Intermodulationsverzerrung

Was ist Intermodulationsverzerrung — und warum sagt sie über den Klang mehr aus als der Klirrfaktor?

Jedes Bauteil, das ein Signal nicht ganz linear überträgt, erzeugt neue Frequenzen. Liegt nur ein einzelner Ton an, sind das seine Vielfachen — der Klirr. Liegen zwei Töne gleichzeitig an, kommen zusätzlich deren Summen und Differenzen hinzu, und deren Vielfache ebenso: Aus 50 Hz und 420 Hz werden auch 370 Hz und 470 Hz. Diese Produkte heißen Intermodulationsverzerrung. Sie stammen von derselben Ursache wie der Klirr, fallen aber anders auf, weil sie zu keinem der gespielten Töne in einem harmonischen Verhältnis stehen.

Ein Lautsprecher soll genau das wiedergeben, was hineingeht. Kein Gerät schafft das ganz, und dann fügt es Töne hinzu, die niemand gespielt hat. Solange nur ein einziger Ton läuft, klingen diese Zugaben wie Obertöne und fallen kaum auf — sie passen zufällig zum Original. Musik besteht aber fast nie aus einem Ton. Kommen ein tiefer Bass und eine Stimme zusammen, entstehen Zusatztöne, die weder zum Bass noch zur Stimme passen, und die hört man als Rauigkeit oder Unruhe. Deshalb kann ein Lautsprecher, dessen Datenblatt sehr saubere Werte nennt, im Betrieb weniger sauber klingen als erwartet: Gemessen wurde mit einem Ton, gehört wird mit vielen.

Ausführliche Erklärung

Der Mechanismus ist derselbe wie beim Klirr. Eine gekrümmte Kennlinie bildet das Eingangssignal nicht proportional ab, und mathematisch entspricht diese Krümmung zusätzlichen Termen, in denen die Eingangsgrößen miteinander multipliziert werden. Bei einem einzelnen Ton ergibt eine solche Multiplikation Vielfache seiner Frequenz. Bei zwei Tönen f1 und f2 ergibt sie zusätzlich f2 − f1 und f2 + f1, dann die Produkte höherer Ordnung wie f2 ± 2·f1, und so fort. Je stärker die Krümmung und je höher der Pegel, desto mehr davon.

Zwei Wege sind im Lautsprecher zu unterscheiden, auch wenn sie sich in der Messung überlagern:

Amplitudenmodulation. Ein lauter tiefer Ton lenkt die Membran weit aus und verändert dabei die Eigenschaften des Chassis für alles, was gleichzeitig anliegt: Die Antriebsstärke sinkt am Ende des Weges (Bl-Verzerrung), die Induktivität der Wicklung ändert sich mit der Stellung im Spalt (Wirbelströme und Hysterese), und die Aufhängung aus Sicke und Zentrierspinne wird zu den Enden hin steifer. Der Mittelton wird damit im Takt des Basses lauter und leiser — genau das ergibt Summen- und Differenztöne.

Frequenzmodulation. Die Fläche, die den Mittelton abstrahlt, bewegt sich währenddessen selbst um mehrere Millimeter auf den Hörer zu und wieder von ihm weg. Der abgestrahlte Ton wird dadurch abwechselnd leicht höher und tiefer — ein Dopplereffekt im Kleinen, der dieselbe Art von Seitentönen erzeugt.

Beides erklärt, warum ein Chassis, das einen breiten Frequenzbereich allein abdeckt, in diesem Punkt schwerer hat als eines in einem Mehrwegesystem: Der Fehler entsteht dort, wo tiefe und mittlere Anteile über dieselbe bewegte Masse laufen.

Warum sie stärker auffällt als Klirr

Klirrprodukte liegen auf Vielfachen des Grundtons. Sie fügen sich in das Klangbild ein, weil natürliche Instrumente selbst aus solchen Vielfachen bestehen, und die lauteren Anteile des Originals verdecken sie teilweise — der Eintrag zur Verdeckung beschreibt diesen Vorgang. Intermodulationsprodukte stehen dagegen in keinem solchen Verhältnis: Bei 50 Hz und 420 Hz entstehen unter anderem 370 Hz und 470 Hz, also Töne mitten im empfindlichsten Bereich des Gehörs, die zu keiner Quelle im Signal passen. Der Höreindruck ist Rauigkeit, ein Zusammenschieben der Mitten, sobald der Bass arbeitet.

