Messungen an Lautsprechern entpuppen sich in manchen Fällen als ein eher emotionales denn rational besetztes Thema. Die einen halten sie für unabdingbar, andere vertrauen lieber einzig und allein auf ihre Ohren. Die Frage ist nun: Sind Messungen an Lautsprechern sinnvoll oder unnötig?
von Anselm Goertz und Ingo Schulz
Jeder von uns kennt das Phänomen: Lautsprecher klingen beim Händler fast immer anders als zu Hause. Klar, werden Sie sagen, das muss ja auch so sein, denn der Lautsprecher spielt ja in zwei akustisch unterschiedlichen Umgebungen. Damit haben Sie auch völlig recht. Trotzdem ist das nur die halbe Wahrheit. Selbst in einem akustisch optimierten Raum kann der Klang zweier augenscheinlich vergleichbarer Lautsprecher zu extrem unterschiedlichen klanglichen Ergebnissen führen. Um herauszufinden, warum das so ist, muss man dem jeweiligen Lautsprecher sehr tief auf den Zahn fühlen (können). Mit einem entsprechenden „Messpark“, sehr viel Know-how und einen optimalen Messraum vorausgesetzt, ist es dann tatsächlich möglich, umfassende Erklärungen für die unterschiedlichen Hörerlebnisse zu liefern und daraus auch fundierte Empfehlungen für den optimalen Einsatzfall des jeweiligen Lautsprechers abzuleiten. FIDELITY ist sehr froh, Anselm Goertz als Partner für professionelle Messungen an Lautsprechern gewonnen zu haben. Anselm Goertz lehrt im Fachgebiet Audiokommunikation an der TU Berlin und als Gastdozent an der TH Aachen. Neben seiner Lehrtätigkeit beschäftigt er sich am Institut für Akustik und Audiotechnik (IFAA) schwerpunktmäßig mit akustischer Messtechnik und der Planung von Beschallungsanlagen jeder Art und aller Größenordnungen. Anselm Goertz wird bei FIDELITY das Thema Lautsprecher aus völlig neuen Blickwinkeln und mit bisher nicht gekanntem Tiefgang präsentieren. Leider kann aber nicht jeder Lautsprecher, der Einzug in das Heft hält, auf diese Art und Weise „durchleuchtet“ werden. Das wäre selbst für Liebhaber, wie wir es sind, eine zu große Aufgabe. Wir werden aber selbstverständlich jedem Lautsprecher auf den Zahn fühlen, der verspricht, mit spannenden Geheimnissen aufzuwarten.
Was bedeutet dies in der Praxis und wie wird gemessen?
Das Messlabor
Alle Messungen werden mit dem PC-basierten Messsystem „Monkey Forest“ mit einer Auflösung von 1 Hz oder kleiner bei einer Abtastrate von 96 kHz durchgeführt. Als Messmikrofon wird eine B&K-Kondensatorkapsel vom Typ 4939 mit ¼” Durchmesser gemeinsam mit einem 2670-Impedanzwandler eingesetzt. Zusammen mit einer Kompensationsdatei erlaubt diese Kombination präzise Messungen bis 40 kHz. Verstärkt werden die Signale des Messmikrofons mit einem Messverstärker (B&K 2610), bevor sie von einem hoch präzisen 24 bit/96 kHz-Messfrontend für die Mess-Software zugänglich gemacht werden. Auf der Ausgangsseite stehen zwei kleine 20-W-Messverstärker für die Standardmessung zur Verfügung.
