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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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B&C DE750
Sens. @ 1W/1m
THD, k2 und k3
IMD @ 100 dB / 1m
IMD @ 112 dB / 1m
A.Goertz M.Makarski 15
Faital HF14AT
Sens. @ 1W/1m
THD, k2 und k3
IMD @ 100 dB / 1m
IMD @ 112 dB / 1m
A.Goertz M.Makarski 16
JBL 2445
Sens. @ 1W/1m
THD, k2 und k3
IMD @ 100 dB / 1m
IMD @ 112 dB / 1m
A.Goertz M.Makarski 17
TAD 4001
Sens. @ 1W/1m
THD, k2 und k3
IMD @ 100 dB / 1m
IMD @ 112 dB / 1m
A.Goertz M.Makarski 18
BMS 4592 (pas. xov)
Sens. @ 1W/1m
THD, k2 und k3
IMD @ 100 dB / 1m
IMD @ 112 dB / 1m
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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
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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
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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
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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
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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
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Paper Download
Manuskript zu diesem Vortrag mit Text und Grafiken
als PDF File ab dem 25. November 2012
www.ifaa-akustik.de