Was ist eigentlich der Klirrfaktor / THD ?

Beim Lesen der Handbücher eurer Audiohardware, beim Durchstöbern einschlägiger Pro-Audio-Onlinestores oder beim Lesen von Testberichten, ist euch sicher schon der Begriff „Klirrfaktor“ oder „THD“ untergekommen. Wir möchten diese Größe heute mal ins rechte Licht rücken und helfen, diese Angabe aus Datenblättern zu verstehen. Denn eines muss man sagen: Für die Qualität und den Sound unserer Hardware (und vieler analog-emulierter Plugins) ist der“Klirrfaktor“ oder „THD“-Wert eine wichtige und informative Angabe.

Ein Audiosignal besteht aus einem Grundton und weiteren mitschwingenden Obertönen. In der Regel ist ein Audiosignal also eine Mischung verschiedener Teiltöne. Der Grundton bestimmt dabei in der Regel die Tonhöhe, während die weiteren Obertöne die Klangfarbe beeinflussen/ausmachen. Die Obertöne eines Grundtons sind dabei die ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des Grundtons. Hä? Klingt kompliziert? Ist es aber nicht: Bei einem Grundton von f=440 Hz, wäre der 1. Oberton bei 2*f = 880 Hz, der 2. Oberton bei 3*f=1320 Hz usw. Diese Obertöne nennt man auch Harmonische. Der Grundton wird dabei als 1. Harmonische, der erste Oberton als 2. Harmonische usw. bezeichnet.

Der Klirrfaktor oder im Englischen THD bezeichnet, gibt an, wie viele neue Obertöne zu einem Signal „fälschlicherweise“ hinzugekommen sind. THD steht dabei für Total Harmonic Distortion. Man kann den Klirrfaktor daher auch als Verzerrungsgehalt eines Signals beschreiben. Aber wie kommen solche nichtlinearen Verzerrungen in mein Audiosignal? Das Audiosignal durchläuft eure Audiohardware und damit verschiedenste Baugruppen, Schaltungen und Bauelemente (Transistoren, Spulen, Dioden etc.). Hier kommen diese nichtlinearen Verzerrungen gerade bei Halbleitern hinzu (z.B. durch Erwärmung, nicht ideale Kennlinien bei Transistoren usw.) Ein weiterer Grund liegt vor, wenn die Signalspannung größer als die Betriebsspannung des Gerätes ist, welches ihr verwendet. Also dann, wenn ihr das Signal bewußt zu „heiß“ in ein Gerät hineinschickt (Clipping etc.)

Klirrfaktor und THD spielen dabei in jedem Teil eurer Aufnahmekette eine Rolle: Beginnend bei Mikrofon, Preamp, Wandler, weiterem Outboard und auch in eurer Abhöre.

Der THD bzw. Klirrfaktor wird in % oder dB angegeben. Bei der dB-Angabe spricht man auch von Klirrdämpfung.

Zur Berechnung des Klirrfaktors in % verwendet man folgende Formel:

{\displaystyle \mathrm {THD} _{\%}={\frac {P_{\mathrm {h} }}{P_{1}}}\cdot 100}

Man teilt dabei die Spannung (V) der neu entstandenen Obertöne durch die Spannung (V) des Gesamtsignals und multipliziert dies mit 100%.

Zur Berechnung des Klirrfaktors in dB verwendet man folgende Formel:

\mathrm{THD}_\mathrm{dB} = 10 \cdot \log_{10}\left( \frac{P_\mathrm{h}}{P_{1}} \right)

20 dB entspricht dabei einem Klirrfaktor von 10% und 60 dB von nur noch 0,1 %.

Immer wieder findet ihr auch die Angabe THD+N. Hierbei wird noch das Grundrauschen des Gerätes miteinbezogen.

Was ist aber jetzt gut? Ein hoher oder ein niedriger Wert?

Ein Signal gilt als verzerrt, wenn der THD-Wert größer als 3 % ist. Je nach Audiosignal ist jedoch auch ein kleinerer Klirrfaktor bereits hörbar. Geschulte Ohren nehmen Werte ab 0,5 % wahr. Im Bassbereich eines Signals sind Werte bis 5% schwerer Wahrnehmbar. Im Bereich der Höhen oft schon bei sehr kleinen Prozentwerten.

Für eine möglichst klare und unverfälschte Aufnahme ist ein geringer Klirrfaktor immer die bessere Wahl und Voraussetzung. Der Charakter vieler analoger Audiogeräte (und natürlich deren Emulationen in Form von Plugins) kommt aber gerade durch den Klirrfaktor zustande. Wünscht ihr also einen gewissen Sound in euren Signalen, kann dies durch heißes Anfahren eines Gerätes oder entsprechende THD-Werte erzeugt werden. Gerade im Mastering lohnt es sich aber mit möglichst geringen Werten zu arbeiten.

Hier ein paar Beispiele. Diese haben wir in Studio One erstellt. Mit dem Tonegenerator haben wir einen 1kHz-Sinustonerzeugt und uns diesen auf dem Spectrum Meter anzeigen lassen. Zu messende Plugins haben wir zwischen Tonegenerator und Spectrum Meter im Insert gelegt. Hier seht ihr das Messergebnis Tongenerator –> Spectrum Meter

Der Sinuston ist klar bei 1 kHz zu erkennen. Wir haben die höchstmögliche Auflösung des Spectrum Meters gewählt.

Nun haben wir das Virtual Mixrack von Slate Digital zwischen die Plugins geschaltet. Dort haben wir am Virtual Channel die Emulation der SSL 4000G gewählt:

Wieder ist der Grundton bei 1 kHz erkennbar. Hinzugekommen sind auch die 2. Harmonische bei 2 kHz, die 3. Harmonische bei 4 kHz usw. Ihr findet jedoch auch kleinere weitere Peaks um die Harmonischen herum vor. Hier habt ihr die nichtlinearen Verzerrungen, die durch die oben genannten Gründe (Baugruppen, Elektronik, Bauweise etc.) entstehen.

Dann haben wir uns den Arousor von Empirical Labs angesehen. Bei diesem Plugin habt ihr die Möglichkeit, den THD-Prozentwert über ein Poti zu verändern. Hierbei ist ein zuregelbarer Wert von bis zu 14% möglich. Also eine ganz eindeutige Verzerrung. Hier zunächst die Messung ohne hinzugesteuerten Klirr – nur durch das Plugin:

Nun einen Extremwert von + 14 % THD:

Auch hier seht ihr den Grundton, die 1. Harmonische, 2. Harmonische usw. sowie hinzugekommene nichtlineare Verzerrungen.

Zuletzt noch ein Extrembeispiel: Hierzu haben wir den VSE-2 EQ von Vertigo Sound in der Grundeinstellung gemessen:

Und diesen danach deutlich ins Clipping gefahren:

 

Ihr wollt euren Plugins selbst unter die Haube schauen?

  1. Legt in eurer DAW eine Audiospur an.
  2. Vewendet einen Testtongenerator oder Testton (1kHz) auf  Slot 1 des Inserts.
  3. Das zu testende Plugin ladet ihr auf Slot 2 des Inserts.
  4. Auf Slot 3 des Inserts verwendet ihr ein Analyser-Tool, mit dem ihr das Frequenzspektrum eines Signals anzeigen könnt. Wählt einen Frequenzbereich zwischen 500 Hz und 20 kHz. Sowie ein Level von -144 dB und eine möglichst hohe Auflösung. In unserem Falle haben wir eine Größe von 65536 gewählt.

 

Author: Birger Nießen

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