ARTA, STEPS, LIMP. Ein Kompendium für die Programme der ARTA-Familie

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1 ARTA, STEPS, LIMP Ein Kompendium für die Programme der ARTA-Familie Basismaterial ARTA-Handbücher Dr. Heinrich Weber, deutsche Bearbeitung und Ergänzungen Dr. Ivo Mateljan, englische Originalhandbücher Weber/Mateljan Version 2.31D, Januar 2011 (ARTA 1.70)

2 Anregungszeit einstellen automatische Auswertung grafische Darstellung Messaufbau Nahfeld Baffle Step Pegelkorrektur Positionierung des Mikrofons O Overlay Frequenzgang Impedanz Impulsantwort Power Average Subtract P Pegel 2 Pi Pi Fernfeld Leq Nahfeld Q Quasifreifeld Closed Box Vented Box R RE mit Multimeter messen Resonanz Downsampling Gehäuse Material Membran Raum S Save Text Schallpegel Bewertungsfilter Simulation AJ-Horn BoxSim Edge SEO Winkelfehler Soundkarte... 9 getestete Karten... 9 Qualität Rauschpegel testen Soundkarten Setup ASIO WDM Vista / Windows WDM - Windows XP Soundmixer einstellen... 15, 33 STEPS einkanalig vs zweikanalig Grundeinstellung Klirr vs Amplitude T Target Filterfunktionen Menü Phase TSP Anregungspegel wählen im Testgehäuse messen Messen Messlage des Lautsprechers mit Zusatzmasse messen V Verbindungskabel Steckerbelegung Vergleich Farina - STEPS Änderungen Version 2.20D ARTA 1.5 Kapitel Hinweis zu Änderungen / Ergänzungen 3 Modifikation: ARTA Messbox NEU: Automatische Ermittlung raumakustischer Parameter Ergänzung: Zusammenfügen von Reflexkanal und Membran im Nahfeld 6.6 NEU: Umgang mit Targets 6.6 NEU: Delay zur Phasenanpassung 7.4 NEU: Wav-Files mit Arta-Generator erzeugen 8.4 NEU: ARTA effektiver nutzen 14 NEU: Formelsammlung 15 NEU: Index NEU: Octave SPL and Noise Rating NEU: Third Octave SPL and Noise Rating Änderungen Version 2.30D ARTA 1.70 Kapitel Hinweis zu Änderungen / Ergänzungen 0 Modifikation: Vorwort 1.2 NEU: Erfoderliches und nützliches Zubehör 3.2 Ergänzung: Einkanalige kalibrierte Messungen Modifikation: Mikrofonempfindlichkeit aus einer Nahfeldmessung Modifikation: Mittelung NEU: Anregungssignale & Signal Generation and Recording 6.2 Modifikation: Messen, aber wo? 6.6 NEU: Frequenz- und Impedanzgang in einem Diagramm 6.7 NEU: Elektrische Messungen an Frequenzweichen 7.1 Ergänzung: Harmonische Verzerrungen mit Gleitsinus 7.3 NEU: Downsampling zur Analyse von Raumresonanzen NEU: Speicherung von Kommentaren im Copy-Mode Ergänzung: Handhabung von Overlays 9.2 Ergänzung: Spannungs- oder leistungsbezogene Messungen mit STEPS 14 Ergänzung: Formelsammlung NEU: Modellakustik Seite 214 von 214 Seite 3 von 214

3 Reihen- und Parallelschaltung von Chassis Bei der Reihen- bzw. Parallelschaltung von mehreren Chassis des gleichen Typs ergibt sich oft die Frage nach den resultierenden Parametern. Generell können Chassis elektrisch sowohl in Reihe (Ser) als auch parallel (Par) geschaltet werden. Sie können aber auch akustisch in Reihe (Compound Gehäuse) oder parallel (nebeneinander in der Box) geschaltet werden. Für eindeutige Aussagen sind also beide Angaben erforderlich. Mögliche Kombinationen sowie deren Auswirkung auf die Parameter sind in folgender Tabelle dargestellt [ 1 LS 2 LS 2 LS 2 LS 2 LS Elektrisch Ser Par Ser Par Akustisch Par Par Ser Ser fs [Hz] Re [Ohm] 1 2 0,5 2 0,5 S D [cm 2 ] Mms [g] Cms [mm/n] 1 0,5 0,5 0,5 0,5 VAS [Ltr] ,5 0,5 Rms [Ns/m] BxL [Tm] Le [mh] 1 2 0,5 2 0,5 Qm Qe Qt SPL [db/v] SPL [db/w] demnächst mehr. 7.2 Schallpegelmessung mit ARTA Detektieren von Resonanzen inkl. Downsampling Wav-Files zur externen Signalanregung mit ARTA erzeugen Umgang mit Messdaten, Datenfiles, Shortcuts etc Grafische Darstellungen in ARTA Ausgabe und Formatierung von Diagrammen Arbeiten mit Overlays Bearbeiten von Messdaten und Datenfiles Scale und Scale Level Keyboard Shortcuts ARTA effektiver Nutzen Messen mit STEPS Grundeinstellung von STEPS Amplitudenfrequenzgang- und Verzerrungsmessungen mit STEPS Spannungs- oder leistungsbezogene Messung mit STEPS Messen mit LIMP Grundeinstellung von LIMP Ermittlung der TSP Volumenmethode Massemethode Anmerkungen zu TSP-Messungen Messung des Gleichstromwiderstandes mit einem Billig-Multimeter RLC-Messung mit LIMP Die Genauigkeit der Impedanzmessung Empfehlungen für Lautsprecherspezifikationen Ermittlung der Auslenkung X MAX ARTA Application Notes Literatur Kleine Formel- und Bildersammlung Index Seite 212 von 214 Seite 5 von 214

4 [17] John Vanderkooy: The Acoustic Centre, [18] S. Fuhs, R. Höldrich, G. Tomberger: Validierung des Entfernungsgesetzes und Korrektur der Gruppenlaufzeit und des akustischen Zentrums des Lautsprechers im Adrienne-Verfahren [19] Thomas Ahlersmeyer: Akustisch optimale Materialien für Lautsprechergehäuse [20] Mateljan, H. Weber, A. Doric: Detection of Audible Resonances, Proceedings of the Third congress of Alps Adria Acoustics Association, Graz, Austria, 2007 [21] Jerry Freeman, Techniques to enhance op amp signal integrity in low-level sensor applications Part 1-4), Planet Analog [22] Mark Sanfilipo: Subwoofer Measurement Tactics ( [23] ARTA Hardware & Tools Manual (demnächst) [24] Messbedingungen bei Visaton ( [25] Mark Gander: Ground Plane Acoustic Measurement of Loudspeaker Systems, JAES Volume 30 Issue 10 pp ; October 1982 [26] Melon, Langrenne, Rousseau, Herzog: Comparison of Four Subwoofer Measurement Techniques, JAES Volume 55 Issue 12 pp ; December 2007 [27] Anderson: Derivation of Moving Coil Loudspeaker Parameters using Plane Wave Tube Techniques, Master Thesis, 2003 [28] Withold, Waldman: Non-Linear Least Squares Estimation of Thiele-Small Parameters from Impedance Measurements, 1993, Preprint 3511 [29] J. Backman, Transducer Models Handbook of Signalprocessing in Acoustics, Springer 2008 [30] Mateljan, K. Ugrinovic: The Comparison of Room Impulse Response Measuring Systems, Proceedings of the First Congress of Alps Adria Acoustics Association, Portoroz, Slovenia, 2003 [31] Neville Thiele, Richard Small: Loudspeaker Parameters, Tutorial, AES 124 th Convention, 2008 [32] Floyd E. Toole: Sound Reproduction - Loudspeakers and Rooms, Elsevier 2008 [33] Marcel Müller: Technische Eigenschaften von Soundkarten im PC, 2005, 1. Erste Schritte mit ARTA 1.1 Voraussetzungen für die Nutzung und Installation Die Nutzung der Programme der ARTA-Familie setzt voraus, dass die folgenden Bedingungen erfüllt sein müssen: Betriebssystem: Windows 98 /ME / 2000 / XP / VISTA / Windows 7 Prozessor: Pentium, 400 MHz oder höher, Speicher 128k Soundkarte: voll duplexfähig Die Installation der Programme ist sehr einfach. Kopieren Sie die Dateien in ein Verzeichnis und entpacken Sie sie anschließend. Das ist alles! Alle erforderlichen Einträge in die Registry werden nach dem ersten Programmstart automatisch gesichert. 1.2 Erforderliches und nützliches Zubehör Einleitend eine kleine Stückliste mit erforderlichem und nützlichem Zubehör, jeweils versehen mit ersten Hinweisen sowie Querverweisen auf vertiefende Stellen im Kompendium. Soundkarten Soundkarten können in drei Gruppen klassifiziert werden: 1. Standard-Soundkarten, die sich auf dem Motherboard des Computers befinden (Onboard) 2. Zusatz-Soundkarten für den PCI- oder ISA-Bus (Steckkarten) 3. Soundkarten, die über eine USB- oder Firewire-Schnittstelle mit dem Computer verbunden sind. Die genannten Klassen sprechen prinzipiell unterschiedliche Zielgruppen an und unterscheiden sich - neben unterschiedlicher Qualität - durch die Art der Anschlüsse und demzufolge auch die Art der erforderlichen Verbindungskabel. Informationen zur Anschlussbelegung von gängigen Steckverbindern und Kabeln finden Sie im Kapitel 1.3. Seite 210 von 214 Seite 7 von 214

