So messen wir Lautsprecherchassis (Anfänger)


Ein Grund für die Erstellung eines ReflexionsArmen Raums (kurz RAR) war der Wunsch Lautsprecherchassis unter vergleichbaren Bedingungen auf Her(t)z und Nieren prüfen zu können.

Die HiFi-Selbstbau-Datenblätter (z.B. VISATON B200) haben immer denselben Aufbau, der im Folgenden erläutert werden soll. Außerdem verwenden einige der Diagramme teilweise eine etwas "ungewöhnliche" Darstellung, die uns aber aufschlußreicher als das "Übliche" erschien. Auch hier wollen wir den "tieferen" Sinn anhand von Beispielen erklären.

 

1. Der Kopf:

Neben den Angaben wie Hersteller, Typ und Impedanz gibt es im Kopfbereich auch einen Link zum Datenblatt des Herstellers (sofern vorhanden). Es reicht ja, wenn wir das Netz danach durchsuchen . . .

 

2. Das Photo:

Das Chassis wird auf jeden Fall von vorne und hinten fotografiert. Für den Größenvergleich wird ein immer gleicher Maßstab mitfotografiert (abwechselnd schwarze und weiße "Kästchen" mit einer Kantenlänge von je 1 cm). Bei besonderen Details werden ggf. noch zusätzliche Photos gemacht.

 

3. Die Impedanzmessung:

Weiter geht es mit der Impedanzmessung. Generell werden immer 2 Chassis gemessen und der Mittelwert und die Standardabweichung angegeben. Bei einem der beiden Chassis wird der gemessene Impedanzverlauf (schwarze Kurve) mit dem simulierten Impedanzverlauf (rote Kurve) verglichen.

Die simulierte Impedanz wurde unter Verwendung des rechts unten abgebildeten Ersatzschaltbildes von JustDisp durch Parameteranpassung ermittelt (JustDisp erhalten die Abonnenten des Magazins gratis). Unterhalb der Grafik werden auch die daraus berechneten TSPs Fs, Qms, Qes, Qts und Rdc angezeigt. Wer mit diesen kryptischen Abkürzungen nichts anfangen kann sollte sich vielleicht doch noch mal unseren Grundlagenartikel zum Thema Thiele-Small-Parameter (TSP) durchlesen . . .

 

4. Die Bestimmung der Membranfläche:

Wenn man so die vom Hersteller angegebenen Werte für die Membranfläche mit denen von Hobby-HiFi und Klang & Ton vergleicht, dann weichen diese ab und zu deutlich voneinander ab. Damit die Bestimmung der Membranfläche nachvollziehbar wird geben wir den äußeren Membrandurchmesser Daußen(mit Sicke), den inneren Membrandurchmesser Dinnen (ohne Sicke) und ggf. den Durchmesser eines Phaseplugs Dplug an und berechnen daraus dann die Membranfläche zu:

Sd = Pi · (Daußen/4 + Dinnen/4)² - Pi · (Dplug/2)²

5. Liste der TSP (Mittelwert und Standardabweichung):

Durch eine 2. Messung mit Zusatzmasse wird jeweils die Membranmasse bestimmt und zusammen mit der soeben bestimmten Membranfläche kann dann schließlich Vas ermittelt werden. Wir messen (sofern vorhanden) immer 2 Chassis um einen Eindruck von der Streuung zu gewinnen und unsere Ergebnisse querzuchecken. Die Ergebnisse werden daher immer als Mittelwert +/- Standardabweichung angegeben. Besonders die Werte für Mms und BL sollten wenig streuen (< +/- 2.5%), während Fs, Cms und Vas durch mehr oder weniger starkes Weichklopfen bzw. unterschiedliche Alterung durchaus im Bereich von +/- 5% (Fs, Cms) bzw. +/- 10% (Vas) schwanken dürfen. In der Regel kompensieren sich die Einflüsse bei der Gehäusedimensionierung jedoch wieder (s. a. TSP messen für alle).

