AZ ELEKTRONIKUS TORZÍTÁSOK MÓDOZATAI

Persze sokféleképpen lehet a részhangoktól mentes szinuszhangokat, vagy a zenei hangokat eltorzítani.^{^[1]} Az elmondottakat lássuk a keletkezés-előállítás szempontjából rendszerezve is, mindig külön kiemelve a torzítás-típusok zenei kontextusokban kifejtett lehetséges hatását.

A valódi torzítás (angolul high gain distortion) azonban az, amikor a hanghullámok elektronikus jelét vagy „összenyomják” vagy a csúcsait „levágják” (ezt nevezzük ún. szűrők nélküli, nemlineáris torzításnak), ami új felhangokat ad a hangnak,^{^[2]} miáltal a hang kemény, egyben elmosódó körvonalúvá — az ultraliberálisok által nyárspolgárinak gondolt/mondott szépérzék számára „csúnyává” — lesz. Az utóbbi a leggyakrabban használt torzítási eljárás.^{^[3]}

I. Jelcsúcslevágás (signal peak clipping) kétféleképp érhető el: erősítőkkel (amplifier overload clipping) és digitálisan (digital signal processing).

1. Erősítővel végrehajtott csúcslevágásról (amplifier peak clipping-ről) akkor beszélünk, amikor egy erősítőt túlvezérelnek (overdrive), ami azt jelenti, hogy az erősítőt arra késztetik, hogy erősebb jeleket adjon le, mint amilyeneket a tápegység lehetővé tesz. Az erősítő ilyenkor a teljesítőképessége szerinti maximumra erősíti a jelet, és a nagy amplitudójú csúcsjelek tetejéből valamennyit levág (ez a clipping). Ilyenformán egy olyan színuszhullám keletkezik, melynek formája egy torzított, négyzet-alakú hullámformát vesz fel.

Hatása: Ezen új hangjelek, felhangok lehetnek az alaphang egészszámú többszörösei, ún. „páros rendzámú harmonikusok” (even harmonics). Ilyenkor telt (angolul warm), vagy — az ún. intermodulációs torzítás következtében — ún. „páratlan rendszámú harmonikusokat” (odd harmonics); szikár (angolul gritty) hangokat kapunk.

2. Elektroncső túlvezérléssel is lehet torzítani a hangot az erősítőkben lévő elektroncsövek túlvezérlésével (valve distortion).

Hatása: Az elektroncsövek ún. „aszimmetrikus lágy levágást” (asymmetric soft clipping) eredményeznek, miáltal „telt” (angolul warm) hangzást, sőt szabályos felhangokat eredményeznek.^{^[4]}

Az erősítő túlvezérlésének van egy „keményebb” változata is. Ilyenkor a hullámcsúcsokat minden átmenet nélkül, „hirtelen” vágják le, miáltal a páratlan rendszámú harmonikusok nagyobb hangnyomással szólalnak meg.^{^[5]}

Hatása: E hangot „rekedtesen rikoltónak” (angolul harsh-nak) nevezik.

Megjegyzés. Témánk szempontjából fontos leszögezni, hogy a magasabb hangokat – azonos hangnyomás mellett – 4000 Hz magasságig hangosabbnak halljuk.

3. Alulvezérlés. Vannak azonban olyan hatások, amelyeket éppenséggel a rendszer által megkívánt feszültséghez képest túl alacsony feszültséggel állítanak elő.

Hatása: Angolosan „piszkos” (dirty),^{^[6]} reszelős (angolul gritty) hangszín.

4. Műveleti erősítő torzítás; op-amp distortion. Az ún. „félvezetős erősítők” (vagy „szilárdtest-erősítők”) tranzisztorokat vagy ún. „műveleti erősítőket”^{^[7]} foglalnak magukba, melyeknek – a „normalitás” érzésének fenntartása mellett – a bemeneti jellel azonos alakú, de nagyobb amplitúdójú kimeneti feszültséget kell biztosítaniuk. Ha viszont a kimenő jel alakja – az amplitúdón belül – eltér a bemeneti jel alakjától, „torzítást” érzékelünk.