5 Anmerkung: Ab Version 1.4 ist das Verfahren automatisiert. Eine detaillierte Beschreibung finden Sie in der ARTA Application Note No 7 [VII]. angeschlossen werden. Er dient als Instrumenten-Eingang. Die Eingangsimpedanz des Instrumenten- Einganges beträgt zwischen 470 kohm und 1 MOhm. Beide Eingänge haben einen Lautstärkeregler. Bild 1.2.3: Professionelles Sound-System mit Firewire-Schnittstelle Dem Mikrofoneingang kann eine 48V Phantomspannung zur Versorgung des Mikrofons zugeschaltet werden. Weiterhin gibt es den Master-Lautstärkeregler zur Einstellung des Pegels von Output- und Input-Monitor sowie einen Kopfhöreranschluss mit Lautstärkeregler. Auf der Rückseite befinden sich zwei symmetrische Eingänge, zwei symmetrische Ausgänge, optische SPDIF-Anschlüsse und zwei Firewire-Anschlüsse. Bislang wurden folgende Soundkarten erfolgreich eingesetzt: RME Fireface 800, RME Fireface 400, RME DIGI96, RME HDSP Duran Audio D-Audio, EMU 1616m, EMU 0404 USB, EMU Tracker Pre Echo Gina24, Echo AudioFire 4, Echo Layla 24, Echo Indigo M-Audio Audiophile 2496, Firewire Solo, USB Transit, Delta 44 Terratec EWX 24/96, Firewire FW X24, YAMAHA GO46 Digigram VxPocket 440 eine PCMCIA Karte TASCAM US USB Audio ESI Quatafire 610, Juli, U24 USB und Waveterminal, Soundblaster X-Fi, Infrasonic Quartet Soundblaster Live 24, Audigy ZS, Extigy-USB (nur mit 48kHz Sampling Frequenz), Turtle Beach Pinnacle und Fuji Soundkarten, Mit Einschränkungen können folgende Soundkarten genutzt werden: Soundblaster MP3+ USB (Anmerkung: Bitte installieren Sie nicht den SB-Treiber, nutzen sie den Windows XP Default Treiber), Soundkarten und On-Board-Audio mit AC97 Codecs (Probleme mit Rauschen im FTT Mode). Weitere aktuelle Informationen über erfolgreich eingesetzte Soundkarten finden Sie auf der Homepage von ARTA: Ferner sei zum Einstieg ein Aufsatz von Marcel Müller: Technische Eigenschaften von Soundkarten im PC [33] sowie Kapitel 2.1 empfohlen. Seite 208 von 214 Seite 9 von 214

6 Nullpunkt notiert. Anschließend wird der Lautsprecher mit ARTA im S PA -Mode mit einem Sinussignal bei fs angeregt und die Tiefenlehre vorsichtig in Richtung Kalotte geschoben bis ein Kontaktgeräusch zu hören ist. Der für die jeweilige Anregungsspannung ermittelte Wert ist vom Nullpunkt zu subtrahieren, um die zugehörigen Auslenkung zu bekommen. 5. Ermittle THD mit ARTA im S PA -Mode bei der Resonanzfrequenz mit Sinusanregung als Funktion der Amplitude U1: Wechsle auf Two Sine Anregung und wähle einen Frequenzbereich zwischen f2 +/- 2,5*fs in linearer Darstellung. Gehe mit dem Cursor auf die in Bild 11.4 gekennzeichneten Frequenzen und notiere die jeweiligen Pegelwerte. Die Modulationsverzerrung zweiter Ordnung sowie die Modulationsverzerrung dritter Ordnung Kabel Zur Verbindung aller genannten Komponenten sind diverse Kabel erforderlich. Spätestens wenn eines fehlt, weiß man deren Wert zu schätzen. Achten Sie bei allen Verbindungen auf Qualität! Wackelkontakte, schlechte Schirmung etc. können einem das Messleben vergällen (s. auch Kap ). In der Regel werden folgende Verbindungen benötigt: Mikrofonkabel (je nach Mikrofon und Mikrofonvorverstärker XLR, Klinke, Cinch, siehe auch Bild ) Anschlusskabel Soundkarte MessBox Anschlusskabel Verstärker MessBox Anschlusskabel MessBox Lautsprecher (1,5 bis 2,5 mm²) Bitte achten Sie darauf, dass alle Verbindungen nur so lang wie nötig sind! Weitere nützliche Hilfsmittel Loopback Kabel (zur Kalibrierung der Soundkarte, siehe Kapitel 4) Spannungsteiler (zur Pegelanpassung, siehe Kapitel 5) Y-Kabel (zur Realisierung von Semi-Zweikanalmessungen, siehe Kapitel 2) Lüsterklemmen, Krokodilklemmen (zur Herstellung temporärer Verbindungen) Multimeter (DMM) Ein gutes Multimeter ist für die Kalibrierung der Messkette unabdingbar und natürlich darüber hinaus ein nützliches Werkzeug für den Messalltag. Sofern Sie noch kein Multimeter in Ihrem Werkzeugkoffer haben, sollten Sie sich idealerweise ein sogenanntes True RMS Multimeter entscheiden. Das Angebot ist groß, auch unter 100 gibt es bereits brauchbare Geräte. Sollten Sie bereits ein DMM besitzen, oder mit einem preiswerteren Gerät liebäugeln, welches nicht der o.g. Kategorie zuzuordnen ist, dann sollten Sie vor dem Kalibrierungseinsatz folgenden Test durchführen: a) Verbinden Sie Ihr Multimeter mit dem linken Line-Ausgang der Soundkarte und stellen den Messbereich auf 2 Volt AC. b) Starten Sie z.b. den Signalgenerator von STEPS im Menü Measurement Setup. c) Messen Sie bei verschiedenen Testfrequenzen zwischen 20 Hz und ca Hz mit dem Multimeter die Ausgangsspannung der Soundkarte und notieren den jeweiligen Wert. Bild 1.2.5: Multimetervergleich Tragen Sie dann die gemessenen Werte entweder absolut oder relativ in Abhängigkeit von der Frequenz auf. Bild zeigt das Ergebnis für ein qualitativ durchschnittliches DMM sowie für ein True RMS Multimeter. Sie sehen, dass bei Speisung mit einem Sinussignal die Frequenzabhängigkeit bis ca Hz kleiner 2-3% ist. Somit wäre das DMM für die Kalibrierung von ARTA mit voreingestellten Werten (500 Hz) geeignet (siehe auch Kap ). Bild 11.4: Ermittlung der Modulationsverzerrungen zweiter und dritter Ordnung Seite 206 von 214 Seite 11 von 214