Daraus folgt der wichtigste Einwand gegen die übliche Messpraxis: Eine Maßnahme, die den Klirr verbessert, kann die Intermodulation zugleich verschlechtern, weil sie zwei Mechanismen gegeneinanderlaufen lässt. Die Einzeltonmessung sieht davon nichts. Als Zulieferer, der diese Begründung ausdrücklich zu seinem Entwicklungsmaßstab erklärt hat, ist Purifi aus Roskilde der bekannteste Fall.

Wie gemessen wird

Es gibt kein einzelnes Verfahren, sondern mehrere festgelegte Tonpaare, die verschiedene Bereiche prüfen. Verbreitet sind drei Familien.

Das SMPTE-Verfahren mischt einen tiefen Ton mit einem hohen im Amplitudenverhältnis 4:1, üblicherweise 60 Hz gegen 7 kHz. Ausgewertet werden die Modulationsprodukte um den hohen Ton herum, angegeben als Verhältnis zu dessen Pegel. Es prüft damit genau den Fall, der im Lautsprecher am meisten anrichtet: viel Hub unten, leises Signal oben. Messgeräte führen daneben ein DIN-Verfahren nach demselben Prinzip; dass es dieselbe Tonkombination verwendet, ist damit nicht gesagt, und eine Zahl aus der einen Betriebsart lässt sich deshalb nicht ungeprüft neben eine aus der anderen stellen.

Die Differenzton-Verfahren — als DFD genormt, in der älteren Bezeichnung CCIF — verwenden zwei dicht benachbarte hohe Töne, im Regelfall 80 Hz auseinander, und werten den tiefen Differenzton und seine Verwandten aus. Normbezug sind IEC 60118 und IEC 60268. Die CCIF-Angabe fällt gegenüber der DFD-Angabe rechnerisch um 6,02 dB höher aus — ein Grund mehr, Zahlen ohne Angabe des Verfahrens nicht zu vergleichen.

In der Großsignalmessung am Chassis dient die Intermodulation außerdem als Kriterium für die Grenzauslenkung: Nach AES2 ist die maximale Auslenkung erreicht, wenn 10 % harmonische oder Intermodulationsverzerrung auftreten. Die dabei verwendeten Tonpaare liegen tiefer als beim SMPTE-Verfahren, etwa bei 50 und 420 Hz oder bei 30 und 255 Hz. Wie ein solcher Bericht insgesamt zu lesen ist, führt der Beitrag zu den Nachweisverfahren für Lautsprecher aus.

Häufiges Missverständnis

„Der Klirrfaktor im Datenblatt sagt, wie sauber der Lautsprecher spielt." Er sagt, wie sauber ein einzelner Ton wiedergegeben wird, und das ist der einfachere Fall. Datenblätter nennen ihn, weil er mit einem Ton und einer Zahl auskommt und weil er kleiner ausfällt; die Intermodulation braucht ein Tonpaar, dessen Wahl das Ergebnis bestimmt, und es gibt keine einheitliche Festlegung, welches Paar bei welchem Pegel gilt. Wer zwei Herstellerangaben vergleicht, vergleicht deshalb fast immer verschiedene Messbedingungen.

„Das ist ein Verstärkerthema." In Verstärkern ist der Effekt messbar, im Lautsprecher liegt er um Größenordnungen darüber. Die Ursachen dort — Antrieb, Aufhängung, bewegte Fläche — sind mechanisch und lassen sich nicht durch mehr Gegenkopplung wegregeln. Wer den Fehler klein halten will, entscheidet das bei der Auslegung des Lautsprechersystems, nicht bei der Wahl der Endstufe.

„Dann muss ich eben leiser hören." Der Zusammenhang mit dem Pegel stimmt, die Schlussfolgerung greift aber zu kurz. Wirksamer ist die Aufgabenteilung: Nimmt ein Subwoofer dem Hauptlautsprecher den Tiefton ab, sinkt dessen Hub — und mit ihm der Fehler bei gleichem Abhörpegel.