Hatása: Mivel az erősítők túlvezérléskor kemény, brutális levágást (hard clipping) eredményeznek, mely a páratlan rendszámú részhangoknak még magasabb amplitudót (additional high-amplitude) kölcsönöz, ismét „piszkos”, vagy „kemény” hangokhoz jutunk.^{^[8]}

Megjegyzés. A hangosság szempontjából ismét megjegyezem, hogy elektronikusan csak úgy lehet elérni, hogy a jelet addig a pontig erősítjük, amelyen már le kell csípődnie, tehát ez is a hangosság növelésére ösztönöz. A másik dolog, hogy a — részben szándékos, részben szándéktalan — torzítások (nagy hangerő mellett) jobban károsítják a fület, mint a — különben szintén nagy erejű — természetes, „tiszta” frekvenciával rendelkező hangok.

A BEMENŐ JELEK SZÉTBONTÁSA, ANALIZÁLÁSA

(Fázis- vagy késleltetési torzítás.) Az erősítő bemeneti jele általában több frekvenciából áll, amelyeket – a jóhangzás érdekében – elvileg egyszerre kell erősíteni. Csakhogy az ilyen spektrumok alakja nem marad meg, ha az azt alkotó frekvenciák terjedési ideje nem azonos, és emiatt a jelösszetevők egymáshoz viszonyított fázishelyzete megváltozik. A módszert (melyet „fázistorzításos szintézisnek” is neveznek), Mark Fukuda (Casio) vezette be 1984-ben a Česká zbrojovka-USA szintetizátorcsaládjába, és még ma is használatos.^{^[9]}

Hatása: Jóllehet, a késések alig hallhatók,^{^[10]} a torzítás erősítővel felerősítve zavaróvá válik.

Megjegyzés. Mint Miklós András felhívja a figyelmet, már a bemeneti zenei hang is tartalmazhat olyan magasabb számú harmonikust, amelynek energiája akár 40-50%-os energiával rendelkezik, tehát ob ovo „torzított”.^{^[11]}

II. Amplitúdó-torzítás akkor lép fel, amikor az erősítő sávszélessége nem elegendő az analóg jelet alkotó összes frekvencia (spektrum) felerősítéséhez.

Hatása: A megkülönböztetés következtében a jel időfüggvénye (az erősítő bemenetétől a kimenetéig) egyrészt a természetes komfortérzetet, másrészt a közízlést sértő módon megváltozik. Azaz „kellemetlen” és „csúnya”.

Két fajtája van: lineáris és nemlineáris torzítás. Az erősítő akkor torzít lineárisan, amikor vagy (a) nem egyformán erősíti a különböző frekvenciájú jeleket (frekvenciatorzítás), vagy (b) megváltoztatja a jelösszetevők egymáshoz viszonyított fázishelyzetét (fázistorzítás). Minél nagyobb az erősítés legnagyobb eltérése a közepes frekvencián mért értéktől, annál nagyobb a frekvenciatorzítás mértéke.

A) Lineáris torzítás. Az erősítő akkor torzít lineárisan, amikor vagy (a) megváltoztatja a jelösszetevők egymáshoz viszonyított fázishelyzetét (fázistorzítás, l. fent), vagy (b) nem egyformán erősíti fel a különböző frekvenciájú jeleket (frekvenciatorzítás). Ilyenkor az erősítőben lévő nemlineáris elemek (diódák, tranzisztorok stb.) olyan jelösszetevőket hoznak létre a kimeneten, amelyek nincsenek jelen a bemeneti jelben. Pontosabban: a kimenő amplitúdó – azaz a rezgéshulám egyensúlyi vagy nyugalmi helyzettől számított legnagyobb kitérése – a bemenő amplitúdónak nem lineáris függvénye.^{^[12]} Az ily módon létrejött torzított jel az alaphullámokon kívül felharmonikusokat is tartalmaz. Minél nagyobb az erősítés legnagyobb eltérése a közepes frekvencián mért értéktől, annál nagyobb a frekvenciatorzítás mértéke.

B) A nemlineáris torzításoknak két fajtája van: harmonikus és modulációs torzítások.

Megjegyzés: A kommunikációs láncnak hallószervünk is része, mely ugyancsak nemlineáris sajátosságokkal bír.

VAGY IDE TARTOZIK A KIMENETI FESZÜLTSÉG TÚLHAJTÁSA IS (L. FENT.)