 

6. Schalldruckpegel unter verschiedenen Winkeln:

Bei diesen Messungen ist das Chassis in der Regel nicht eingefräst auf dem Schallwandeinsatz des Podestes befestigt. Eine Ausnahme bilden Hochtöner: diese werden entweder eingefräst oder aber die vorstehende Frontplatte wird mit Klebeband abgeklebt oder es wird eine Phase aus Knetgummi angebracht. Der Mikrofonabstand beträgt 50 cm, der Mikrofonwinkel 0°, 15°, 30°, 45° und 60°. Die Anregung erfolgt mit rosa Pseudorauschen (Standardanregung von JustOct). Der Pegel ist in der Regel so eingestellt, dass das Rauschsignal eine Spitzenspannung von 5 V erreicht sofern dadurch nicht die Belastbarkeit oder der maximale lineare Hub erreicht wird. Die Messung erfolgt kalibriert auf dB/2.83V/m, unterschiedliche Anregungsspannungen und Messabstände werden also kompensiert.

Da unser RAR unterhalb von 170 Hz nicht mehr gut genug funktioniert werden die Messungen erst ab 200 Hz verwendet. Darunter wird eine ebenfalls kalibrierte Messung in 10 cm Abstand bis 400 Hz überlagert (schwarze Kurve). Sofern die TSPs nicht stark voneinander abweichen wird nur ein Chassis auf diese Art vermessen.

Parallel zur Messung in 50 cm Abstand wird das Geräusch aufgezeichnet. Da unser RAR unterhalb von 200 Hz nicht gut genug funktioniert und es ohnehin mehr um die Richtwirkung bei höheren Frequenzen geht wird eine Anregungssignal verwendet, dass bereits bei 200 bzw. 1000 Hz (Hochtöner) hochpassgefiltert ist. Bei 0° werden 2 identische Pseudorauschenblöcke mit jeweils 16384 Abtastwerten und nachfolgender Pause aufgezeichnet, bei den anderen Winkeln nur jeweils 1 Block mit Pause. Anschließend werden alle "Schnipsel aneinandergeklebt und schließlich die WAV-Datei in eine MP3-Datei umgewandelt (128 kBit/s).

Wenn man sich die Datei anhört erhält man also einen subjektiven Eindruck vom winkelabhängigen Frequenzgang des Chassis. Da die Messungen immer mit identischer Anregungsstärke aufgezeichnet werden kann auch der Wirkungsgrad subjektiv beurteilt werden. Es folgt eine MP3-Datei mit dem originalen Anregungsgeräusch, das identisch hochpassgefiltert wurde. Bei einem idealen Lautsprecher (und idealer Messkette) müsste das gemessene Geräusch genau so klingen wie das Anregungssignal Unsere Soundkarte (M-Audio Audiophile 2496) kann als fast ideal angesehen werden und auch unser Messmikrofon (BEHRINGER ECM-8000 F, s. Artikel Mikrofonkalibrierung) weist nur geringe Frequenzgangfehler auf, die bei dieser Vorgehensweise nicht kompensiert werden.


Wiedergabe eines idealen Lautsprechers (MP3, 44 kB)
Hinweis: Bei 15°/30°/45°/60° wurde der Pegel breitbandig um 1/2/3/6 dB gegenüber dem Pegel bei 0° abgesenkt um eine frequenzunabhängige Bündelung zu simulieren! Die Lautstärke entspricht einem Chassis von 95 dB/2.83V/m.

 

7. Sprungantwort:

Bei diesen Messungen ist das Chassis wie oben beschrieben auf dem Schallwandeinsatz des Podestes befestigt. Der Mikrofonabstand beträgt 20 cm, der Mikrofonwinkel 0°. Die Anregung erfolgt bei den Datenblättern bis 04/2006 mit einem speziellen Rechtecksignal, welches ständig von + X Volt nach - X Volt springt. Das Signal wird aufgezeichnet und ein Paar Sprungantworten (von - X Volt nach + X Volt und zurück von + X Volt nach - X Volt) ausgeschnitten und dargestellt. Der Pegel ist so bemessen, dass das Chassis etwa den halben maximalen linearen Auslenkungsbereich ausnutzt (also z.B. +/- 2mm). Das "besondere" an dieser Anregung ist, dass hier nicht vom Ruhezustand ausgehend nur in einer Richtung die Sprungantwort gemessen wird. Die beiden Sprungantworten sollten idealerweise spiegelsymmetrisch sein.

Anregungssignal:

Antwortsignal Hochpass 50 Hz, 12 dB/Oktave:

Antwortsignal VISATON B200:

Ab 05/2006 wird die Sprungantwort mit dem Programm ARTA gemessen. Die Anregung geschieht mit Pseudorauschen. Die Sprungantwort wird nicht im Zeitbereich gemessen (wie zuvor) sondern aus dem Frequenzgang berechnet. Bei einer einkanaligen Messung wird das Maximum der Impulsantwort immer auf den 300. Abtastwert (300 / 44100 = 6.8 ms) gesetzt.

