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Grundlagen der HiFi-Technik XV (15)

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Anmerkung :

Die gesamten Ausführungen über die Magnetbandtechnik beziehen sich nur noch auf die Technik der Kassetten-geräte nach dem Philips CC System. Die großen Bandmaschinen sind seit 1984 Auslaufmodelle und werden (mit ein paar Ausnahmen) nicht mehr hergestellt.

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Der Dynamik oberes Ende - bei Verstärkern

Die Wiedergabe eines reinen Sinustons über einen modernen Verstärker mit 0,1% Klirrverzerrungen klingt weit unangenehmer als derselbe Ton über ein Tonbandgerät mit 3% oder über einen Röhrenverstärker mit 1% Klirr reproduziert. Manche Röhrenverstärker erzeugen trotz ihrer für heutige Verhältnisse schlechten Meßdaten angenehme und ausreichend laute Musik.

Dagegen schaffen es auch heute noch einige Transistorverstärker nicht - trotz besserer Meßwerte und höheren Nennausgangsleistungen - hier mitzuhalten. Die Physiologie des menschlichen Gehörs toleriert einige bestimmte Verzerrungsarten kaum. Besondere Verzerrungsformen stören bei üblichen Meßsignalen nicht, fallen jedoch bei Musikwiedergabe über Lautsprecher auf.

und beim Magnetband ?

Bei hoher Aussteuerung eines Tonbandes wird das aufgezeichnete Sinussignal zunehmend verbogen. Die positive und negative Spitze des Sinus wird abgeflacht. Das geschieht langsam zunehmend und - auf dem Oszilloskop betrachtet - rund, ohne jede scharfe Ecke in dem Kurvenverlauf.

Die Verzerrungskurve steigt bei zunehmendem Pegel kontinuierlich an, und es entsteht vornehmlich der dritte Oberton (ausschließlich kubische Verzerrungen). Dieses Intervall klingt rein, es ist die Quinte über der Oktave (Duodezime). So toleriert das Ohr noch Werte von 3% K3, wie sie die DIN 45 500 als Nennaussteuerungsgrenze für HiFi- Tonbandgeräte erlaubt.

und bei den Röhrenverstärkern ??

Bei den guten alten Röhrenverstärkern stieg die Verzerrungskurve ebenfalls kontinuierlich an, aber etwas steiler. Die Verzerrungen bestehen zusätzlich aus starken Anteilen des zweiten Obertones. Als Oktave klingt auch dieser Verzerrungseffekt harmonisch, wenn auch kritischer als beim Tonband.

Wird der Verstärker - wie bei sehr vielen transistorisierten Typen - durch hohe Gegenkopplung klirrarm gehalten, so tritt an der Aussteuerungsgrenze ein abrupter Anstieg in den Verzerrungswerten auf. Innerhalb von 0,3dB kann der Klirr von 0,001% auf über l% ansteigen. Dabei treten außer den tiefen Obertönen der 2. und 3. Ordnung auch die höheren Ordnungen bis weit über 10 auf. Diese Obertöne sind gegenüber den in den Spektren der Musikinstrumente vorkommenden ungewohnt stark und liegen so weit vom Grundton entfernt, daß sie dem Gehör leicht auffallen.

Eine plötzliche Klangänderung

Auch die plötzliche Klangänderung bei Überschreiten der Übersteuerungsschwelle stört stark. Dieser Aussteuerungsbereich ist bei Musikbetrieb also in jedem Fall zu meiden. Bei Leistungsstufen kommt eine Modulation des Verzerrungseinsatzes durch die Netzfrequenz mit 50 oder 100 (1. Oberton von 50 Hz) Hertz hinzu, was diesen Bereich völlig unbrauchbar macht.

Auch extrem bei digitaler Musikspeicherung

Auch bei digitaler Musikspeicherung ist der Beginn der Verzerrungen (Verzerrungseinsatz) besonders kritisch. Wird bei hoher Aussteuerung der Zahlenvorrat für die höchste darstellbare Zahl überschritten, so setzt die Verzerrung extrem abrupt ein.

Neben den oben beschriebenen Effekten stellen sich hier sogar auch bei der Aufzeichnung einzelner Sinustöne noch Mischtöne durch Interaktion mit der Abtastfrequenz ein. Die Entstehung dieser Aliasing-Töne wird hier bei uns in der Folge „PCM-Codierung" noch ausführlich beschrieben. Da sie in keinerlei harmonischer Beziehung zum Nutzton stehen und frequenzmäßig meist weit von ihm entfernt sind, fallen sie besonders auf. Es sind Disharmonien, die zudem nicht verdeckt werden (Verdekkungseffekt siehe Folge 10).

Harmonische und dissonante Verzerrungen

Im englischen Sprachraum heißen Klirrverzerrungen treffender harmonische Verzerrungen. Die bei diesem Meßverfahren gebildeten Verzerrungskomponenten sind immer Obertöne zum (Sinus-)Grundton. Die Messung der sogenannten „harmonic distortion" ist aber nur eine Art, den Mechanismus der nichtlinearen Verzerrungen in einem elektroakustischen Übertragungsglied zu beschreiben.

Musik hat wenig gemein mit einem Sinuston. Die Klirrmessung beschreibt den seltenen Fall des monophonen Einzelinstrumentes. Bereits bei einem Klavier erklingen mehrere Töne gleichzeitig. Dort können Baß- und Diskanttöne oder auch die einzelnen Teiltöne eines Akkords bei einem nichtlinear verzerrenden Verstärker zu unharmonischen Mischtönen führen.