A kimenő frekvenciák lehetnek harmonikus felhangok – azaz az eredeti felhangok valamelyikének egész számú többszörösei (harmonic overtones)^{^[13]} –, vagy nemharmonikus felhangok (inharmonic overtones), melyek egy ún. intermodulation distortion-ból származnak. Ennek értelmében kétféle amplitúdó-torzítás léphet fel: a legismertebbnek mondható harmonikus torzítás és az intermodulációs torzítás.^{^[14]}

a) (A harmonikus torzítás) olyan nemlineáris torzítás, amely akkor jön létre, amikor az erősítő a különböző amplitúdójú jeleket nem egyformán erősíti. A benne lévő nemlineáris elemek (diódák, tranzisztorok stb.) olyan jelösszetevőket hoznak létre a kimenetén, amelyek nincsenek jelen a bemeneti jelben. Az így létrejött torzított jel az alaphullámokon kívül felharmonikusukat is tartalmaz. A bemenő jelnek ily módon „nemkívánt” felhangjai keletkeznek, és a kimenő jelben a felerősített jellel együtt jelennek meg.^{^[15]}

Hatásuk: A harmonikus torzítás mértéke e felharmonikusok és az alapharmonikusok arányától függ, és – szemben a modulációs torzítással – 3% körüli értéke füllel érzékelhető. Megjegyzendő továbbá, hogy hallásunk elsősorban a magas frekvenciájú torzításokra érzékeny; az alacsony frekvenciájúakat akár „jónak” is minősítheti.^{^[16]}

A harmonikus torzításnak két fajtája van:

Az egyik a) Az ún. „lágy levágás” (soft clipping) fokozatosan laposítja el a kiugró jel csúcsait, és háttérbe vonja (de-emphasizes) a magasabb páratlan rendszámú (odd) felhangokat.

A másik b) Az ún. „rideg levágás” (hard clipping) azonnal lelaposítja a kiugró hullámokat, miáltal — nagyobb hangerő alkalmazása esetén — magasabb páratlan rendszámú felhangokat eredményez.

Hatása: „Rekedtesen rikoltó” (harsh) hang. Ugyancsak Miklós mutat rá arra, hogy

„Hallásunk […] igen érzékenyen reagál a hirtelen változásokra. […] Márpedig a limitált jel igen gyors “ugrásokat” hordoz magában. […] Az ugrások annál nagyobbak, minél élesebben »törik« a jel. Ha a jelet mégegyszer differenciáljuk, a szakadások helyén kisebb-nagyobb tüskék jelennek meg, és ezek a tüskék jelzik számunkra, hogy »amit most hallunk, az nagyon torz«”. Jegyezzük meg tehát, hogy szubjektív élményünk szempontjából nem a harmonikus torzítás százalékos értékének, hanem a jel simaságának van döntő jelentősége.”^{^[17]}

A harmonikus torzítás aránya egy elektroncsöves erősítőnél akár 40-szer kisebb, mint egy tranzisztoros erősítőnél.^{^[18]}

Hatása: Az emberi fül a tranzisztoros erősítő harmonikus torzítását mégis kellemetlenebbnek ítéli az elektroncsöves erősítőénél. Ennek – dr. Bakó Tamás Béla szerint – négy oka van. Az első az eltérő nemlineáris karakterisztika a normális jeltartományban; a második az eltérő határoló karakterisztika a túlzottan nagy amplitúdójú jeleken; a harmadik a negatív visszacsatolás hiánya az elektroncsöves készülékeknél; a negyedik, hogy az ember hallása különböző súllyal veszi figyelembe az eltérő karakterisztikákból eredő eltérő torzításokat.^{^[19]}

A két technika összehasonlításából az derül ki, hogy

„az elektroncsőnél a torzítás jóformán csak második és harmadik harmonikust hoz létre, a magasabb harmonikusok elhanyagolhatóak, azonban a tranzisztornál a magasabb harmonikusok amplitúdója is viszonylag nagy.”

