Eigenschaften von akustischen Systemen

Alle Übertragungsmedien dämpfen das übertragene Signal ab. Die Dämpfung beschreibt die Abnahme der Spannungs-, Strom- und Leistungswerte während der Übertragung. Der Grund dafür ist z.B. der Leitungswiderstand. Eine weitere Ursache ist etwa das Einkoppeln von Fremdsignalen in die Signalamplitude. Das führt zum Rauschen. Eine weitere Ursache für die Veränderung von Signalen ist die Verzerrung.

Man unterscheidet zwei Typen:

lineare Verzerrungen bezeichnen Signalverarbeitungsfehler, die das Verhältnis von Frequenzen bezüglich ihrer Lautstärke, Timings und Größe zueinander verändern. Lineare Verzerrungen fügen keine neuen Frequenzen hinzu, sie verändern Frequenzen zueinander. Verzerrungen sind direkt vom Input-Signal abhängig. Der Grund dafür können etwa bei Verstärkern Phasen- und Amplitudenfehler sein. Man spricht vom Abfallen der Tiefen und der Höhen bei der Verstärkung.

nonlineare Verzerrungen Nonlineare Verzerrungen entstehen durch Spiegelungen an Kennlinien, von passiven bzw. aktiven Halbleiterbauteilen. Die Kennlinien einer Verstärkerschaltung sind nichtlinear, so sind die Kennlinien von Dioden, Röhren und Transistoren stark temperaturabhängig. Dadurch wird eine Sinuskurve am Eingang eines Verstärkers in der Kurvenform verändert. Streng lineare Verhältnisse kommen in der Elektrotechnik nicht vor. Besonders nichtlinear sind Transistoren und Röhren, sehr lineare Bauteile sind z.B. Widerstände oder Kondensatoren. Bei der Übersteuerung wird der positive und der negative Amplitudenbereich abgeschnitten. Das dabei entstehende Signal enthält Oberwellen, die das Signal härter, höher und lauter klingen lassen. Nichtlineare Verzerrungen führen zu Frequenzen, die im Originalsignal nicht vorhanden sind.

Abb.: lineare Verzerrung

Abb.: non-lineare Verzerrung

Der Klirrfaktor ist eine nichtlineare Verzerrung. Der Fehler nimmt prozentual mit steigendem Eingangssignal zu. Durch das Clipping eines Verstärkers entstehen Oberwellen, die sich als Klirrfaktor bemerkbar machen. In welchem Maße Klirrfaktoren hörbar sind, hängt im Grunde von der Art der Musik ab. Er ist weiters das Maß für nichtlineare Verzerrungen durch/in ein(en) Verstärker, Mikrofon, Tonbandgerät. Der Klirrfaktor ist frequenzabhängig und gibt den Oberwellenanteil in % eines Signals an. Je kleiner der Klirrfaktor, desto besser das Signal.

Zur Messung des Klirrfaktors verwendet man in der Elektrotechnik einen Spektrum-Analysator oder FFT-Analysator. Diese Geräte messen die Amplituden der harmonischen Frequenzen. Durch das Einsetzen der Messwerte in die Klirrfaktorgleichung kann der Klirrfaktor des jeweiligen Geräts errechnet werden.

Abb.: Klirrfaktor - die ideale Sinusspannung U1(t) in Rot und ein verzerrtes Sinussignal Udis(t) in Blau.

Der Frequenzgang ist eine wichtige Kerngröße im Sounddesign für Verstärker, Filter, Leitungen und elektronische Bauteile. Er zeigt das Verhalten des Objektes bei einer Frequenzänderung. Die zwei wesentlichen Kerngrößen sind Amplitude und Phase. Aufgezeichnet wird das Verhältnis Amplitude – Frequenz und auch Phase – Frequenz.

Amplitudengang Zur Messung des Amplitudengangs liegt ein sinusförmiges Signal am Eingang des Verstärkers, das in seiner Frequenz kontinuierlich verändert wird. Aufgezeichnet werden die Amplitude des Eingangssignals und dem Ausgangssignals des Verstärker. Beide Amplituden der jeweiligen Frequenz werden in das Verhältnis Ausgangsspannung zu Eingangsspannung gesetzt. Der Quotient daraus ist das Verstärkungsverhältnis (Gain). Dieser Vorgang wird für jede Frequenz wiederholt und die Quotienten in ein Koordinatensystem eingetragen.

Phasengang Zur Messung des Phasengangs liegt ein sinusförmiges Signal am Eingang des Verstärkers, das in seiner Frequenz kontinuierlich verändert wird. Aufgezeichnet werden die Phase vom Eingangssignal und dem Ausgangssignal des Verstärkers. Die Phase des Eingangssignals dient als Referenzgröße und wird Null gesetzt. Die Phasendifferenz des Ausgangssignals zum Eingangssignal der jeweiligen Frequenz wird in ein Koordinatensystem eingetragen. Der Frequenzgang ist eine der wichtigsten Größen bei einem Verstärker. Daraus ist erkennbar - was ist an linearen Verzerrungen zu erwarten? - Welche Frequenzbereich gibt der Verstärker zu laut oder zu leise wieder? - Wie hoch ist die Bandbreite? - Was ist an nonlinearen Verzerrungen zu erwarten?

Systemdynamik
Als Dynamik bezeichnet man den Unterschied zwischen der größten und der kleinsten Schallintensität in einem bestimmten Zeitabschnitt. Gemäß den Eigenschaften des menschlichen Gehörs wird die Dynamik in der logarithmischen Einheit Dezibel gemessen. Bei elektronischen Übertragungssystemen wird die technisch mögliche Dynamik als Systemdynamik bezeichnet. Sie ist als Differenz aus Übersteuerungsgrenze und Rauschpegel definiert.

Aussteuerung
Um in der akustischen Kommunikation Übersteuerungen des Systems zu vermeiden, ist es von Nöten, die Amplitude des Eingangssignals an die entsprechenden Eigenschaften des Systems anzupassen. Dieser Vorgang wird als Aussteuerung bezeichnet; dabei wird die Obergrenze durch den Klirrfaktor bestimmt. Um nichtlineare Verzerrungen zu vermeiden, versucht man die Eingangsamplitude so gering wie möglich zu halten. Jedoch wird das untere Ende des Signals durch den Rauschpegels des Systems bestimmt. Das störende Rauschen hängt im Prinzip von den verwendeten Bauteilen der Hardware ab und kann wenig beeinflusst werden. Deshalb bleibt dem Anwender nur die Möglichkeit bei der Verwendung der Audiobauteile (Verstärker, Mikrofon, Filter, etc.) auf höchstmögliche Qualität zu achten.