maximalpegel- und verzerrungsmessungen bei lautsprechern · • einzelanalyse von k2, k3, ... sowie...

Maximalpegel- und Verzerrungsmessungen bei

Lautsprechern

Anselm Goertz ; Michael Makarski

IFAA (Institut für Akustik und Audiotechnik Aachen)

27. Tonmeistertagung2012 Köln

A.Goertz M.Makarski 2

Übersicht

• Einleitung und Übersicht

• Die wichtigsten Messgrößen bei Lautsprechern

– elektrische Impedanz

– Frequenzgang und Sensitivity

– (Directivity)

– Maximalpegel

• Messverfahren für den Maximalpegel

– rechnerische Werte und deren Interpretation

– Grenzwerte

• mechanische und/oder thermische Überlastung

• Verzerrungen

– Harmonische Verzerrungen

– Max. SPL Messungen

– Intermodulationsverzerrungen

» mit modulierten Sinussignalen

» mit Multisinussignalen

– Beispielmessungen

• Fazit, Problemstellen und Ausblick


Frequenzgang und Sensitivity

• Sensitivity 1W/1m:

– max. 116 dB

– max. Terz: 115 dB

– max. Oct.: 113 dB

• Belastbarkeit 100 W (+20 dB)

calc. max.SPL 139 dBpk ?

• Realität: (100 W Verstärker)

– Sprachersatzrauschen• Hochpassfilter 200 Hz

• Crestfaktor 12 dB

– Messwerte: • LAeq: 115 dB

• LZpk: 129 dB

• Sens. 300 Hz bis 3 kHz: 107 dB

– 107 + 20 – 9 – 3 = 115 dB

– Sens. 100W CF12 A-Bew.


Übersicht der Belastbarkeitswerte

Eigenschaft nach AES2-1984 (r2003)

Durch Bezug auf Nennimpedanz:Nennsinusleistung

-1 hSinuston im Übertragungs-bereich

Nenn-Sinusspannung

Durch Bezug auf Nennimpedanz:

Rated Power

*1 für Einzelchassis

-2 hBandpass 12 dB Butterworth im Nennüber-tragungsbereich*1

Pink Noise 6 dB Crestfaktor

„Rated“ Voltage

Durch Bezug auf Nennimpedanz: Maximale Langzeiteingangsleistung

2 min10 x 1 min60268-1 mit 6 dB Crestfaktor

Maximale Langzeit-Eingangsspannung

Durch Bezug auf Nennimpedanz: Maximale Kurzzeiteingangsleistung

Durch Bezug auf Nennimpedanz:Nennleistung, Nennbelastbarkeit

Ableitung Leistung

1 min60 x 1 s60268-1 mit 6 dB Crestfaktor

Maximale Kurzzeit-Eingangsspannung

-1 x 100 h60268-1 mit 6 dB Crestfaktor

Nennrauschspannung

PausenEinschalt-dauer

TestsignalEigenschaft nach DIN 60268-5


Impedanz und Leistungsaufnahme

• Nennimpedanz und realer Verlauf

• Leistungsaufnahme bei 2 Veff für ein EIA 426 Spektrum

– 4 Ω reell: 1 W

• 20 Hz bis 2 kHz: 0,9 W

• 2 bis 20 kHz: 0,1 W

– Lautsprecher: 0,81 W

• 20 Hz bis 2 kHz: 0,78 W

• 2 bis 20 kHz: 0,03 W

• Wichtig: genaue Betrachtung der Filter (bei aktiven und passiven Lautsprechern) vor den einzelnen Wegen und der tatsächlichen Impedanzverläufe


Weitere messtechnische Möglichkeiten

• die Belastbarkeitswerte berücksichtigen nur die Zerstörungsgrenzen

– diese sind wichtig, z.B. für die Limitereinstellungen einer Anlage

– geben aber keine Auskunft über die audiophilen Qualitäten eines Lautsprechers und die tatsächlich erreichbaren Pegelwerte

• Verzerrungswerte

– harmonische Verzerrungen

– Intermodulationsverzerrungen

• Signalkompression

– Verlust im Crestfaktor

– Verlust in der Sensitivity


Harmonische Verzerrungen THD(f)

