Over Clipping

Op verzoek een korte uitleg over clipping:

Hier kunnen we het beste beginnen met een vraag:

met wat voor soort versterker blaast U eerder een luidsprekerbox van 30 Watt op? Met een versterker van 20 Watt (= minder Watt) of met een versterker van 50 Watt (= meer Watt)?

9 van de 10 mensen zal hier direkt "met die van 50 Watt natuurlijk, want die is te zwaar voor de luidsprekerbox van 30 Watt" op antwoorden. Helaas voor het gros van de mensheid klopt dit niet !!

Een luidsprekerbox bestaat meestal uit de behuizing, een scheidingsfilter en een bass-speaker (Woover), hoge tonen speaker (Tweeter) en eventueel een middentoon-speaker (deze laten we in de rest van het verhaal even achterwege). Het scheidingsfilter stuurt de juiste tonen naar de juiste speaker (dus hoge tonen naar de Tweeter, lage tonen naar de Woover).
Nu worden de tweeters slechts voor 1/4 van het maximale vermogen van de luidsprekerbox gedimensioneerd omdat men er (terecht) van uit gaat dat het meeste vermogen in het aansturen van de grote bass-speaker gaat zitten.
Als U dus een 30 Watt luidsprekerbox aansluit op een 50 Watt versterker dan zal het dus niet voorkomen dat de versterker overstuurd wordt. De versterker heeft dus genoeg vermogen om de luidspreker aan te sturen. Indien dezelfde 30 Watt luidsprekerbox nu op een 20 Watt versterker wordt aangesloten wordt het verhaal iets anders...
De 20 Watt versterker heeft nl. niet genoeg vermogen om de 30 Watt luidspreker aan te sturen. Gevolg is dat veel mensen de versterker extra ver open draaien (oversturen) om toch een behoorlijk hard geluid er uit te krijgen. Gevolg hiervan is dat het geluid gaat vervormen (bij veel moderne muziek zoals House, Rock etc. zeer moeilijk te horen vanwege het muziekgeweld) omdat de versterker meer Watts moet leveren als dat ie simpelweg kan.
Zodra een versterker overstuurd wordt zal het geluid vastlopen tegen de voedingsspanningen (niet genoeg Ampere's) en treedt het fenomeen "Clipping" op: De toppen van het sinus-vormige signaal worden door de versterker afgevlakt (zie 3e tekening hierboven). Hierdoor worden er echter flink wat hogere harmonischen in het signaal geintroduceerd. Het scheidingsfilter zal deze harmonischen naar de Tweeter sturen en de Tweeter krijgt daarmee flink wat op zijn donder omdat ie veel meer signaal moet verwerken dan in het geval van het niet-vervormde geluid. Houdt deze situatie een tijdje aan dan kan het niet anders dan dat de Tweeter beschadigd doordat de spreekspoel schade oploopt en eventueel de spreekspoel zelfs doorbrandt. Gevolg is dat de luidsprekerbox is "opgeblazen".

Bij zeer goedkope versterkers bestaat er echter ook de mogelijkheid dat, zodra de versterker vastloopt tegen de voedingsspanningen, de spanning van de versterker in elkaar klapt en deze gelijkspanningskomponenten gaat geven waar luidsprekerboxen óók niet tegen kunnen.

Nu zijn bovenstaande feiten zonder meer waar, maar het verhaal gaat nog ietsjes verder:
Als we naar het "debielste" clip geval kijken (een pure blokgolf) dan zien we dat, bijvoorbeeld, bij een 100Hz blokgolf, de derde harmonische (300Hz) op -10dB van de grondtoon zit, de 5e harmonische (500Hz) op -14dB, de 7e harmonische op -17dB enz enz enz. En laten we wel wezen... Bij die 7e harmonische hebben we het dus nog steeds maar over 700Hz in dit geval.

