Impedanzmessungen mit dem DATS V3-System von DAYTONAUDIO

Impedanzmessungen sind ein wichtiges Hilfsmittel für den Lautsprecher-Selbstbauer. So kann er:

• den Impedanzverlauf von noch nicht eingebauten Chassis messen und damit checken, ob der Verlauf für ein Paar Lautsprecher weitgehend ähnlich ist (bei zu großen Abweichungen sollten neue gekaufte Chassis beim Händler reklamiert werden)
• den Impedanzverlauf von eingebauten Chassis messen um zu checken, ob die Änderung der Resonanzfrequenz der Vorausberechnung entspricht / ob die Abstimmfrequenz einer Bassreflexbox den vorgesehenen Wert hat / ob es Lecks im Gehäuse gibt / ob stehende Wellen im Gehäuse wegen zu geringer Gehäuseabsorption zusätzliche Impedanzerhöhungen verursachen etc.
• den Impedanzverlauf von kompletten Lautsprechern messen um zu checken, ob man z.B. die Weiche richtig zusammengebaut hat oder ob man die angebotenen, gebrauchten Lautsprecher mit gutem Gewissen kaufen kann (weil der Impedanzverlauf weitgehend ähnlich ist)
• den Impedanzverlauf von Widerständen, Kondensatoren und Spulen messen

Wer einen Lautsprecher entwickeln will benötigt zudem die sogenannten Thiele/Small-Parameter (kurz: TSP).

Impedanzmessungen sind zwar im Prinzip recht einfach (s. TSP messen für alle!) - aber man braucht schon einen Verstärker (und damit in aller Regel Strom), eine kleine Messschaltung mit Kabeln und eine Soundkarte. Außerdem kann ein Kurzschluss dazu führen, dass der Verstärker oder die Soundkarte kaputt gehen können.

Viel schöner wäre es, wenn man eine externe Soundkarte mit eingebautem Klein-Verstärker (USB-gespeist) und eingebauter Schaltung hätte. Dann wäre man mit einem batteriebetriebenen Laptop, einem USB-Kabel, der USB-Soundkarte und einem Anschlusskabel innerhalb von wenigen Minuten messbereit . . .

Genau so ein Gerät hat DAYTON AUDIO mit dem DATS V3 im Programm. Die Soundkarte und beide benötigten Kabel finden in einem ca. 17 cm langen, 12 cm breiten und 6.5 cm hohen Karton Platz, das Ganze ist in weniger als 2 Minuten einsatzbereit - wenn der Laptop schon eingeschaltet ist ;-)

Und was kostet der Spaß? Bei Variant und in unserem Shop kostet er 165 €‚¬, und ersetzt immerhin auch gleich ein hochwertiges LCR-Messgerät, für das ansonsten mindestens 25 €‚¬ fällig wären, und dass dann lange nicht die Genauigkeit des DATS V3 hat . . .

Wie man das DATS V3-System ans Laufen kriegt, was es alles kann und wie genau es misst (im Vergleich zu unserem Standardaufbau) könnt ihr in unserem Testbericht lesen.

Was ist alles dabei?

Installation der Software

Im Lieferumfang ist kein Datenträger enthalten, die Software muss man sich also - wie heute üblich - erst mal runterladen. Zentraler Anlaufpunkt ist entweder die Produktseite von DAYTONAUDIO oder die DATS V3-Info-Seite der Software-Schmiede TrueAudio.

Die Installations-Software ist mit 7.29 MB (EXE) recht kompakt. Darin ist auch schon die Broschüre und die Schnellanleitung (Quick-Start) enthalten, die sich später beide im Installationsverzeichnis befinden.

Nach Starten der Datei DATS_V3_setup.exe muss man sich zunächst mal damit einverstanden erklären, dass die App (im Rahmen der Installation) Änderungen am PC durchführt (Registry-Einträge) - da muss man halt durch. Die Setupdatei möchte das Programm im Ordner C:\Program Files (x86)\DATS_V3 installieren und braucht dort bescheidene 10.1 MB Plattenplatz.

