De (on-)zin van… ‘mooie’ vervorming – Deel 6

Laat ik beginnen met op te merken dat vervorming een bijdrage kan leveren aan de specifieke klank van instrumenten. Het bekende voorbeeld is natuurlijk de elektrische gitaar en bij synthesizers is het zelfs wezenlijk, maar daar ik wil het hier niet over hebben. Het is mijn bedoeling om het te beperken tot systemen voor geluidsweergave, waarbij vervorming en andere artefacten, in welke vorm dan ook, het oorspronkelijke geluid dat we willen weergegeven, aantast, van karakter verandert. Sommige ontwerpers brengen bewust bepaalde artefacten aan omdat ‘mensen dat mooi vinden’. Voor mij is het dan de vraag of dit ook geldt voor alle soorten muziek. Maar ik vind het belangrijkste dat het haaks staat op mijn uitgangspunt: een audiosysteem dient, net als een venster, transparant en ongekleurd te zijn en geen verdere narigheid toe te voegen om zo een beeld te geven van de originele opname. Dus het liefst zoveel mogelijk als componist en uitvoerenden het bedoeld hebben. Gekleurd glas kan misschien best een mooie indruk geven, maar de oorspronkelijke kleuren krijgen wel een andere tint en dat zal niet altijd een beter beeld opleveren. Omdat er heeeeel veeeel verschillende verschijningsvormen van artefacten zijn, is het onmogelijk om in dit artikel alles in detail te bespreken. Daarom wil ik vier belangrijke vormen die in elektronica optreden wat meer voor het voetlicht brengen.

Nooit alleen

Als eerste wil ik opmerken dat vervorming, net als een ongeluk, nooit alleen komt. De onderliggende oorzaak is dat vervorming wordt veroorzaakt door een niet-lineaire relatie tussen in- en uitgangssignaal en een beperkte bandbreedte. Bovendien kunnen deze onderliggende oorzaken ook nog eens interageren. Dit is besproken in ‘De (on-)zin van vervormingscijfers’ in Music Emotion 4-2025 en 5-2025; de cruciale figuur wat betreft de niet-lineariteit van de interne versterker is nogmaals geplaatst in figuur 1. Bij de beperkte bandbreedte spelen twee waarden een cruciale rol, dat zal later worden toegelicht.

Figuur 1: Een niet-lineaire werklijn (geel), de relatie tussen de ingangsspanning (horizontaal) en de uitgangsspanning (verticaal), veroorzaakt vervorming in het uitgangssignaal. Het ingangssignaal (blauw) is een zuivere sinusgolf, het uitgangssignaal (groen) wijkt daardoor af van een zuivere sinusgolf (rood). Het ingangssignaal wordt als het ware geprojecteerd via de werklijn. Maar als deze niet recht is, krijg je vergelijkbare effecten als met een spiegel die niet vlak is of met een lens, die niet de goede vorm heeft waardoor een vertekend beeld ontstaat.

De niet-lineaire ‘werklijn’ veroorzaakt de bekende ‘harmonische’ vervorming, maar ook de veel minder bekende, maar vaak gehoormatig veel storender, ‘intermodulatie’ vervorming. Deze laatste genereert tonen die in het oorspronkelijke geluid NIET voorkwamen. Deze kunnen dus dissonant zijn, niet harmonisch, en daardoor al gauw storend worden in het gereproduceerde geluidsbeeld. Ook kan dit leiden tot het ‘dichtlopen’ van het geluid, verlies aan detail, door maskering. Deze artefacten komen sterker en duidelijker tevoorschijn bij meer complexe muziek (orkest) dan bij eenvoudiger uitvoeringen, zoals bij kleine ensembles. Dat verklaart ook waarom het jazz-triootje zo enorm populair is (was?) op audio-shows en het symfonieorkest vrijwel nooit te horen is, omdat zo’n trio al snel ‘goed’ klinkt. Dus de muziekkeuze bij demonstraties kan al een eerste indicatie zijn van waar de bottleneck van de kwaliteit van een installatie zit. Als alleen ‘simpele’ muziek wordt gespeeld moet er een rood lampje gaan branden. Vraag dan om een wat complexer stuk muziek, orkest-uitvoeringen van filmmuziek zijn daar vaak goed voor te gebruiken.

