pdf-Dowload 2,0MB - Institut für Akustik und Audiotechnik

Maximalpegel- und
Verzerrungsmessungen bei
Lautsprechern
27. Tonmeistertagung
2012 Köln
Anselm Goertz ; Michael Makarski
IFAA (Institut für Akustik und Audiotechnik Aachen)
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
•
A.Goertz
Fazit, Problemstellen und Ausblick
M.Makarski
2
Frequenzgang und Sensitivity
•
•
Sensitivity 1W/1m:
– max.
116 dB
– max. Terz:
115 dB
– max. Oct.:
113 dB
Belastbarkeit 100 W (+20 dB)
¾ 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.
A.Goertz
M.Makarski
3
Übersicht der Belastbarkeitswerte
Eigenschaft nach
DIN 60268-5
Testsignal
Einschaltdauer
Pausen
Nennrauschspannung
60268-1 mit 6 dB
Crestfaktor
1 x 100 h
-
Durch Bezug auf Nennimpedanz:
Nennleistung, Nennbelastbarkeit
Maximale KurzzeitEingangsspannung
60268-1 mit 6 dB
Crestfaktor
60 x 1 s
1 min
Durch Bezug auf Nennimpedanz:
Maximale Kurzzeiteingangsleistung
Maximale LangzeitEingangsspannung
60268-1 mit 6 dB
Crestfaktor
10 x 1 min
2 min
Durch Bezug auf Nennimpedanz:
Maximale Langzeiteingangsleistung
Nenn-Sinusspannung
Sinuston im
Übertragungsbereich
1h
-
Durch Bezug auf Nennimpedanz:
Nennsinusleistung
Bandpass 12 dB
Butterworth im
Nennübertragungsbereich*1
Pink Noise 6 dB
Crestfaktor
2h
-
Durch Bezug auf Nennimpedanz:
Rated Power
Ableitung Leistung
Eigenschaft nach
AES2-1984 (r2003)
„Rated“ Voltage
A.Goertz
M.Makarski
*1 für Einzelchassis
4
Impedanz und Leistungsaufnahme
•
Nennimpedanz und realer Verlauf
•
Leistungsaufnahme bei 2 Veff für ein
EIA 426 Spektrum
– 4 Ω reell:
• 20 Hz bis 2 kHz:
0,9 W
• 2 bis 20 kHz:
0,1 W
– Lautsprecher:
•
1W
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
A.Goertz
M.Makarski
5
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
A.Goertz
M.Makarski
6
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
A.Goertz
M.Makarski
7
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
A.Goertz
M.Makarski
8
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
LF @ 2 W
HF @ 1 W
• kurze Messdauer von 1,5 - 6s
• Einzelanalyse von k2, k3, k4, k5
sowie THD und THD+N möglich
Transfer-Function Measurement with Sweeps
J.AES, 2001 June, p.443-471 Swen Müller, Paulo Massarani
A.Goertz
M.Makarski
9
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
LF @ 50 W
HF @ 5 W
• kurze Messdauer von 1,5 - 6s
• Einzelanalyse von k2, k3, k4, k5
sowie THD und THD+N möglich
Transfer-Function Measurement with Sweeps
J.AES, 2001 June, p.443-471 Swen Müller, Paulo Massarani
A.Goertz
M.Makarski
10
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
+10dB
¾ Probleme mit Thermo-Limitern
A.Goertz
M.Makarski
11
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
¾ Probleme mit Thermo-Limitern
A.Goertz
M.Makarski
12
Intermodulationsverzerrungen 1
•
Messung mit moduliertem Sinus
±10% -6dB (fM = 0,1fT bei 100% Mod.)
•
gleichzeitige Analyse der harmonischen
Verzerrungen und der IntermodulationsVerzerrungen
•
in Abhängigkeit von der Frequenz und
von der Eingangsspannung
A.Goertz
M.Makarski
13
B&C DE750
A.Goertz
Sens. @ 1W/1m
IMD @ 100 dB / 1m
THD, k2 und k3
IMD @ 112 dB / 1m
M.Makarski
14
Faital HF14AT
A.Goertz
Sens. @ 1W/1m
IMD @ 100 dB / 1m
THD, k2 und k3
IMD @ 112 dB / 1m
M.Makarski
15
JBL 2445
A.Goertz
Sens. @ 1W/1m
IMD @ 100 dB / 1m
THD, k2 und k3
IMD @ 112 dB / 1m
M.Makarski
16
TAD 4001
A.Goertz
Sens. @ 1W/1m
IMD @ 100 dB / 1m
THD, k2 und k3
IMD @ 112 dB / 1m
M.Makarski
17
BMS 4592 (pas. xov)
A.Goertz
Sens. @ 1W/1m
IMD @ 100 dB / 1m
THD, k2 und k3
IMD @ 112 dB / 1m
M.Makarski
18
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
¾ realistische Bedingungen
A.Goertz
M.Makarski
19
MLTS-IMD Messungen im Detail 1
• 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
• 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
A.Goertz
M.Makarski
Summenpegel für 1/6 Oct. Frequenzbänder
20
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
A.Goertz
M.Makarski
21
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
A.Goertz
M.Makarski
22
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
A.Goertz
M.Makarski
23
Paper Download
www.ifaa-akustik.de
Manuskript zu diesem Vortrag mit Text und Grafiken
als PDF File ab dem 25. November 2012
A.Goertz
M.Makarski
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