Wenn es einmal ernst wird und Bedarf nach viel Leistung besteht, kommen eine Crown Reference I oder eine Crown I-T12000 HD zum Einsatz. Der Messraum ist als reflexionsarmer Halbraum mit einem absolut schallharten Granitboden aufgebaut und ermöglicht Freifeldbedingungen ab ca. 100 Hz aufwärts. Das Messmikrofon wird dabei immer auf dem Boden platziert, sodass es für das Mikrofon keine sichtbaren Reflexionen von der Bodenfläche gibt. Messungen für den Frequenzbereich unterhalb von 100 Hz werden als Nahfeldmessungen direkt vor den Quellen durchgeführt und später in der Software mit der Fernfeldmessung automatisch kombiniert. Die Messentfernung sollte einer typischen Hördistanz entsprechen und kann maximal acht Meter betragen. Kleine Lautsprecher werden meist in zwei Meter Entfernung gemessen, größere in vier oder acht Metern Entfernung.
Elektrische Impedanz
Die elektrische Impedanz eines Lautsprechers stellt den Lautsprecher aus Sicht des Verstärkers da. Angegeben wird meist nur die sogenannte Nennimpedanz, was nicht mehr bedeutet, als dass der Betrag der Impedanzkurve des Lautsprechers diesen Wert an keiner Stelle des Arbeitsbereiches des Lautsprechers um mehr als 20% unterschreitet. Die Impedanz eines Lautsprechers ist jedoch in der Regel weit von dem eines reellen Widerstandes entfernt und hängt extrem stark von der Frequenz ab. Die rote Kurve in Abb. 1 zeigt einen typischen Impedanzverlauf für eine Zweiwege-Kompaktbox mit Bassreflexgehäuse. Letzteres ist am typischen Doppelhöcker bei den tiefen Frequenzen zu erkennen. Ein geschlossenes Gehäuse würde hier nur eine Resonanzspitze aufweisen. Neben der Amplitude hat die Impedanz auch noch eine Phase. Werte größer Null beschreiben einen induktiven Anteil, Werte kleiner Null einen kapazitiven. Stark kapazitive oder induktive Werte sind für Verstärker schwerer zu beherrschen als rein reelle Lasten. Generell sind jedoch moderne Verstärker weniger kritisch als alte Geräte, auch wenn es um niedrige Impedanzen geht. Im Zusammenspiel mit Kabelkapazitäten und Induktivitäten oder auch bei Class-D-Verstärkern mit passiven Ausgangsfiltern können die Impedanzverläufe der Lautsprecher jedoch zu klanglichen Auswirkungen in Form von Frequenzgangänderungen führen.
Frequenz- und Phasengang
Der Frequenzgang eines Lautsprecher ist eine der wichtigsten Messgrößen, wenngleich auch nicht die einzig selig machende. Für einen guten Klang genügt allein ein guter Frequenzgang nicht. Niedrige Verzerrungen, geringe Phasendrehungen und ein gleichmäßiges Abstrahlverhalten sind ebenso wichtig. Erst alle Messwerte zusammen betrachtet ergeben einen umfassenden Eindruck eines Lautsprechers, der dann auch nahezu ausnahmslos mit dem Höreindruck korreliert.
Gegner von messtechnischen Bewertungen bei Lautsprechern führen immer wieder gerne als Argument für ihre Einstellung die Lautsprecher mit einem geraden Frequenzgang an, die dann trotzdem nicht wirklich gut klingen. Das kann selbstverständlich richtig sein, wenn andere Aspekte wie das Abstrahlverhalten oder Verzerrungen dabei nicht berücksichtigt werden. Lautsprecher dürfen daher ebenso wie andere Audiogeräte niemals nach einer einzelnen, separat betrachteten Messgröße beurteilt werden.