• als THD Messung über der Frequenz bei konstanter Spannung THD(f)2,83V

• sinnvoll für die einzelnen Wege eines Lautsprechers in deren jeweiligen Arbeitsbereichen

• zeigt Schwachstellen auf und gibt Anhaltspunkte für X-Over Frequenzen und Steilheiten

• Messung bei 1 W oder auch höheren Werten

• lange Messdauer

• Einzelanalyse von k2, k3, ...sowie THD und THD+N möglich


Harmonische Verzerrungen THD(f)

• als THD Messung über der Frequenz bei konstanter Spannung THD(f)2,83V

• sinnvoll für die einzelnen Wege eines Lautsprechers in deren jeweiligen Arbeitsbereichen

• zeigt Schwachstellen auf und gibt Anhaltspunkte für X-Over Frequenzen und Steilheiten

• Messung bei 1 W oder auch höheren Werten

• lange Messdauer

• Einzelanalyse von k2, k3, ...sowie THD und THD+N möglich


THD(f) Messung mit log. Sweep Signalen

• logarithmische Sweeps erlauben

die gleichzeitige Messung von

Frequenzgang, Sensitivity und

den harmonischen

Verzerrungsanteilen

• zusätzlich kann auch noch eine

mögliche Powercompression

bestimmt werden

• kurze Messdauer von 1,5 - 6s

• Einzelanalyse von k2, k3, k4, k5

sowie THD und THD+N möglich

Transfer-Function Measurement with SweepsJ.AES, 2001 June, p.443-471 Swen Müller, Paulo Massarani

LF @ 2 W

HF @ 1 W


THD(f) Messung mit log. Sweep Signalen

• logarithmische Sweeps erlauben

die gleichzeitige Messung von

Frequenzgang, Sensitivity und

den harmonischen

Verzerrungsanteilen

• zusätzlich kann auch noch eine

mögliche Powercompression

bestimmt werden

• kurze Messdauer von 1,5 - 6s

• Einzelanalyse von k2, k3, k4, k5

sowie THD und THD+N möglich

Transfer-Function Measurement with SweepsJ.AES, 2001 June, p.443-471 Swen Müller, Paulo Massarani

LF @ 50 W

HF @ 5 W


Max.SPL Messung mit THD Limit

• als Max.SPL Messung über der Frequenz für bestimmte Verzerrungsgrenzwerte

• Messsignale: Sinusburst 43..170 ms

• zeigt generelle Schwachstellen von einzelnen Wegen oder auch vom Gesamtsystem auf

• zeigt den Einsatzpunkt von Limitern und Clipping in der Elektronik

• Messung für THD Grenzwerte von 1%, 3%, 10%, ... mit zusätzlichem Leistungslimit

• lange Messdauer

Probleme mit Thermo-Limitern

+10dB


Max.SPL Messung mit THD Limit

• als Max.SPL Messung über der Frequenz für bestimmte Verzerrungsgrenzwerte

• Messsignale: Sinusburst 43..170 ms

• zeigt generelle Schwachstellen von einzelnen Wegen oder auch vom Gesamtsystem auf

• zeigt den Einsatzpunkt von Limitern und Clipping in der Elektronik

• Messung für THD Grenzwerte von 1%, 3%, 10%, ... mit zusätzlichem Leistungslimit

• lange Messdauer

Probleme mit Thermo-Limitern


Intermodulationsverzerrungen 1• Messung mit moduliertem Sinus

±10% -6dB (fM = 0,1fT bei 100% Mod.)

