WALL-08T/SW
Moderne 100-Volt-Lautsprecher bieten hohe Klangqualität und Sprachverständlichkeit
Der Klirrfaktor bei Lautsprechern: Das sollten Sie wissen
Wir erklären, was der Klirrfaktor ist und wie er hörbar wird
Ein niedriger Klirrfaktor gilt oft als Indiz für eine gute Lautsprecherbox. Um zu verstehen, was Klirr ist, wie es entsteht und wann es zu viel ist, werfen wir einen Blick in die Welt der Signalverzerrung.
Der Klirrfaktor bei Lautsprechern: Was ist das eigentlich?
Wenn ein ELA-Lautsprecher ein Audiosignal wiedergibt, sind Eingangssignal und Ausgangssignal optimalerweise identisch. Ist das nicht der Fall, liegt eine Signalverzerrung vor. Der sogenannte Klirrfaktor k beschreibt, wie stark nichtlineare Verzerrungen (dazu später mehr) ein ursprünglich sinusförmiges Wechselsignal im Lautsprecher verändern. Bei einer solchen Verzerrung entstehen nämlich neue Oberwellen (auch: Obertöne). Zur Einordnung: Der Klang eines Musikinstruments setzt sich zusammen aus Grund- und Obertönen. Während Obertöne wichtig für die Klangfarbe sind, spielen Grundtöne die zentrale Rolle für die Höhe des Klangs.
Neu entstandene Oberwellenanteile heißen in der Fachsprache Klirr. Warum Klirr? Die als Nebengeräusch wahrgenommenen Verzerrungen erinnern an ein Klirren. Der Klirrfaktor ist also ein Maß für die Klangqualität.
Je niedriger der Klirrfaktor, desto besser entspricht das am ELA-Lautsprecher ausgegebene Audiosignal dem Originalsound von der Quelle, also einem Instrument oder einer Wave-Datei. Heißt: Klirr ist in der Regel der Begriff für unerwünschte Signalverzerrungen. Audio-Entwickler wie Frank Kuhl versuchen die Verzerrung so gering wie möglich zu halten. Es gibt aber auch eine Ausnahme, bei der „Klirren“ ein positiver Nebeneffekt ist: Beim (Home-)Recording etwa kann es für einen wärmeren und satteren Sound sorgen – zum Beispiel durch bewusst übersteuerte Röhrenverstärker. Übrigens: Techniker und Datenblätter geben Klirr in THD an. Das ist englisch, steht für „Total Harmonic Distortion” und meint grundsätzlich das Gleiche wie den Klirrfaktor. Dann steht auf Produktdatenblättern so was wie: Klirrfaktor (THD) < 0,3 %, wie bei dieser Monitoreinheit. Denn: THD wird auch bei anderen Komponenten in der Signalkette angegeben, da ganz verschiedene Geräte einen Einfluss auf das Signal und somit die Soundqualität haben können.
Gründe für mehr oder weniger, für einen besseren oder schlechteren Klirrfaktor
Der Grad der Verzerrung am Ausgang des ELA-Verstärkers hängt von mehreren Parametern ab, die wichtigsten sind:
Frequenzgang des Verstärkers
Klein- und Großsignalverhalten des getesteten Verstärkers,vor allem die (Nicht-)Linearität
Last, die am Ausgang des Verstärkers anliegt
Ausgangsamplitude oder Leistungspegel des Verstärkers
Versorgungsspannung des Verstärkers
Layout der Leiterplatte
Erdung
Wärmemanagement
Verzerrungen und ihre Wirkung
Geben Geräte der Unterhaltungselektronik ein Audiosignal wieder, können dabei bedingt durch das Schaltungslayout oder durch physikalische Gesetzmäßigkeiten Veränderungen am Signal entstehen. Wir unterscheiden zwei Hauptarten von Verzerrungen: lineare und nichtlineare Verzerrungen. Übrigens: Beide treten häufig gemeinsam auf.
a) Lineare Verzerrungen
Das vorweg: Für den Klirrfaktor spielt die lineare Verzerrung keine Rolle. Bei der linearen Verzerrung verändert sich die ursprüngliche Kurvenform des Audiosignals nicht. Heißt: Es entstehen keine Obertöne. Stattdessen kommt es zu einer Veränderung der Amplitude (Lautstärke): Tiefen fallen ab, Höhen werden verstärkt. Das menschliche Ohr nimmt einen dumpferen Klang wahr, wenn hohe Frequenzen stärker gedämpft werden – oder einen helleren Klang, wenn hohe Frequenzen verstärkt werden. Zu den linearen Verzerrungen werden auch Phasenverschiebungen gezählt. Die kommen vor, wenn ein Hochtöner, also ein Lautsprecher speziell für hohe Frequenzen, noch vor dem Tiefmitteltöner oder dem Subwoofer Schallwellen abstrahlt, sich also hohe und tiefe Frequenzen aus zwei unterschiedlichen Soundquellen ungünstig überlagern. Für dieses Problem sind 3-Wege-Lautsprecher besonders anfällig.