Oversturing

Bij de bovenstaande bespreking van vervorming is ervan uitgegaan dat er geen ‘oversturing’ van de versterker optreedt. Dat wil zeggen dat de versterker nooit meer vermogen heeft hoeven te leveren dan waar ‘ie toe in staat is. Maar bij luide passages kan oversturing optreden en dat leidt tot vervorming. Wat echter veel mensen zal verbazen is dat juist bij zachte gedeelten ook vervorming kan optreden, maar daarover later meer. Om met de oversturing te beginnen: het verschijnsel staat bekend als ‘clipping’, waarvan dan weer twee versies bestaan: ‘hard’ en ‘soft’ clippen. ‘Hard clipping’ treedt meestal op bij halfgeleiderversterkers. Elke versterker heeft een begrenzing qua amplitude aan zijn uitgang, gewoonlijk bepaald door de spanning die de voeding kan leveren. Als aan de uitgang een spanning zou moeten worden afgegeven die hoger is dan deze maximum amplitude, lukt dat niet en wordt de uitgangsspanning beperkt tot deze maximale waarde. Dan lijkt het alsof de top van de golf met een schaar is afgeknipt, zie figuur 2. Het zal weinig verbazing wekken dat ‘harde’ clipping gehoormatig zeer storend is, ook al omdat de versterker dan eigenlijk niet meer als versterker functioneert. Dan wordt bijvoorbeeld een triangel helemaal niet meer weergegeven als de Turkse trom de versterker ‘hard’ laat clippen.

Een andere term, die hiervoor dan ook vaak wordt gebezigd, is dat ‘de versterker in verzadiging’ wordt gestuurd. Als verzadiging optreedt, kan de versterker eigenlijk niets meer, daarom is het ook belangrijk hoe snel de versterker weer uit verzadiging komt, de zogenaamde ‘hersteltijd’. De ‘hersteltijd’ kan echter aanzienlijk langer zijn dan de duur van de eigenlijke oversturing zelf. De hersteltijd is een eigenschap die gewoonlijk niet gespecificeerd wordt, maar die wel een rol speelt voor de gehoormatige kwaliteit. Eigenlijk zou, zodra het ingangssignaal weer voldoende gedaald is, de versterker meteen weer uit verzadiging moeten komen. Maar in het interne circuit van de versterker kunnen ‘geheugeneffecten’ optreden, waardoor dit met muzieksignalen lang niet altijd het geval is en er daardoor een aanzienlijk langere tijd mee gemoeid kan zijn. Om dat te verduidelijken zal ik eerst wat van de technische achtergronden hiervan toelichten.

N.B. Veel versterkers gebruiken in meer of mindere mate terugkoppeling. De ’open-lus’ versterking beschrijft het gedrag van de versterker zonder terugkoppeling, de terugkoppellus is daarin niet gesloten, maar is nog open. Deze gegevens zijn voor de consument verborgen, maar deskundigen kunnen deze afleiden uit het schema, het ontwerp van de versterker. Als de terugkoppeling eenmaal is aangebracht (de normale bedrijfsconditie) is de lus ‘gesloten’. De reden om terugkoppeling toe te passen is dat terugkoppeling allerlei artefacten, zoals vervorming, onderdrukt en de bandbreedte van de versterker vergroot. Maar in de praktijk is gebleken dat terugkoppeling geen Haarlemmerolie is en zelf ook narigheid kan introduceren. Op fora woedt dan ook al jaren een bijna religieuze discussie over terugkoppeling. Helaas is de situatie niet zwart-wit, net zo min als je kunt stellen dat honden goed of slecht zijn. Een St. Bernard en een rottweiler zijn allebei honden, maar er is wel een groot verschil. Meer detail is te vinden in een artikel op www.temporalcoherence.nl waar dit diepgaand wordt besproken.