Nicht zu verwechseln mit

Klirrfaktor: derselbe Ursprung, anderes Testsignal. Ein einzelner Ton erzeugt Vielfache seiner selbst; erst mehrere Töne erzeugen Produkte, die zu keinem davon gehören.
Schwebung: Zwei dicht benachbarte Töne schwanken hörbar in der Lautstärke, weil sie sich abwechselnd verstärken und auslöschen. Dabei entsteht keine neue Frequenz — das passiert auch bei einer völlig linearen Übertragung.
Kammfiltereffekt: Auslöschungen durch Laufzeitunterschiede zwischen zwei Wegen desselben Signals. Der Fehler liegt im Raum oder in der Aufstellung, nicht im Wandler.
Rauschen: liegt unabhängig vom Signal an und verschwindet nicht, wenn man leiser dreht.

Aus der Praxis

Ein Wohnzimmer bekommt eine Stereoanlage, die auch Filmton wiedergeben soll. Der Kunde hat zwei kompakte Standlautsprecher im Auge und fragt, ob ein Subwoofer wirklich nötig ist — die Lautsprecher reichen laut Datenblatt tief genug hinunter.

Bei welchem Pegel soll welcher Tiefgang stehen, und wie oft läuft das System dort? Ein Datenblattwert zur unteren Grenzfrequenz beantwortet das nicht, weil er nichts darüber sagt, mit welchem Hub das Chassis diesen Bereich erreicht.

Sollen 40 Hz bei hohem Pegel kommen, muss ein Tief-Mitteltöner von 16 Zentimetern dafür weit auslenken, und währenddessen gibt dieselbe Membran die Stimmen wieder — das ist die Situation, in der Intermodulation entsteht. Ein Subwoofer mit einer Übergangsfrequenz im üblichen Bereich nimmt dem Chassis diesen Hub ab; der Unterschied ist bei Sprache über Musik deutlicher hörbar als jede Verbesserung im Frequenzgang. Hörbar machen lässt sich das mit einem Titel, der einen tiefen Grundton und eine ruhige Stimme gleichzeitig enthält — und mit dem Vergleich derselben Stelle mit und ohne Subwoofer.

Erst am Ende steht die Gerätefrage, und dann geht es um Aufstellung, Anschluss und Einmessung — der Weg dorthin führt über das Bassmanagement, das entscheidet, welcher Lautsprecher welchen Bereich überhaupt bekommt.

Verknüpfte Inhalte

Die Ursachen im Antrieb behandeln die Bl-Verzerrung und der Eintrag zu Wirbelströmen und Hysterese; den mechanischen Anteil steuern Sicke und Membranaufbruch bei. Warum Verzerrungsprodukte verschieden stark auffallen, erklärt die Verdeckung. Wie sich der Hub durch Aufgabenteilung senken lässt, steht beim Subwoofer, bei der Übergangsfrequenz und beim Bassmanagement. Ein Beispiel für einen Zulieferer, der diese Größe zum Maßstab erklärt, ist Purifi.

Quellen

Die Festlegungen der Messverfahren — üblicherweise 60 Hz und 7 kHz im Verhältnis 4:1 beim SMPTE-Verfahren, der Bezug der Produkte auf den Pegel des hohen Tons, zwei benachbarte hohe Töne mit 80 Hz Abstand bei DFD und CCIF, der Normbezug auf IEC 60118 und IEC 60268 sowie der rechnerische Unterschied von 6,02 dB zwischen CCIF und DFD — stammen aus der Verfahrensdarstellung von Audio Precision, die für diese Seite am Objekt gelesen wurde. Dass die Grenzauslenkung eines Chassis nach AES2 über 10 % harmonische oder Intermodulationsverzerrung bei Zweitonanregung bemessen wird, steht in der Verfahrensdokumentation der Klippel GmbH. Die Entstehung von Summen- und Differenztönen an einer nichtlinearen Kennlinie und der Dopplereffekt der bewegten Membran folgen der elektroakustischen Standardliteratur.