Das vorweg: Für den Klirrfaktor spielt die lineare Verzerrung keine Rolle. Bei der linearen Verzerrung verändert sich die ursprüngliche Kurvenform des Audiosignals nicht. Heißt: Es entstehen keine Obertöne. Stattdessen kommt es zu einer Veränderung der Amplitude (Lautstärke): Tiefen fallen ab, Höhen werden verstärkt. Das menschliche Ohr nimmt einen dumpferen Klang wahr, wenn hohe Frequenzen stärker gedämpft werden – oder einen helleren Klang, wenn hohe Frequenzen verstärkt werden. Zu den linearen Verzerrungen werden auch Phasenverschiebungen gezählt. Die kommen vor, wenn ein Hochtöner, also ein Lautsprecher speziell für hohe Frequenzen, noch vor dem Tiefmitteltöner oder dem Subwoofer Schallwellen abstrahlt, sich also hohe und tiefe Frequenzen aus zwei unterschiedlichen Soundquellen ungünstig überlagern. Für dieses Problem sind 3-Wege-Lautsprecher besonders anfällig.
b) Nichtlineare Verzerrungen
Klirr entsteht durch nichtlineare Verzerrungen. Bei nichtlinearen Verzerrungen lassen sich am Ausgangssignal Frequenzen nachweisen, die beim Eingangssignal nicht vorhanden waren. Im Unterschied zu linearen Verzerrungen verändert sich dabei die Wellenform des Audiosignals – und damit auch der Charakter des Klangs. Klirr entsteht in Lautsprechern, weil die verwendeten Bauteile – insbesondere Halbleiter und Elektronenröhren – nichtlinear sind. Dadurch verändert sich die Sinuskurve am Eingang eines ELA-Lautsprechers. Die Folge:
Klirr entsteht durch nichtlineare Verzerrungen. Bei nichtlinearen Verzerrungen lassen sich am Ausgangssignal Frequenzen nachweisen, die beim Eingangssignal nicht vorhanden waren. Im Unterschied zu linearen Verzerrungen verändert sich dabei die Wellenform des Audiosignals – und damit auch der Charakter des Klangs. Klirr entsteht in Lautsprechern, weil die verwendeten Bauteile – insbesondere Halbleiter und Elektronenröhren – nichtlinear sind. Dadurch verändert sich die Sinuskurve am Eingang eines ELA-Lautsprechers. Die Folge:
Bei Übersteuerung ist der positive und der negative Amplitudenbereich abgeschnitten. Das Signal enthält dann Wellen, die unser Gehör als Obertöne wahrnimmt.
Wann und wie wird Klirr hörbar?
Je größer der Klirrfaktor, desto deutlicher macht sich das für das menschliche Gehör bemerkbar. Wie intensiv wir Klirr hören, hängt mit zwei Faktoren zusammen:
a) Dem Frequenzbereich
Am empfindlichsten ist die akustische Wahrnehmung bei mittleren Frequenzen zwischen 1.000 und 4.000 Hertz. Für den Klirrfaktor heißt das: Im Mitteltonbereich kann das Gehör selbst kleinste nichtlineare Verzerrungen (bis zu 0,5 Prozent) wahrnehmen. Anders sieht das im tieffrequenten Bassbereich (bis 150 Hertz) aus: Dort ist das menschliche Gehör unter einem Wert von fünf Prozent nicht empfindlich genug, um Klirr zu erkennen.
b) Harmonischen und nicht harmonischen Verzerrungen
Der Klirrfaktor beschreibt das Verhältnis der harmonischen Verzerrungen zum Gesamtsignal. Heißt: Bei Verzerrungen unterscheiden wir zwischen harmonischen und nicht harmonischen Verzerrungen.
- Um eine harmonische Verzerrung handelt es sich, wenn die hinzugekommenen Obertöne in einem ganzzahligen Verhältnis zum Grundton stehen. Das ist bei Klirr der Fall. Ein Beispiel: Hat unser Grundton eine Frequenz von 300 Hertz, kämen etwa Obertöne mit Frequenzen von 600 oder 1200 Hertz infrage. Harmonische Obertöne sind die Basisfrequenz mit einem ganzzahligen und geraden Faktor multipliziert (2/4/6/8/10/12 ...) Eine Verzerrung in diesem Frequenzbereich klingt deshalb (trotzdem) harmonisch, weil die Töne in einem ähnlichen Frequenzverhältnis zueinander stehen wie das bei einer Oktave der Fall ist. Dem Ohr fällt die Verzerrung dadurch nicht weiter auf.
- Eine nicht harmonische Verzerrung wirkt sich negativ auf die akustische Wahrnehmung aus. Anders als bei harmonischen Verzerrungen entstehen dabei nämlich Signalkomponenten, deren Frequenzen ungleich den ganzzahligen Vielfachen der Grundtöne sind. Das Ohr nimmt diese Art der Verzerrung als Fremdkörper wahr.