7 Betätigungsfeld von ARTA (Kapitel 6, Application Note Nr. 6). Hinweise zum Standard Baffle finden Sie am Ende dieses Abschnittes (Bild 11.2). Punkt 11 lässt sich sowohl mit ARTA (Farina Methode, Kapitel 7.1) als auch mit STEPS (Kapitel 9) erledigen. Bezüglich der Daten zur max. elektrischen Belastbarkeit (Punkt 13, 15) ist man in der Regel auf Herstellerangaben angewiesen (2 Stunden Dauerpegel könnte den Hausfrieden oder die gute Nachbarschaft erheblich stören). 1.4 Messaufbau, prinzipielle Möglichkeiten Im Originalhandbuch und im vorliegenden Kompendium wird auf folgende Messaufbauten Bezug genommen: 1. Einkanal Messaufbau 2. Semi-Zweikanal Messaufbau 3. Zweikanal Messaufbau 4. Messaufbau für Impedanzmessung 5. Messschleife (Loop back) für Soundkartentest 6. Prüfspitze (Probe) In den folgenden Abbildungen werden alle aufgeführten Messanordnungen schematisch dargestellt. ARTA nutz den linken Line-Ausgang der Soundkarte zur Ausgabe des Prüfsignals und den linken Line-Eingang für die Erfassung des DUT-Signals (Device Under Test). Der rechte Line-Eingang wird als Referenzkanal benutzt. Akustische Messungen Bild 2.1: Einkanaliger Messaufbau Bei der Einkanalmessung wird ausschließlich das Signal des DUT (hier Mikrofonsignal über Mikrofonvorverstärker) erfasst. Die Fehler der Soundkarte und des Leistungsverstärker sind im Messergebnis enthalten, sie werden nicht kompensiert. Bild 11.1: Datenblatt eines Tiefmitteltöners (Visaton AL130 8 Ohm) Bild 11.1 zeigt das Datenblatt eines Tiefmitteltöners von Visaton. Mit Ausnahme von Punkt 11 und einigen Kenngrößen, die aus vorhandenen Daten berechnet werden können, sind alle geforderten Angaben enthalten. Anstatt des Frequenzganges bei 45 ist gar ein Polardiagramm für repräsentative Frequenzen beigefügt. Bild 2.2: Semi-Zweikanal-Messaufbau Bei der Semi-Zweikanalmessung wird der rechte Line-Ausgang als Semi-Referenz genutzt (Fehler der Soundkarte werden kompensiert). Bild 2.3: Zweikanal-Messaufbau Im Zweikanal-Messaufbau wird das Referenzsignal am Ausgang des Leistungsverstärkers abgegriffen (Fehler von Soundkarte und Leistungsverstärker werden kompensiert). Siehe auch ARTA-Messbox in Kapitel 3. Bild 11.2: Abmessung des IEC Standard Baffles Seite 204 von 214 Seite 13 von 214

8 Eingangskanäle getauscht werden, muss natürlich auch der Referenzkanal im LIMP Measurement Setup getauscht werden. Anmerkung: Um richtige Messwerte für Kapazität und Induktivität zu erhalten, sollte der Cursor auf eine Frequenz gesetzt werden, bei der die Impedanz kleiner ist als 100 Ohm. Das stellt sicher, dass die Messungen im Bereich von ca. 1% Toleranz liegen. Die Begründung liegt darin, dass der gemessenen Impedanz entweder der Messfühler (Probe) oder die Eingangsimpedanz der Soundkarte mit typisch 10k Ohm parallel geschaltet werden Die Genauigkeit der Impedanzmessung Bei sauberem Messaufbau sollte der Messfehler bei der Impedanzmessung mit LIMP kleiner 1% sein. Sollte das nicht gegeben sein, so ist häufig eine der folgenden Fehlerquellen dafür verantwortlich: 1. Die Empfindlichkeit der Eingangskanäle der Soundkarte ist unterschiedlich 2. Die Soundkarte hat eine zu niedrige Eingangsimpedanz (10-20 kohm) 3. Das Messkabel zwischen Leistungsverstärker und Lautsprecher ist zu lang Abhilfe kann durch folgende Maßnahmen geschaffen werden: 1. Kalibrierung der Soundkarte (siehe Kapitel 10.2, Bild 10.2b) 2. Eine Soundkarte mit hoher Eingangsimpedanz verwenden (Spezifikation prüfen, professionelle Soundkarten haben Eingangsimpedanzen von 1MOhm) oder einen Eingangsbuffer vorschalten. 3. Bei zu langen Messkabeln gehen die induktiven oder kapazitiven Kabelanteile in die Messung ein. Das gilt auch für Übergangswiderstände an Klemmen oder Steckern. Die Devise lautet also: a. Kurze Messkabel mit hinreichendem Querschnitt (ca. 1,5 mm 2 oder größer) verwenden b. Falls längere Messkabel verwendet werden müssen, den Referenzwiderstand möglichst in der Nähe der Lautsprecherklemme anbringen. Siehe hierzu auch ein einfacher Messaufbau zur Impedanzmessung c. Auf saubere Kontakte achten. Nur Stecker und Klemmen von unzweifelhafter Qualität verwenden Anm.). 2. ARTA, erste Schritte für Eilige Es ist durchaus zu verstehen, dass es nach der Installation eines Programms sofort ans Eingemachte in diesem Fall ans Messen gehen soll, aber geben Sie sich und ARTA eine Chance und bearbeiten zunächst diesen Abschnitt. In aller Kürze werden die Punkte angesprochen, die zur Inbetriebnahme eines Messsystems mit ARTA bzw. für eine einkanalige Frequenzgangmessung (s. Bild 2.1) oder eine Impedanzmessung (s. Bild 2.4a oder Bild 2.4b) zu beachten sind. Weitergehende Erläuterungen finden Sie in den jeweils angegebenen Kapiteln. Soundmixer einstellen Der häufigste Fehler, der beim Schnellstart gemacht wird, ist die Übersteuerung der Soundkarte. Gehen Sie daher zunächst ins Menü Systemsteuerung und öffnen Sounds und Audiogeräte. Anmerkung: Messleitungen, wie im rechten Bild dargestellt, sind oft eine Fehlerquelle bei Messungen an Lautsprechern. Da die Kabel nicht selten nur an die Krokodilklemmen geklemmt sind, gibt es in der Abfolge variable Übergangswiderstände, was der Reproduzierbarkeit von Messungen nicht gerade zuträglich ist. Wenn Sie derartige Produkte verwenden, dann bitte jede Verbindung prüfen und ggf. nachlöten. Nehmen Sie nun am Soundmixer die unten am Beispiel einer Onboard-Soundkarte gezeigten Einstellungen der Aufnahme- und Ausgabekanäle vor. Seite 202 von 214 Seite 15 von 214

