Verzerrungen

Verzerrungen

Verzerrungen: gerade oder ungerade?

Manfred Zollner

Verstärkerröhren wurden von Halbleitern weitgehend verdrängt – nur im Gitarrenverstärker hal­ten sie sich hartnäckig. Der Grund: Übersteuerte Röhrenverstärker klingen angenehmer als über­steuerte Transistorverstärker. Auch wenn das jetzt nicht für alle Vertreter ihrer Art gilt, bei nicht wenigen ist es so. Warum? Weil Röhren hauptsächlich geradzahlige Verzerrungen erzeugen, und die sind mit dem Original stärker verwandt als die vom Transistor produzierten ungerad­zahligen Verzer­run­gen. Kronzeugen dieses Statements sind die Orgelbauer, die mit Oktav­regis­tern strah­lende Klänge erzeugen, und mit Aliquoten hohle. Netter Versuch, doch völlig daneben. Gerad­zahlige Verzerrungen sind etwas ganz anderes als geradzahlige Obertöne. Die über viele Jahr­zehnte be­müh­ten angeblich guten even-order harmonics werden bezüglich der Verzerrungen falsch interpretiert, sie erzeugen keinesfalls nur eng verwandte Verzerrungstöne.

Angeblich erzeugen Verstärkerröhren vorwiegend geradzahlige Verzerrungen, die "offen, sin­gend, strah­lend" klingen, während ungeradzahlige Verzerrungen "gedeckt, hohl, weich" klin­gen. Die Theorie der nichtlinearen Verzerrungen wurde bereits in Kap. 5, 10, und 11 erläutert [Zollner 2014], sie soll hier nicht wiederholt werden. In aller Kürze: Beim nicht­linearen Ver­zerren eines Sinustones von z.B. 1 kHz entstehen zusätzliche Töne bei ganzzahli­gen Viel­fachen der Grundtonfrequenz. Also bei 2, 3, 4, 5, 6, 7... kHz. Die bei 2, 4, 6... kHz entstehen­den Verzerrungstöne nennt man geradzahlige Harmonische, die bei 3, 5, 7... kHz entstehen­den entsprechend ungeradzahlige Harmonische. Unter bestimmten Bedingungen können bei Röhren tatsächlich geradzahlige Verzerrungstöne überwiegen, und somit scheint ein Unter­schied zum Transistorverstärker gefunden, bei dem (unter gewissen, jedoch anderen Bedin­gun­gen) die ungeradzahligen Verzerrungstöne überwiegen. Um den Klang dieser Ver­zer­run­gen nicht nur mathematisch, sondern auch verbal beschreiben zu können, wurde schon vor Jahrzehnten eine An­leihe beim Orgelbau gemacht. Ein fataler Fehler, der sich fortan durch die Ver­stär­ker­literatur ziehen wird. Schon 1973 schreibt R. O. Hamm: "Perhaps the most know­ledge­able authorities in this area are the craftsmen who build organs and musical in­stru­ments. Through many years of careful experimentation these artisans have determined how various harmonics relate to the coloration of an instrument's tonal quality [JAES 21/4]". Das Fachwissen der Orgelbauer soll gar nicht in Frage gestellt werden – der Fehler war, es unkri­tisch auf Verstärker-Verzerrungen zu übertragen.

Die Schallerzeugung der Pfeifenorgel ist komplex: Da gibt es Zungenpfeifen, Lippenpfeifen, die eng oder weit oder offen oder geschlossen (gedackt) sein können, und beim Drücken der Taste einzeln oder in Kombination erklingen. "Bei der Gedackten sind die geradzahligen Harmonischen weitgehend unterdrückt. Die Schwingungsform ähnelt daher einem Rechteck, und die Klangfarbe wird als typisch hohl empfunden". Das wusste R. Böhm schon 1966, und natürliche wussten es die Orgelbauer noch viel früher, denn die Orgelvorläufer kommen aus vorchristlicher Zeit. Dem Orgelton lassen sich gezielt Obertöne hinzufügen, z.B. die Oktave (4') und die Superoktave (2'), oder die Aliquoten (Register, die nicht in Oktavrelation stehen). Die Obertonstruktur ist bekannt, der damit erzeugte Klang auch. Beim verzerrten Sinuston ist die Situation noch einfacher: Punktsymmetrische (ungerade) Übertragungskennlinien ergeben ungerad­zahlige Verzerrungen, achsensymmetrische (gerade) Kennlinien ergeben geradzahlige Verzerrungen. Beim Gitarrenton beginnen die Probleme, denn er ist kein Sinuston.

