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25.10.2014

Glossar: Klirrfaktor

Was klirrt da?

Was versteht man eigentlich unter „Verzerrungen“, und warum klingt mancher messtechnisch klar schlechtere Verstärker mitunter deutlich besser und musikalischer als ein anderer, laut Labor „ehrlicherer“? Hier stehen die Antworten

Oszilloskop

von Tom Frantzen

Die  HiFi-Technik hat heute einen sehr hohen Stand erreicht, so dass man die letzten, minimalen technischen Unzulänglichkeiten bei den meisten Geräten, wenn überhaupt, eher messen als unmittelbar hören und wahrnehmen kann. Wohlgemerkt, hier ist von Technischen Daten in Prozent und Dezibeln die Rede, nicht jedoch von der Klangqualität an sich.

Ein Musiksignal kann auf verschiedene Arten beeinträchtigt sein. Man unterscheidet beispielsweise lineare Verzerrungen, also reine Amplitudenfehler im Frequenzgang, und nichtlineare. Dazu kommt Rauschen. Außerdem wird zwischen harmonischen und  nicht harmonischen (Dissonanten) Verzerrungen differenziert.

Unter Klirr, Klirrfaktor oder Klirrverzerrungen im weiteren Sinne versteht man jede Art der nichtlinearen, also die Kurvenform des Originalsignals verändernden bis zerstörenden Verzerrungen, aufsummiert zum Gesamtklirrfaktor (THD=Total Harmonic Distortion). Enger gefasst ist mit Klirr die Entstehung von (ganzzahligen) Oberwellen gemeint, die dem Originalsignal beigemischt werden.

Werden nun beispielsweise 100 Hertz übertragen, so fügt allein das Durchlaufen der nichtlinearen Bauteile eines Verstärkers mehr oder minder niedrige und  dazu noch erheblich leisere Zusatzanteile von 200 (2. Harmonische), 300 (3. Harmonische), 400, 500 und so weiter Hertz hinzu.

Als klanglich elementar gilt gerade die spektrale Zusammensetzung des Klirrs, denn harmonische Verzerrungen gerader Ordnung (also z.B. doppelte, vier-, sechs- oder achtfache Frequenz) „klingen“ erheblich angenehmer als solche ungerader Ordnung, was logisch ist, weil ein Verhältnis von 1:2 exakt einem Oktavsprung, also einer vollen Tonleiter entspricht. Zur Veranschaulichung: Schlägt man beim Klavier ein tiefes und ein hohes C gleichzeitig an, so tönt das fürs Ohr durchaus angenehm und schlüssig, denn es handelt sich ja letztlich um den gleichen Ton, lediglich die Tonhöhe ist unterschiedlich. Versuchen Sie das mal mit C und F!

Nicht selten klingt ein dezent und entsprechend abgestimmt „klirrender“ Verstärker mit geringen ungeradzahligen und mit aufsteigender Ordnung sanft abfallenden Klirranteilen sogar farbiger und satter, das hat mit „Zerren“ nichts zu tun, es handelt sich eher um absichtliche Verfärbung, „Klangtuning“, wenn man so will. So gilt 1 Prozent Klirr (40 dB Klirrdämpfung) als hoch, doch über den resultierenden Klang sagt das nicht viel. Hat ein Verstärker mit hohem Klirrfaktor viel k 2 (Harmonische Verzerrungen 2. Ordnung) und wenig k 3, kann er insgesamt durchaus viel besser klingen als einer mit insgesamt weniger, aber ungünstig abgestuftem Klirr. STEREO sind des Öfteren Verstärker begegnet, die messtechnisch nicht gut waren, ja mitunter nicht einmal die alte DIN 45500 aus den 60er Jahren erreichten, aber klanglich durchweg überzeugen konnten.

Meist sind dies Röhren- oder Hybrid-Konzepte, bei denen gute Verzerrungswerte offenbar ohnehin schwieriger zu erreichen sind, die aber nichtsdestotrotz superb klingen (können). Nicht zu verwechseln sind solche schön färbenden „Verzerrungen“ – und das sind und bleiben sie im Sinne der Originaltreue – mit dem hochschnellenden Klirr an der Übersteuerungsgrenze, dem so genannten Clipping. Wenn der Verstärker an seinen Leistungsgrenzen „verhungert“ und das Signal aufgrund zu geringer Leistung kappt, klingt das ganz fürchterlich und gefährdet sogar den Lautsprecher weitaus mehr als kräftigere, saubere Impulse.

Unter Intermodulation wiederum versteht man in Abgrenzung zum Klirr die nicht harmonischen Verzerrungen, bei denen durch Amplituden- oder Frequenzmodulation Summen- und Differenzsignale erzeugt und hinzugefügt werden, die im Original nicht vorhanden waren. So entstehen etwa aus 100 Hertz und 2 Kilohertz zusätzlich unter anderem 2100 und 1900 Hertz. Auch mit Intermodulationen wird mitunter gezielt gespielt, etwa um einen Verstärker forscher, strammer und schneller, sprich zackiger oder auch mal blumiger wirken zu lassen.

Spezielle Intermodulationsarten wie etwa die so genannten TIM-Verzerrungen – der Amp reagiert träge auf signalbedingten Strombedarf (schnelle Impulsfolgen) und verzerrt – zählen ebenfalls zu den nichtlinearen Verzerrungen. Diese dynamischen Verzerrungen durch Überforderung, die nie gut klingen, lassen sich nur durch schnelle Schaltungsauslegung mit hohen Anstiegs- und Fallgeschwindigkeiten (Slew Rate) sowie möglichst kurzen Reaktionszeiten (Rise Time) vermeiden.

Um Verzerrungen zu verringern, wird bei Amps oft zum Allheilmittel Gegenkopplung gegriffen, die den Amp stärker an die Zügel nimmt. Das aber funktioniert wiederum nur bei den statischen Verzerrungen, für die dynamischen Fähigkeiten und damit letztlich die Klangqualität kann jede Übertreibung bei der Gegenkopplung böse nach hinten losgehen.

Abb. ganz oben: Klirr (THD) auf dem Oszilloskop sowie auch der verformte Sinus sind erkennbar. Oben: Originalsignal (rot) und harmonische (Klirr-) Verzerrung zweiter (gelb), dritter, (grün) und vierter Ordnung (blau)