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Basics der Lautsprechermessung

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    Basics der Lautsprechermessung

    Techniker scheinen in einer eigenen Welt zu leben, die sie zum Teil nicht beschreiben können. Wenngleich ich auch zu den Technickern gehöre, versuche ich Sachverhalte einfach zu erklären, und das erwarte ich auch wenn es darum geht z.B. Messgeräte und deren Software zu erklären.

    In den letzten Jahren habe ich einige Lautsprechermeßsysteme getestet und alle waren was die Beschreibung anbetrifft sehr unverständlich. Aus meiner Sicht ist z.B. ARTA ein Beispiel dafür, wie komplex eine Bedienunganleitung gestaltet werden kann. Ich bin sicher, dass Viele die das System benutzen, mit der Bedienung total überfordert sind.

    Aus diesem Grund sehe ich immer wieder, dass Messungen in Foren gestellt werden, die nicht das darstellen, was der Benutzer glaubt. In vielen Fällen rührt das daher, dass die Parameter für Berechnungen nicht korrekt eingestellt worden sind.

    Daher möchte ich an dieser Stelle auf ein paar Messungen / Berechnungen eingehen, die immer wieder von Interesse sind:
    1. Impulsantwort
      impulse response
    2. Sprungantwort
      step response
    3. Schallpegel
      sound pressure
    4. akustische Phase
      acoustic phase
    5. Gruppenlaufzeit
      group delay

    Als erstes soll der prinzipielle Aufbau einer Lautsprechermessung dargestellt werden.



    Das Meßsystem generiert ein Meßsignal, das dem Lautsprecher über einen Verstärker zugeführt wird. Das Meßsignal wird unter anderen von einer Soundkarte, Tongenerator, etc. erstellt. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um das sogenannte MLS Signal.

    Der vom Lautsprecher wiedergegebe Schall wird über ein Mikrofon aufgenommen, und dem Meßsystem zugeführt. Bei MLS Systemen wird daraus die Impulsantwort ermittelt. Daraus lassen sich Frequenzgang, akustische Phase, Sprungantwort, usw. berechnen. Diese können jedoch nur korrekt durchgeführt werden, wenn dem Meßsystem alle notwendigen Informationen aus der Impulsantwort weitergegeben werden.

    Das nächste Bild zeigt die Impulsantwort eines Hochtöners.



    Eine wichtige Information aus dieser Messung ist die Laufzeit ( eng. Delay ) des Lautsprechersignals zum Mikrofon. In diesem Beispiel beträgt sie 1.56ms. Damit lässt sich die genaue Entfernung vom Lautsprecher zum Mikrofon berechnen.

    d = Laufzeit * c ( c = Schallgeschwindigkeit = 343 m/s )

    d = 1.56ms * 343 m/s = 0,5308 m

    Je nach Meßsystem wird die Laufzeit oder die Entfernung für weitere Berechnungen gebraucht.

    Aus der Impulsantwort lässt sich die Sprungantwort ( Step Response ) berechnen. In diesem Fall sieht sie wie folgt aus.



    Der dazugehörige Schallpegel wurde vom Meßsystem wie folgt ermittelt:



    Bis zu diesem Schritt scheint alles recht einfach, doch die Berechnung der akustischen Phase und der davon abhängigen Gruppenlaufzeit ( Group Delay ) macht vielen Benutzern ein Problem. Der Grund dafür ist, dass viele Meßsysteme mehrere Arten der Berechnung der akustischen Phase anbieten. Im Wesentlichen sind es:

    • Akustische Minimalphase
      acoustical minimal phase
    • Akustische Phase mit Laufzeitunterschied

    Die Minimalphase ( minimal phase ) wird aus den Schalldruckfrequenzgang ermittelt. Vereinfacht kann man sagen, dass die akustische Phase die Steigung des Schalldrucks entspricht. Steigender Schalldruckverlauf heisst positive Steigung, sprich Winkel, gleichbleibender Schalldruck heisst 0 Grad, fallender Schalldruck heisst negativer Winkel.

    Aus den vorher gezeigten Schalldruck ergibt sich daher folgende Minimalphase:



    Deutlich zu sehen ist, dass im Bereich von ca. 2 - 10 Khz die Minimalphase ca. 0 beträgt.

    Darunter steigt der Schalldruck erstmal steil an, weshalb es einen großen Winkel ergibt, über 10kHz fällt der Schalldrcuk langsam ab, weshalb die Minimalphase in Negativbereiche fällt.

