Über die Sichtbarkeit von Verzerrungen. Die Kunst des Audios

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Über die Sichtbarkeit von Verzerrungen

Die Kunst des Audios

Die gesamte Geschichte der Tonwiedergabe ist aus Versuchen entstanden, die Illusion näher an das Original heranzuführen. Und obwohl der Weg bereits beschritten ist, ist man noch sehr, sehr weit von der vollständigen Annäherung an den Live-Sound entfernt. Unterschiede in zahlreichen Parametern sind messbar, viele bleiben jedoch außerhalb des Blickfelds der Hardware-Entwickler. Eines der Hauptmerkmale, auf das ein Verbraucher mit jedem Hintergrund immer achtet, ist der nichtlineare Verzerrungskoeffizient (THD).

Und welcher Wert dieses Koeffizienten gibt ziemlich objektiv die Qualität des Geräts an? Der Ungeduldige kann am Ende sofort einen Versuch einer Antwort auf diese Frage finden. Im Übrigen machen wir weiter.

Dieser Koeffizient, der auch Koeffizient der gesamten harmonischen Verzerrung genannt wird, ist das prozentuale Verhältnis der effektiven Amplitude der harmonischen Komponenten am Ausgang des Geräts (Verstärker, Tonbandgerät usw.) zur effektiven Amplitude des Grundfrequenzsignals wenn am Eingang des Gerätes ein Sinussignal dieser Frequenz anliegt. Dadurch lässt sich die Nichtlinearität der Übertragungscharakteristik quantifizieren, die sich im Auftreten von Spektralkomponenten (Harmonischen) im Ausgangssignal äußert, die im Eingangssignal fehlen. Mit anderen Worten: Es kommt zu einer qualitativen Veränderung des Spektrums des Musiksignals.

Zusätzlich zu den objektiven harmonischen Verzerrungen, die im hörbaren Schallsignal vorhanden sind, besteht das Problem von Verzerrungen, die im realen Klang fehlen, aber aufgrund subjektiver Harmonischer, die in der Cochlea bei hohen Schalldruckwerten auftreten, spürbar sind. Das menschliche Hörgerät ist ein nichtlineares System. Die Nichtlinearität des Hörens zeigt sich darin, dass bei Einwirkung eines sinusförmigen Schalls mit der Frequenz f auf das Trommelfell im Hörgerät Harmonische dieses Schalls mit den Frequenzen 2f, 3f usw. erzeugt werden. Da diese Harmonischen im primär wirkenden Ton nicht existieren, werden sie subjektive Harmonische genannt.

Dies verkompliziert natürlich die Vorstellung des maximal zulässigen Oberwellenpegels im Audiopfad zusätzlich. Mit zunehmender Intensität des Primärtons nimmt die Stärke der subjektiven Harmonischen stark zu und kann sogar die Intensität des Grundtons übersteigen. Dieser Umstand gibt Anlass zu der Annahme, dass Geräusche mit einer Frequenz von weniger als 100 Hz nicht für sich genommen wahrgenommen werden, sondern aufgrund der von ihnen erzeugten subjektiven Harmonischen in den Frequenzbereich über 100 Hz fallen, d. h. aufgrund des nichtlinearen Hörens. Die physikalischen Ursachen der resultierenden Hardware-Verzerrungen in verschiedenen Geräten sind unterschiedlicher Natur und der Beitrag jedes einzelnen zur Gesamtverzerrung des gesamten Pfads ist nicht der gleiche.

Verzerrungen moderner CD-Player haben sehr geringe Werte und sind vor dem Hintergrund der Verzerrungen anderer Geräte kaum wahrnehmbar. Bei akustischen Systemen sind die tieffrequenten Verzerrungen, die durch das Bassfell verursacht werden, am bedeutsamsten, und die Norm legt Anforderungen nur für die zweite und dritte Harmonische im Frequenzbereich bis 250 Hz fest. Und für ein sehr gut klingendes Lautsprechersystem können sie innerhalb von 1 % oder sogar etwas mehr liegen. Bei analogen Tonbandgeräten ist das Hauptproblem im Zusammenhang mit der physikalischen Grundlage der Aufnahme auf Magnetband die dritte Harmonische, deren Werte üblicherweise in der Informationsanleitung angegeben sind. Der Maximalwert, bei dem beispielsweise Geräuschpegelmessungen immer durchgeführt werden, liegt jedoch bei 3 % bei einer Frequenz von 333 Hz. Die Verzerrungen des elektronischen Teils von Tonbandgeräten sind viel geringer.

Sowohl bei der Akustik als auch bei analogen Tonbandgeräten sinkt ihre subjektive Sichtbarkeit aufgrund der Tatsache, dass Verzerrungen überwiegend niederfrequent sind, aufgrund des Maskierungseffekts (der darin besteht, dass die höhere Frequenz von zwei gleichzeitig besser gehört wird) erheblich akustische Signale). Die Hauptquelle der Verzerrung in Ihrem Pfad wird also der Leistungsverstärker sein, bei dem wiederum die Nichtlinearität der Übertragungseigenschaften aktiver Elemente die Hauptquelle ist: Transistoren und Vakuumröhren, und bei Transformatorverstärkern die Nichtlinearität. Hinzu kommt die lineare Verzerrung des Transformators, die mit der Nichtlinearität der Magnetisierungskurve zusammenhängt. Offensichtlich hängt die Verzerrung einerseits von der Form der Nichtlinearität der Übertragungskennlinie ab, aber auch von der Art des Eingangssignals.