Die ersten Schritte mit DATS V3:

Die nächsten Schritte sind (gemäß DATS Quick Start.pdf):

1. Anschließen der DATS V3-Box (= Soundkarte) an einen USB-Port -> "das Gerät wird eingerichtet". Nach ca. 1 Minute meldet sich dann der PC, dass das Gerät nun eingerichtet ist - so viel Zeit muss sein . . .

    

2. Nun kann man das Programm starten (entweder unter WINDOWS-Taste - Zuletzt hinzugefügt oder unter "D" (es wird standardmäßig kein Icon auf dem Desktop abgelegt)

    

3. Dann muss man erst mal die Lizenzbestimmungen akzeptieren (auf "I Accept the License Agreement" klicken) -> watt mutt datt mutt. Immerhin bedankt sich die Software danach brav:

   

   Und so sieht die Software dann aus:

   

   Oben gibt es eine Menüleiste, darunter ein paar Icons. Links oben kann man die Diagrammgrenzen einstellen

    

4. Zunächst sollte man mal die Impedanz der Verbindungskabel messen, damit diese bei den Messungen rausgerechnet werden kann. Dazu wählt man "Impedanz Analyzer / Test Leads Calibration . . ." und erhält den Hinweis, dass man die beiden Kabelenden miteinander verbinden soll ("Shorten the test leads and click OK")

   

   Während er Messung gibt es links unten ein paar Statusmeldungen. Und so sieht das Ergebnis der Kabelmessung aus:

   

   Das Ergebnis hat mich zunächst erschreckt: WAS, 1 Ohm? Und warum sagt die Software dann (rechts unten im Bild), dass das Kabel einen Widerstand von 0.1363 Ohm hat? Na ja, die rote Kurve ist die Phase, und die liegt etwa bei 0° (wie das bei einem Widerstand so sein sollte). Die Amplitude der Impedanz ist die blaue Kurve, und die ist nur oberhalb von 10 kHz zu erkennen. Hinweis: wenn man die Einstellung "Lower Z Limit" (links oben) auf 0.01 Ohm ändert sieht man auch mehr von der Kurve).

   Leider gibt es keine Pegelanzeige, aber standardmäßig wird die Wiedergabe-Lautstärke der DATS V3-Soundkarte auf 100% und auch die Aufnahme-Lautstärke beträgt 100%. Bei der Kontrolle der Einstellungen fiel mit auf, dass die Wiedergabe mit 48000 Hz erfolgt, die Aufnahme aber mit 44100 Hz -> das sollte so eigentlich nicht sein -> laut DATS Quick Start.pdf sollten beide auf 44100 Hz stehen. Gesagt, getan und neu gemessen:

   

   Tja, jetzt ist der Maximalwert der blauen Kurve (Amplitude) etwa 0.035 Ohm statt vorher 0.1 Ohm. Aber der rechts unten angegebene Werte ist immer noch ähnlich (0.1354 Ohm statt vorher 0.1363 Ohm) - was soll's

5. Danach soll man den mitgelieferten 1000 Ohm Widerstand (0.1% Genauigkeit) im Menüpunkt "Impedance Analyzer / Impedance Calibration" messen:

   

   
   -> DATS V3 ermittelt einen Widerstand von 1002 Ohm

Die erste Messung:

Tja, dann ist man eigentlich schon messbereit und kann z.B. ein Lautsprecherchassis messen! Dazu drückt man eigentlich nur auf die Schaltfläche "Impedance Sweep" (links mitte) - und 1 Sekunde später hört man einen etwa 0.7 Sekunden langen Sinussweep und sieht kurze Zeit später das Messergebnis. Standardmäßig wird die Amplitude der Impedanz logarithmisch angezeigt und die Skalierung automatisch gewählt - das ist halt kein MAL-Programm sondern ein MESS-Programm. Durch Klicken auf kann zwischen logarithmischer und linearer Amplitudenachse umgeschaltet werden (im Menüpunkt "Edit / Preferences" kann die Voreinstellung geändert werden).