Dat de hersteltijd vaak langer is dan de duur van de oversturing kan worden veroorzaakt omdat intern in de versterker geheugen-effecten op kunnen treden. Dat zit zo: iedere versterker heeft een beperkte ‘open-lus’ bandbreedte en daarom moet er in de versterker een begrenzing voor de open-lus bandbreedte zitten. Dit wordt gewoonlijk gerealiseerd door het aanbrengen van een tijdconstante (die omgekeerd evenredig is met de bandbreedte van de open-lus versterking). De terugkoppeling moet een en ander corrigeren om bij ‘gesloten-lus’ de vereiste 20 kHz (of hoger) te halen. Om mooie vervormingscijfers te realiseren kunnen hoge terugkoppelfactoren gebruikt worden, maar er zit een keerzijde aan de medaille: de gesloten-lus bandbreedte is gelijk aan de open-lus bandbreedte vermenigvuldigd met de terugkoppelfactor. En bij de combinatie van een hoge open-lus bandbreedte en een hoge terugkoppelfactor kun je met de gesloten-lus bandbreedte al snel in de Mega-Herzen terecht komen. Met weer (veel) andere problemen tot gevolg waardoor dit niet lukt. De ontwerper moet dus schipperen met de waarden voor de open-lus bandbreedte en de terugkoppelfactor. Bij een hoge terugkoppelfactor ben je al snel genoodzaakt om een open-lus bandbreedte lager dan 20 kHz te gebruiken en dan begint de beperking al in het audio-gebied. Ik ben zelfs een keer een ontwerp tegengekomen waarbij de afname al begon bij 10 Hz (!). Maar deze tijdconstante geeft ook een geheugen-effect en hoe groter deze tijdconstante is, des te langer wordt de hersteltijd. Gehoormatige beoordeling is daarom belangrijk, zo niet essentieel, voor dit aspect. Op fora wordt gerapporteerd dat versterkers met een open-lus bandbreedte van 20 kHz of hoger beter klinken, hoewel ze waarschijnlijk minder terugkoppeling toepassen. Maar omdat deze een kleine tijdconstante gebruiken, is de gerelateerde hersteltijd navenant kort. Bij een grote terugkoppelfactor is dit veelal niet mogelijk, ook i.v.m. de stabiliteit van de versterker. Daarnaast kan het interne geheugeneffect interageren met de niet-lineaire werklijn, waardoor weer allerlei andere artefacten ontstaan. Dit is consistent met de constateringen op basis van luistertesten hierover op fora.

Figuur 2: Clipping treedt op als de versterker meer vermogen zou moeten leveren dan waar deze eigenlijk toe in staat is. De versterker wordt dan overstuurd en komt dan in een niet-lineair gebied terecht. Als dat abrupt gaat ontstaat ‘hard clipping’ (geel), als dat geleidelijker gaat heet dat ‘soft clipping’ (blauw). Hoewel soft clipping minder storend is dan hard clipping, blijft het gehoormatig duidelijk waarneembaar.

Sommige ontwerpen hebben geen ‘hard’, maar ‘soft’ clipping. Dat wil zeggen dat de toppen niet met een schaar worden afgeknipt, maar eerder verzwakt worden weergegeven. Zie ook figuur 2. Gewoonlijk wordt ‘soft clipping’ als minder storend ervaren en hoewel het in theorie mogelijk is dit met halfgeleiderversterkers te realiseren, zijn het meestal buizenversterkers die ‘soft clipping’ vertonen. Een plezierige bijkomstigheid is dat dit helpt de nadelen van de lagere vermogens (in verband met halfgeleiderversterkers) te verzachten. Want hoe lager het uitgangsvermogen, hoe eerder clipping op kan treden, maar bij soft clipping is dit minder storend. Dit aspect kan van belang zijn bij de keuze van de combinatie van versterker en luidspreker. Om een idee te geven: van 20 naar 50 watt is een toename van 4 dB, verschillen tussen de rendementen van luidsprekers zijn in dezelfde orde van grootte. Maar daarbij is wel de vraag of de gespecificeerde versterkervermogens ook ‘echte’ watts zijn, de specificaties van de fabrikant moeten nogal eens met een flinke korrel zout worden genomen. Daarbij speelt ook de kwaliteit van de voeding een grote rol. Bij ‘hard clipping’ is er een duidelijke grens aan te geven omdat bij een verdere toename van het vermogen de vervorming heel snel toeneemt, maar bij ‘soft clipping’ is deze toename geleidelijk en dat bemoeilijkt de precieze specificatie van het uitgangsvermogen. Door deze onzekerheden is het beter om een mogelijke combinatie van versterker en luidspreker thuis te beluisteren met je ‘eigen’ muziek om te horen of deze voldoet aan jouw eisen.

