Bei den nichtlinearen Verzerrungen handelt es sich um eine Verzerrungsform, bei der nicht nur die Amplitude (Grösse, Höhe) eines Audiosignals unterschiedlich verändert wird, wie dies bei linearen Verzerrungen der Fall ist. Vielmehr wird bei nichtlinearen Verzerrungen das Signal in seiner gesamten Kurvenform verändert, wenn nicht gar zerstört oder es wird eine verzerrte "Kopie" des Signals erzeugt und hinzugefügt. D.h. das Frequenzbild wird verändert: Durch nichtlineare Verzerrungen treten neue, im Ursprungssignal nicht enthaltene Schwingungnen auf.

       Nichtlineare Verzerrungen werden hervorgerufen durch: Übersteuern oder durch gekrümmte Kennlinie. Hier werden wiederum unterschieden: Klirrfaktor, Intermodulations- und TIM-Verzerrungen.

Mit Clipping wird das Übersteuerungsverhalten von Verstärkern bezeichnet. Vom Prinzip her funktioniert ein Verstärker so, dass er der Form eines kleinen Eingangssignales folgend, die Betriebsspannung, die ihm durch das Netzteil zur Verfügung steht, moduliert (abwandelt). Das Ergebnis ist ein grösseres, der Form nach dem Eingangssignal identisches Ausgangssignal. Das Verhältnis vom Eingangs- zum Ausgangssignal wird als Verstärkung bezeichnet und ist im Idealfall konstant.


Wenn man die Amplitude am Eingang vergrössert (also den Verstärker lauter dreht oder das Signal plötzlich starke Musikimpulse transportiert) wird logischerweise auch die Ausgangsspannung grösser. Aber nur bis zu einem gewissen Punkt, nämlich in etwa der Betriebsspannung. An diesem Punkt steht einfach keine Betriebsspannung mehr zur Verfügung, die modeliert werden könnte. Das Ergebnis ist, dass die Kurvenspitzen in Höhe der Betriebsspannung einfach abgeschnitten werden, der Verstärker clippt und so kommt es zu Verzerrungen.

       

Für kurze Zeit liegt eine gefährliche Gleichspannung am Ausgang an. Während dieser Zeit kann die Lautsprechermembran nicht schwingen - das ist auf Grund der Kürze der Zeit (Millisekunden!) aber nicht sichtbar. Vielmehr ist die Schwingspule, je nach Polgungsrichtung, entweder in den Permanentmagneten hinein- oder herausgedrückt. Auf jeden Fall ist sie bei voller Belastung bewegungslos, weshalb sie keine Bewegungskühlung mehr erhält und anfängt zu überhitzen. Das Ergebnis ist im schlimmsten Fall eine irreparable Zerstörung der Schwingspule. Deshalb sollte man jede Form des Clippens unbedingt verhindern!

Nichtlineare Verzerrungen entstehen aber vor allem durch eine Krümmung der Übertragungskennlinie. Was aber ist eine Kennlinie? In diesem Fall gibt eine Kennlinie den Verstärkungsgang eines Transistors bzw. einer kompletten Endstufe wieder. D.h. wie stark werden leise Impulse und wie stark werden laute Impulse verstärkt. Es wird der Zusammenhang vom Eingangs- zum Ausgangssignal über den gesamten Verstärkungsbereich in Form einer geometrischen Kurve dargestellt. An dieser Kurve kann man ablesen, wie sich einem beliebigen Punkt auf der Eingangsseite ein entsprechender auf der Ausgangsseite einstellt.

Bei einem idealen Verstärker wäre die Verstärkung linear (immer gleich) und es gäbe keine weiteren Probleme. In der Wirklichkeit ist das aber nicht der Fall. Transistoren haben nur einen relativ kleinen linearen Verstärkungsbereich. Mit Schaltungstricks, wie die Ausnutzung nur kleiner Kennlinienabschnitte bei den verschiedenen Betriebsarten, wird daher versucht, der idealen linearen Kennlinie möglichst nahezukommen.

Unter Klirren im weiteren Sinne wird jede Form der nichtlinearen Verzerrungen verstanden. Daher kommt auch die Bezeichnung Gesamtklirrfaktor oder Total-Harmonic-Distortions (THD), bei welchem die Summe aller auf Grund nichtlinearer Kennlinien entstehenden Oberwellen gemeint ist.