Verzerrungen werden in der Regel als Verhältnis von Signal- und Verzerrungsspannung angegeben, die Einheit ist Prozent (oder Dezibel).
Wie lässt sich der Klirrfaktor berechnen und messen?
Beim Klirrfaktor sind Eingangs- und Ausgangssignal nicht identisch. Entsprechend wichtig ist es, bei der Messung festzulegen, bei welchem Eingangs- beziehungsweise Ausgangspegel die Bewertung erfolgt. Klirr berechnen Techniker meist als THD+N, also als die Summe aus der eingangs erwähnten „Total Harmonic Distortion” plus Noise (also den neuen Obertönen). Dabei erfasst die Messtechnik das Verhältnis der Effektivwerte der neuen Obertöne zum Eingangssignal in einem vorher definierten Frequenzbereich.
Klirrfaktor und Akustik – gibt es einen Zusammenhang?
Der Klirrfaktor ist ein Begriff, der hauptsächlich in der Elektrotechnik und nicht in der Akustik verwendet wird. Trotzdem werden Klirrfaktor und Akustik manchmal gemeinsam diskutiert. Die Verbindung zwischen dem Klirrfaktor und der Akustik ergibt sich im Kontext von Audio-Elektronik und Beschallungszenarien. In diesen Systemen können hohe Klirrfaktoren zu unerwünschten Geräuschen oder Verzerrungen führen, die die Qualität des ausgegebenen und wahrgenommenen Tons beeinträchtigen. In diesem Sinne hat der Klirrfaktor eine indirekte Beziehung zur Akustik, da er die Qualität der durch elektronische Geräte reproduzierten Töne im Raum beeinflusst. Ist ein Raum akustisch besonders ungünstig, ist auch der Klirr möglicherweise besonders hörbar.
Klirrfaktor und Elektrik
Bei der Planung der elektrischen Infrastruktur eines Gebäudes können Sie den Klirrfaktor berücksichtigen. Setzen Sie sich mit den entsprechenden Gewerken zusammen und machen Sie klar: Ein hoher Klirrfaktor kann zu Problemen führen, einschließlich einer verringerten Effizienz von Geräten, Überhitzung und potenziellen Schäden.
Um diese Probleme zu vermeiden, sollten Elektriker und Planer die Quellen, die den Klirrfaktor erhöhen, identifizieren und geeignete Maßnahmen ergreifen. Filter und Kondensatoren können hier helfen:
Verwendung von Filtern: Eine der effektivsten Methoden zur Reduzierung des Klirrfaktors besteht darin, Harmonische Filter („Oberschwingungsfilter“) zu verwenden. Diese Geräte sind dafür konzipiert, störende Frequenzen auszufiltern und das elektrische Signal zu glätten.
Auswahl geeigneter Geräte: Einige Geräte sind dafür bekannt, dass sie den Klirrfaktor erhöhen, insbesondere Geräte, die Nichtlinearitäten aufweisen, wie z.B. Wechselrichter, Motoren und Transformatoren. Bei der Auswahl von Geräten sollten solche, die einen niedrigen Klirrfaktor aufweisen, bevorzugt werden.
Gute Praktiken bei der Verkabelung: Bei der Installation der elektrischen Infrastruktur ist es wichtig, gute Praktiken bei der Verkabelung einzuhalten. Das bedeutet, dass man Phasenverschiebungen durch gleichmäßige Lastverteilung minimiert und effiziente Kabellängen verwendet, um unerwünschten Widerstand zu reduzieren.
Verwendung von passiven und aktiven Power-Faktor-Korrektur(PFC)-Schaltungen („Leistungsfaktorkorrekturfilter“): Diese helfen, die Last zu linearisieren und so die Harmonischen zu reduzieren. Passive PFCs verwenden Kondensatoren und Spulen, um die Leistungsfaktorkorrektur zu erreichen, während aktive PFCs Schaltnetzteile verwenden, um den Leistungsfaktor zu optimieren.
Regelmäßige Wartung und Überprüfung: Ein proaktiver Ansatz zur Wartung und Überprüfung der elektrischen Systeme kann helfen, Probleme zu erkennen und zu beheben, bevor sie sich verschlimmern und den Klirrfaktor erhöhen.
Den Klirrfaktor zu berechnen ist komplex
Die harmonische Verzerrung („harmonischer Klirrfaktor“) messen Profis, indem sie ein Sinusspanungssignal an den Eingang des ELA-Verstärkers anlegen, den sie prüfen wollen. Bei starken Oberwellen ist ein Bandpass- oder Tiefpassfilter erforderlich. Dann wird der Eingangspegel des Verstärkers auf einen gewünschten Ausgangspegel eingestellt. Ein Spektrumanalysator kann nun das Verhältnis zwischen Ausgangsverzerrung und Ausgangsgrundsignal anzeigen. Eine andere Methode ist, das Ausgangssignal des Verstärkers mit einem Oszilloskop und bei sehr hoher Bandbreite zu messen. Beide Wege sind für Laien nicht einfach möglich.
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