Overnemingsvervorming

Maar bij de kleine vermogens treedt een verschijnsel op, dat een enkele keer wel genoemd wordt, maar waarvan het gehoormatige belang onderbelicht blijft: overnemingsvervorming. Dat is een specifiek verschijnsel van klasse-AB versterkers dat samenhangt met de gunstiger verhouding tussen opgenomen (van de voeding) en afgegeven (aan de luidspreker) vermogen van deze klasse van versterkers. Het basisprincipe is simpel: geluid wordt in de versterker verwerkt als een wisselspanning, dat wil zeggen de polariteit van de spanning voor de luidspreker wisselt doorlopend van teken. In klasse-AB versterkers wordt hier nuttig gebruik van gemaakt: we laten de positieve kant van de wisselspanning verzorgen door het ene gedeelte van de versterker terwijl de negatieve kant in rust blijft en vice versa. Zo hoeft elk gedeelte van de versterker alleen in actie komen als dat nodig is, het andere gedeelte hoeft dan niets te doen en verbruikt dan ook geen stroom. De theorie is prachtig en vanwege het veel lagere energiegebruik is dit concept ook erg populair. Dit in tegenstelling tot klasse-A versterkers, waarbij alle gedeelten van de versterker gedurende de hele cyclus van de wisselspanning in werking zijn. Er zijn nog steeds klasse-A versterkers te koop, veelal in het duurdere segment, ondanks alle andere nadelen (zoals een grote warmteontwikkeling en het hogere stroomverbruik). Er moet dus een flinke boa constrictor onder het gras zitten bij klasse-AB versterkers en dat is de overnemingsvervorming. Want bij de nuldoorgang van de wisselspanning moet het ene gedeelte van de versterker inactief worden en het andere gedeelte juist actief. Alleen gaat dat niet zo soepel, waardoor er rond de nuldoorgang een ‘hobbel’ ontstaat (zie figuur 3).

Figuur 3: Overnemingsvervorming: de Achilleshiel van klasse-AB versterkers.

Wees op je hoede!

Het gevolg is een toename van de vervorming bij lage vermogens en dan komt ook meteen weer de Wet van Behoud van Ellende om de hoek kijken: bij muziek blijkt het uitgangsvermogen de meeste tijd tamelijk gering te zijn! Daardoor is overnemingsvervorming gehoormatig extra opvallend en storend, ook al omdat luidsprekers bij geringe vermogens juist minimale vervorming hebben. En of dat nog niet erg genoeg is kunnen klasse-AB versterkers slecht omgaan met faseverschillen tussen spanning en stroom, veroorzaakt door de impedantie van de luidspreker. Want op bepaalde punten van het signaal wil de spanning de ene helft van de versterker aan het werk zetten, de stroom juist de andere kant en dat kan niet tegelijk bij klasse-AB versterkers: het is òf-òf en niet èn-èn ! En laat dit nu juist het meest voorkomen rond de nuldoorgang! Dat geeft een extra accentuering van de overnemingsvervorming, wat ontwerpers proberen te onderdrukken door de versterker toch een beetje in klasse-A te bedrijven. Maar helemaal wegkrijgen is lastig en de ene ontwerper slaagt daar beter in dan de andere. Daarom zou het wenselijk zijn als de vervormingseigenschappen van versterkers ook bij lage uitgangsvermogens gepubliceerd zouden worden evenals de gevoeligheid voor faseverschillen tussen spanning en stroom. Een enkele keer wordt de vervorming als functie van het uitgangsvermogen gepubliceerd en dan zie je inderdaad dat de narigheid bij afnemend vermogen toeneemt, maar dat is dan nog steeds met een zuivere weerstand als belasting. Maar een luidspreker is zelden een zuivere weerstand. Wij hebben daarom veel aandacht besteed aan het zoveel mogelijk onderdrukken van overnemingsvervorming en het aanpakken van de problemen met de faseverschillen tussen spanning en stroom. Want in deze tijd van energieschaarste willen we het hoge rendement van klasse-AB versterkers niet kwijtraken. Luistertesten zijn daarbij altijd leidend.