Die erste Messung wurde am Tieftöner des KEF SP1696-Koaxialchassis gemacht. Und so sieht das Ergebnis aus (zunächst logarithmische Y-Achse):

Und nun dieselbe Messung mit linearer Y-Achse):

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Bestimmung der TSPs (Teil 1):

Und wie bestimme ich daraus nun die TSPs? Einfach auf "Measure Free-Air Parameters" klicken, dann wird eine neue Messung gemacht und automatisch ein Teil der TSPs bestimmt (der Membrandurchmesser, die bewegte Masse Mms und das Äquivalentvolumen Vas sind noch nicht bekannt) und auf der rechten Seite angezeigt:

Jetzt fällt mir auf, dass da "komische" Einheiten verwendet werden (inches und cu ft). Das stellen wir in "Edit / Preferences" erst mal um:

Hier kann man auch die automatische Skalierung ausschalten etc. - einfach mal rumprobieren wie es am besten passt.

Was passiert eigentlich, wenn man die Messung mehrmals wiederholt?

-> mit dieser Streuung kann man gut leben

Die 10. Messung habe ich mal exportiert (Menüpunkt "File / Export Impedance Data . . .") und manuell in eine JustOct-Datei umgewandelt. Dabei musste ich die Messwerte < 4 Hz wegschmeißen, weil JustOct nicht mit so vielen Linien klarkommt. Dort waren die Ergebnisse weitgehend vergleichbar, allerdings führte die Parameteranpassung bei JustOct zu einem höheren Rdc und damit zu einem leicht höheren Qes und damit Qts:

Auch die Messergebnisse selbst sind recht vergleichbar (beim kleinsten Anregungspegel -18 dB von JustOct):

Der Linearitäts-Test:

Üblicherweise messen wir auch die Impedanz bei höheren Anregungsegeln (-12, -6, 0 und +6 dB) und bekommen so einen Eindruck von der Linearität des Chassis:

-> hier ist der Effekt des Anregungspegel außerordentlich gering

Auch bei DATS gibt es dieses Feature (Menüpunkt "Impedance Analyzer / The DATS Linearity Test ..."):

Ähnlich wie bei unseren Messungen habe ich 5 Stufen mit 6 dB Unterschied gewählt:

-> bei den noch kleineren Anregungspegeln sind die tiefen Frequenzen verzappelt
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Bestimmung der TSPs (Teil 2):

Um die Größen Mms und Vas zu bestimmen muss man das Chassis:

• entweder in ein 100% dichtes Gehäuse ohne Absorptionsmaterial mit bekanntem Netto-Volumen einbauen (= Volumen-Methode)
• oder eine bekannte Zusatzmasse aufbringen (= Zusatzmasse-Methode)

In beiden Fällen wertet man die Änderung der Resonanzfrequenz aus. Ein passendes Gehäuse mit passendem Ausschnitt hat man nicht immer zur Hand, und so wird häufig die Zusatzmasse-Methode verwendet. Zur Beschwerung der Membran in der Nähe der Schwingspule eignet sich Karosseriekitt sehr gut, da er gut klebt und leicht rückstandsfrei wieder entfernt werden kann. Die Masse des Kitts muss genau bekannt sein, ein Messfehler bei der Massebestimmung führt zu entsprechend falschen TSP-Werten. Wer keine genaue Waage hat (oder keinen Karosseriekitt) kann in unserem Shop einen Satz Beschwerungshelfer kaufen.

Die Zusatzmasse sollte in ähnlicher Größenordnung sein wie die Membranmasse, damit die Änderung der Resonanzfrequenz nicht zu klein ist (DATS verweigert die TSP-Bestimmung, wenn sich die Resonanzfrequenz um weniger als 25% ändert; dazu ist die Membranmasse um mindestens 56.3% zu erhöhen). Die Zusatzmasse sollte möglichst nah an der Schwingspule bzw. dem Übergang Staubschutzkalotte zu Membran angebracht werden, da dort das Schwingsystem besonders steif ist. Bei zu großem Zusatzgewicht und Anbringung an einer "weichen" Stelle wird die Zusatzmasse teilweise abgekoppelt und führt zu falschen TSPs.