    Aus dem Phasengang lässt sich die Gruppenlaufzeit berechnen. Das von mir verwendete System kann das nicht, weshalb ich dazu keine Berechnung zeigen kann.

    Das Problem mit der Minimalphase ist, dass es nicht den tatsächlichen Phasengang des Lautsprechers darstellt. Die korrekte Berechnung der akustischen Phase lässt sich nur mit Berücksichtigung der Laufzeit ( Delay ) ermitteln, in diesem Fall 1.56ms.

    Wird die Laufzeit mit berücksichtigt, dann sieht sie wie folgt aus:



    Wie zu sehen ist, gibt es einen gravierenden Unterschied. Dies würde sich auch auf die Ermittlung der Gruppenlaufzeit auswirken.

    Um dies nochmals zu verdeutlichen, sollen zwei weitere Messungen des Schalldrucks von einen komplett aufgebauten Lautsprecher, die Unterschiede zeigen.

    Zuerst eine Messung mit Ermittlung der Minimalphase:



    Die tatsächlich akustische Phase, unter Berücksichtigung der Laufzeit, sieht wie folgt aus:



    Nochmals, da die Gruppenlaufzeit aus der akustischen Phase berechnet wird, muss diese auch richtig ermittelt werden, nämlich unter Einbeziehung der Laufzeit ( Delay ).

    Ich hoffe, dass diese Informationen, einigen von Euch weiterhilft.
    Zuletzt geändert von Cay-Uwe; 30.01.2010, 21:57. Grund: Tippfehler
    Gewerblicher Teilnehmer

    Happy listening, Cay-Uwe.

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    #2
    Hallo Cay Uwe,

    danke, dass du dir die Mühe gemacht hast, solche Threads sind momentan sehr rar, sehr schön erklärt.:I

    Aber die Minimalphase hab ich ja absichtlich eingestellt, da es eine schöne Darstellung(Mittelwert?)der Phase darstellt, denn wenn ich diese Funktion ausschalte, wird alles angezeigt, im Prinzip ein Zig Zag von 180° bis-180°, die Gruppenlaufzeit wird bei Arta ja auch durch die Messung richtig berechnet, ich hab jetzt nicht ganz verstanden was sagen willst, Arta ungenau?

    Bei der Berechnung der T60 Werte ist das Programm mit Sicherheit ungenau, die Cursorgeschichte ist ja eigentlich eine Frotzelei:F:

    Lg. Felix

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      #3
      Felix,

      um die akustische Phase richtig messen zu können, muss man die Messungen fenstern ( Gated Impulse Response ). Wenn man das nicht tut, dann bekommt man Auswertungen wie Du sie beschreibst. In der ARTA Version 1.6.1 steht das in Kapitel 6.1 der Bedienungsanleitung.

      Die Fensterung stellt sicher, dass Reflektionen vom Raum weniger auf die Messung eingehen. Ganz verhindern lässt sich das nicht, selbst wenn man wie Du einen gut bedämpften Raum hat. Aus diesem Grund sollte die Messung in "kurzer" Entfernung stattfinden.

      Bei mir im Raum klappt das bis ca. 1 Meter. Optimal wird das unterhalb 70cm.

      Nochmals, die Minimalphase sagt nichts über die tatsächliche akustische Phase aus.

      Schau Dir mal meine vorletzte Messung an. Die Minimalphase ist zwischen 200 - 10.000 Hz annähernd konstant 0. Dies würde heissen, dass die Gruppenlaufzeit auch annähernd 0 ist. Das ist zwar ganz toll, ist aber nicht korrekt. Meine letzte Messung zeigt den gleichen Lautsprecher, mit Einbeziehung der Lautzeit ( Delay ).
      Gewerblicher Teilnehmer

      Happy listening, Cay-Uwe.

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        #4
        Zitat von ellesound Beitrag anzeigen
        Hallo Cay Uwe,

        ...

        Aber die Minimalphase hab ich ja absichtlich eingestellt, da es eine schöne Darstellung(Mittelwert?)der Phase darstellt, denn wenn ich diese Funktion ausschalte, wird alles angezeigt, im Prinzip ein Zig Zag von 180° bis-180°, die Gruppenlaufzeit wird bei Arta ja auch durch die Messung richtig berechnet, ich hab jetzt nicht ganz verstanden was sagen willst, Arta ungenau?

