Deel 2: Andere artefacten – De (on-)zin van… Vervormingscijfers

Onder artefacten versta ik alle afwijkingen tussen het geluid, dat de luisteraar bereikt en het ingangssignaal. En dat zijn er nogal wat, af en toe vraag ik me af hoe wij toch nog steeds in staat zijn om de muziek als zodanig te herkennen…

Als eerste wil ik ‘intermodulatie’ vervorming noemen. Ook intermodulatie ontstaat doordat de ‘werklijn’, de relatie tussen in- en uitgangssignaal van bijvoorbeeld een versterker, niet-lineair is. Zie voor details Music Emotion 04-2025. Wat houdt dit in? Intermodulatie ontstaat als in een apparaat meerdere frequenties tegelijk worden ingevoerd, hetgeen natuurlijk bij muziek heel vaak het geval is. Dan blijkt dat als ik bijvoorbeeld 1 kHz en 10,5 kHz tegelijk aanbiedt, er niet alleen de bovenharmonischen van 1 kHz (2, 3, 4, 5 kHz, etc.) en die van 10,5 kHz (21, 31,5 kHz, etc.) verschijnen, maar ook 9,5 en 11,5 kHz. Niet toevallig is 9,5 kHz het verschil 10,5 – 1 kHz en is 11,5 = 10,5 + 1 kHz, de som van de twee. Dit zijn de ‘intermodulatie’ producten, de term is schaamteloos gekopieerd van de zendtechniek. Het vervelende van intermodulatie-producten is dat zij niet ‘consonant’ (welluidend), maar juist dissonant zijn. De muziekleer stelt dat harmonischen consonant zijn en zij geven instrumenten hun specifieke klank. Dissonanten komen van nature niet voor in de geluiden die instrumenten produceren, zijn niet ‘welluidend’, en derhalve al gauw storend. Dit artefact is daarom gehoormatig belangrijker dan ‘harmonische’ vervorming, maar krijgt veel minder aandacht. Ten onrechte. Want hoewel harmonische en intermodulatievervormingen beide ontstaan door een niet-lineaire werklijn, zijn de gehoormatige effecten nogal verschillend. In vroeger jaren werden hiervan nog wel eens meetresultaten gepubliceerd, maar dit is tegenwoordig niet langer gebruikelijk. Cijfermatig is intermodulatie vaak een orde groter dan harmonische vervorming en dat staat natuurlijk niet zo mooi in de specificaties. En omdat maar weinig mensen weten wat intermodulatie is, wordt het maar weggelaten. Wat niet weet, wat niet deert…

Figuur 1: Een signaal, waarvan de sterkte in de tijd varieert. Horizontaal staat de tijd (10 milliseconden van begin tot einde), verticaal de sterkte (zeg maar Volts uit de bron) en deze kan ook negatief zijn want het signaal begint en eindigt met nul Volt. We spreken dan ook van een wisselspanning, in dit geval met een frequentie van 800 Hz.

Interne lokale detectie

Als tweede wil ik ‘interne lokale detectie’ noemen, een begrip dat zo goed als geen ingang heeft gevonden in ‘High-End Audio’ en daardoor gewoonlijk onder het tapijt blijft. Daarom zal ik eerst proberen toe te lichten wat dit inhoudt. Het probleem schuilt in een belangrijke eigenschap van muziek: de luidheid varieert sterk en er treden veel verschillende frequenties tegelijk op. Door de niet-lineariteit van de werklijn (heb je ‘m weer!) treedt een zekere mate van gelijkrichting op, waardoor ook de ‘omhullende’ van het muzieksignaal wordt gegenereerd. Met wat figuren zal ik proberen dat begrip toe te lichten. In figuur 1 staat een signaal waarvan de sterkte in de tijd varieert.

Figuur 2: Als het signaal van figuur 1 gelijkgericht wordt (dat wil zeggen dat negatieve gedeelten positief worden) ontstaat dit signaal. Maar het signaal begint en eindigt nog steeds met nul Volt. Door een niet-lineaire werklijn zal het ook een gedeelte van het muzieksignaal worden. Hoe sterk de bijdrage eraan is, zal afhangen van de mate van niet-lineariteit van de werklijn en is daarom (sterk) afhankelijk van het ontwerp.

Het signaal van figuur 2 heeft een duidelijke ‘omhullende’ en dat is te zien in figuur 3 en die kunnen we ook toekennen aan het signaal van figuur 1, zie figuur 4.

Interne lokale detectie van de omhullende resulteert in het toevoegen van tamelijk laagfrequente ‘rommel’ en dat is aan te tonen door de spectra van het signaal van figuur 1 te vergelijken met het spectrum als er vervorming optreedt. Het resultaat staat in figuur 5.