9 10.3 RLC-Messung mit LIMP LIMP ermittelt den Wert von Widerständen, Kondensatoren und Spulen durch Berechnung des resistiven, induktiven oder kapazitiven Anteils der Impedanz. Bild zeigt als Beispiel die Impedanzkurve einer Spule mit einem nominalen Wert von 1,5 mh. Der Aufbau eines Messmikrofons ist denkbar einfach. Im ARTA Hardware & Tools Handbuch finden Sie Details zum Nachbau. Bild : Impedanzverlauf einer 1.5mH Spule Über das Menü Analysis RLC Impedance value at cursor position erhält man das Ergebnis wie links gezeigt. LIMP weist aus, dass die gemessene Impedanz an der Cursorposition einen resistiven Anteil von Ohm und einen imaginären induktiven Teil mit einem Wert von 1.589mH hat. Auf gleiche Weise werden mit LIMP auch Kondensatoren oder reine Widerstände gemessen. Für die Durchführung von RLC-Messungen ist es wichtig, dass vor der Messung eine Kalibrierung durchgeführt wird, am besten mit dem verbundenen Prüfling. Warum ist eine Kalibrierung erforderlich? Selbst bei kleinen Differenzen in der Empfindlichkeit beider Eingangskanäle der Soundkarte (z.b. 0.1dB) kann es passieren, dass LIMP unter bestimmten Bedingungen fehlerbehaftete Ergebnisse liefert, da die Phase einer Induktivität nahezu 90 Grad und die eines Kondensators nahezu -90 Grad beträgt. Mit der Minimalausstattung für akustische Messungen (Rechner mit Onboard-Soundkarte, Leistungsverstärker, Messmikrofon) und den oben geschilderten Grundeinstellungen können Sie nun die ersten Messungen durchführen. Einfacher Messaufbau zur Impedanzmessung mit LIMP Für Impedanzmessungen sind Onboard Soundkarten in der Regel nicht geeignet (siehe auch Kapitel 4.1). Sofern Sie eine Soundkarte mit Stereo Line IN und einem Kopfhörerausgang haben, nutzen Sie den Messaufbau gemäß Bild 2.4b. Zur Messung benötigen Sie lediglich einen 100 Ohm Referenzwiderstand und ein wenig geschirmtes Kabel. Sollte Ihre Karte keinen Kopfhörerausgang haben, so können Sie folgenden Messaufbau verwenden. Je nach Eingangsbuchse der Soundkarte (Klinke oder Chinch) nehmen Sie am Besten ein fertiges Kabel und schneiden das nicht benötigte Ende ab. Ferner benötigen Sie einen Bananenstecker, eine Buchse, einen 27 Ohm (5 Watt) Referenzwiderstand sowie jeweils zwei 8,2 kohm und 1,0 kohm ¼ Watt Widerstände. Die Anleitung zum praktischen Aufbau kann dem folgenden Bild entnommen werden. Für den Fall, dass die über dem Generator gemessene Spannung V1 und die über der Impedanz Z gemessene Spannung V2 durch Unterschiede in der Empfindlichkeit der beiden Messkanäle verfälscht wird, kann das dazu führen, dass die ermittelte Impedanz auch Phasenwerte von mehr als 90 Grad ausweist und die Phase einen Sprung um 180 Grad macht (s. Bild ). Seite 200 von 214 Seite 17 von 214

10 Membranmasse von 11g und das im rechten Teilbild von 43g. Es ist sehr schön zu sehen, dass durch die Zuschaltung der weichen, federnden Unterlage eine zusätzliche Resonanz erzeugt wird. 3. Die ARTA-MessBox Zur Vereinfachung von Messungen mit ARTA, LIMP und STEPS empfiehlt sich der Aufbau der ARTA-MessBox. Sie ist sowohl für Impedanzmessungen als auch für zweikanalige Frequenzgangmessungen ausgelegt und nimmt dem Anwender das umständliche Umstecken von Messleitungen ab. Bei Messungen mit der ARTA-Messbox ist die Masse von Input und Output der Soundkarte nicht verbunden und somit gibt es bei kalibrierten Messungen keine Probleme mit Masseschleifen. Zum Aufbau siehe Bild 3.1 bis Bild 3.3 sowie [I] oder im ARTA Hardware & Tools Manual [22]. Bild 10.09: Einfluss der Messunterlage für zwei Lautsprecher (rot=schaumstoff, blau = MDF) Wenn schon in horizontaler Lage gemessen wird, dann sollte zumindest eine feste Messunterlage gewählt werden. Ferner sollte bei liegender Messlage natürlich darauf geachtet werden, dass eine eventuell vorhandene Polkernbohrung frei atmen kann. Bild 3.1: Die fertige ARTA-Messbox (links konventionell, rechts Platinenlösung) Bild 10.10: Messlage bei der Messung der TSP Bezüglich der Auswirkung der Messlage (horizontal, vertikal) auf die TSP des Chassis gibt es in Foren etliche Diskussionen. Richard Small und andere Autoren empfehlen, die Chassis in Einbaulage zu messen, also mit horizontaler Lautsprecherachse [31], [27]. Insofern sollten zumindest diejenigen, die sich dauerhaft dem Hobby Lautsprecherbau verschreiben wollen, den Bau einer einfachen Haltevorrichtung überdenken, in der sowohl die normale Einbaulage als auch eine feste, nicht nachgiebige Befestigung realisierbar ist. Da Bild 10.11: Einspannvorrichtungen für TSP Messung auch hier die Gesetze der Physik gelten (actio = reactio), ist zur Erfüllung der letztgenannten Forderung ein wenig Masse erforderlich. Bild 3.2: Das Innenleben der ARTA-Messbox (links konventionell, rechts Platinenlösung) Seite 198 von 214 Seite 19 von 214

11 5) Über das Menü Analyze Loudspeaker parameters Added Mass Method können nun die erforderlichen Parameter (R DC, D D, M ADD ) im Bereich User Input eingegeben werden (siehe auch ). 3.1 Zweikanalige kalibrierte Messungen mit der ARTA-MessBox Für eine kalibrierte Messung des Frequenzganges mit ARTA und STEPS im Zweikanalmode sollten die Verstärkungswerte für beide Eingangskanäle eingegeben werden (Ext. preamp gain). Es ist im Programm definiert, dass der rechte Eingangskanal der Soundkarte als Referenzkanal und der linke Kanal als Messkanal benutzt wird. Die ARTA-MessBox ist so ausgelegt, dass sie für die meisten Anwendungsfälle geeignet sein sollte. Sofern eine Anpassung der ARTA-MessBox an die eigenen Bedürfnisse gewünscht ist, ist ein wenig Rechenarbeit erforderlich. Im Folgenden wird sowohl die Anpassung als auch die Berechnung der Ext. Pream Gain -Werte für das Audio Devices Setup beispielhaft mit der Standardbestückung der MessBox beschrieben. Anpassung der MessBox an den Leistungsverstärker (Line IN, rechts) Die Widerstände R1, R2 bilden zusammen mit der Eingangsimpedanz Z IN der Soundkarte einen Spannungsteiler k, der durch k = (R2 Z IN ) / (R1 + R2 Z IN ) mit (R2 Z IN ) = R2* Z IN / (R2+ Z IN ) beschrieben wird. Das heißt, die maximale Spannung, die vom Leistungsverstärker zum rechten Line-In-Kanal der Soundkarte abgegeben werden kann, ist gleich Bild 10.7: Eingabe und Berechnung der TSP 6) Copy Durch Copy to Clipboard oder Export in CSV File können die errechneten Parameter exportiert werden. Sofern mit mehreren Messungen Statistik betrieben werden soll, empfiehlt sich der CSV-Export, denn dann steht die volle Funktionalität von Excel zur Verfügung. U MAX = S [Volt RMS] / k mit S = Eingangsempfindlichkeit der Soundkarte Dann ist die maximale Leistung, die bei der Messung genutzt werden kann, gleich P MAX = (S [Volt RMS] / k) 2 / Z Speaker Mit den in der MessBox gewählten Werten für R1= 8k2, R2 =910 sowie einem üblichen Werte für Z IN = 10k und einer Eingangsempfindlichkeit der Soundkarte = 1V berechnen wir für die Verstärkung des rechten Eingangskanals (Ext. right preamp gain, siehe Bild 3.4) folgenden Eingabewert Rechter Kanal = (R2 Zin) / (R1 + R2 Zin) = (910 10k) / (8k2 + (910 10k)) = bei P MAX = 29W für 4 Ohm oder P MAX = 14.5W für 8 Ohm nominale Lautsprecherimpedanz. Wenn Ihr Verstärker diese Leitung nicht abgeben kann oder wenn mit höherer Leistung gemessen werden soll, kann oder muss der Spannungsteiler entsprechend angepasst werden. Ist Ihr Verstärker z.b. mit einer Ausgangsleistung von 56 Watt an 8 Ohm angegeben und Sie wollen die volle Leistung nutzen, sind folgende Modifikationen der ARTA-MessBox erforderlich: k = S [Volt RMS] / P MAX * Z Speaker = 1V / 56W * 8 Ohm = 0,0472 mit R2 = 910 und Z IN = 10K ergibt sich R1 zu R1 = (R2 Z IN ) / k - (R2 Z IN ) = 834,1 / 0, ,1 = Ohm. Anmerkung: Die Empfindlichkeit der Soundkarte ist im Kalibrierungsmenü in mv PEAK angegeben. Die Anpassungsberechnung für die Messbox erfordert V RMS = V Peak * 0,707. Seite 196 von 214 Seite 21 von 214