• gleichzeitige Analyse der harmonischen Verzerrungen und der Intermodulations-Verzerrungen

• in Abhängigkeit von der Frequenz und von der Eingangsspannung


B&C DE750

Sens. @ 1W/1m

THD, k2 und k3

IMD @ 100 dB / 1m

IMD @ 112 dB / 1m


Faital HF14AT

Sens. @ 1W/1m

THD, k2 und k3

IMD @ 100 dB / 1m

IMD @ 112 dB / 1m


JBL 2445

Sens. @ 1W/1m

THD, k2 und k3

IMD @ 100 dB / 1m

IMD @ 112 dB / 1m


TAD 4001

Sens. @ 1W/1m

THD, k2 und k3

IMD @ 100 dB / 1m

IMD @ 112 dB / 1m


BMS 4592 (pas. xov)

Sens. @ 1W/1m

THD, k2 und k3

IMD @ 100 dB / 1m

IMD @ 112 dB / 1m


Intermodulationsverzerrungen 2

• Messung mit Multisinussignalen* Goossens, Saller 24.TMT

• 61 Sinussignale zwischen 20 Hz und 20 kHz mit Zufallsphase

• Frequenzgewichtung nach Wunsch möglich

– linear

– EIA-426B

– beliebige Filterfunktionen

– Sprachspektrum

• Crestfaktor ca. 12 dB

realistische Bedingungen


MLTS-IMD Messungen im Detail 1

• Aufteilung des Spektrums nach Anregungssignal und Verzerrungskomponenten

• Auswertung aller harmonischen Verzerrungsanteile und der Intermodulationsverzerrungen,

• die nur dann möglich ist, wenn die harmonischen Verzerrungen (k2, k3, ...) aller Komponenten des Anregungssignals nicht mit dessen weitere Frequenzlinien zusammenfallen

Summenpegel für 1/6 Oct. Frequenzbänder

• Ankerfrequenz 1 kHz

• Freq. Linien Abstand ca. 1/6 Oct.

• Signallänge 218 = 262144 Samples entsprechend 5,46 s bei 48 kHz SR

• Analyse über FFT

• Bandbreite 20 Hz bis 20 kHz


MLTS-IMD Messungen im Detail 2

• die Messung erfolgt bei einem praxisgerechten Schalldruck

– Pegel zu messen als LAeq Wert

– Monitore z.B. für 85 dBA in 2m, 4m, 6m...(passend zum Einsatz)

– PA 100 dBA in einer typ. Entfernung

• kompakt PA: 5 - 10 m

• kleines Line-Array: 10 - 25 m

• großes Line-Array: 50 m

– Auswertung nach Abzug aller Anregungsfrequenzen

– in Abhängigkeit von der Frequenz

– als Einzahlparameter hier:- 20 dB bei 106 dBA- 27 dB bei 100 dBA- 35 dB bei 90 dBA- 38 dB bei 80 dBA


Maximalpegel mit MLTS-IMD Messung

• Das Multisinussignal eignet sich aufgrund seiner realitätsnahen Form auch noch für weitere Messwerte

– Spitzenschallpegel

– Mittelungspegel

– Verlust im Crestfaktor

• beides kann bei gleichzeitiger Vorgabe eines Höchstwertes für die Verzerrungen insgesamt erfolgen

• Beispielbox: Verzerrungen in der Summe -20dB = 10%

• LAeq = 106 dB in 2m FF

• LZpk = 121 dB in 2m FF


Fazit

• Probleme

– Die wichtige Größe des erreichbaren Max.SPL ist noch nicht eindeutig beschrieben und definiert.

– Bisher wird immer nur die Zerstörungsgrenze als Maßstab angesetzt, ohne weitere Berücksichtigung der audiophilen Qualitäten.

– Der Verlust im Crestfaktor (Dynamikverlust) für dynamische Signale wird noch nirgendwo berücksichtigt.

– Die Interpretation der IMD Messung gestaltet sich bislang noch schwierig.

• Ausblick

– Die Testsignale und Methoden für die Messung der Powercompression und des Crestfaktors sind noch genauer zu definieren

– Es bedarf einer Festlegung von Grenzwerten im Hinblick auf den Höreindruck und die dabei zu erwartenden audiophilen Qualitäten

• Verlust im Crestfaktor

• Intermodulationsverzerrungen


Paper Download

Manuskript zu diesem Vortrag mit Text und Grafiken

als PDF File ab dem 25. November 2012

www.ifaa-akustik.de

maximalpegel- und verzerrungsmessungen bei lautsprechern · • einzelanalyse von k2, k3, ... sowie...

Documents