Bruit - Distorsion et distorsion harmonique totale (THD)

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En anglais: THD - Total Harmonic Distorsion

Cette grandeur mesure l'introduction d'un bruit produit par un dispositif sur un signal sonore qui transite à intérieur. Ceci arrive principalement parce que le dispositif, qui ne reproduit pas exactement le cheminement du signal d'entrée, modifie à certains points la pente du signal en altérant son contenu en fréquence. Ce qui procure de nouvelles fréquences qui n'existaient pas dans le signal original, et qui sont donc considérées comme bruit. Le THD est une grandeur dont on doit tenir le plus grand compte dans l'évaluation de la qualité d'un dispositif. Le cas idéal est que les fréquences existant sur le signal de sortie soient exactement les mêmes que celles du signal d'entrée. Prenons comme référence un signal sonore composé d'une seule fréquence, l'extension au signaux complexes est immédiate. La distorsion harmonique d'un dispositif est évaluée sur la base du procédé suivant. A l'entrée du dispositif on envoie un signal composé d'une seule fréquence de référence de 1KHz à une ampleur déterminée et on mesure le signal de sortie correspondant. Celui-ci contiendra la fréquence de 1KHz (éventuellement amplifiée ou atténuée) plus une série d'harmoniques qui auront une ampleur très inférieure à celle de la fréquence initiale, mais qui représentent la cause de la distorsion en question. L'ampleur diminue par rapport à l'ordre de l'harmonique: déjà, à partir de la troisième, la chute est telle que la contribution au signal de sortie de l'harmonique devient négligeable. La valeur qui fournit la mesure de la distorsion harmonique est appelée: Distorsion Harmonique Totale (THD) et est calculée sur la base de la formule suivante:

Équation 16.1. Calcul du THD 

Calcul du THD

Prenons un cas concret. Supposons de trouver à la sortie d'un dispositif un signal avec la composition en fréquence suivante:

Le bruit - Spectre d'un signal amplifié avec l'introduction d'une distorsion

Spectre d'un signal amplifié avec l'introduction d'une distorsion

Supposons que les ampleurs des harmoniques par rapport à la fondamentale soient:

  • Deuxième harmonique: 0.01%

  • Troisième harmonique: 0.02%

  • Quatrième harmonique: 0.005%

La Distorsion Harmonique Totale sera donc:

Équation 16.2. Calcul du THD en décibels 

Calcul du THD en décibels

Généralement, l'ampleur de la fondamentale est indiquée sur les spécifications qui accompagnent un dispositif. Dans le cas contraire, on considère comme ampleur le 0Vu. Les valeurs du THD dépassant 3% sont considérées tout à fait inacceptables.

La valeur du THD est souvent exprimée en dB en utilisant les formules:

  • puissance:

    Le bruit -

  • autre:

    Le bruit -

Si on prend un THD = 3%, en calculant sa valeur en dB on obtiendra un résultat de -30dB; ce qui signifie que la distorsion harmonique totale a une ampleur de 30dB inférieure par rapport à la fondamentale. Une différence de 30dB entre deux sons est encore clairement perceptible et c'est pour cela que de telles valeurs de distorsion sont considérées inacceptables.

Exemple 16.1. Exercice: si on considère deux amplificateurs dont les caractéristiques sont les suivantes: 

  1. A la fréquence fondamentale de 1KHz, 0Vu on a obtenu: THD=0.01%

  2. A la fréquence fondamentale de 1KHz, 0Vu on a obtenu: THDdB= -70dB

Lequel est le mieux?

En faisant un peu de calculs on arrive à la conclusion que c'est le premier.

Tuyau

Convertir un des deux THD à la même unité de mesure que l'autre en utilisant les formules de conversion citées ci-dessus.

Parfois, dans les spécifications, on reporte le THD de chaque harmonique, comme par exemple:

  • Deuxième harmonique = -70dB

  • Troisième harmonique = -80dB

  • Quatrième harmonique = -90dB

Dans ce cas, pour calculer le THD total, on peut se servir de la formule pour additionner les dB:

Équation 16.3. Calcul du THD en dB 

Calcul du THD en dB

Un autre aspect du THD est mis en évidence par la confrontation des deux figures suivantes:

Le bruit - Confrontation entre deux réponses différentes qui donnent la même valeur de THD

Confrontation entre deux réponses différentes qui donnent la même valeur de THD

Dans ce cas, les deux dispositifs ont la même valeur de THD mais le premier est de toutes façons meilleur parce que l'harmonique avec une ampleur supérieure est la deuxième (soit une octave au-dessus de la fondamentale) et il s'agit donc de la même note. Le deuxième présente une troisième harmonique avec une ampleur élevée, qui sera clairement perçue vu que c'est une note différente de la fondamentale.

Le THD d'un appareil est toujours indiqué sur la notice descriptive fournie par le fabricant (data sheet). L'ordre de grandeurs du THD varie selon le contexte opérationnel de l'appareil. Par exemple, d'un amplificateur de 10W il est légitime de s'attendre à une valeur de THD autour de 0.01%, alors qu'un amplificateur de 200W peut avoir des valeurs de THD de l'ordre de 0.1%. Ceci s'explique par le fait qu'en augmentant la puissance du signal à manipuler, la précision du composant électronique en question diminue (puissance et précision sont deux caractéristiques incompatibles). Dans le domaine numérique on peut compter sur des valeurs de THD plus bas. Le THD déclaré d'un système Pro-Tools dans sa configuration standard est de 0.004%.

Avec ceci, nous avons passé en revue les principales sources de bruit et nous avons indiqué une grandeur pour mesurer le bruit dû aux distorsions harmoniques. La prochaine section sera plus "sympa" car on verra comment intervenir sur le signal pour réduire le bruit au moyen de techniques plus ou moins élaborées.








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