Hatása:

„A magasabb harmonikusok két okból is zavaróak az ember számára: egyrészt az emberi hallás számára a magasabb harmonikusok önmagukban sokkal zavaróbban hatnak mint a 2. vagy 3. harmonikusok, másrészt a magasabb harmonikusokat előállító karakterisztika nagymértékű intermodulációs torzítást is okoz, ami különösen zavaró a hallás számára.”^{^[20]}

Megjegyzés: Addig, amíg a levágás általi torzítások mértéke a hangerővel nő, a harmonikusoké csökken.^{^[21]}

Miklós András ezzel kapcsolatban felhívja a figyelmet egy másfajta harmonikus torzításra (melyre korábban más összefüggésben már utaltam):

„Van azonban egy olyan típusú harmonikus torzítás, amelyre fülünk különösen érzékeny. És ez az, amikor az erősítő nem tudja kellőképpen kihajtani a hangsugárzót, tehát limitál, viszont a színképben tömegesen jelennek meg oda nem való összetevők, melyet fülünk észrevesz. Hangélményünk szempontjából azonban nem a harmonikus torzítás százalékos értéke, hanem a jel „simasága” döntő.”^{^[22]}

b) (A modulációs torzítások) esetében a létrehozott jelösszetevők frekvenciája a bemeneti jelösszetevők frekvenciájának összege és különbsége.

Hatásuk: Már 1% felett is érzékelhetők, és a harmonikus torzításoknál kellemetlenebb benyomást keltenek.

(A keresztirányú torzítás, crossover distortion) leggyakrabban egy kiegészítő, vagy egy push-pull B osztályú erősítő 0 fokozatú keresztezési tartományában lép fel. (Erre utal a crossover kifejezés, mely a jel „áthaladását” jelenti egy eszközről, például egy tranzisztorról, egy másikra – és fordítva.) A kétvégű B osztályú erősítőben az egyik kiegészítő eszköz a bemenet „pozitív”, míg a másik annak „negatív” oldalát erősíti. Ha nincs jel, mindkét eszköz ki van kapcsolva, és a kimeneti eszközökben nincs áram. Ha van jel, egyszerre csak egy eszköz van bekapcsolva (push-pull erősítő). Mivel a tranzisztorok nemlineáris tartományaikban vannak, és mivel az audiojel negatív irányból pozitív irányba mozdul, – és fordítva –, a nemlineáris viselkedés keresztirányú torzuláshoz vezet.

Ezek a két felváltva vezető végfokozat nem kellően gyors áramátvételéből adódnak.

Hatása: Egyfelől jelentősen megnőtt a hatékonyság, másfelől viszont sokkal nagyobb a torzítás is. Amikor az újonnan keletkezett felhangok magasabb frekvenciákon jönnek létre, és az alaphang kevéssé nyomja el őket, a torzítás – ugyanazon mértékű torzítás esetén – sokkal jobban hallható, mint a levágás általi torzítás.^{^[23]}

B) Intermodulációs torzítás akkor lép fel, ha egy rendszerbe több komponensű jel – pl. egy mélyebb és egy magasabb hang – kerül. Ekkor olyan komponensek is megjelennek, – pl. a mélyebb modulálja a magas frekvenciáját –, amelyek a két komponens modulációjából, összekeveredéséből származnak. Intermodulációs torzítást az ún. Doppler-effektus is okozhat.^{^[24]}

Ismét dr. Bakó írja:

„Az intermodulációs torzítás érték arra ad viszonyszámot, ha kettő vagy több különböző frekvenciájú szinuszjel van a bemeneten, akkor a kimeneten mekkora lesz az összeg és különbségi frekvenciájú szinuszos komponensek aránya az eredeti bemenő jelek teljesítményéhez képest.”

Hatása: Kevesebb, mint 1%. Miklós írja:

„Ezek az összeg és különbségi frekvenciájú jelek nincsenek az eredeti jelek frekvenciájával semmilyen arányban, azaz azokhoz képest disszonánsak, illetve zajszerűek. Így ez a fajta torzítás disszonáns háttérhangokat, illetve a hangerőtől függő értékű háttérzajt okoz, ami kellemetlen hangzás, illetve elfedi az eredeti hang halk részleteit. Innen erednek azok a kifejezések, hogy a csöves erősítőknél (ahol ez a torzítás típus jóval kisebb) a hang »tisztább«, »több részletet tartalmaz«, »árnyaltabb«. A második és harmadik harmonikus jelenléte viszont – különösen a mély hangok esetén – kifejezetten kellemes hatást kelt.”^{^[25]}