Want een probleem met overnemingsvervorming is dat het bij ‘globale’ metingen niet gemakkelijk te detecteren is. Zoals gezegd, juist bij lage vermogens wordt de bijdrage steeds belangrijker. Helaas worden die waarden zelden gepubliceerd en dan nog wordt de toename bij afnemend vermogen vaak ‘verklaard’ als de bijdrage van de ruis. Meestal is dit bezijden de waarheid want als je het gaat doorrekenen zou de ruis van de versterker onacceptabel hoog zijn. Bij luistertesten komt deze narigheid wel vaak naar voren omdat deze zo snel storend is. Eén van mijn standaard luistertesten is de menselijke stem: als s-klanken scherp zijn, duidt dit meestal op de aanwezigheid van overnemingsvervorming. Omdat stemmen meestal wel gebruikt worden bij demonstraties kun je hier vaak al snel een indruk van krijgen. Dus als het klinkt alsof de hoektanden van de zanger(es) getrokken zijn, wees dan op je hoede!

N.B. Denk nou niet dat klasse-D versterkers dit soort problemen niet hebben, ook deze hebben specifieke problemen die consequenties hebben voor de gehoormatige kwaliteit. Het valt buiten het kader van dit artikel om hier dieper op in te gaan. Ook hier kunnen luistertesten en gehoormatige vergelijking behulpzaam zijn.

'Interne Lokale Detectie'

Subtieler is het volgende verschijnsel, dat ik de mooie naam ‘Interne Lokale Detectie’ heb gegeven. De kern van het probleem is dat de niet-lineariteit van werklijnen tot gevolg heeft dat er, intern in de versterker, een gedeeltelijke gelijkrichting van het geluidssignaal optreedt. Dus de wisselspanning van het ingangssignaal is verderop in de versterker geen zuivere wisselspanning meer. In de radiotechniek wordt dit bewust gedaan om het geluidssignaal terug te krijgen. Daar wordt dit ‘detectie’ genoemd (vandaar de naam), maar dit treedt ook op in versterkers als onwenselijk, parasitair effect. Het gevolg hiervan is dat dit artefact de ‘omhullende’ van het muzieksignaal aan het uitgangssignaal van de versterker toevoegt. Nu heeft de omhullende bij muziek geen constante waarde, vanwege de dynamiek, maar bestaat uit relatief lage frequenties. Hierdoor openbaart zich dit als ‘onrust’ in het geluid. Omdat bij een testsignaal de omhullende wèl constant is, zie je dit niet in de metingen terug.

Blijft de vraag nog welke vervormingen ‘mooi’ worden gevonden en welke ‘lelijk’. Daarvoor moeten we toch wat meer kijken naar de eigenschappen van de versterker. Zoals gezegd, de oorzaak van vervorming is de niet-lineariteit van de werklijn, al dan niet interagerend met de eindige open-lus bandbreedte van de versterker. Als deze werklijn symmetrisch is ten opzichte van de nuldoorgang bestaat de harmonische vervorming voornamelijk uit oneven harmonischen (dus de 3^e, 5^e, 7^e, etc.). Als de werklijn niet symmetrisch is ten opzichte van de nuldoorgang ontstaan ook even harmonischen (dus de 4^e, 6^e, 8^e, etc.). Veel instrumenten produceren deze eveneens, waardoor de vervorming als minder storend wordt ervaren. Maar de intermodulatie verdwijnt niet en als deze te sterk wordt, loopt het geluidsbeeld ‘dicht’ waardoor bijvoorbeeld orkestwerken ongenietbaar worden. Daarom beperkt dit de toepasbaarheid van dergelijke versterkers.

