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Gitarrenverstärker: Virtuelles Röhren-Glühen

Soll die E-Gitarre mal nach Hendrix, mal nach Beatles klingen, wechseln Musiker heute nicht mehr die Verstärker, sondern ändern die Einstellung ihres virtual amp.


Die elektrische Gitarre zu erfinden, hatte einen simplen Grund: Gegen das Klangvolumen einer Bigband kam das rein akustische Saiteninstrument zu Anfang des 20. Jahrhunderts nicht mehr an. Deshalb begannen Bastler und Elektro­ingenieure, die Schwingungen der metallenen Saiten durch Elektromagnete in elektrische Signale zu verwandeln – die Veränderung des Magnetfelds induziert eine schwache Spannung in den Spulen der Tonabnehmer (fachlich Pickups).

Um dieses Signal zu verstärken, stand die Röhrentechnik des noch jungen Rundfunks zur Verfügung (siehe Glossar). Eigentlich sollten diese Schaltungen die Signale nur linear verstärken, doch wenn man die Geräte nur genug aufdrehte, begannen sie auch zu verzerren. Diese Distortion wurde schnell zum Klangcharakteristikum der E-Gitarre und bildete die Basis neuer Musikstile wie Blues, Rock ’n’ Roll bis hin zu den heutigen Spielarten des Rock.

Das Besondere aber war: Verschiedene Verstärker klingen anders. Das liegt unter anderem an den verwendeten Röhren mit ihren jeweils eigenen Kennlinien sowie an den elektronischen Schaltungen. Zum Beispiel gehören zum Sound der Beatles Verstärker der Firma Vox, während Jimi Hendrix Geräte von Marshall bevorzugte. Aber: Schon ein Wechsel von Komponenten-Zulieferern verleiht einem Modell ganz andere Eigenheiten.

Um ihren eigenen Sound zu finden ­beziehungsweise je nach gefordertem Musikstil zu variieren, mussten Gitarristen oft eine ganze Batterie an Verstärkern erwerben. Auch heute noch bringen ältere, aber legendäre Geräte bei Versteigerungen Spitzenpreise, trotz der Empfindlichkeit von Vakuumröhren gegen Temperaturschwankungen und Feuchte. Denn Transistorge­räte, kurzzeitig als Alternative gehandelt, klingen oft zu steril, da sie strikt linear verstärken. So genannte Feldeffekt-Transistoren sollten den Klang etwas "schmutziger" machen, da ihre Kennlinie ähnlich der einer Röhre verläuft. Aber auch das stellte Musiker nicht zufrieden.

Erst die Entwicklung digitaler Signalprozessoren eröffnete in den letzten Jahren neue Möglichkeiten, den Geldbeutel zu schonen und künstlerische Freiheiten auszubauen. Die virtuellen Verstärker bilden die analoge Röhrensysteme weitgehend getreu nach. Sie liefern eine ganze Palette an Amps, verpackt in einem handlichen, preisgünstigen Produkt.

Am Anfang einer solchen Verstärker-Simulation steht die Analyse des realen Vorbilds. Es besteht aus einer Eingangsstufe, der das Spannungssignal der Tonabnehmer zugeführt wird. Darauf können mehrere Verstärkerstufen folgen. Regler beeinflussen den Klang, fördern beispielsweise gezielt tiefe Töne. Schließlich setzt ein Transformator das Signal noch einmal um, sodass es den nachfolgenden Lautsprechern optimal angepasst ist.

Prinzipiell ließe sich jedes Bauteil einer solchen Schaltung in einer Software nachbilden. Chip-Designer testen ihre Entwürfe auf dem Rechner, bevor sie einen realen Prototyp anfertigen. Leider wäre ein derart detaillierter Ansatz viel zu zeit- und rechen­aufwendig. Stattdessen simulieren virtuelle Verstärker komplette Baugruppen, insbesondere Röhren, Reglerschaltungen und Lautsprecher. Vor der mathematischen Mo­dellierung steht freilich das Messen und Analysieren. Zum Beispiel untersuchen wir die Frequenzantwort einer Baugruppe: Wir speisen einen Ton bestimmter Amplitude ein und messen den Output, dabei durchfahren wir das gesamte Frequenzspektrum.

Vakuumröhren haben eine nicht-line­are Kennlinie, das heißt: Einer wachsenden Eingangsspannung vermag die Ausgangsspannung schließlich nicht mehr im selben Maße zu folgen, und das Signal verzerrt. Im einfachsten Fall eines reinen Sinustones werden seine Amplituden schlicht gekappt (fachlich "Clipping", siehe Grafik nächste Seite). Zerlegt man eine solchermaßen gestörte Welle mittels Fourier-Analyse in ihre spektralen Bestandteile, wird offensichtlich: Dem Sinusgrundton haben sich zahlreiche Obertöne (siehe Glossar unten) zugemischt. Aus diesem Grund erscheint der Klang heller und komplexer.