(Különbségi torzítás.) Ha az átviteli rendszerre két szinuszos jelet bocsátunk, a két bemeneti frekvenciából mindenféle nfl+mf2, illetve nf2±nf1 frekvenciájú komponens alakulhat ki.^{^[26]} Ha az f1 és az f2 távol esik egymástól, intermodulációs, ha közel, különbségi torzításról beszélünk.^{^[27]}

(Az átmenő intermodulációs torzítás, transient intermodulation distortion) az intermodulációs torzítás válfaja, mely magas frekvenciákal és meredek csúcsokkal jellemezhető, rövid átmenőhangok alatt lép fel.^{^[28]}

Jegyzetek

A Wikipedia jó összegezését adja a technikának (Distortion/music). Tekintve, hogy ehhez nincs mit hozzátennem, egyéb mondanivalóm kifejtéséhez az ottani leírást követem. ↑
L. Glenn D. White és Gary J. Louie The Audio Dictionary. University of Washington Press. 2005, 114. old. ↑
Davis, Gary; Davis, Gary D.; Jones, Ralph (1989). The Sound Reinforcement Handbook. Hal Leonard. pp. 201–102. ↑
Dailey, Denton J. (2011). Electronics for Guitarists. Springer. p. 141. ↑
Philip Newell: Recording Studio Design. Focal Press, 2007. 464. old. ↑
A “piszkos hang” (dirty tone) itt sem azonos sem a tonálisan nem tiszta hanggal (off key, out of tune sound), sem a jazzből ismert dirty sound-dal sem (mely az utóbbinak egy különös fajtája). ↑
A műveleti erősítők (operational amplifiers) néhány tucat tranzisztorból felépített, közvetlenül csatolt, nagy feszültségerősítéssel rendelkező áramkörök. ↑
Dailey, Denton J. (2011). Electronics for Guitarists. Springer. p. 141. — A “ki van téve”, vagy a “nem kívánatos” kitétel a hangtechnikai szakirodalomban a “nagy hanghűség” követelményét tartja szem előtt; előfordul viszont, hogy a művészek és az őket kiszolgáló technikusok éppen a “nem kívánatos” hangokat tartják kívánatosnak. ↑
L. pl. a Tubeohm Phasewave nevű eszközt. ↑
A fáziseltolódás típusainak viszonylatában tapasztalt mértéke vitatott. A torzítás mértékét a késleltetési különbségek frekvencia függvényében történő megadásával lehet számszerűsíteni. ↑
Miklós, i.m. uo. ↑
De csak az átviteli karakterisztika meghatározott aránya esetén. Ha a bemeneti jel szinuszos, a kimeneti jel is az lesz. ↑
Moscal, Tony (1994). Sound Check: The Basics of Sound and Sound Systems. Hal Leonard. p. 55. ↑
Amplitude distortion, Wikipedia, internet. ↑
Az erősítő linearitásának hiánya esetén a szinuszos bemeneti jel a kimenetnél eltorzult jelként jelenik meg, mely egy tiszta szinusz (az alap) és az annak többszörösét meghaladó frekvenciák (harmonikusok) összegének tekinthető. ↑
Gary Davis, Gary D. Davis: The Sound Reinforcement Handbook. Hal Leonard Corporation, 1989. 84. old. ↑
Miklós, i.m. uo. ↑
Az elektroncsöves erősítőnél kb. 1-2%, a tranzisztoros erősítőnél kb. 0.05%. ↑
Dr. Bakó Tamás Béla: Nemlineáris torzítások audio eszközökben. Ea. Pro Scientia Aranyérmesek VIII. Tudományos Konferenciája. Pécs, 2006. https://www.researchgate.net/publication/228454941_Nemlinearis_torzitasok_audio_eszkozokben ↑
Dr. Bakó, i.m. 2. old. ↑
Total Harmonic Distortion, Wikipedia, ↑
Miklós, i.m. uo. ↑
Distortion – Valves vs. Transistors. Wikipedia, ↑
Davis & Davis, i.m. 86. old. ↑
Dr. Bakó, i.m. uo. ↑
n és m tetszőleges egész számok. ↑
Miklós, i.m. uo. ↑
Davis & Davis, i.m. uo. ↑