12 Falls die Eingabefelder für Eingaben gesperrt sind (graue Hinterlegung), ist noch kein Overlay definiert. Durch Betätigung von Calculate errechnet LIMP die TSP (s. Bild 10.5b). V MicPreAmp = 10^ ( x db / 20 ) 20 db = db = db = 1000 Bild 10.5b: Berechnete TSP 6) Copy Durch Copy können die errechneten Werte als ASCII in beliebige Dateien kopiert werden. Die Ausgabe erscheint wie folgt: Thiele-Small Parameters: Fs = Hz Re = 5.75 Ohms[dc] Qt = 0.63 Qes = 0.68 Qms = 8.02 Mms = grams Rms = kg/s Cms = m/n Vas = 6.64 liters Sd= cm2 Bl = Tm ETA = 0.48 % Lp(2.83V/1m) = db Closed box method: Box volume = 5.40 lit Diameter = cm Bild 3.5: Mikrofonvorverstärker MPA 102 (Monacor) Anmerkung: Hier scheint die Spezifikation für das Tiefpassfilter nicht richtig zu sein, es sollte 10,5 khz heißen. Seite 194 von 214 Seite 23 von 214

13 Bild 10.2c: Kalibrierungsmenü in LIMP 3) Messung des Lautsprechers free air Bild 3.7: Ermittlung PAG aus Single und Dual-Channel Messung Bild 10.3: Impedanzgang des LS ohne Gehäuse 3) Die free-air-messung mit Overlay Set speichern (Kurve wird gelb) 4) Die Messung des LS im Testgehäuse durchführen (s. Bild 10.2a) Alternativ können Sie auch die folgende, etwas genauere Prozedur im Zweikanalmode FR2 nutzen: 1. Verbinden Sie den linken Eingangskanal mit dem gewählten Ausgangskanal der Soundkarte. 2. Verbinden Sie den rechten Eingangskanal über einen Spannungsteiler G mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers. Zur Bemessung des Spannungsteilers s. z.b. Bild Geben Sie den Absolutwert des Spannungsteilers G als Ext. right preamp gain ein (siehe Bild 3.6). 4. Setzen Sie den ARTA Signal Generator auf Periodic Noise. Zum Schutz der Soundkarte senken Sie den Ausgangspegel auf ca. -10dB. 5. Starten Sie die Messung im FR2-Mode und notieren den Wert der Amplitude bei 1kHz. Dieser Messwert entspricht der Verstärkung des Leistungsverstärkers in db. Der für den Eintrag im Menü Audio Devices Setup erforderliche Absolutwert berechnet sich wie folgt: (FR 1kHz) / 20) Power amplifier gain = 10 Seite 192 von 214 Seite 25 von 214

14 Im Bereich Measurement Config werden die allgemeinen Messparameter festgelegt: Referenzkanal: Default ist der rechte Eingangskanal Referenzwiderstand: In der ARTA-MessBox ist der Referenzwiderstand mit 27 Ohm angegeben. Der genaue Wert ist durch Messung zu bestimmen. Obere Frequenzgrenze: siehe unten Untere Frequenzgrenze: siehe unten Die Frequenzgrenzen sind auch über die obere Menüleiste zu steuern Im Bereich Stepped Sine Mode werden die Parameter für die Anregung mit gestuftem Sinus definiert. Alle Parameter dieses Bereiches sind bereits in Abschnitt 9.1 erläutert. Die eingestellten Default-Werte sind für übliche Impedanzmessungen hinreichend. Im Bereich FFT Mode werden die Parameter für die Anregung mit rosa Rauschen definiert. FFT Size: Anzahl der Werte für die FFT (Auflösung) Averaging: Art der Mittelung (keine, linear, exponentiell) Max Averages: maximale Zahl der Mittelwertbildungen Asynchronous Averaging: asynchrone Mittelung an/aus im Abschnitt I/O Amplifier Interface: LineIn sensitivity Eingangsempfindlichkeit des Line-Einganges in mv Peak LineOut sensitivity - Ausgangsempfindlichkeit des linken Line-Ausganges in mv Peak Ext. preamp gain - Wenn ein Vorverstärker oder ein Spannungsteiler im Signalpfad zu den Line- Eingängen liegt, dann muss hier der Verstärkungs- bzw. Abschwächungsfaktor eingetragen werden. Ansonsten setzen Sie den Eintrag auf 1. L/R channel diff - Empfindlichkeitsdifferenz zwischen dem linken und dem rechten Eingangskanal in db. Power amplifier gain - Wenn Sie eine Endstufe am Line-Ausgang angeschlossen haben und einkanalig kalibriert messen wollen, dann müssen Sie hier den Verstärkungsfaktor der Endstufe eingeben (s. Abschnitt 3.2) im Abschnitt Mikrofon: Sensitivity - Empfindlichkeit des Mikrofons in mv/pa. Microphone used - check box aktiv heißt, dass das Mikrofon verwendet wird und die Grafik in db re 1Pa oder in db re 20 µ Pa skaliert ist. Mittels der ComboBox wird der Eingangskanal für das Mikrofon gewählt (es wird empfohlen, den linken Kanal der Soundkarte als den Mikrofoneingang zu wählen). Die Setup-Daten können durch 'Save Setup" und "Load Setup" gespeichert und geladen werden. Die Setup-Dateien haben die Extension '.cal Wichtiger Hinweis: Bitte schalten Sie die Mikrofon- und die Line-Kanäle am Ausgangsmixer der Soundkarte stumm, sonst könnte es bei Messungen zu Rückkopplungen kommen. Wenn Sie eine professionelle Soundkarte verwenden, schalten Sie das Direct- oder Zero-Latency Monitoring der Line-Eingänge ab Setup WDM Treiber für Windows 2000 / XP Nach Auswahl der Soundkarte muss im Sound-Mixer definiert werden, welche Ein- und Ausgänge verwendet werden sollen. Bevor es ans Messen geht, ist zu überprüfen, ob der eingestellte Ausgangspegel nicht zur Übersteuerung der Eingangskanäle führt. Dabei ist zu beachten, dass die zwei Anregungssignale sehr unterschiedlich sind, d.h. bei Wechsel der Anregungsart sollte der Pegel neu geprüft werden. Im Menü Generator Setup sind alle erforderlichen Einstellungen möglich. Generator Anregungsart: PN oder Stepped Sine Ausgangspegel: 0 bis -15 db Frequenz bei Sinusanregung Eckfrequenz bei Anregung mit Rauschsignal Input Level Monitor Durch Drücken von Test wird das oben eingestellte Signal gestartet und im Peak Level Meter angezeigt. Sollte die Anzeige rot oder gelb sein, ist der Pegel zu reduzieren. Bild 4.1.2: Wahl der Ein- und Ausgangskanäle der Soundkarte Seite 190 von 214 Seite 27 von 214