       Unter Klirren im engeren Sinne (ausgedrückt im Klirrfaktor) wird die Produktion von Oberwellen verstanden, die dem Originalsignal beigemischt werden.

       Das geschieht dann, wenn das Signal durch eine gekrümmte Kennlinie verformt wird. Bei einer so verzerrten Sinusschwingung entstehen sogenannte Oberwellen, deren Frequenz immer ein Vielfaches der eigentlichen Sinuswelle, der Grundfrequenz ist. Der Klirrfaktor ist nun das Mass für das Verhältnis der Stärke (Amplitude) der unerwünschten Oberwellen zur Amplitude des eigentlichen Signals, der Oberschwingunsgehalt. Er wird in Prozent angegeben.

       Da aber es sich aber seltenst um nur eine Oberwelle handelt, sondern normalerweise um mehrere Vielfache einer Grundfrequenz, spricht man auch vom Gesamt-Oberschwingungsgehalt.

       Zur Klirrfaktorangabe gehört immer auch die Angabe der Frequenz und Ausgangsleistung. Denn mit steigender Leistung steigt auch der Klirrfaktor, weil die Aussteuerung zunehmend auch im gekrümmten Teil der Kennlinie erfolgt.

       Ab etwa 0,8% wird der Klirrfaktor hörbar, weshalb die Sinusleistung normalerweise bei einem maximalen Klirrfaktor von 0,7% angeben wird, Werte unter 0,1 sind noch akzeptabel, unter 0,01 jedoch sehr gut.

Intermodulationsverzerrungen sind Verzerrungen, bei denen ein höherfrequentes Signal durch ein niederfrequentes moduliert (geändert) wird. Der Anteil, den die Störmodulationen am Nutzsignal haben, wird Intermodulationsgrad genannt.

       Audioverstärker werden meist gleichzeitig mit unterschiedlichsten Signalen angesteuert. Bei der Übertragung von Audiosignalen müssen also gleichzeitig viele verschiedene Frequenzen verarbeitet werden. Durch Nichtlinearitäten entstehen so nicht nur Oberwellen, deren Frequenz immer ein Vielfaches der eigentlichen Sinuswelle, der Grundfrequenz ist (wie beim Klirrfaktor), sondern auch völlig unharmonische, so in der Natur nicht vorkommende Kombinationstöne aus Summen- und Differenzsignalen (Dissonanten).

Beispielsweise kann ein niederfrequentes Signal (z.B. 50 Hz), ein hohes (z.B. 1 kHz) in seiner Amplitude beeinflussen (Amplitudenmodulation). D.h. die Signalverstärkung des höherfrequenten Signals folgt nun nicht mehr der Verstärkerkennlinie sondern der Kurvenform des niederfrequenten Signals.
Dabei entstehen zusätzliche Frequenzen. Hier beispielsweise: 900 Hz und 1,1 kHz.

Es erfolgt auch Frequenzmodulation: Der hohe Ton (1 kHz) wird um die Frequenz des Tiefen (50 Hz) moduliert. Es entstehen zusätzlich 950 Hz und 1050 Hz.

Schliesslich bleiben noch Differenztonverzerrungen zu erwähnen, durch welche Summen- und Differenztöne entstehen: 2 x 1 kHz − 50 Hz = 1950 Hz.

       Intermodulationsverzerrungen treten auch bei Lautsprecherchassis auf, indem beispielsweise basserzeugte Gehäusevibrationen, die Membranbewegungen des Hochtöners tangieren (FM-Verzerrungen).

Verzögerungen bzw. TIM-Verzerrungen (Transient-Intermodulations) entstehen, wenn bei einem grossen, d.h. lauten Signal die Flankensteilheit so gross ist, dass der Verstärker nur noch gerade so eben (oder auch schon nicht mehr) folgen kann. Ein gleichzeitig vorhandenes, kleines Signal mit höherer Frequenz wird dann nicht mehr ohne Verzerrungen übertragen. Sie sind ebenfalls Teil der nichlinearen Verzerrungen.

       Die Ursache für TIM-Verzerrungen liegt darin, dass einige Schaltungsteile nicht genügend schnell den Strom für die Umladevorgänge der Kondensatoren (auch der Halbleiterkapazitäten) bereitstellen können (Steigzeit), bzw. die gespeicherte Ladung nicht schnell genug abgeführt werden kann (Fallzeit). Dagegen hilft nur darauf zu achten, dass die einzelnen Komponenten eine möglichst hohe Slew-Rate aufweisen.