Clipping is gehoormatig onaantrekkelijk, maar in hoeverre dit als erg storend wordt ervaren hangt ook af van de hersteltijd. Het is uitermate lastig om hier informatie over te krijgen, ook al omdat oversturing alleen in de vermogenspieken optreedt en dus niet ‘continu’. Maar een indicatie kan worden gekregen door gehoormatig te bepalen hoeveel ‘headroom’ een versterker ‘nodig’ heeft (zie ook ‘De (on-)zin van headroom in Music Emotion 6-2025). Want als een versterker veel ‘headroom’ vraagt, betekent dit meestal dat deze niet goed is ontworpen en er geheugeneffecten in verstopt zitten, die onder andere de hersteltijd duidelijk langer maken dan de oversturing zelf geduurd heeft. ‘Soft clipping’ is minder storend dan ‘hard clipping’, maar is nog steeds van invloed op de gehoormatige kwaliteit.

A must to avoid

Het zal hopelijk inmiddels wel duidelijk zijn dat overnemingsvervorming gehoormatig al snel storend is en veelal ook als ‘lelijk’ wordt ervaren. Een van de oorzaken hiervan is dat de tijd rond de nuldoorgang maar een kleine fractie is van de periodetijd van het signaal zelf. Daardoor genereert overnemingsvervorming boventonen die een groot veelvoud zijn van de ingangsfrequentie. Deze komen niet of nauwelijks voor in het signaal zelf en kunnen ook niet gemaskeerd worden. De negatieve invloed op de gehoormatige kwaliteit blijkt ook uit de wijze waarop menselijke stemmen worden weergegeven, vooral scherpe s- en f-klanken, maar ook de weergave van bijv. trompetten en hoorns wordt al snel onnatuurlijk. Maar omdat meetresultaten gewoonlijk weinig zeggen over de ernst van overnemingsvervorming zijn we aangewezen op luistertesten. Als je weet waar je op moet letten zijn die echter volkomen duidelijk.

N.B. Alleen de problemen met en rond overnemingsvervorming zijn specifiek voor klasse-AB versterkers, de overige problemen treden ook op in andere klassen van versterkers. De mate waarin is dus ook medebepalend voor de gehoormatige kwaliteit. Zo zijn gewoonlijk pick-up voorversterkers volledig in klasse-A operationeel, toch zijn er duidelijk hoorbare verschillen die niet kunnen worden veroorzaakt door overnemingsvervorming.

Naar mijn mening zijn alle soorten van vervorming, evenals andere artefacten, ‘a must to avoid’ en dat begint al bij het detail-ontwerp van de versterker. Dit dient erop gericht te zijn dat op alle punten in de versterker de niet-lineariteit van elk gedeelte al zoveel mogelijk vermeden dient te worden en niet ‘achteraf’ dient te worden aangepakt met globale terugkoppeling. Want dat is misschien wel mooi voor de meetresultaten met continue signalen, maar het geeft geen enkele garantie dat dit ook goed gaat met niet-continue signalen als muziek. Ook hier geldt dat voorkomen nog steeds beter is dan genezen. Want narigheid die al in de eerste gedeelten van de versterker is opgewekt (zoals door Interne Lokale Detectie) raak je nooit meer kwijt. Met alle gevolgen voor de gehoormatige kwaliteit van dien. Het illustreert wel waarom vervormingscijfers zo weinig zeggend zijn waardoor luistertesten nog steeds broodnodig zijn. Of, zoals de Britten zo mooi zeggen, ‘the proof of the pudding is in the eating’…

Hans van Maanen
Temporal Coherence, www.temporalcoherence.nl