Beispielsweise führt das Übertragungsverhalten eines Verstärkers mit sanfter Begrenzung bei großen Amplituden zu keiner Verzerrung bei Sinussignalen unterhalb des Begrenzungspegels, und wenn das Signal über diesen Pegel hinaus ansteigt, treten Verzerrungen auf und nehmen zu. Diese Art der Einschränkung ist hauptsächlich bei Röhrenverstärkern üblich, was in gewissem Maße als einer der Gründe für die Bevorzugung solcher Verstärker durch Hörer dienen kann. Und diese Funktion wurde von NAD in einer Reihe ihrer sensationellen „Soft-Limit“-Verstärker verwendet, die seit den frühen 80er Jahren hergestellt wurden: Die Möglichkeit, den Modus mit simuliertem Röhren-Clipping einzuschalten, schuf eine große Armee von Fans von NAD-Transistorverstärkern.

Im Gegensatz dazu verzerrt die Center-Cut-Charakteristik (Notch) eines Verstärkers, die bei Transistormodellen üblich ist, Musik- und kleine Sinuswellensignale und nimmt mit zunehmendem Signalpegel ab. Somit hängt die Verzerrung nicht nur von der Form der Übertragungskennlinie ab, sondern auch von der statistischen Verteilung der Eingangssignalpegel, die bei Musikprogrammen nahe am Rauschsignal liegt. Daher ist es zusätzlich zur SOI-Messung mithilfe eines Sinussignals möglich, die nichtlinearen Verzerrungen von Verstärkergeräten mithilfe der Summe von drei Sinus- oder Rauschsignalen zu messen, was vor dem Hintergrund des Vorstehenden ein objektiveres Bild der Verzerrung ergibt.

Letztere haben leider keine internationale Anerkennung und weite Verbreitung gefunden. Das sogenannte „Transistorparadoxon“ zeigt überzeugend die unzureichend entwickelte Technik zur SOI-Messung. Wie lässt sich tatsächlich erklären, dass nach den Ergebnissen zahlreicher subjektiver Untersuchungen Röhrenverstärker mit SOI, die hunderte und sogar tausende Male größer sind als die von Transistorverstärkern, eindeutig bevorzugt werden? Eine Analyse der spektralen Zusammensetzung der Verzerrungen von Röhren- und Transistorverstärkern zeigt ihren signifikanten Unterschied: Bei Röhrenverstärkern wird der Hauptbeitrag zur Verzerrung durch Harmonische niedriger Ordnung geleistet, und ihre Intensität nimmt mit zunehmender Harmonischenzahl proportional ab, bei einem Transistor die Das Spektrum ist viel breiter und die Intensität der Komponenten lässt keine Regelmäßigkeit zu.

Unter Berücksichtigung des Maskierungseffekts wird offensichtlich der Einfluss von Verzerrungen niedriger Ordnung auf die subjektive Wahrnehmung der harmonischen Komponenten abgeschwächt und somit die Rolle höherer Harmonischer betont. Für eine korrektere Beurteilung von Verzerrungen wäre es daher erforderlich, bei der Bestimmung der effektiven Amplitude von Verzerrungen Gewichtskoeffizienten in die Summe der Harmonischen einzuführen, und der Einfluss höherer Harmonischer sollte zunehmen. Es gibt jedoch keine allgemein anerkannten Methoden für solche Messungen. Bei einer typischen Form der Nichtlinearität vom Typ „Stufe“ beträgt der Grad der Wahrnehmbarkeit der Verzerrung für das Ohr bei einem Sinussignal 0,1 % und bei Musiksignalen 1 %.

Der THD wird über einen Frequenzbereich von 40 Hz bis 16 kHz und über einen Pegelbereich vom Nennausgangspegel bis hinunter zu minus 23 dB gemessen. Der THD moderner Verstärker liegt normalerweise im Bereich von 0,001 bis 296. Für Verstärker der Hi-Fi-Klasse legen internationale Standards (IEC 581-6 und andere) einen Verzerrungsstandard von 0,7 % fest. Um die Sichtbarkeit von Verzerrungen in Ihrer Heimanlage zu überprüfen, können Sie spezielle Aufnahmen mit einem eingeführten, streng festgelegten Verzerrungspegel verwenden. Beispielsweise enthält die Test-CD „MY DISC“ (Sheffield Lab) ein Dutzend Titel mit separaten Sinus- und Musikaufnahmen mit Verzerrungspegeln von 0,03 %, 0,1 % usw. mit allmählich zunehmender Verzerrung bis zu 10 %.

Ich bin mir sicher, dass die Ergebnisse des Anhörens solcher Aufnahmen für viele erstaunlich sein werden.

Autor: Alexey Grudinin

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