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.

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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