Um dieses Verhalten nachzubilden, haben wir die Kennlinien gängiger Röhrentypen vermessen und mathematisch approximiert. Um die daraus resultierenden mathematischen Modelle auf digitalen Signalprozessoren durchzurechnen, müssen die analogen Spannungswerte zuvor in Bits und Bytes umgesetzt werden. Gerade Nichtlinearitäten können dabei Probleme bereiten. Nach dem Nyquist-Theorem kann ein solcher Analog-Digital-Konverter keine Frequenz richtig wiedergeben, die größer ist als sein doppelter Arbeitstakt. Mit anderen Worten: Die im CD-Format übliche maximale Frequenz von 22,05 Kilohertz setzt voraus, dass das Digitalisieren (Sampling im Fachjargon) mit mindestens 44,1 Kilohertz erfolgt. Höhere Frequenzen im Signal werden dem niederfrequenten Teil des Spektrums zugeschlagen und erzeugen unschöne Artefakte. Entstehen durch das Clipping des Ausgangssignals – das im Extremfall aus einer Sinus- eine Rechteckkurve macht – zahlreiche Obertöne, kann diese Grenze leicht überschritten werden. Eine Lösung ist das Oversampling: Noch vor dem Modellieren der Nichtlinearität wird das Eingangssignal mit wesentlich höherer Rate erneut digital abgetastet. Kritische Obertöne lassen sich nach der Berechnung herausfiltern.

Deutlich weniger Ansprüche an die Modellierung stellen die Regler vor und hinter den Röhrenstufen, denn sie arbeiten meist linear. Anhand des Schaltplans und ihrer Frequenzantwort lässt sich der Einfluss dieser Komponenten auf den Klang analysieren. Einige Verstärker kennen nur einen einzigen Regelknopf, andere trennen in die drei Frequenzbereiche Bass, Mitten und Höhen. Im Prinzip arbeiten sie als Filter, deshalb werden sie auch durch entsprechende mathematische Modelle nachgebildet. Allerdings lässt sich oft nur schwer voraussagen, wie drei Regler interagieren.

Bei unseren Messungen und Modellentwicklungen erlebten wir auch manche Überraschung. Denn die Nichtlinearität einer Verstärkerstufe wird vom gesamten Schaltkreis erzeugt, selbst von der Spannungsversorgung. Mitunter fanden wir, dass die Elektronik bei bestimmten Frequenzen oder Amplituden eine Gleichspannung erzeugte, die sich dem Signal überlagerte. Dabei entstand eine asymmetrische, verzerrte Wellenform, das heißt neue Obertöne. Tatsächlich trug dieses vom Hersteller sicher nie beabsichtigte Verhalten seiner Schaltungen durchaus zum charakteristischen Klang bei. Bei anderen Produkten fanden wir, dass die kapazitiven Filter, die das 50-Hertz-Signal der Netzspannung herausfiltern sollen, bei großen Lautstärken versagten. Das Ergebnis: Das Audio-Signal wurde mit der Netzfrequenz moduliert, und zwar je nach Amplitude unterschiedlich stark. Dieser eigentlich höchst unerwünschte Effekt gehörte in diesen Fällen tatsächlich zum Klang der Geräte.

Die letzten Glieder in der Signalkette eines Verstärkers sind die Boxen, also die Kombination aus Lautsprecher und Gehäuse. Eine nach hinten offene Box entwickelt mehr mittlere Frequenzen, eine geschlossene beeindruckt durch ihre Tiefen, Lautsprecher beeinflussen sich gegenseitig. Die Modellierung ist in der Theorie anspruchsvoll, in der Realisierung einfach: Wir zeichnen die Frequenzantwort dieser Komponente auf einen scharfen Impuls auf, speichern sie und verknüpfen sie mit dem Output des Transformators. Mathematiker sprechen von einer Faltung, doch in der digitalen Welt wird daraus eine schlichte Multiplikation der Daten.

Ein virtueller Verstärker soll auf der Anlage des Musikers so klingen, als höre er die Mikrofonaufnahme des realen Vorbilds. Kritiker bemängeln einen synthetischen Sound und befürchten, dass Gitarristen bald nicht mehr das Original als Referenz nehmen, sondern die Simulation. Diese Argumentation trifft meines Erachtens nicht die Wirklichkeit. Zwar erklären Gitarristen beim direkten Vergleich von Röhrenverstärker und Simulation, der Erstere klänge wärmer, irgendwie besser. Doch diese Unterscheidung setzt voraus, dass sie wissen, welches Gerät sie momentan spielen. Beim Blindtest unter kontrollierten Bedingungen gelingt ihnen die Differenzierung nicht mehr.


Glossar


- Die Verstärkerröhre wurde Anfang des 20. Jahrhunderts erfunden. Ihre Kathode wird erhitzt, sodass Elektronen aus ihrer Oberfläche austreten und zur Anode fliegen. Das Nutzsignal – zum Beispiel einer E-Gitarre – liegt am Gitter an, erzeugt eine Gegenspannung und moduliert den Elektronenfluss. Der Transistor hat die Röhre aus vielen Bereichen der Elektronik, doch nicht aus der Musik verdrängt. Bis auf eine modernere Vedrahtung entspricht der heutige Vox AC30 dem von den Beatles genutzen Verstärker.

- Der Klang eines Instruments lässt sich als Frequenzspektrum darstellen. Es besteht aus einem periodischen Grundton und dessen Vielfachen, den Obertönen. Ist das Frequenzverhältnis ganzzahlig (etwa 1:2), wird es als harmonisch bezeichnet; gebrochene Relationen wie 1:1,2 kennzeichnen Klanggemische etwa von Glocken. Geräusche bestehen aus unharmonischen Folgen nicht-periodischer Schwingungen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 2003, Seite 82
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
3 / 2003

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 3 / 2003

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