In dit voorbeeld is de laagfrequent ‘rommel’ voornamelijk te vinden onder de 200 Hz, maar als het muzieksignaal ook hogere frequenties bevat, vind je dit ook in het middengebied terug.

Figuur 3: We kunnen aan het signaal van figuur 2 een ‘omhullende’ toekennen (de groene lijn), die grofweg te beschouwen is als de verbindingslijn tussen de toppen van het gelijkgerichte signaal. In de tijd van de AM zenders (midden- en lange golf) werd dit gebruikt om het geluid over te dragen.

Vervorming

Al met al geeft ‘interne lokale detectie’ een ‘onrustig’ geluidsbeeld en het dient derhalve zoveel mogelijk vermeden te worden door een goed ontwerp van de versterker. Echter, het komt in geen enkele meting tevoorschijn, er staat dus ook niets over in specificaties, dus waarom zou een fabrikant moeite doen om dit zoveel mogelijk te onderdrukken? Dat neemt niet weg dat het gehoormatig goed waarneembaar is, maar dat blijkt pas bij luistertesten en wordt daarom vaak denigrerend als ‘subjectief’ weggezet. Ten onrechte.

Figuur 4: Als we het oorspronkelijke signaal tekenen met de ‘omhullende’ uit figuur 3 aan de boven- en onderzijde erbij (de groene lijnen) wordt beter duidelijk waarom dit de ‘omhullende’ genoemd wordt.

Maar daarmee is de lijst van artefacten nog lang niet compleet. Want er zijn er meer, die niet uit de metingen blijken, maar juist bij muziek, met sterk variërende sterkte, naar voren komen. Allereerst moeten we daarbij de voeding noemen.

Eén van mijn stellingen is dat geen apparaat beter is dan de voeding! Want deze moet er zorg voor dragen dat onder alle operationele omstandigheden het apparaat goed kan blijven functioneren. Een voorwaarde daarvoor is dat de voedingsspanningen van het versterkergedeelte niet inzakken als er veel vermogen en/of veel stroom geleverd moet worden en niet mag oplopen in zachte passages. Dat vereist een transformator met voldoende capaciteit en gestabiliseerde (geregelde) voedingen. Daar wordt niet altijd aan voldaan en dan ontstaan artefacten die tot op zekere hoogte te vergelijken zijn met ‘interne lokale detectie’. Ook vinden luisteraars dan vaak dat de versterker ‘headroom’ nodig heeft. Daarover meer in een volgende aflevering.

Tijdversmering

Een ander artefact dat gewoonlijk ‘onder het tapijt’ blijft is tijdversmering. Dit hangt samen met de frequentieresponsie van de apparatuur en – verrassend – met de manier waarop deze bij hogere frequenties (boven de 20 kHz) afvalt.

Figuur 5: Er staan twee spectra in deze figuur. De eerste is van het onvervormde signaal (onderste curve) en van het vervormde signaal (die op een aantal frequenties boven de eerste curve uitkomt). De 800 Hz piek is in beide spectra duidelijk, maar vallen over elkaar heen. De ‘bult’ tussen 0 en 200 Hz valt echter op; deze wordt veroorzaakt door interne lokale detectie. De duidelijk sterkere tweede harmonische wordt veroorzaakt door de vervorming.

Wat? Als het van 20 Hz tot 20 kHz ‘recht’ loopt is het toch oké?

Daarom zullen velen nu denken dat het hoog tijd wordt om mij te laten verhuizen naar een mooie kamer in Den Dolder voor mensen met een verstandelijke beperking, maar jammer genoeg zit hier toch een probleem. Want de complete frequentiekarakteristiek ‘vertaalt’ zich naar het gedrag in de tijd en dat betekent dat ieder apparaat met een frequentiekarakteristiek, die boven een zekere frequentie afloopt (en uiteraard doen ze dat allemaal!), een versmering in de tijd introduceert.

Figuur 6: De gevolgen worden duidelijker als we het verschil laten zien tussen beide spectra want dan wordt duidelijk wat er door de vervorming wordt toegevoegd. De ‘bult’ van de laagfrequente ‘rommel’ is duidelijk te zien en blijkt significant sterker te zijn dan de harmonischen, opgewekt door de vervorming. De bijdrage bij 800 Hz van het eigenlijke signaal is geheel verdwenen (door het aftrekken van beide spectra). De eigenschappen van de ‘bult’ worden bepaald door de eigenschappen van de omhullende, zoals de tijdsduur (zie figuur 4).

