Áudio: O que é THD?

O tema de hoje é THD. Já ouviu falar? De modo simplificado, é a contaminação e coloração causada pela rede elétrica e pelos componentes dos equipamentos no sinal de áudio. Veja aqui mais detalhes.

Essa é minha estréia como colunista da revista Música & Mercado, e desde já agradeço aos leitores que estarão me acompanhando. Neste espaço abordarei temas relacionados ao mundo do áudio e produção musical, desde assuntos técnicos até mais artísticos.

Nesta coluna tratarei de um assunto que sua prévia compreensão ajudará em uma melhor visualização no processo do sinal através de nossos equipamentos, e a influência que nossa rede elétrica tem diretamente no rendimento sonoro destes.

Toda vez que trabalhamos com um sinal de áudio analógico temos em todo seu percurso uma série de interferências de ordem elétrica e magnética que podem mudar a característica do sinal através da mudança de sua estrutura, isso pode ser benéfico em alguns casos e prejudicial em outros, e tudo isso varia de acordo com diversos fatores, desde os componentes eletrônicos dos equipamentos assim como a alimentação de energia usada nesse processo.

Mesmo que pareça óbvio, muitas pessoas não se atentam que qualquer equipamento de áudio usa a rede elétrica não somente para a alimentação mas também usa dessa energia para a construção do sinal. Vale lembrar que sistemas digitais apesar de não possuírem um sinal construído eletricamente em análogo, e sim por sistema binário em códigos entre 0 e 1, eles se alimentam de uma certa tensão para construir esses códigos, além disso todo sistema digital sempre possui uma entrada analógica pré-amplificada e saídas também analógicas, por isso mesmo eles possuem conversores A/D (Analogic/Digital) e D/A (Digital/Analogic), em outras palavras, mesmo que só trabalhe digitalmente ainda assim você terá um processo analógico e obviamente elétrico envolvido.

Conhecendo os harmônicos

Para melhor entendimento devemos primeiramente observar como acontece esse fenômeno elétrico e o que são os famosos harmônicos gerados no processo.

Harmônicos são frequências que surgem a partir de uma frequência pura, a qual chamamos de onda senoidal. Podemos citar como exemplo o processo de emissão sonora no meio acústico, já que toda vez que produzimos qualquer som, estamos na verdade perturbando um meio físico, e neste processo é gerado uma vibração em uma determinada frequência medida por segundo, e é isso que nosso sistema auditivo interpreta como som, mas esse processo é bem mais complexo que apenas essa frequência que é gerada, sendo que praticamente no mesmo instante  surgem fisicamente inúmeras vibrações provindas dessa frequência principal que soam em menor amplitude, essas vibrações são frequências “secundárias” e são chamadas de harmônicos, esses possuem uma relação matemática com a frequência fundamental, e essa relação pode ser exata ou não e obedece uma ordem, na qual foi descrita pelo matemático francês Fourier, que conseguiu separar a série harmônica e classificar seus intervalos de forma matemática. O que na verdade muda nessa série é a quantidade de amplitude (volume) entre os harmônicos, toda vez que essa relação de amplitude muda acaba por alterar a estrutura da onda causando mudança de timbre ao ouvirmos.

Mas isso ocorre também eletricamente?! Sem dúvidas! Afinal o áudio quando captado acusticamente sofre um processo de transdução, no qual o transforma em sinal elétrico na mesma frequência, e todos os harmônicos também são gerados eletricamente da mesma forma, e assim começa o processo deste sinal e a interferência direta que a elétrica possui até este novamente ser convertido em uma vibração acústica.

Nesse processo de construção e no caminho feito por esse sinal possuímos diversas interferências de ordem elétrica que são geradas através da rede que usamos e dos componentes no qual o sinal percorre.

THD (Total Harmonics Distortion)

Chamamos de THD (Total Harmonics Distortion) a contaminação através de diferentes picos de amplitudes desses harmônicos elétricos somados ao sinal original, pois temos na própria rede elétrica alternada uma frequência, no caso do Brasil a rede alternada é gerada em 60 Hz, e em alguns outros países 50 Hz, como essa energia é usada na construção do sinal de áudio pelo equipamento toda a contaminação da rede pode se somar a seu fluxo e mudar a característica final dessa onda, assim como os próprios componentes desses equipamentos também podem adicionar esses harmônicos.

Todo equipamento de áudio por si só gera THD resultante dos componentes eletrônicos, no caso de equipamentos para uso profissional esse THD é medido e descrito no manual em porcentagem, geralmente a maioria deles possuem baixo THD, mas isso depende de vários fatores, porém harmônicos podem vir não só do processo de amplificação, mas pode  contaminar o sinal através da sua própria rede elétrica que alimenta os componentes desse equipamento, e esse é o ponto que pode resultar em um problema de fato.

Harmônicos de rede aumentam o THD e eles podem ser gerados de várias formas nesse contexto, geralmente são harmônicos ímpares, nos quais possuem uma relação matematicamente “quebrada” com a fundamental. O interessante é que essa relação é percebida ao final por nossos ouvidos, pois esses entendem como combinações harmônicas, muito parecida em princípio com a que usamos para formar acordes em música.

Toda vez que escutamos duas notas musicais com intervalos com relação justa ou perfeita, como é denominado em música, temos a sensação de resolução, de harmonia perfeita, já quando ouvimos duas notas com relação matemática “quebrada” em seu intervalo possuímos uma certa dificuldade em assimilar as diferenças, sendo assim percebemos como algo incompleto ou a resolver, é por isso que muitos intervalos musicais parecem tensos para nós, justamente por essa relação, em analogia podemos dizer que de certa forma esse processo se aplica a um som único composto por apenas uma nota por exemplo, temos neste a frequência fundamental, a que toca mais forte e a que nos indica a tonalidade, sendo que os harmônicos gerados a partir dela em menor amplitude se combinam com a fundamental e assim nos traz essa característica causada pelos intervalos, o que nos faz identificar determinado timbre, é por isso que uma mesma nota tocada em instrumentos diferentes possuem características totalmente diferentes, assim como dois instrumentos iguais com construções diferentes possuem semelhança sonora mas ainda assim não soam com o mesmo timbre.