        ...

        Lg. Felix
        Felix,

        das hatte ich überlesen. Nein ARTA ist bestimmt nicht ungenau. Es geht darum, dass man verstehen muss, was einem angezeigt wird.

        Die korrekte Messung der akustischen Phase, geht nur unter Einbezug der Laufzeit ( Delay ). Um dafür einigermassen aussagekräftige Ergebnisse zu bekommen, müssen die Parameter genau gesetzt werden.

        Darum ging es mir. Ich habe versucht etwas einfacher zu erläutern, wie gemessen werden soll, und was berücksichtigt werden muss.

        Auch kritisiere ich die Bedienungsanleitungen und Handhabung vieler Systeme. Klar ist, dass man Backgroundwissen braucht, aber dafür muss man z.B. die Bedienungsanleitung nicht mit unzähligen Formeln, usw. zuknallen. Das ist für die Meisten sehr verwirrend, selbst für mich.

        Auch das ATB von Kirchner was ich benutze ist diesbezüglich nicht besser. Das habe ich oftmals bei Herrn Kirchner angebracht. Zur Zeit weiß ich, dass die Software neu gestaltet wird, und ich hoffe auf einfacheres Handling.

        Vorbildlich ist was die Handhabung anbetrifft das DLSA System, mit dem ich die hier gezeigten Messungen durchgeführt habe. Dafür ist es technisch nicht mehr ganz auf der Höhe, was auch nicht schlimm ist, weil es das System nicht mehr gibt.

        Nach langen Testen habe ich mich für das ATB 7001 QC von Kirchner entschieden, weil es, was das Setup anbetrifft, sehr einfach zu handhaben ist. Da brauche ich keine Fensterung, oder Delays zu bestimmen. Das ATB System macht das automatisch und soweit ich beurteilen konnte sehr genau.
        Zuletzt geändert von Cay-Uwe; 31.01.2010, 10:13. Grund: Wie immer, Tippfehler
        Gewerblicher Teilnehmer

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          #5
          Guten Morgen,

          ja da hast du recht mit der Fensterung, aber ich hatte ja nicht beabsichtigt eine Nahfeldmessung zu machen, sondern eine Hörplatzmessung mit allen Sauereien des Raumes, hab ich aber bei den Messungen klar dazu geschrieben, das dadurch die normale Akustische Phase nicht besser dargestellt wird, war mir dann auch klar, aber was bringt mir die Nahfeldmessung im Raum, nicht sehr viel, denn am Hörplatz siehts wieder anders aus.

          Aber die Minimalphase hat selbst bei Arta nichts mit der Gruppenlaufzeit zu tun, die ist ja bei mir nicht null, es wird schon die Akustische gemessen, ich kann aber die Minimalphase anzeigen lassen, wenn ich will.

          Wie gesagt, würde ich einen Lautsprecher für Freifeldbedingungen entwickeln, müsste ich Fenstern, und auch im Nahfeld abstimmen, da geb ich dir recht, nur ist das nicht das Ziel im Raum, es bleibt einem nichts anderes übrig als den Raum mit einzubeziehen, das ist auch der Hauptgrund warum ich überhaupt erst auf die Aktivtech nik umgestiegen bin.

          Ich mach dir aber gerne Nahfeldmessungen meiner Satelliten, sag mir was dich interessiert, ich hab kein Problem damit, nur die Bässe können nicht einbezogen werden, da sie ausgelagert sind, und an anderen Punkten der Messung nicht harmonieren.

          Aber bis ca. 80Hz hinunter kann ich dir alles zeigen.

          Lg. Felix

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            #6
            :D, das hat sich jetzt überschnitten, ja danke noch für die Tipps, aber die Programme sind womöglich nicht kostenlos erhältlich, das ATB PC Pro hab ich ja, aber die Möglichkeiten sind begrenzt.

            Lg. Felix

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              #7
              Hallo Felix,

              nochmals zum Verständnis, die Guppenlaufzeit berechnet sich aus den Phasengang. Ziehst Du also die Minimlaphase an, dann wird die Gruppenlaufzeit daraus berechnet. Lässt Du den Phasengang mit Laufzeit berechnen, dann wird die Gruppenlaufzeit daraus ermittelt.

              Der akustische Phasengang ist eine typische Eigenschaft des Lautsprechers, und ist im Idealfall immer gleich. Natürlich weden Reflektionen vom Raum darauf Einfluß haben, aber im Wesentlichen sollte diese in unterschiedlichen Abständen ähnlich sein.