Sprungantwort VIFA 10BGS119/8:

 

8. Zerfallspektrum:

Das Zerfallspektrum (engl.: Cumulative Spectral Decay oder CSD) gibt Auskunft über das Ausschwingverhalten des Chassis im Zeit- und Frequenzbereich. Ausgangspunkt ist die Impulsantwort, die wie die Sprungantwort aus dem Frequenzgang berechnet wird:

Statt nun aber die gesamte Impulsantwort zu verwenden nimmt man immer nur ein kleines Stückchen (z.B. 256 Abtastwerte -> 256 / 44100 Hz = 5.8 ms, was einem "(Um)Weg" von 343 · 5.8 / 1000 = 1.99 m entspricht). Zunächst ist der 1. Impuls im betrachten "Fenster" enthalten, später rückt das Fenster nach "rechts" weiter und betrachtet zunehmend nur noch den "Nachhall". Wer des Englischen mächtig ist sollte auch mal einen Blick in das sehr gut gemachte Handbuch von ARTA (PDF, 1.4 MB) werfen (s. 76 ff). In Kürze wird ein eigener Artikel den Einfluss von verschiedenen Einstellungen beim Zerfallspektrum erläutern.

Zerfallspektrum VIFA 10BGS119/8:

Ab 01/2008 wird das Zerfallspektrum noch auf eine andere Weise zusätzlich dargestellt. Statt einer absoluten Zeitachse (skaliert in Millisekunden) wird dort eine "relative" Zeitachse verwendet, in dem die Ausschwingzeit für jede Frequenz auf die dazugehörige Periodenlänge skaliert wird. Bei 100 Hz dauert eine Schwingungsperiode 1/100 s bzw. 10 ms. Eine Abklingzeit von 1 ms wäre also relativ schnell. Bei 10 kHz dauert eine Schwingungsperiode 1/10000 s bzw. 0.1 ms. Hier entspräche eine Abklingzeit von 1 ms 10 (in Worten: zehn!!) Schwingungsperioden, wäre also relativ langsam. Um die neue Darstellung von der alten abzuheben wurde eine "Draufsicht" des Zerfallspektrums gewählt, bei der der Pegel als Farbstufe kodiert wird. Außerdem wird standardmäßig der Frequenzgang des Mikrofons kompensiert, was beim "normalen" Zerfallspektrum zur besseren Vergleichbarkeit mit alten Daten nicht gemacht wird. Schließlich wird der dargestellte Dynamikbereich gegenüber dem "normalen" Zerfallspektrum noch einmal um 5 dB erhöht, damit Nachschwingfahnen besser zu erkennen sind.

 

 

9. Klirrfaktor:

Was ist eigentlich Klirrfaktor? Wenn man mit einer Frequenz von z.B. 100 Hz anregt, dann antwortet das System zwar überwiegend bei 100 Hz, es gibt aber auch "Schmutz" bei den vielfachen Frequenzen 200, 300, 400, 500, 600 etc Hz. Die Anregungsfrequenz nennt man auch Grundwelle oder 1. Harmonische, die Vielfachen der Grundfrequenz nennt man Oberwellen. Die Oberwelle mit der n-fachen Frequenz der Grundwelle nennt man n. Harmonische. Diese Oberwellen sind unerwünschte Verzerrungen. Das Verhältnis der n. Harmonischen zur Grundwelle wird Klirrfaktor n. Grades oder kurz Kn genannt und entweder in Prozent oder dB ausgedrückt. Es gilt:

Kn [%] = ( Kn / K1 ) · 100 %

Kn [dB] = 20 · Log10 ( Kn / K1 )

 

Kx100%10%1%0.1%0.01%5%2%
Kx0 dB-20 dB-40 dB-60 dB-80 dB-26 dB-34 dB

 

Hinweis: Die zunächst praktizierte Darstellung des Klirrfaktors in dB relativ zur Grundwelle war für viele Leser "ungewohnt" und führte immer wieder zu Verwirrung (und rauchenden Köpfen ;-)). Im Rahmen einer effektiveren Auswertung wurde schließlich ab 03/2006 eine %-Achse eingeführt. Diese besitzt allerdings keine lineare sondern eine logarithmische Einteilung, da dies dem subjektiven Empfinden besser angepasst ist. Außerdem wird der KLirrfaktor nun in der Regel in 3 Pegelstufen mit 5 dB Pegeldifferenz ermittelt und die Ergebnisse in Form eines animierten Bildes dargestellt, so dass man die Änderungen gut verfolgen kann.