Zunächst misst man das Chassis noch einmal ohne Zusatzmasse (auf "Measure Free-Air Parameters" klicken)

dann gibt man den effektiven Membrandurchmesser an, macht ein Häkchen an den Eintrag "Added Mass Method", gibt die Zusatzmasse an und klickt auf "Measure V(as)" um den 2. Teil der Messung zu starten. Damit man das Aufkleben der Masse nicht vergisst gibt es vorher eine kleine Erinnerung:

Und so sieht dann das Ergebnis aus:

-> es wird keine 2. Impedanzkurve gezeigt, sondern offenbar nur im Hintergrund ausgewertet

Auf der rechten werden die TSPs Mms, Vas, der daraus berechnete Wirkungsgrad (wahlweise [dB/W/m] oder [dB/2.83V/m], unter "Edit/Preferences" einstellbar) und die Schwingspuleninduktivität Le (wahlweise bei 1 kHz oder 10 kHz, s. "Edit/Preferences") ergänzt.

Und so sieht es dann aus, wenn man sich mit der Zusatzmasse verschätzt hat:

Rub & Buzz Test

Beim Rub & Buzz-Test (Rub = scheuern, Buzz = sirren) wird geprüft, ob das Chassis bei niedrigeren Anregungspegeln (Empfehlung: 30 dB leiser als üblich) sirrt oder scheuert. Dadurch würde sich die Resonanzfrequenz erhöhen und das Impedanzmaximum wäre kleiner. Für beide Änderungen können Grenzwerte vorgegeben werden und so eine Gut-/Schlecht-Entscheidung getroffen werden.

So sieht der Einstelldialog für den Rub & Buzz-Test aus:

Zunächst muss man natürlich ein "gutes" Chassis messen, welches keine Rub & Buzz-Probleme hat:

Damit ist die Messreihe initialisiert, DATS V3 weiß nun worauf es ankommt:

Nun wird ein Chassis mit der deutlich geringeren Anregung gemessen. Bei niedrigen Impedanzen und Frequenzen ist die Messung wieder etwas verzappelt, aber die Resonanzfrequenz und das Impedanzmaximum bleibt weitgehend gleich -> das Chassis wird für gut befunden (= PASS -> es passiert den Test):

Wenn man auf OK drückt wird gleich das nächste Chassis gemessen, erst durch "Cancel" (= Abbruch) kommt man aus dem Rub & Buzz-Test wieder raus.

Kurven zwischenspeichern/ausblenden

Nach dem Rub & Buzz-Test bleibt die Ausgangskurve und die verzappelte Kurve stehen - wie geht das denn? Unter "View" gibt es einige Menüpunkte, die sich mit dem Speicher (= Memory") beschäftigen. Damit ist der Ergebnis-Zwischenspeicher von DATS V3 gemeint:

• Save to Memory:
  Hier kann man die zuletzt gemessene Kurve auf einen der 20 Speicherplätze zwischenspeichern

   

• Show/Hide Memory:
  Hier kann man sehen, welche Speicherplätze schon belegt sind (und die entsprechenden Kurven ggf. "verstecken"). Die belegten Speicherplätze sieht man auch unter der Menüleiste:
  

   

• Clear Memory:
  Hier kann man einzelne Kurven aus dem Zwischenspeicher löschen - mit Vorwarnung:
  

   

• Hide All Memories:
  Hier kann man alle zwischengespeicherten Kurven ausblenden

So kann man z.B. auch mehrere Chassis messen (oder ein Chassis mehrmals messen) und alle Kurven miteinander vergleichen (= gleichzeitig anzeigen) oder einzeln anzeigen.

LRC-Messgerät:

Da DATS V3 Impedanzmessungen macht liegt es nahe, dass auch Bauteile wie Spulen, Kondensatoren und Widerstände vermessen und durch einfache Ersatzschaltbilder angenähert werden. So soll bei Spulen der ohmsche Widerstand und bei Kondensatoren der Verlustwinkel bestimmt werden können.