Abb. 2 zeigt den Frequenzgang eines Lautsprechers, der sich aus einer gefensterten Fernfeldmessung in zwei Metern Abstand und aus zwei Nahfeldmessungen vor der Membran des Tieftöners und vor dem Bassreflextunnel zusammensetzt. Neben dem Verlauf als Ganzes interessiert auch die Sensitivity des Lautsprechers, die beschreibt, welchen Schalldruckpegel bezogen auf einen Meter Abstand der Lautsprecher erreicht, wenn ein Signal mit einer Spannung entsprechend einer Leistung von einem Watt an der Nennimpedanz des Lautsprechers angelegt wird. Lautsprecher, die mit schwachen Verstärkern betrieben werden oder besonders hohe Pegel erzielen sollen, sollten daher eine möglichst hohe Sensitivity aufweisen. Es hat sich bewährt, die Sensitivity nicht nur für eine Frequenz, sondern als Mittelwert für den Frequenzbereich von 100 Hz bis 10 kHz anzugeben. Bezogen auf diesen Wert kann auch der Übertragungsbereich des Lautsprechers schnell und sinnvoll definiert werden, wenn man die untere und obere Eckfrequenz bestimmt, wo der Pegel um 6 dB gegenüber diesem Mittelwert abgefallen ist. Für den kleinen Beispiellautsprecher aus Abb. 2 beträgt die mittlere Sensitivity 83,3 dB, und der Übertragungsbereich (– 6 dB) reicht von 46 Hz am unteren Ende bis hinaus über die Messgrenze bei 47 kHz.
Der Frequenzgang ist ebenso wie die Impedanz eine komplexe Größe, d. h. es gibt neben der Amplitude auch noch eine frequenzabhängige Phase. Die Darstellung erfolgt hier in Abb. 3 in der gewrapten Form mit einem Wertebereich von ± 180°. Der Phasengang gibt Aufschluss über die Filterung in der Box, die Bauart des Gehäuses und über einen möglichen Zeitversatz zwischen den einzelnen Wegen. Für unser Testmuster beschränkt sich die Phasendrehung auf den minimalphasigen Anteil der Komponenten. Das sind 360° durch das als akustischer Hochpass agierende Bassreflexgehäuse am unteren Ende des Frequenzbandes und weitere 360° durch die X-Over-Funktion zwischen Hoch- und Tieftöner bei 2 kHz. Gäbe es zusätzlich noch einen Laufzeitversatz, dann würde sich die Phase im betroffenen Frequenzbereich wesentlich stärker drehen.
Sprungantwort
Neben der Darstellung des Übertragungsverhaltens eines Lautsprecher über Amplitude und Phase des Frequenzganges lässt sich diese auch im Zeitbereich als Impuls- oder Sprungantwort darstellen. Alle drei Darstellungsformen – also der komplexe Frequenzgang, die Impulsantwort und die Sprungantwort – lassen sich mathematisch voneinander ableiten und beinhalten alle exakt die gleichen Informationen. Frequenz- und Phasengang dürften dabei die anschaulichsten Ergebnisse liefern. Manch einer sieht jedoch bevorzugt oder gerne auch noch zusätzlich das Zeitverhalten an, meist in Form der Sprungantwort, die wir deshalb auch immer als Messergebnis mitliefern werden. Abb. 4 zeigt die Sprungantwort unseres Musterlautsprechers für einen Ausschnitt von 4 ms.
Spektrogramm
Welligkeiten im Frequenzgang können die verschiedensten Ursachen haben. Interessant ist hier meist die Frage, ob und in welcher Ausprägung Resonanzen als Ursache dahinterstecken.
Hier gibt das Spektrogramm die Antwort. Das Spektrogramm entsteht aus vielen einzelnen Frequenzgängen, die aus zeitlich versetzten Ausschnitten aus der Impuls-antwort des Lautsprechers gewonnen und dann entlang einer Zeitachse (x-Achse in Abb. 5) aufgetragen werden. Wäre der Lautsprecher perfekt, dann würde er bei allen Frequenzen (y-Achse) zeitgleich und schnell ausschwingen. Wo sich jedoch Resonanzen tummeln, dauert das Ausschwingen länger und es entsteht ein zeitlicher Ausläufer im Spektrogramm, so wie es in Abb. 5 bei der gewollten Bassreflexresonanz bei ca. 55 Hz gut zu erkennen ist. Für alle anderen Bereiche verhält sich dieser Lautsprecher nahezu perfekt.