Waarom noemen we de 100Hz als voorbeeld? Omdat statistische analyse heeft aangetoond dat bij de meeste (POP) muziek de meeste energie zit rond de 100Hz. Boven de 100Hz valt het spectrum met 3dB/oktaaf af, onder de 100Hz ook met 3dB/oktaaf.

Zoals je hierboven hebt kunnen zien is niet elke frequentie even luid vertegenwoordigd in een stukje muziek. Als een versterker dus in de clip gedraaid wordt zullen de frequenties rond de 100Hz als eerste begrensd worden (ze kunnen niet harder dan volledig in de clip). De hogere frequenties zijn echter een flink stug lager in amplitude aanwezig in het signaal en kunnen dus WEL flink verder toenemen in niveau. En DAT zorgt er dus voor dat de een luidspreker (Tweeter) in een luidsprekerbox de geest kan geven als je een versterker zwaar in de clip draait.

Daarnaast is het belangrijk te begrijpen dat audio GEEN continue stabiele sinus is (gelukkig niet zeg). Het is een continu varieerend signaal met luide en zachte stukken. Het gemiddelde hiervan (de "average" power) is wat belangrijk is voor de spreekspoel van de luidspreker; het gemiddelde is immers wat bepaalt hoe warm de spreekspoel wordt.

Hoe meer je een signaal clipt, hoe meer je de pieken weghaalt EN hoe lager dus de dynamiek wordt EN hoe hoger dus het gemiddelde vermogen wordt. Dit wordt, met een mooi woord, wel eens "clipping induced compression" genoemd.

Als een versterker dus in de clip draait hebben we EN te maken met het feit dat de gemiddelde waarde van de hogere tonen verder toe kan nemen dan die van de lagere tonen (vanwege hun verhouding in amplitude) EN te maken met het feit dat de dynamiek van de muziek verminderd wordt waardoor dus het gemiddelde vermogen dat de speaker toegevoerd krijgt dus zal stijgen.

Een luidspreker in een luidsprekerbox maalt immers maar om TWEE dingen:

1. Kan ik de gevraagde arbeid verrichten zonder daarbij meer te bewegen dan mogelijk is.
2. Kan ik de gevraagde arbeid verrichten zonder daarbij warmer te worden dan toegestaan is.

De speaker zelf maakt het dus NIET of het signaal geclipped is, of het van de Spice Girls komt of van Paverotti! De speaker maalt alleen maar om 1 en 2.

En clippen kan er dus voor zorgen dat 2 (en in zekere mate ook 1) overschreden wordt vanwege de eerder genoemde bijwerkingen. Resultaat: een spreekspoel die te warm wordt en daardoor dus beschadigd of volledig verbrand.

Een aantal mensen zal na het "opblazen" van een luidsprekerbox gelijk roepen dat de luidsprekerbox van slechte kwaliteit is. Dit hoeft absoluut niet zo te zijn, zowel goedkope als hele dure luidsprekerboxen zijn eigenlijk simpel "op te blazen".
Zodra deze mensen door hebben dat de versterker eigenlijk de luidsprekerbox heeft vernield wordt gelijk de conclusie getrokken dat het dan niet een slechte kwaliteit luidspreker is maar een slechte kwaliteit versterker. Ook dit hoeft absoluut niet zo te zijn.  Zowel met dure als met goedkope versterkers zijn luidsprekerboxen "op te blazen" (er bestaan trouwens versterkers met "anti-clip" regelingen zoals van NAD, deze zijn echter wel behoorlijk prijzig).

"Hoe voorkom ik dan dat ik mijn luidsprekers "opblaas"" is dan de uiteindelijke vraag. Eigenlijk heel simpel door de versterker het geluid niet te laten vervormen. Draai de volume-regelaar nooit zover open dat dit gebeurt of dat de versterker er net tegenaan zit. Het is uiteindelijk altijd de mens zelf die de luidsprekerbox "opblaast" door simpelweg de apparatuur op de verkeerde wijze te gebruiken.