Der Distortion (dt. Verzerrung)-Effekt basiert auf starkem Übersteuern und/oder Limitieren eines Signals. Er ist ein sehr beliebter und verbreiteter E-Gitarreneffekt. Mit dem Effekt kann man sowohl mildere „Overdrive“ als auch starke „Metal“-Sounds erreichen.
Technisch basiert es in analoger Ausführung auf hartem Limitieren des Signals (Clipping) mit Hilfe von Dioden oder Übersteuern von Röhren. Davor und danach werden Filter und sonstige Effekte eingebaut, um einen guten Klang zu erzielen.
In digitaler Ausführung kann hingegen mit verschiedenen mathematischen Ansätzen gearbeitet werden, die analog schwer bis unmöglich umzusetzen sind., wie z.B. Parabeln und exponentiellen Funktionen.
Das harte Limitieren eines 1kHz Sinussignals kann man sich folgendermaßen vorstellen.
Mathematisch lässt sich das als
(1) 
beschreiben, wobei 
der Threshold-Wert ist, ab dem das Clipping erfolgt.
Auf dieser Grafik fallen zwei Sachen auf:
- Ab dem Clipping stellt man den Pegel auf einen konstanten Wert : Gleichstrom!
- Die Übergänge haben einen Knick =>Sehr hohe Frequenzen
Die Verzerrung tiefe Verzerrung wird als sehr unangenehm empfungen. Der Gleichstrom (
) ist sogar schädlich für die Lautsprecher (wobei der üblicherweise von der Leistungselektronik herausgefiltert wird)
Das heißt, das einfache Clipping erzeugt zwar einen Distortion-Sound aber keinen Guten. Eine bessere Möglichkeit zum Verzerren ist die Anwendung von Soft-Clipping mit mathematischen Funktionen. Ein weicher Übergang zum Clipping und danach ein leichtes Überschwingen ist wünschenswert, um Gleichstrom zu vermeiden. Das kann mit folgender exponentiellen Funktion erreicht werden.
(2) ![\begin{equation*} y=sgn(x) [1-e^{-k x sgn(x)}] \end{equation*}](https://cankosar.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-a98d4fa01eed140e9082ac7f58e40049_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
oder als teilweise Funktion
(3) 
,wobei der Skalierungsfaktor 
als Vorverstärkung gesehen werden kann.
Im folgenden ist diese Signalform mit den Verstärkungsfaktoren 
und 
dargestellt.
Es gibt auch andere mathematische Ansätze, die ein Soft-Clipping modellieren und oft Zusammensetzung gestückelter Polynome sind.
Das Herzstück der Verzerrung ist also das Clipping, wobei dies noch lange nicht alles bei einem guten Distortion-Sound ist. Es gibt noch etwas unvernachlässigbares bei einem Distortion-Algorithmus: Die Frequenzfilter.
Hochpassfilter/Kuhschwanzfilter für Tiefen
Verzerrung von tiefen Frequenzen werden als sehr unangenehm empfunden. Daher möchte man oft einen Hochpassfilter vor dem Clipping-Block einschalten, um die tiefen Frequenzen herauszufiltern. Zudem entsteht bei Clipping sogar noch zusätzlich tiefe Frequnzen, Diese müssen dann nach dem Clipping herausgefiltert werden.
Tiefpassfilter / Kuhschwanzfilter für Höhen
Nach dem Clipping erhalten wir oft einen Sound, der je nach Clipping sehr kratzig klingen kann, weil erstens verzerrte Hochfrequenzen unangenehm empfunden werden als auch wir durch Clipping zusätzlich Hochfrequenzen erzeugen. Deshalb können wir nach dem Clipping auch einen Tiefpassfilter schalten und alle hohe Frequenzen dämpfen, um einen „runderen“ und weniger „kratzigen“ Klang zu erzielen.
Sonstige Bestandteile der Verzerrung
Oft haben schöne Distortion-Sounds viel mehr Komponenten als nur Clipping. Diese sind v.a.
- Kompressoren vor und/oder nach dem Clipping
- Zusätzliche Frequenzfilter für die Betonung
- Zusätzliche Polynomfilter (Röhrensimulation)
- Phaser / Doubler (Frequenzauslöschungen)
- Asymmetrische Clipper (Röhren-ähnliche Distortion / Overdrive Sounds)
Die Zusammensetzung des Distortion Sounds hängt also neben dem Clipping-Algorithmus auch von anderen Komponenten, die für einen angenehmen verzerrten Sound sorgen.
Parameter
Folgende Kontrollparameter sind für einen Flanger-Effekt üblich:
Vorverstärkung (Gain)
Die Stärke des Clippings hängt hauptsächlich vor unserer Vorskalierung ab. Das ist der Hauptparameter einer Distortion. Alles andere ist im Grunde optional. In der Benutzeroberfläche befinden sich nicht die Parameter einzelner Komponenten, sondern verschiedene künstliche Parameter wie „Presence“ oder gar Verstärkertypen „Brit, Vox, Marshall, etc.“, wobei diese empirisch ermittelter Parametersätze für die verwendeten Blöcke sind.
Nachverstärkung/Korrektur (Post-gain/Volume)
Dieser Parameter ist dafür da, um wieder auf den Pegel zurückzukommen von dem man sich durch das Clipping ggf. entfernt hat. Manchmal ist dieser Parameter nicht an den Endbenutzer weitergegeben, sondern durch Vorverstärkung berechnet.
Implementierung
Im folgenden ist ein grundlegender Distortion/Overdrive mit einem vorgeschalteten Hochpassfilter und nachgeschaltetem Tiefpassfilter implementiert.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 |
/* Main process of overdrive */ float c_overdrive::process(float x){ float y; x=pre_filter.process(x); x=x*downscaler*gain; //Algorithm 1: y=sign(x)*(1-e(-1*sign(x)*x)) if(x>0){ y=1-exp(-1*x); }else{ y=-1+exp(x); } y=y*upscaler; y=post_filter.process(y); return y; } |
Klangbeispiele
Anbei ist dieser Algorithmus mit ein paar verschiedenen Parametern zu hören.
und 
durch die Position des Potentiometer VR_VC1 resultierende Widerstände und 
die Verstärkung durch die zweite Stufe ist, in dem Fall 
.
von Eingangsspannungen 
und 
berechnet sich als![\begin{equation*} V_O=\frac{V_1 R_2+V_2 R_1}{R_1+R_2} [1+\frac{R_{f1}}{R_{f2}}] \end{equation*}](https://cankosar.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-fd19393092e1cba3e7e8f085721160b9_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Potentiometer gemischt, sodass
beschreibt die Kompressionsrate, mit der das Signal abgeschwächt wird. Dies greift ab dem Überschreiten eines Threshold-Werts.
arbeitet. Danach wird die Impedanz vom Signal mit dem Opamp U_Inp1A angepasst und 11-fach verstärkt (Passive Gitarre). Mit dem Aktiv/Passiv-Schalter SW1 wird in die Rückkopplungsschleife zusätzlich der Widerstand R_I3 zugeschaltet, der den effektiven Widerstand der Rückkopplung von 
auf 
senkt. Die Verstärkung sinkt dadurch also auf das 6-fache (aktive Gitarre).