15 Bei der zweiten Spezialfunktion, der Linearity Function, kann der Zusammenhang zwischen zwei Größen gemessen werden. Im Menübereich Measurement Channels werden die Möglichkeiten aufgezeigt. Es kann sowohl der linke als auch der rechte Kanal als Anregung oder als Aufnahme definiert werden Setup WDM Treiber für Vista / Windows 7 Microsoft hat unter Vista / Windows 7 die Steuerung von Sound Devices geändert. Jetzt ist das Betriebssystem (manchmal auch in Verbindung mit der Steuerungssoftware professioneller Soundkarten) verantwortlich für die Grundeinstellung von Abtastrate und Auflösung. Das Betriebssystem ändert die Standardauflösung für ein hochwertiges Mixing und eventuell auch für die Sample-Rate-Konvertierung auf das Format Float. Daher wird dringend empfohlen, in ARTA das Float Format zu wählen und die Abtastrate auf das Standardformat einzustellen. Der Zugang ist über das "Windows Sound Control Panel" gegeben. Das Panel erreicht man durch Anklicken der Schaltfläche "Control Panel" im Arta-Menü 'Audio Device Setup". Bild zeigt das Vista / Windows 7 Control Panel, welches vier Seiten beinhaltet. Im ersten Schritt muss die Playback-Seite eingestellt werden, dann wiederholt sich die Prozedur für die Recording- Seite. Bild 9.3.6: Linearity Function Menü (X vs.y) Bild zeigt einen einfachen Linearitätstest mit einer preiswerten Onboard Soundkarte. Bild 4.1.5: Vista Sound Control Panel Die Einstellung der Soundkarte unter Vista / Windows 7 läuft wie folgt: 1. Klicken Sie auf Channel Info zur Auswahl des Wiedergabekanals. Es wird empfohlen, den Default-Audio-Kanal nicht als Messkanal zu nutzen. 2. Klicken auf die Schaltfläche "Properties" öffnet den 'Sound Properties"-Dialog. 3. Klicken Sie auf die Registerkarte "Levels" zum Öffnen des Ausgabemixers (s. Abb ). Schalten Sie Line-In und Mic-Kanäle stumm, falls vorhanden. 4. Klicken Sie auf die Registerkarte "Advanced" zur Festlegung der Kanal Auflösung und der Sample Rate (s. Abb ) 5. Wiederholen Sie Schritt 1 bis 4 für den Aufnahmekanal. Wählen Sie die gleiche Abtastrate wie im Wiedergabekanal. Bild 9.3.7: Linearitätstest einer Onboard-Soundkarte Seite 188 von 214 Seite 29 von 214

16 dem Stoppwert wird die max. Ausgangsspannung in V angezeigt. Diese berechnet sich aus dem Verstärkungsfaktor des Leistungsverstärkers und einem Sicherheitsabstand zur Vollaussteuerung von 3 db (siehe hierzu auch Kapitel 3.2). Achtung, bitte überlegen Sie vor dem Start der Messung, ob Ihr Testobjekt bei Vollaussteuerung Schaden nehmen könnte! Bild zeigt den Klirrverlauf eines kleinen Leistungsverstärkers bei 1 khz in Abhängigkeit von der Spannung (Leistung). Hinweise zur Messung und zum Messaufbau werden im Kapitel 5.4 gegeben Setup ASIO Treiber Audio Stream Input/Output (ASIO) ist ein von Steinberg entwickeltes, plattformübergreifendes, mehrkanalfähiges Audiotransfer-Protokoll. ASIO-Treiber arbeiten entkoppelt vom Betriebssystem. Sie haben ein eigenes Control Panel zur Anpassung von Auflösung und Buffergröße (Bild 4.1.9). Der Buffer wird für die Übertragung der abgetasteten Daten des Treibers zum Anwendungsprogramm verwendet. Das ASIO Control Panel wird geöffnet, indem Sie die Schaltfläche "Control Panel" im ARTA "Audio Device Setup"-Menü aktivieren (Bild 4.1.8). Bild 4.1.8: Audio Devices Setup ASIO Bild 9.3.2: THD vs 1kHz für einen kleinen Leistungsverstärker Bild 4.1.9: ASIO Control Panel zur Einstellung von Auflösung und Buffergröße Für Musik-Anwendungen wird in der Regel die Buffergröße so klein gewählt, dass gerade noch ein stabiles Arbeiten gewährleistet ist. Das ergibt die geringste Latenzzeit (systembedingtes Delay). In ARTA ist Latenz kein Problem, da dem softwareseitig begegnet wird. Trotzdem wird es nicht empfohlen, Buffer größer als 2048 Samples oder kleiner als 256 Samples zu verwenden. Einige ASIO Control Panels geben die Größe des Buffers in Samples an, während andere die Größe des Buffers in ms ausdrücken. In diesem Fall kann die Größe des Buffers in Samples mit dem folgenden Ausdruck berechnet werden: buffer_size [samples] = buffer_size[ms] * samplerate[khz] / number_of_channels. Bild 9.3.3: THD vs Spannung bei verschiedenen Frequenzen (links). THD bei 3 Volt (rechts) Bild zeigt den Klirrverlauf (THD) bei verschiedenen Frequenzen in Abhängigkeit von der Spannung (linkes Teilbild) für einen 5 Tiefmitteltöner. Das rechte Teilbild zeigt den Klirrverlauf in Abhängigkeit von der Frquenz bei ca. 3 Volt Amplitude. Die bei 3 Volt im rechten Teilbild bei den ausgewiesenen Messfrequenzen abgelesenen Werte sollten im rechten Teilbild wiederzufinden sein. Seite 186 von 214 Einige ASIO-Treiber ermöglichen das Setup der Buffergröße (in Samples), die eine Potenz der Zahl 2 sind (256, 512, 1024,.). In diesem Fall wird die Buffergröße automatisch durch ARTA eingestellt. ARTA arbeitet immer mit zwei Eingangskanälen und zwei Ausgangskanälen. Sie sind als linker und rechter Stereokanal definiert. Wenn ASIO Multichannel-Geräte unterstütz, muss der Anwender im Menü Audio Device Setup die zu verwendenden Stereokanäle wählen (1/2, 3/4,.). Seite 31 von 214