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Der Verzerrer

W. Hönlein, M. Zollner

Als Verzerrer bezeichnet man Vorschaltgeräte, die einen obertonreicheren und „fetteren“ Gitarrenklang herbeiführen. Das wird erreicht, indem man ein i.d.R. verstärkendes System gezielt in nichtlinearen Bereichen der Übertragungskennlinie betreibt, so dass das Aus­gangssignal - auch durch entsprechende Klangregelungen - die gewünschte Klangfärbung enthält. Sehr häufig befindet man sich dann außerhalb der von den Datenblättern „erlaubten“ Parameterwerten und kann die klanglichen Eigenschaften der Schaltung nicht genügend präzise berechnen. Für Musiker wichtig ist allerdings das mit dem Ohr bewertete Klang­erzeugnis.

Im Prinzip ist jeder Verstärker auch ein „Verzerrer“, denn durch in der Realität nichtlineare Kennlinien, also nichtlinearem Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangs­span­nung, werden auch im HiFi-Verstärker Obertöne hinzugefügt, bei letzterem allerdings in so gerin­gem Maße, dass sie unhörbar sind. Es kommt also wesentlich auf die Stärke des Effekts an und das unterscheidet auch die verschiedenen gängigen Charakterisierungen von Gitarren-Verzerrern. In zunehmendem Maße der Verzerrung spricht man vom Boost, Overdrive, Distortion und Fuzz.

Aus der obigen Definition wird Folgendes deutlich: Ein guter Verzerrer ist immer der, den der Musiker als gut empfindet. Schaltungstechnik nach Lehrbuch kann also bei der Entwicklung von Verzerrern nicht das primäre Ziel sein. Begrenzend für den Entwickler ist allenfalls das sichere und reproduzierbare Betriebsverhalten und, falls Batteriebetrieb erfolgt, auch ein geringer Stromverbrauch. Vor allem aber ist das Ziel ein angenehmer Sound, der möglichst viele Musiker und Hörer anspricht und für den Hersteller folglich einen Markterfolg darstellt. Entsprechend waren und sind in der Entwicklung von Verzerrern sehr viele Varianten unterwegs, die sich oft vor allem in ihrem äußeren Erscheinungsbild unterscheiden. Es lassen sich allerdings einige Grundschaltungen identifizieren von denen wir im Folgenden zwei Beispiele näher beleuchten.

Transistorverzerrer

Historisch gesehen waren die ersten Verzerrer in der klassischen Transistor-Schaltungs­technik der 60er Jahre ausgeführt und hatten ein vergleichsweise nüchternes Äußeres. Als Beispiel für den erfolgreichen Verzerrer der ersten Generation wollen wir uns den von Dallas Arbiter vermarkteten Range-Master näher betrachten.

Der Range-Master

Auf den ersten Blick entspricht die Grundschaltung einem einstufigen Transistorverstärker in Emitterschaltung aus dem Lehrbuch (Abb. 1). In den frühen 60iger Jahren waren die verfüg­baren Transistoren Germanium-Typen mit legierten P-leitenden Zonen auf einem N-leitenden Substrat. Es gab auch NPN-Typen, deren Funktion ist aber bis auf die umgekehrte Polung der Betriebsspannung weitgehend identisch. Der im Original Range-Master verwendete OC44 war eigentlich ein HF-Transistor und wurde wegen seines Preises und der guten Verfüg­barkeit eingesetzt.

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