Dazu schließt man einfach das zu messende Bauteil an die Klemmen an und drückt rechts unten auf eine der Schaltflächen "R - Resistor" (= Widerstand), "L - Inductor" (= Spule) oder "C - Capacitor" (= Kondensator).

Fangen wir mal ganz langsam mit einem 6.8 Ohm Widerstand an und drücken auf die Schaltfläche "R - Resistor":

Wenn man auf "Test" drückt wird eine Impedanzmessung gestartet und daraus der Widerstand bestimmt:

Und was passiert wenn ich stattdessen auf "L - Inductor" klicke (obwohl der Widerstand ja keine Spule ist)?

DATS V3 hat gemerkt, dass das gar keine Spule ist, gibt dann aber trotzdem den ohmschen Widerstand der Spule aus - unseren gewünschten Widerstandswert:

Und was passiert wenn ich stattdessen auf "C - Capacitor" klicke (obwohl der Widerstand ja kein Kondensator ist)?

DATS V3 hat versucht das Ersatzschaltbild (Reihenschaltung aus Kondensator und Widerstand?) anzupassen und einen sehr großen Kondensator mit sehr großen ohmschen Verlusten (nämlich dem gesuchten Widerstandswert in der Zeile ESR) ermittelt. Der Verlustwinkel beträgt bei den 3 angegebenen Frequenzen fast 90€°, ein idealer Kondensator hätte einen Verlustwinkel von 0€°. Hier wäre eine Warnung "Dies scheint kein Kondensator zu sein" hilfreich.

Eine weitere Möglichkeit den gemessenen Impedanzverlauf anzunähern kann durch Drücken der Schaltfläche "Measure Free-Air Parameters" erzwungen werden. Die ermittelten TSPs sind zwar teilweise Unsinn, aber neben dem Gleichstromwiderstad Rdc (= unser gesuchter Widerstand) wird auch eine Schwingspuleninduktivität (bei 10 kHz) angegeben. Hier sollten sich ggf. Unterschiede bei MOX- und normalen Drahtwiderständen erkennen lassen:

Als nächstes habe ich mal zwei 0.33 mH-Spulen mit 0.7 bzw. 1.0 mm Drahtdurchmesser verglichen. Zunächst die Spule mit dem dünneren Draht:

Wenn man versehentlich auf die Schaltfläche "R - Resistor" gedrückt hat gibt es auch ein Ergebnis, das aber nicht den ohmschen Widerstand der Spule ergibt - hier wäre eine Warnung "Dies scheint kein Widerstand zu sein" hilfreich:

Und wenn man versehentlich auf die Schaltfläche "C - Capacitor" gedrückt hat gibt es auch ein Ergebnis, das aber unsinnig ist - hier wäre eine Warnung "Dies scheint kein Kondensator zu sein" hilfreich:

Und wenn man auf die Schaltfläche "Measure Free-Air Parameters" drückt ergeben sich TSPs, die zumindest für Rdc und Le (10 kHz) sinnvolle Werte ergeben:

Ach ja, was kommt eigentlich bei der dickeren Spule raus?

-> natürlich ein deutlich kleinerer Wert für die ohmschen Verluste

Abschließend noch einmal der Vergleich der gemessenen Impedanz beider Spulen unter Verwendung der Memory-Funktion:

-> die Spule mit den höheren Verlusten dreht erst bei etwas höheren Frequenzen die Phase auf 90€°

Wenn man einen Kondensator messen will und auf "R - Resistor" drückt ergeben sich leider unsinnige Werte - hier wäre wieder eine Fehlermeldung angebracht.