Extreem voorbeeld

De frequentieresponsie van de versterkers van figuren 7 en 8 is in het audio-gebied vrijwel identiek, maar het gedrag boven 20 kHz niet. En dit is de oorzaak van de verschillende gedragingen in de tijd van beide apparaten. Over de responsie boven 20 kHz zwijgen veel specificaties, maar het maakt wel degelijk uit voor de weergave van ‘microdetails’. Hetzelfde probleem treedt op bij tweeters en reconstructiefilters en is een belangrijke oorzaak van de gehoormatige verschillen op dit gebied die, zelfs voor senioren met een gelimiteerd bereik in het hoog, waarneembaar zijn.

Figuur 7: Een extreem voorbeeld van tijdversmering, geïntroduceerd door een versterker. Zolang de versterker nog steeds uitgangssignaal produceert ten gevolg van het korte ingangssignaal zal deze andere signalen, die later in de tijd arriveren, (gedeeltelijk) maskeren.

Spanning en stroom

In de vorige editie (Music Emotion 04-2025) is al aan de orde geweest dat een luidspreker allesbehalve een zuivere weerstand is en dat dit gevolgen kan hebben voor de (harmonische) vervormingscijfers van versterkers. De mate hangt echter sterk af van het versterkerontwerp. Het probleem schuilt in het faseverschil tussen spanning en stroom. Een klasse AB eindtrap heeft een niet-constante uitgangsimpedantie waardoor het aansturen van een zuivere weerstand al niet perfect is. Maar als er een faseverschil tussen spanning en stroom is, wordt dit nog problematischer omdat dit resulteert in tegenstrijdige eisen voor de eindtrap. Het wordt een erg technisch verhaal en geïnteresseerden verwijs ik naar onze website (www.temporalcoherence.nl), waarop het hele verhaal in meer technische termen wordt toegelicht in het artikel “De kloof tussen gemeten en gehoormatige kwaliteit, gerelateerd aan de stiekeme valkuilen van tegen- en terugkoppeling”.

Figuur 8: Een voorbeeld van tijdversmering, geïntroduceerd door een versterker, die als ‘normaal’ voorbeeld kan worden beschouwd. Vergelijk met figuur 7. Merk op dat iedere versterker door het afvallen bij hoge frequenties een zekere mate van maskering door versmering veroorzaakt, wat vooral, maar niet alleen, de weergave van metalen percussie kan versluieren.

De ernst van dit verschijnsel voor de gehoormatige kwaliteit hangt af van veel parameters en ontwerpkeuzes, maar in het algemeen nemen de problemen af met een toenemende ruststroom (die uiteindelijk eindigt met klasse A) en een zoveel mogelijk ohms gedrag van de luidspreker. Maar de gepubliceerde specificaties worden gemeten met een zuivere weerstand en kunnen dus weinig zeggen over de gehoormatige eigenschappen van de elektronica onder realistische omstandigheden. De metingen zouden dus verricht moeten worden met een netwerk, dat een vergelijkbaar impedantieverloop heeft als een luidspreker (zie Music Emotion 04-2025), maar dat gebeurt dus niet. Wel kunnen we de zaak omkeren middels het toepassen van impedantiecompensatie, die de impedantie van een luidspreker zoveel mogelijk ohms maakt met een zo klein mogelijke fasefout. Want dan maken we de bedrijfsomstandigheden zoveel mogelijk gelijk aan de meetomstandigheden. Een dergelijke aanpak werd al in de jaren ’50 van de vorige eeuw toegepast (meestal Zobel netwerken genoemd), maar is in de vergetelheid is geraakt. Tegenwoordig wordt het weer op kleine schaal toegepast omdat dit niet alleen de interactie tussen eindtrap en luidspreker sterk verbetert, dit geldt ook voor het ontwerp en de werking van een passief scheidingsfilter. Want dan zijn de aannames voor de berekeningen van het filter een stuk realistischer geworden.

Tot slot…

Samenvattend kunnen we stellen dat een aantal gehoormatig storende artefacten ‘onder de pet’ worden gehouden, waardoor het voor de consument erg lastig is om op basis van specificaties een selectie te maken van apparatuur. Daarnaast zijn een aantal specificaties gemeten onder omstandigheden, die sterk afwijken van de realiteit. Dus het is niet onbegrijpelijk dat versterkers met vergelijkbare specificaties heel verschillend kunnen klinken. Vooralsnog is daarom luisteren de beste optie voor het kiezen van apparatuur want op dit moment zijn onze oren het meest veelomvattende ‘meet’instrument. Doe dat dan onder realistische omstandigheden: met de signaalbron, versterker en luidsprekers in de ruimte, waarin deze gebruikt worden om naar muziek te luisteren.

Hans R.E. van Maanen
www.temporalcoherence.nl