              Als Beispiel möchte ich mal meine "Unikat" heranziehen. Folgendes Bild zeigt die Messung des Schalldrucks und der akustischen Phase in 1 Meter Entfernung.



              Diese Bild zeigt die akustische Phase bei mir am Hörplatz.



              Diese Messung ist natürlich von vielen Reflektionen beeinflusst, aber ab ca. 1kHz ist deutlich die Übereinstimmung mit der Messung auf ca. 1 Meter zu erkennen.

              Um auf Deine Frage zurückzukommen. Mach mal Messungen von Deinen Satelliten auf ca. 1 Meter Entfernung. Ich würde das Mikrofon dafür auf Höhe des Hornhochtöners platzieren. Ermittle aus der Impulsantwort ( Impulse Response ) die Laufzeit ( müsste im Bereich von ca. 3 ms liegen ). Benutze eine etwas stärkere Glättung, 1/3 oder 1/2 Oktave. Lass Dir dann die Minimalphase zeigen, und anschliessend die akustische Phase mit Laufzeitkorrektur ( Delay ). Das würde mich interessieren.
              Gewerblicher Teilnehmer

              Happy listening, Cay-Uwe.

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                #8
                Hallo,

                das stimmt schon, dass die Gd mit der Phase zusammenhängt, aber Arta macht keinen Unterschied bei Gd, wenn ich die Minimalphase anzeige, das ist nur eine Zusatzfunktion, wird aber nicht daraus berechnet, das wollt ich nur nochmal klarstellen.

                Ja, die Messungen mach ich dir, ich könnt das auch mal mit ATB PC probieren, dann seh ich den Vergleich zu deiner Messung, mit Arta werd ich das auch versuchen, als Vergleich, kann ich aber leider erst machen, wenn alles schläft(Frau u.Kind):K:, bin momentan auch noch arbeiten, also bitte um etwas Geduld.

                Lg. Felix

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                  #9
                  Hallo,
                  wir hatten in unserer regionalen Selbstbaugruppe das Thema ebenfall kürzlich abgehandelt.

                  Zwei Ergänzungen:
                  Auch mit der Minimalphase kann man in entsprechenden Simuprogs Weichen entwickeln, es muß lediglich der SEO (=Schallenstehungsort)-Versatz, der sich aus den Impulsantworten ermitteln lasst, berücksichtigt werden.
                  Bei dem Messungen mit realer Phase mit Laufzeitausgleich (so heißt das bei DLSA) muß lediglich der linke Marker bei der Messung der Impulsantwort aller beteiligten Treiber an der gleichen Stelle stehen, dann ist der Phasenversatz durch unterschiedliche SEO'S in den Messungen beinhaltet und darf in Simuprogs nicht mehr extra angegeben werden.
                  Das Simulationsergebnis des Summen-Schalldruckverlaufs (und die Nachmessung) ist bei beiden Methoden identisch.

                  Ansonsten: Schöne Zusammenfassung

                  Viele Grüße
                  Peter Krips

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                    #10
                    Muss mich auch mal zu Wort melden.
                    Das mit den Phasen ist eine Wissenschaft für sich. Ich verwennde DAAS32, was automatisch den Abstand misst und somit den Zeitversatz.

                    hier eine Dirty-Messung der SON-XL mit der normalen Phasenanzeige, keine Gates gesetzt.



                    Hier die Minimalphase



                    Diese ist für Lautsprechermessungen nicht zu gebrauchen, leitet sich aus dem Frequenzgang ab, und da gibt es Phasenänderungen nur da, wo sich der Frequenzgang ändert. Lautsprecher sind halt kein Minimalphasiges System.

                    Die obere Messung entspricht der Realität.
                    Zu den Phasenmessungen (nicht nur dazu) gab es einen interessanten Artikel von Fabian Reimann (der ja auch in allen Foren unterwegs ist) in der Tools4Musik - sehr lesenswert.

                    Gruß
                    Dieter
                    Achenbach Akustik
                    www.achenbach-akustik.de

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                      #11
                      Hallo, ich hab jetzt noch paar Messungen der Satelliten gemacht, gleich mit voller Auflösung, mit ca. 70 cm Abstand, Höhe Horn, der FG verläuft eigentlich sehr, geglättet siehts natürlich noch schöner aus, aber bei Arta sieht das mit der Phase anders aus, das ATB PC hab ich jetzt nicht mehr ausprobiert, aber dort kann ich ja gar nichts einstellen.