Drückt man fälschlicherweise auf "L - Inductor" merkt DATS V3 immerhin, dass das wohl nicht sein kann:

Es wird dann aber doch ein unsinniger Wert ausgegeben:

Wenn man auf die richtige Schaltfläche drückt ergeben sich auch richtige Ergebnisse. im Folgenden wurden 3 verschiedene Kondensatoren mit nominell 10 uF vermessen (Elko glatt (= TFG), MKT, MKP) - und die Ergebnisse sehen sinnvoll aus:

Abschließend noch der Vergleich der 3 Kondensatoren:

Hier kann man fast keine Unterschiede in der Darstellung erkennen, obwohl die ermittelten Werte doch zum Teil deutlich unterschiedlich sind:

• Der ESR (= Equivalent Series Resistor) oder scheinbarerer Serienwiderstand sollte möglichst gering sein. Insbesondere bei tiefen Frequenzen (120 Hz) unterschieden sich die Kondensatoren deutlich (TFG = 3.543 Ohm, MKT = 0.3812 Ohm, MKP = 0.1518 Ohm). Bei 1 und 10 kHz sind die Werte fast identisch für alle 3 Kondensatoren

   

• Der DF-Wert (= Dissipation Factor) oder Verlustwert sollte möglichst klein sein. Es gilt: DF = ESR / idealer Scheinwiderstand

   

• Der Q-Wert (= Quality) sollte möglichst groß sein. Es gilt: Q = 1/DF

   

• Der delta-Wert oder Verlustwinkel sollte möglichst klein sein. Es gilt: delta = arctan(DF)

   

Die ermittelten Werte lassen den Schluss zu, dass sich die Kondensatoren zwischen 1 und 10 kHz weitgehend gleich verhalten und nur bei tiefen Frequenzen deutliche Unterschiede zeigen. Würde man den Test mit 1 uF-Kondensatoren machen gäbe es wahrscheinlich auch Unterschiede bei 1 kHz.

Wenn man die Ergebnisse exportiert ("File / Export Impedance Data . . .") kann man die Unterschiede deutlicher sehen:

-> der MKP-Kondensator erreicht von 50 bis 20000 Hz mit 90° die Phase eines idealen Kondensators
-> der glatte Elko (TFG) liegt im gesamten Frequenzbereich über 1° daneben
-> der MKT-Kondensator schwächelt > 1 kHz zunehmend

-> der MKP-Kondensator zeigt bis ca. 7 kHz einen gleichbleibenden Kapazitätswert (im Vergleich zu einem idealen 10 uF-Kondensator)
-> der MKT-Kondensator ist nur unwesentlich schlechter
-> der glatte Elko (TFG) ändert seinen Kapazitätswert stark mit der Frequenz

Bei sehr niedrigen Frequenzen werden sehr hohe Impedanzwerte gemessen (> 1500 Ohm bei 10 Hz), bei sehr hohen Frequenzen sehr niedrige (< 1 Ohm) -> hier kommt der 16-Bit-A/D-Wandler der Soundkarte langsam an seine Grenzen.

Was gibt es sonst noch?

Man kann das DATS V3-System auch als Signalgenerator und Oszilloskop nutzen (Menüpunkt "Generator" bzw. 2. Icon von links). Dann wird an den Ausgangsklemmen das gewünschte Signal erzeugt und sowohl das erzeugte Signal (rot, untere Kurve) als auch das gemessene Signal (blau, obere Kurve) dargestellt. Dann sehen die Bereiche links und rechts vom Diagramm ganz anders aus:

Der Sinn erschließt sich mir nicht ganz - außer man braucht einen Generator für weißes (White N) bzw. rosa Rauschen (Pink N).

Fazit:

Das DATS V3-System kann alles was man sich von einem System zum Messen der TSPs und einem LCR-Meter wünscht - und ist in Nullkommanix einsatzbereit, mit Laptop auch mobil. Die Genauigkeit ist gut, der Preis ist fair (vor allem dann, wenn man noch kein ordentliches LCR-Messgerät hat).

Einziger Wermutstropfen mag für den ein oder anderen die Tatsache sein, dass das System nur Englisch spricht. Wir hoffen aber, dass die meisten Unklarheiten durch unseren ausführlichen Test beseitigt werden konnten.

Wir geben das Testgerät jedenfalls nicht wieder her, es wandert in unseren Hausbesuche-Koffer und wird bei Bedarf im Hörraum eingesetzt - damit die Testobjekte nicht immer in den Messraum gehievt werden müssen.

Das DATS V3-System hat uns voll überzeugt, und darum bieten wir es ab sofort auch in unserem Shop an.