17 Gehen Sie nun in die Werkzeugleiste und wählen dort die unten gezeigten Werte: Die Parameter können Sie auch über das Menü 'Spectrum Analysis Setup' einstellen. Sie gelangen in dieses Menü über Setup Measurement. THD: FF (rot), NF (blau) D2: FF (dunkelblau), NF (hellblau) D3: FF (rot), NF (lila) D4: FF (grün), NF (braun) Bild 9.2.7: STEPS Klirrfrequenzgang in Prozent. Direkter Vergleich THD, D2, D3 und D4 im Nahfeld und in 40 cm Messabstand. Wählen Sie als Eingangskanal (Input channel) Left. Bevor Sie fortfahren, überzeugen Sie sich bitte nochmals von der richtigen Einstellung Ihres Sound Mixers: 1. Aktivieren Sie Line-In des Aufnahmemixers. 2. Setzen Sie die Lautstärke des Aufnahmemixers nahezu auf Minimal. 3. Deaktivieren Sie Line-In im Ausgabe Mixer. 4. Setzen Sie die Lautstärke des Ausgabemixers auf nahezu Maximum. Seite 184 von 214 Seite 33 von 214

18 verändern. Um aufzuzeigen, in welchem Bereich sich gängige Soundkarten bewegen, sind im Folgenden drei unterschiedliche Ergebnisse dargestellt. M-Audio Transit THD + N = 0,0069% THD: Audix (grau) D2: Audix (blau) Realtek AC97 Audio THD + N = 0,1845% D3: Audix (rot) D4: Audix (grün) Bild 9.2.5: Direkter Vergleich Audix TM1 vs. NTI M2210 Dieser Vergleich soll u.a. zeigen, dass sich ein Streit um Nachkommastellen bei Verzerrungsmessungen mit preiswertem Messequipment nicht lohnt. Wie bereits weiter oben erwähnt, spielen neben dem eingesetzten Equipment auch die Randbedingungen, unter denen die Messungen durchgeführt werden, eine wichtige Rolle. Auch hierzu nun ein paar gemessene Beispiele. Bild zeigt Klirrmessungen eines 5 TMT im Nahfeld und in 10, 25 und 40 cm Messabstand in db und in %. Mit zunehmendem Messabstand macht sich der Raum sowohl im Frequenzgang als auch im Klirrverlauf bemerkbar. Bild zeigt einen direkten Vergleich des Klirrfrequenzganges in %, (THD, D2, D3, D4) im Nahfeld und in 40 cm. Neben zunehmender Unruhe im Verlauf fügt der Raum auch Klirranteile hinzu. Die gezeigten Beispiele machen deutlich, dass zur Erzeugung reproduzierbarer Klirrmessungen einiges zu bedenken ist. Wie bereits oben erwähnt, gilt es unter Beachtung von Anregungspegel, Grenzschalldruck des Mikrofons, Messabstand und der Ausblendung von störenden Reflexionen für jede Messanordnung den jeweils besten Kompromiss zu suchen. Onboard Karte Intel THD + N = 0,0858% Seite 182 von 214 Seite 35 von 214

19 nützlich, wenn man wissen möchte, bei welcher Ausgangsspannung des Verstärkers welcher Pegel am Mikrofon anliegt (s. Bild 9.2.2) Dual Channel (-1dB bis -12dB) Single Channel (-1dB bis -12dB) Bild 9.2.2: Amplitudenfrequenzgang im Ein- und Zweikanalmode bei STEPS Da im Zweikanalmode (Bild 9.2.2, links) der Bezugspegel angezeigt wird (z.b. db re 20uPa/2.83V), wird jegliche Veränderung der Ausgangsspannung - je nach Wahl im Menu View Sound Pressure Units - von STEPS wieder auf 2,83 oder 1 Volt zurückgerechnet. Im Einkanalmode wird jede Veränderung der Ausgangsspannung am Verstärker auch im Pegel angezeigt (Bild 9.2.2, rechts). Neben der Messung von Frequenzgängen ist STEPS besonders zur Messung von Klirrfrequenzgängen geeignet. Die Messungen mit STEPS sind wenig störanfällig, dauern aber wie bereits oben angemerkt - je nach Einstellung deutlich länger als nach der Farina Methode (siehe Kapitel 7.1) Die Steuerung der Anzeige (db oder %) erfolgt über die Buttons in der oberen Menüleiste. M+D = Magnitude + Distortion D% = Distortion % Drücken Sie nun und es erscheint der Frequenzgang Ihrer Soundkarte Bild 9.2.3: Optionen zur Darstellung von Klirrdiagrammen Bei Klirrmessungen ist zu beachten, dass das Ergebnis sowohl durch Komponenten der Messkette als auch durch die Messumgebung beeinflusst werden kann. Bei zu großem Messabstand machen sich die Raumeinflüsse in den Messergebnissen stark bemerkbar und die Vergleichbarkeit von Ergebnissen ist nur noch begrenzt gegeben. Daher ist hier etwas Aufmerksamkeit angebracht. Vorsichtige Experimente mit verschiedenen Pegeln und Messabständen vermitteln einen Eindruck über die Wirkung der verschiedenen Einflussgrößen. Zwecks Ausschaltung von Raumeinflüssen und Erhöhung der Vergleichbarkeit der Ergeb- Seite 180 von 214 Seite 37 von 214

20 I/O delay (ms) Intra burst pause (ms) Nachhallzeit betragen. Werte zwischen 100 ms und 200 ms sind für normale Räume üblich. Bei Messungen im Freien sollte die Transient Time auf 50 ms bis 100 ms gesetzt werden. Bedingt durch die Wegstrecke zwischen Mikrofon und Lautsprecher ist immer ein Delay vorhanden. Um einen vernünftigen Phasenverlauf zu bekommen, muss dieses Delay berücksichtigt werden. Nach einer Messung muss das System erst wieder ausschwingen, bevor mit der nächsten Messung begonnen werden kann. Diese Pause wird Intra Burst Pause genannt. Als Faustwert für die Dauer der Intra Burst Pause kann wieder 1/5 der Nachhallzeit angenommen werden. Im folgenden Bild sehen sie die Frequenzgänge der bereits oben erwähnten Soundkarten. M-Audio Transit Line-In +/- 0,1 db (20Hz bis 20kHz) Stepped Sine Generator: Start frequency Stop frequency Generator level Frequency increment Mute Generator - Switch-off transients Wahl der Startfrequenz in Hz Wahl der Stopfrequenz in Hz Eingabe der Generator-Ausgangsspannung in db re FS Schrittweite der Frequenzstufen (1/12, 1/24 oder 1/48 Oktave) Checkbox aktiv = rechnerische Elimination der Klickgeräusche, die am Ende des Signals enstehen. Das geht zu Lasten etwas längerer Messzeiten. Realtek AC97 Audio Mikrofoneingang +/- 2,5 db (20Hz bis 20kHz) Onboard Karte Intel Mikrofoneingang +/- 6,5 db (20Hz bis 20kHz) Für Messzwecke sollte eine Soundkarte eine untere Grenzfrequenz (-3 db) von mindestens 10 Hz oder besser 5 Hz haben. Die Welligkeit (Ripple) des Frequenzganges sollte im Bereich von 20Hz Hz nicht mehr als 0,5 db betragen. Seite 178 von 214 Seite 39 von 214