                      Egal, hier ist das Ergebnis komplett ohne Glättung mit der Phase.



                      Hier noch geglättet 1/24:


                      Und dann noch mit 1/2 Glättung, damit man die Unterschiede sieht.


                      Bemerkenswert ist, dass der FG trotz der extremen Nähe zum Ls. so linear bleibt, sind ja 5 Wege drinnen!

                      Aber die Phase sieht einfach anders aus als bei euch, trotz der Delay-Angabe, wieso?
                      Jedenfalls schön sinusförmig:D!

                      Die Minimalphase sieht jetzt ein wenig anders aus:


                      Ja ich weiß auch nicht, die Messerei mit Arta ist auch so eine Wissenschaft...
                      Also dann, gute Nacht!

                      Lg. Felix

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                        #12
                        Zitat von ellesound Beitrag anzeigen
                        Ja ich weiß auch nicht, die Messerei mit Arta ist auch so eine Wissenschaft...
                        Also dann, gute Nacht!

                        Lg. Felix
                        ... nicht nur mit ARTA. Kann das ganze nicht verifizieren. Hab zwar ARTA, Umschaltbox, verstärker, Soundkarte,... aber keine Zeit das mal zu verbandeln und in Betrie zu nehmen. Die Frage ist halt auch: Was bringt ARTA mehr als mein DAAS32. Einige Funktionen mit Sicherheit.
                        Ich werde Fabian mal fragen, ob es möglich ist, den Artikel öffentlich zugänglich zu machen.

                        Gruß
                        Dieter
                        Achenbach Akustik
                        www.achenbach-akustik.de

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                          #13
                          @ Felix,

                          vielen Dank für Deine Bemühungen, denn wie ich sehe, ist es bei Dir wirklich spät geworden...

                          Ich habe zwar vermutet, dass Deine Lautsprecher eine stärkere Phasendrehung aufweisen würden, aber nicht in dem Masse. Da liegt die Schwierigkeit der Systeme, bei denen die Laufzeit ( Delay ) erstmal über die Impulsantwort ermittelt werden muss.

                          Schade, dass Du das ATB nicht benutzt hast, denn es stellt bei der Phasenmessung die Laufzeit automaitsch ein. Eventuell kannst Du Dir nochmal eine Nacht um die Ohren hauen, um uns das zu zeigen

                          @ Dieter,

                          auch an Dich vielen Dank für Deine Beispiele. Ich habe mir das ATB von Kirchner zugelegt, da es auch die Laufzeit automatisch ermittelt. Das erleichetert die Messung der akustischen Phase sehr.

                          @ Peter,

                          es freut mich, dass Dir meine Ausführungen gefallen haben. Wie Dieter schon sagte, ist die Minimalphase für die Berechnungen von Lautsprechern nicht geeignet ist, weil Lautsprecher keine Minimalsystem sind.
                          Gewerblicher Teilnehmer

                          Happy listening, Cay-Uwe.

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                            #14
                            Hallo,

                            ja es ist wirklich spät geworden, ja mit den vielen Wegen ist es nicht einfach, aber ich frag mich jetzt, sind diese Phasendrehungen schlecht?

                            Sieht ja trotz der Phasendrehungen sehr gleichmäßig aus, ich werd, wenn ich dazu komme noch mit ATB probieren, nur ist mir aufgefallen, dass sich nichts verstellen lässt, nicht mal Glätten der Phase.

                            Lg. Felix

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                              #15
                              Hi Felix,

                              das ATB glättet die Phase leider nicht, aber wenn Du bei 70cm Entfernung beim Messen bleibst, wird das kein Problem sein.

                              Und nicht falsch verstehen, es geht hier nicht darum ob eine bestimmte Phasenlage "gut oder schlecht" ist, sondern darum wie diese korrekt gemessen wird, und was sie bedeuten.

                              Im übrigen, solltest Du auch mit der Messung aufpassen, denn üblicherweise besitzen DSP Weichen auch eine bestimmte Laufzeit. Meine z.B. verzögert die Signale um 0,5 ms. Dies entsteht dadurch, dass die Weiche auch rechnen muss. Das kann bei der Messung auch zu Fehlern führen.
                              Gewerblicher Teilnehmer

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