Maximalpegel
Eine Verzerrungsmessung bei Lautsprechern kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. Es können die Verzerrungen bei einer konstanten Spannung in Abhängigkeit von der Frequenz gemessen oder alternativ der bis zu einem bestimmten Verzerrungsgrenzwert mögliche Schalldruck bestimmt werden. Weitere Messungen können noch das Intermodulationsverhalten untersuchen oder auch die spektrale Zusammensetzung der Verzerrungen bestimmen.
Aktuell verwenden wir die Maximalpegelmethode, bei der bestimmt wird, welchen maximalen Schalldruck ein Lautsprecher für einen Verzerrungsgrenzwert – z. B. von 3% oder 10%, bezogen auf eine Entfernung von 1 m – zu erreichen vermag. Zusätzlich gibt es in diesem Messalgorithmus noch eine Leistungsbegrenzung, um wenig verzerrende Lautsprecher nicht irgendwann durch eine Überlastung zu zerstören. Abb. 6 zeigt eine solche Messung für höchstens 3% Verzerrungen über den Frequenzbereich von 40 Hz bis 10 kHz und eine zweite Messreihe für höchstens 10% Verzerrungen von 40 Hz bis 300 Hz. Die maximal dabei zugeführte Leistung betrug 100 Watt, d. h. dort, wo beide Kurven zusammenfallen, wurde die Messung durch den Leistungswert begrenzt und nicht durch die Verzerrungen. Das Maximalpegelverfahren ist gut geeignet, um Schwachstellen bei Lautsprechern aufzudecken, bildet jedoch das transiente dynamische Verhalten nicht ab, sodass aktuell noch an Erweiterungen und Verbesserungen im Bereich der Verzerrungsmessungen gearbeitet wird.
Isobaren
Isobarenkurven stellen das Abstrahlverhalten eines Lautsprechers in einer Ebene dar. Gegenüber den klassischen Polardiagrammen besteht der große Vorteil, den gesamten Frequenzbereich in einer Grafik zeigen zu können. Typischerweise werden die Isobaren für die horizontale und vertikale Ebene gemessen, so wie in Abb. 7 und 8 für unseren Musterlautsprecher.
Erstrebenswert ist ein möglichst gleichmäßig breites Abstrahlverhalten über einen weiten Frequenzbereich. Zu tieferen Frequenzen hin lässt die Bündelung zwangsläufig nach, wo sich die Isobarenkurven dann in einem möglichst kontinuierlichen Verlauf öffnen sollten. Ein breites Abstrahlverhalten gibt dem Anwender mehr Bewegungsfreiheit für die Hörposition, und ein enges Abstrahlverhalten blendet den Raum besser aus.
Paarabweichung
Für eine präzise Stereowiedergabe und auch als Nachweis einer hohen Fertigungsgüte ist eine möglichst geringe Paarabweichung erstrebenswert.
In unseren Messreihen werden immer beide Lautsprecher eines Sets exakt in der gleichen Position gemessen, woraus sich mögliche Unterschiede als Differenzfunktion ermitteln lassen. Unser Musterlautsprecher in Abb. 9 gibt sich hier geradezu mustergültig mit einer Abweichung von höchsten 0,35 dB über den gesamten Frequenzbereich. Es hat sich bewährt, als Vergleichswert die maximale Paarabweichung der Frequenzgänge im Bereich von 100 Hz bis 10 kHz mit 1/3 Oktave Glättung zu bewerten.
Fazit
Die eingangs aufgeworfene Frage, ob Lautsprechermessungen sinnvoll oder unsinnig sind, ist einfach zu beantworten: Messungen sind außerordentlich sinnvoll und hilfreich in vielerlei Belangen. Sie sind nicht nur Mittel zum Zweck und wesentlicher Bestandteil der Entwicklung eines Lautsprechers, sondern helfen uns auch dabei, das Zusammenspiel von Lautsprecher und Raum besser zu verstehen.