Bei diesen Messungen ist das Chassis in der Regel nicht eingefräst auf dem Schallwandeinsatz des Podestes befestigt. Der Mikrofonabstand beträgt 20 cm, der Mikrofonwinkel 0°. Die Anregung erfolgt mit einem logarithmischen Gleitsinus und einer Anregungsspannung, die einem Referenz-Schalldruckpegel von z.B. 90 dB entspricht. Der Referenz-Schalldruckpegel wird entweder durch die TSPs definiert oder aber oberhalb der 3-fachen Resonanzfrequenz im linearen Arbeitsbereich gemittelt. Der angestrebte Referenz-Schalldruckpegel ist abhängig vom Membrandurchmesser und Einsatzbereich (untere Grenzfrequenz, linearer Hub):

 

 Einsatzbereich
DurchmesserBassMitteltonHochtonBreitband
19 mm--95 dB-
25 mm--95 dB-
38 mm-95 dB--
50 mm-95 dB-70 dB
7.5 cm-95 dB-75 dB
10 cm-95 dB-80 dB
13 cm85 dB95 dB-85 dB
17 cm90 dB100 dB-90 dB
20 cm90 dB100 dB-90 dB
25 cm95 dB---
30 cm95 dB---
38 cm100 dB---
45 cm100 dB---

 

Neben diesem angestrebten, am oberen Lautstärkeende des Einsatzbereichs angesiedelten Pegel wird das Chassis mindestens noch bei einem 10 dB niedrigeren Pegel vermessen um das Verhalten bei "normalem" Pegel und damit die Pegelabhängigkeit des Klirrfaktors zu ermitteln.

Das Signal wird aufgezeichnet und anschließend spektral ausgewertet. Dadurch ist die Messzeit gering und es können gleichzeitig alle Klirrfaktoren Kx bestimmt werden. Durch diese Vorgehensweise sind z.B. auch Klirrfaktormessungen im Auto per Test-CD möglich.

Das Ergebnis der spektralen Analyse wird zunächst unverändert dargestellt:

Das sieht vielleicht zunächst mal etwas ungewöhnlich aus, aber das haben wir gleich. Oben sieht man (ganz in rot) erst mal das Anregungssignal im Zeitbereich. Na ja, viel sieht man da nicht. Insgesamt dauert es 22.48 s und die Amplitude ist 50%. Was da im Einzelnen passiert kann man nicht wirklich erkennen.

Das sieht man besser im unteren Teil des Bildes. Das Bild hat dieselbe X-Achse (0 bis 22.48 s) wie das obere Zeitsignal. Die Y-Achse zeigt die logarithmische Frequenz. Welche Frequenz zu welchem Zeitpunkt wie "laut" ist wird durch die Farbe gekennzeichnet. Laute Frequenzen (0 dB entspricht 100% Aussteuerung) werden hier gelb dargestellt. Wird der Pegel bei einer Frequenz leiser, dann ändert sich die Farbe von gelb über grün und blau nach violett (siehe Farbskala rechts).

Bis auf ein paar "Ausfransungen" links unten sieht man im Wesentlichen nur eine gelbe Linie (laute Frequenz), die zu Anfang (0 s) bei ca. 20 Hz startet am Ende (22.48 s) bei ca. 20 kHz endet. Dazwischen verläuft die Kurve wie ein Strich -> die Frequenzänderung erfolgt logarithmisch. Um die Frequenz zu einem bestimmten Zeitpunkt zu ermitteln startet man beim gewünschten Zeitpunkt (z.B. 17.98 s), geht solange nach "oben", bis man auch die gelbe Linie (= Anregungsfrequenz) stößt. Von dort geht man solange nach links bis man auf die Frequenzachse trifft und liest dort die gesuchte Frequenz ab - in diesem Fall etwa 5 kHz.

Das Programm JustTHD stellt das Signal nicht nur dar, sondern erkennt auch automatisch die Anregungsfrequenz und sucht bei Vielfachen der Anregungsfrequenz nach dem Pegel. Aus der Pegeldifferenz kann man schließlich den Klirrfaktor errechnen.

