il colore e il tipo di linea utilizzata per le tracce del grafico. Se viene apportata una modifica, questa verrà utilizzata per tutte le misurazioni mostrate in questo grafico. È anche possibile nascondere le tracce, rimuovendole dal grafico e dalla legenda.
Esempi di distorsione - misurazioni della scheda audio
Questo è un grafico della distorsione generato dalla misura di loopback di una scheda audio , prodotto da uno sweep ad alto livello (-4dB FS, che ha prodotto 2 dB di headroom con le impostazioni di guadagno utilizzate). Le letture nella legenda, sono con il cursore a 1kHz.
La traccia della THD è stata omessa, poichè si sovrappone alla traccia della seconda armonica (in rosso), che è la componente dominante e che vale 0,07%. La terza armonica (in arancio) è molto più bassa (0,01%), mentre le armoniche più alte si trovano in gran parte all’interno del rumore di fondo.
Questa è la risposta all’impulso per quella misura. I picchi della distorsione sono a sinistra del picco principale. Il primo picco a sinistra visualizza la seconda armonica, il successivo la terza e cosi via.
Il grafico successivo, proviene dalla misurazione di una stanza. Le trace della seconda armonica(rosso), terza (arancio) e quarta (giallo), sono visualizzate insieme alla THD (nero). Le armoniche di ordine maggiore, sono contenute all’interno del rumore di fondo. La misura, mostra un forte aumento della distorsione di terza armonica, a 94Hz e un’impennata di tutte le componenti della distorsione da circa 2kHz a salire. Ulteriori misurazioni a diversi livelli di segnale, hanno stabilito che la distorsione era introdotta dal fonometro utilizzato per la misura
Questa è la risposta all’impulso per la misurazione in ambiente. I picchi di distorsione, sono chiaramente visibili alla sinistra del picco principale.
I grafici seguenti mostrano una diversa misurazione del loopback della scheda audio a -4 dBFS misurata con segnale sinusoidale a gradini (64k FFT, 24 ppo) e con uno sweep logaritmico di 1M. Da notare l'aumento del rumore di fondo all'aumentare della frequenza, quando la misurazione viene effettuata con lo sweep. Tutti i grafici, tranne quello relativo alla 2a e alla 3a armonica, si trovano al di sotto del rumore di fondo. Inoltre, con il segnale di sweep, il contributo della 3a armonica si trova più in alto rispetto a quello con il segnale sinusoidale gradini per frequenze superiori a 100 Hz circa. Con la misura sinusoidale a gradini i contributi della 4a, 5a e 7a armonica sono visibili anche sopra il rumore di fondo (traccia marrone scuro). Tale segnale rappresenta un metodo molto più accurato quando si misurano bassi livelli di distorsione.
Ulteriori informazioni sul comportamento della distorsione, possono essere ottenute osservando le "waterfall" o le viste spettrografiche dei dati dello spettro acquisiti per ciascuna frequenza di test. Da notare che questi dati possono essere generati solo per le misurazioni effettuate con segnali sinusoidali a gradini con l'opzione Capture spectrum data at each frequency abilitata. Di seguito lo spettrogramma della misurazione sinusoidale a gradini sopra riportata.
Qui il grafico "a cascata" (waterfall)
Ecco una misurazione con segnale sinusoidale a gradini di un'altra scheda audio, che apparentemente tenta di avere prestazioni simili a quella sopra.
Tuttavia, il suo spettrogramma chiarisce che il suo comportamento è molto peggiore, con prodotti di intermodulazione significativi con le armoniche di 1 kHz del frame rate USB.
Il grafico a cascata è altrettanto rivelatore
Esempi di distorsione - misurazioni sugli altoparlanti
Le misurazioni sugli altoparlanti, in particolare per quelle effettuate in una stanza anziché con il beneficio di una camera anecoica, presentano ulteriori sfide interpretative. I risultati della distorsione per i componenti elettronici vengono generalmente visualizzati come valori percentuali, relativi alla fondamentale. Rappresentare graficamente queste percentuali per le misurazioni degli altoparlanti, può rendere i risultati di difficile interpretazione a causa della risposta in frequenza spesso altamente irregolare. Utilizzare la frequenza armonica come riferimento (vedi controlli di distorsione sopra), aiuta in qualche modo, ma non è affatto la soluzione definitiva. La mia preferenza personale è quella di visualizzare i risultati della distorsione senza normalizzazione, il che aiuta a rendere evidente l'effetto delle irregolarità di risposta enfatizzando anche il livello acustico delle componenti di distorsione, che può essere utile per capire dove probabilmente saranno udibili e dove no. Quando si visualizza il grafico della distorsione sotto forma di livelli SPL, la legenda del grafico può comunque essere configurata per indicare le percentuali di distorsione utilizzando il controllo Distortion figures.
Ecco una misura effettuata su un piccolo altoparlante da tavolo (Adam Artist 3). Il microfono (UMIK-1) era posizionato a soli 15 cm dall'altoparlante, da qui l'SPL misurato relativamente alto. I livelli corrispondono a circa 85 dB nella posizione di ascolto, a circa 70 cm dagli altoparlanti.
Il rigonfiamento di armoniche dispari centrato intorno agli 80 Hz o giù di lì, sembra essere affetto da un leggero clipping. Sopra i 3 kHz, dove entra in gioco il tweeter a nastro dell'altoparlante, i livelli di distorsione per lo sweep, scendono al di sotto del rumore di fondo sebbene il segnale sinusoidale a gradini li segua tranquillamente. Poiché si tratta di una stanza per le misure a campo vicino, gli effetti sono ridotti, ma la variazione della risposta in frequenza può comunque rendere più difficile la comprensione di una visualizzazione normalizzata. Di seguito è riportata la risposta normalizzata, senza utilizzare la frequenza armonica come rif. Il rumore di fondo (marrone scuro) è incluso per illustrare l'effetto che la normalizzazione ha sull'amplificazione del rumore di fondo laddove la risposta diminuisce.
È evidente che il picco nella distorsione della seconda armonica intorno ai 3 kHz, è semplicemente il rumore di fondo che viene amplificato e quindi può essere ignorato, anche se, senza la traccia del rumore di fondo che ci guida, non sarebbe così facile identificarlo. Tuttavia, la distorsione alle basse frequenze viene ora mostrata molto più elevata di quanto dovrebbe essere a causa dell'attenuazione alle basse frequenze della risposta dell'altoparlante, il che significa che questa viene normalizzata rispetto a un livello molto più basso. Quel 10% della seconda armonica potrebbe essere motivo di preoccupazione finché non verrà riconosciuto come un artefatto della normalizzazione.
Gli artefatti della normalizzazione alle basse frequenze, possono essere migliorati utilizzando il livello della fondamentale alla frequenza armonica come riferimento della normalizzazione. Questo ci dà come risultato visibile nel grafico qui sotto, un comportamento a bassa frequenza che è ora rappresentato in modo più accurato. Tuttavia, sono comparsi nuovi picchi nella 2a e 3a armonica sopra 1kHz, conseguenze del calo nella risposta centrata intorno a 3 kHz. Questo calo è probabilmente dovuto al crossover tra medio/basso e tweeter che male si integra con una posizione di misura a campo vicino. È improbabile che i picchi di distorsione siano reali. La visione senza normalizzazione è meno suscettibile a errate interpretazioni.