Differenzen mit den Tönen

Bei der Messung von Intermodulationsverzerrungen wird bestimmt, inwieweit ein starker tiefer Ton einen höheren in seiner Intensität moduliert (beeinflußt). Ein Zupfbaß (ein gezupfter Kontrabaß) etwa kann einem Flötenton ein Vibrato aufsetzen. Der tiefe Ton moduliert den hohen in seiner Amplitude. Diese Amplitudenmodulation wird gemessen. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß auch bei stärker verrauschten und verbrummten Signalen noch ein vergleichsweise einfacher Meßaufbau ausreicht.

Die „Intermodulationsverzerrungen" eignen sich daher gut, Übernahmeverzerrungen bei kleinen Ausgangsleistungen zu erkennen. Das Ergebnis gilt im wesentlichen für den Tieftonbereich. Als Baßtest eignet sich die Intermodulation daher auch hervorragend für Verstärker mit Ein- oder Ausgangstransformatoren, da diese bei tiefen Tönen schlappmachen, insbesondere preiswerte Röhrenverstärker.

Die Differenzton-Verzerrungen

Eine dritte Auswirkung des nichtlinearen Verhaltens ist besonders störend: die Differenzton-Verzerrungen. Zwei Töne bilden in schlechten HiFi-Komponenten immer Mischtöne, und das sind fast immer auffällige Dissonanzen. Soll ein Verstärker eine Quart übertragen aus einem a (220 Hertz) und einem d1 (275 Hertz), so werden als Verzerrungskomponenten auch noch ein A1 (55 Hertz) und ein h1 (495 Hertz) gebildet. Mag der Differenzton A1 noch in das Klanggefüge passen, so ist der Summenton h1 völlig fehl am Platz.

Ein nichtlineares Verhalten erzeugt aber nicht nur einfache Differenz- und Summentöne (durch quadratische Verzerrungen), sondern auch Differenztöne zwischen dem doppelten Wert der einen Frequenz und der einfachen anderen Frequenz, und umgekehrt.

Ein Beispiel

Im Beispiel ergibt das (2 • 220 Hz) - 275 Hz = 185 Hz (zirka fis) und (2 • 275 Hz) - 220 Hz = 330 Hz (e1). Diese kubischen Verzerrungskomponenten werden sicherlich auch auffallen. Bei anderen Intervallen und besonders natürlich bei komplexen Klangkörpern führen Differenztonverzerrungen zu einem Klangschmier im Hintergrund, der dissonant störend klingt und Feinheiten der Musik verdeckt.

Bei hochtonreicher Musik können sich insbesondere Verzerrungskomponenten im Präsenz- und Brillanzbereich ausbilden. Hierdurch kann die Klangfarbe in Richtung „spitz" und „scharf" verschoben werden. Solche Effekte treten verstärkt bei übersteuert aufgenommenen Cassetten und bei ungünstig ausgelegten schmalbandigen UKW-Tunern auf. Auch die Übersteuerung von Zischlauten rührt von Differenztönen her.

Eine Messung steht für die andere

Warum aber sind Datenangaben über die kritischen Differenztonverzerrungen fast nirgendwo zu finden? Die Antwort ist einfach, die Messung erfordert aufwendige Meßgeräte und maßlos viel Zeit. Nun ist es aber nicht so, daß hier grob fahrlässig Kosten gespart und wichtige Daten vorenthalten werden. Alle drei Meßverfahren (harmonische, Intermodulations- und Differenzton - Verzerrungen) beschreiben ein und dasselbe fehlerhafte Verhalten eines HiFi-Gerätes.

Prinzipiell ist ein Klirrfaktor in einen Intermodulationsfaktor und einen Differenztonfaktor umrechenbar (siehe Kasten). So kann man aus dem Klirrverhalten auf die Stärke der Differenztonbildung schließen. Die Klirrwerte werden in Zukunft immer mehr an Bedeutung verlieren. Die Messung ist zwar einfach, versagt aber bei einigen Komponenten im Hochtonbereich, und dazu gehören alle digitalen Geräte, die auf dem Vormarsch sind.

Bei ihnen endet der Übertragungsbereich abrupt bei 20kHz, bei UKW sind es 15kHz. Bei Cassettengeräten werden Tonkomponenten oberhalb von 2kHz durch die Schichtdickendämpfung (siehe Magnetische Schallaufzeichnung 2, Grundlagen VIII) stark geschwächt. Diese Frequenzgänge beeinflussen die harmonischen Verzerrungskomponenten.

Bei der CD ergibt das völlig falsche Meßwerte

Zur 7kHz Meßfrequenz wird die wichtige kubische Verzerrungskomponente bei 21kHz von einem Filter im digitalen System bereits unterdrückt. Kubische Verzerrungen scheinen im Obertonbereich also nicht mehr vorhanden zu sein, die Klirrmessung zeigt sich hier besonders trügerisch.
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Die Differenztonmessung hilft dann allerdings weiter. Zwei gleichstarke Meßtöne von 14 und 15kHz erzeugen Verzerrungskomponenten bei 1kHz (quadratisch d2) und bei 13 und 16kHz (kubisch d3). Eine gemeinsame Messung der kubischen und quadratischen Komponenten erlaubt die IEC-Methode mit 8 und 11,95kHz. Die quadratischen und kubischen Komponenten liegen dann beide bei ungefähr 4kHz.

Die Messung der Bandmaschinen bei den deutschen Rundfunkanstalten erfolgt mit 7 und 11kHz. Die Verzerrungskomponente (kubisch, da Bandgerät) liegt bei 3kHz (= 2 • 7kHz -11kHz). Analysatorfilter bei 3kHz sind für die Verzerrungsmessung bei 1kHz vorhanden (kubische Verzerrung: 3 • 1 kHz).

Arndt Klingelnberg
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In der nächsten Folge: Recorder I: Einmeßprobleme, Prüfung von Aussteuerungsanzeigen
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