21 9. Messen mit STEPS STEPS ermöglicht die Messung des Frequenzganges und des Klirrverhaltens von Lautsprechern mittels gestuftem Sinus (Stepped Sine). Alle wesentlichen Befehle und Operationen für STEPS sind in der oberen Menüleiste enthalten. 5. Kalibrierung der Messkette Unter Verzicht auf absolute Werte kann eine Messkette unkalibriert betrieben werden, jedoch nicht ohne die Einzelkomponenten aneinander anzupassen. Sowohl ein Messsignal, das den Eingang der Soundkarte übersteuert, als auch eines, das kaum wahrgenommen wird, ist einem zuverlässigen Messergebnis nicht zuträglich. Neben der oben genannten Grundfunktionalität bietet STEPS im Menu Record folgende Sondermessungen: Klirr vs. Amplitude (s. Kap. 9.3) Liniarität X vs. Y (s. Kap. 9.3)) Membranauslenkung vs. Klirr(s. Kap. 11.1) Grundsätzlich ist bei der Arbeit mit STEPS zu beachten, dass der Energiegehalt des Anregungssignals (Stepped Sine) im Vergleich zu den Rauschsignalen höher ist. Um Schaden vom Testobjekt (DUT) und vom Equipment abzuwenden, sollte man vor der ersten Messung grundsätzlich den Ausgangspegel kontrollieren. Da viele Symbole / Bedienelemente identisch mit denen von ARTA sind, wird im Folgenden nur auf die Besonderheiten von STEPS eingegangen. 9.1 Grundeinstellung von STEPS Im Menü 'Measurement setup' (s. Bild 9.1) werden alle wesentlichen Messparameter für STEPS eingestellt. Das Menü ist in die Bereiche System (Measurement System) und Generator (Stepped Sine Generator) sowie einem Peakmeter zum Einpegeln unterteilt. Daher gilt es vor dem Aufbau einer Messkette die Einzelkomponenten zu analysieren und ggf. durch Verstärker oder Spannungsteiler so aufeinander abzustimmen, dass weder eine Über- noch eine Untersteuerung in einem Teil der Messkette auftreten können. Zur Einstimmung hier ein erstes Beispiel. Die Messaufgabe ist als Bestimmung des SPL für Konuslautsprecher im Nahfeld definiert. Hierfür soll die Messkette so aufgebaut werden, dass bei 130 db keine Übersteuerung des Einganges der Soundkarte auftritt. Bekannt sind folgende Werte: Maximale Eingangsspannung der Soundkarte U IN MAX = 0,9988 V RMS (Bestimmung siehe unten) Verstärkung Mikrofonvorverstärker G PRE = 20 db = 10 Empfindlichkeit S MIC = 11mV@94db bei 1 khz Bei 130 db was 36 db Differenz zu 94 db entspricht - ergibt sich eine Ausgangsspannung am Mikrofon von 10 (36/20) = 63,1*11 = 694 mv RMS, welche durch den Mikrofonvorverstärker nochmals um den Faktor 10 verstärkt wird. G IN = U IN MAX / U OUT SENSOR MAX = 0,9988 / (10 * 0,694) = 0,1439 = -16,84 db Es ist also ein Spannungsteiler mit ca. 16 bis 17 db Abschwächung erforderlich. Rx = (Z IN * R2) / (Z IN + R2) [1] G = Rx / (R1+ Rx) [2] R1 = (Rx / G) Rx [3] Bei einer Eingangsimpedanz der Soundkarte von Z IN = 10kOhm und einem gewählten Wert für R2=1kOhm berechnet sich R1 mit [1] und [3] wie folgt: Rx = (10000 * 1000) / ( ) = 909,09 Ohm R1 = (Rx/G) Rx = (909,09 / 0,1439) 909,09 = 5408,42 Ohm 5,6 kohm G IN = 909,09 / ( ,09) = 0,1397 = -17,01 db Die komplette Anpassung der Messkette wird im Folgenden Schritt für Schritt beschrieben. Seite 176 von 214 Seite 41 von 214

22 8.3 Scale und Scale Level Im Folgenden finden Sie eine kleine Formelsammlung mit gängigen Rechen- und Anpassungsfunktionen: Kalibrierung der Ausgangskanäle Für die Kalibrierung der Ausgangskanäle der Soundkarte arbeiten Sie bitte die folgende Prozedur ab: Scale Scale Level Pegelnormierung auf d N im Fernfeld = d / d N = 20 log (d / d N ) Nahfeldpegel P NF auf Fernfeldpegel P FF anpassen (Halbraum, 2 Pi) Nahfeldpegel P NF auf Fernfeldpegel P FF anpassen (Frei, 4 Pi) Pegelanpassung Reflexöffnung P P an Membran P D im Nahfeld = (r / 2d) = 20 log (r / 2d) = (r / 4d) = 20 log (r / 4d) = (S P / S D ) 0,5 = 20 log (S P / S D ) 0,5 Legende D d N S P S D R P NF P FF = Messdistanz = Bezugsdistanz (1m ist die übliche Bezugsdistanz) = Fläche des Reflextunnels = Fläche der Membran = Radius der Membran = Pegel Nahfeld = Pegel Fernfeld 1) Verbinden Sie ein geeignetes Voltmeter mit dem linken Line- Ausgang der Soundkarte. Geeignet ist jedes NF-Voltmeter oder Digital-Voltmeter, das auch bei 500 Hz noch genau misst, oder ein Oszilloskop. Nebenstehendes Bild zeigt die Abweichungen eines qualitativ durchschnittlichen DMM in Abhängigkeit von der Frequenz. 2) Drücken Sie 'Generate sinus (500Hz)'. ARTA erzeugt ein Sinussignal mit frei wählbarer Amplitude (Output Level), wobei empfohlen wird, die Grundeinstellung (-3dB) beizubehalten.. 3) Geben Sie den am Voltmeter / Oszilloskop abgelesenen Wert ein. Das Ergebnis kann in Vs (Oszilloskop) oder in mv RMS eingeben werden (Voltmeter). 4) Drücken Sie 'Estimate Max Output mv' 5) Der ermittelte Wert für Max Output wird im Feld 'Estimated' angezeigt.. 6) Wenn das angezeigte Ergebnis plausibel erscheint, drücken Sie 'Accept', und der ermittelte Wert wird als aktueller Wert für 'LineOut Sensitivity' übernommen. Seite 174 von 214 Seite 43 von 214

23 5.2 Pegelkalibrierung des Mikrofons Um das Mikrofon zu kalibrieren, benötigen Sie einen Pegelkalibrator. Die Prozedur ist wie folgt: 1. Verbinden Sie den Mikrofon-Vorverstärker mit Line-In der Soundkarte (linker Kanal). 2. Geben Sie die Verstärkung des Vorverstärkers (preamp gain) und den SPL-Wert des Kalibrators (Pressure) ein. 3. Setzen Sie den Kalibrator auf das Mikrofon 4. Drücken Sie 'Estimate mic sensitivity'. 5. Wenn die Messung plausibel erscheint, drücken Sie 'Accept'. Bild 8.2.1: Funktion von Cut below Cursor und Time-Bandwith Requirement Bild zeigt die Messung eines kleinen Breitbänders mit zwei unterschiedlichen Mikrofonen (NTI M2210, t-bone MM-1). Das NTI M2210 ist ein Klasse I Mikrofon und wird hier als Referenz zur Erzeugung einer Kompensationsdatei für das preiswerte Messmikrofon MM-1 verwendet. In Bild wird die Wirkungsweise der Funktionen Subtract overlay und Subtract from overlay gezeigt. In der hier gezeigten Anordnung würde man die Subtract overlay Datei als Kompensationsfunktion für das MM-1 verwenden. Anmerkung: Wenn der Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers unbekannt ist, können Sie einen Hilfswert setzen. Dieser Wert muss jedoch ebenfalls als Verstärkungsfaktor im Menü 'Audio Devices Setup' verwendet werden (s. z.b. Bild 5.3c). Wenn Sie keinen Pegelkalibrator besitzen, können Sie eines der folgenden Verfahren anwenden: a) Eingabe der Empfindlichkeiten aus der Spezifikation b) Berechnung aus den TSP und einer Nahfeldmessung c) Hochtöner als Referenz Diese Methoden ersetzen keinen Pegelkalibrator, sind jedoch für den DIY-Bereich in vielen Fällen hinreichend. Bild 8.2.2: Overlay = NTI M2210, Messung = t-bone MM-1 Seite 172 von 214 Seite 45 von 214