Im Folgenden wollen wir mal ein "idealisiertes" Chassis mit einem konstanten K2 von 3%, K3 von 1%, K4 von 0.3%, K5 von 0.1% und K6 von 0.03% durch eine Überlagerung von logarithmischen Sinussweeps erzeugen und dann mit dem Programm JustTHD analysieren. So sieht also das "idealisierte" Antwortsignal aus:

Obwohl zum Zeitpunkt t=12.5 sec. nur mit einer Frequenz von 1 kHz angeregt wurde, antwortet das System gleichzeitig auch noch mit den Oberwellen 2, 3, 4, 5 und 6 kHz. Der "Abstand" der Frequenzlinien (K1 -> K2, K2 -> K3, K3 -> K4 etc.) ist nicht konstant, da die Frequenzachse ja logarithmisch aufgeteilt ist. Daher "rutschen" die Klirrfaktorlinien zu höheren Ordnungen immer näher zusammen.

Und so sieht das Ergebnis der Analyse von JustTHD mit JustDisp dargestellt aus:

Es wird die Abschwächung der "unerwünschten" Oberwelle relativ zur erwünschten Grundwelle (= Anregungssignal) in dB dargestellt. Diese Darstellung entspricht der Darstellung des Klirrfaktors auf einer logarithmischen Y-Achse und spiegelt damit das subjektive Empfinden wieder. Wer es lieber in % hätte muss sich eigentlich nur die oben angegebene Minitabelle merken.

 

10. Pegellinearität:

Musik besteht nicht aus Rauschen oder Sinussweeps mit konstantem Pegel. Einen besonderen Reiz machen kurzzeitige Dynamiksprünge aus, die besonders hohe Anforderungen an den Verstärker und die Lautsprecher stellen. Um die Dynamikfähigkeit objektiv messbar zu machen haben wir uns ein neues Messverfahren einfallen lassen, welches in diesem Artikel detailliert beschrieben wird. Das Ergebnis sieht dann prinzipiell so aus:

 

 

Von links nach rechts steigt der Pegel um jeweils 1 dB an, von unten nach oben ist der Frequenzgang dargestellt und die Abweichung von der erwarteten Pegelerhöhung wird farblich kodiert. Der tatsächliche Schalldruckpegel muss ggf. anhand des mittleren Wirkungsgrades und der Angabe der maximalen Anregungsspannung im Kopf des Diagramms errechnet werden um verschiedene Chassis miteinander vergleichen zu können.

 

11. Datendownload:

In der Regel werden 2 Chassis durchgemessen, jedoch nur die Ergebnisse eines Chassis als Grafik angezeigt. Abonnenten des ONLINE-Magazins können sich jedoch die kompletten Datensätze beider Chassis im OCT-Format herunterladen um die Ergebnisse z.B. in eigenen Simulationen zu verwenden. Mit JustOct können daraus auch TD6-Dateien erzeugt werden, wie sie das Simulationsprogramm LASIP verwendet.

Ab 03/2006 wurde die Auswertung der Klirrfaktormessungen effektiver gestaltet. Ab dann liegen die Pegel bei den einzelnen Harmonischen als TXT-Dateien und nicht mehr als OCT-Dateien vor.

Ab 12/2006 werden auch die komplexen Frequenzgänge mit Angabe des Schallentstehungsortes SEO als TXT-Dateien mitgeliefert.

Eine umfassende Übersicht über alle enthaltenen Dateien und deren Namensgebung kann im folgenden Artikel nachgelesen werden.

 

12. Unsere Meinung:

In diesem Abschnitt schildern wir euch unter den Rubriken:
  • Der äußere Eindruck
  • Die Konstruktion
  • Die TSP (mit Einbauempfehlung)
  • Der Frequenzgang
  • Der Klirrfaktor
unsere Eindrücke des Chassis. Schließlich folgt im Abschnitt "HiFi-Selbstbau-Fazit" unsere Gesamteinschätzung.

Wir hoffen, dass wir damit eine umfassende Beschreibung des Chassis zur Verfügung stellen. In Zukunft sind noch Erweiterung im Bereich Klirrfaktor (maximaler Schalldruck bei X % Klirrfaktor) angedacht. Das Zerfallspektrum sowie eine andere Darstellung/Ermittelung der Sprungantwort wurde mittlerweile "nachgerüstet" (ab 05/2006).

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