Falta de tratamento na rede elétrica, tais como a ausência de um bom aterramento por si só já causa maior contaminação, levando em conta que alguns lugares essa rede pode ser mais contaminada, pois quanto mais carga e uso em uma região mais “suja” é essa energia, geralmente locais próximos e que usam a mesma rede externa de indústrias e comércios podem ter um THD maior na rede, outro fator a considerar é o uso de outros aparelhos domésticos ligados a mesma rede elétrica local, esses também tendem a aumentar essa contaminação, portanto o ideal em todos os projetos de estúdios, teatros, igrejas, auditórios, ou qualquer ambiente que tenha o áudio como um fator importante, além da acústica, é uma elétrica tratada, ao começar pelos quadros  separados para áudio em relação a elétrica usada para outros fins, isso por si só já é um grande começo para a melhora dessa energia que por fim trará um melhor desempenho dos equipamentos usados no ambiente.

Componentes eletrônicos também afetam o sinal

Os componentes eletrônicos também podem adicionar harmônicos ao sinal, por exemplo, sistemas valvulados que geram grande carga de harmônicos, o que faz que tenhamos uma grande mudança na “coloração” do timbre, porém apesar de terem grande THD são em sua maioria harmônicos pares, o que é agradável aos nossos ouvidos, a relação harmônica perfeita nos trás essa sensação em um processo psicoacústico, temos que entender que não necessariamente ouvimos apenas os pares soando, mas sim mais salientados trazendo essa característica, por isso que a válvula ainda é largamente usada no áudio quando passamos o sinal por ela para aumentar a riqueza de harmônicos. 

A válvula é um componente eletrônico que se tornou obsoleto nos dias atuais, inclusive os sistemas transistorizados vieram para substituí-las, porém no áudio ainda é muito utilizada justamente porque possui essa característica de riqueza sonora que nenhum outro componente traz, e é exatamente por isso que é tão aclamada no áudio e na música, tendo em vista que até empresas de plugins de áudio tentam emular esse som “quente”, rico e agradável no universo do áudio digital.

Sistemas transistorizados por sua vez possuem um menor índice de THD, porém a ordem dos harmônicos geralmente são divisões não exatas, a rede elétrica que alimenta esses aparelhos pode aumentar e muito essa contaminação, pois é dela que o sistema usa para construir o sinal, como já vimos anteriormente.

O THD não necessariamente é audível por si só, porém ele é entendido por nossos ouvidos como “coloração” somada ao sinal original, na verdade a  estrutura da onda é alterada o que por fim muda o timbre. Isso pode ser bom ou ruim, depende de quais harmônicos nessa série estão sendo gerados e quais as relações entre eles, e mesmo que a diferença de amplitude entre o sinal e os harmônicos que os contamina seja grande, eles são capazes de alterar a estrutura e a forma da onda como já citado e causar a mudança de timbre, e isso sim é audível.

Como proteger os equipamentos com menor THD produzido pela rede

Infelizmente a rede elétrica brasileira não é das melhores, não só pela “sujeira” harmônica que nela se encontra, mas como na  oscilação de voltagem, inclusive essa vem descrita na cobrança do fornecimento, porém muito grande se comparada com países que são muito mais rigorosos em suas normas de fornecimento com multas altíssimas para a prestadora desse serviço quando não obedece a margem estipulada, o que não acontece no Brasil. Esses fatores citados  podem comprometer o rendimento do equipamento, assim como sua vida útil, já que em muitos casos usamos equipamentos importados e projetados para outra realidade, portanto esses fatores não favoráveis merecem uma grande atenção e um tratamento para correção desses problemas.

Além de tudo que foi citado, algumas coisas adicionadas no caminho elétrico que as pessoas usam acreditando ser algo positivo nem sempre é, uma observação que vale como dica e pode ser testado facilmente em seu local é o abandono de nobreaks, esses são um dos que mais geram THD e por isso sujam a rede, faça um teste retirando-os, posso garantir uma melhora sensível no som.

Aí fica a pergunta, o que usarei então para proteger os equipamentos?! Posso dizer que se tiver um bom aterramento e tratamento na elétrica local se torna desnecessário um nobreak para esse fim, se quiser melhorar a rede e ainda assim ter maior proteção indico usar condicionadores de energia próprios para áudio, que protegem os equipamentos sem grande adição de THD e alguns ainda possuem recursos de correção e limpeza senoidal da rede, o que acaba trazendo um benefício a mais, lembrando que mesmo assim não podemos abrir mão de um tratamento elétrico baseado em um boa instalação, quadros dedicados e aterramento efetivo.

Espero ter contribuido um pouco com essas informações para melhor consciência sobre o quanto é importante a elétrica para nossos equipamentos e por consequência no rendimento de nosso trabalho. Realmente vale a pena investir tempo, atenção, e se for possível dinheiro para um melhor condicionamento elétrico no local.

Até a próxima coluna!

 *Autor: Fernando Marques. Engenheiro de som, produtor musical, professor de áudio e acústica e projetista acústico. Trabalhou com grandes artistas e produtores renomados. Fundador da Audiobrazil, escola de áudio e produção musical e empresa de soluções em áudio e acústica. Contato para sugestões e dúvidas: audiobrazil@gmail.com. www.audiobrazil.com.br (site em reformulação). Siga nas rede sociais: Instagram e Facebook.