Beschallungs-Maximalpegel und Systemstabilität

Wie lassen sich in der Maximalpegelbestimmung Fälle erkennen, wo die Verzerrungen zwar nicht mehr ansteigen, aber ein System durch den Einsatz der Limiter aus dem Gleichgewicht gerät? Hier gibt die Powercompression Hinweise, die man im Vergleich zum Verzerrrungswert sehen sollte: Ein 10%-TD-Kriterium passt gut mit dem der maximal 2 dB Powercompression zusammen.

(Bild: Detlef Hoepfner)

Der Maximalpegel von Lautsprechern ist ein mindestens so oft diskutiertes Thema wie die Ausgangsleistungen von Endstufen. Beide Themen stehen zudem in einem direkten Zusammenhang, da die Endstufe als Strom- und Spannungsquelle den Antrieb für den Lautsprecher liefern muss. Bei den diskutierten Werten ist genau zu beachten, wie diese definiert sind. Unsere Messungen nehmen als Beispiel das HK Audio Cosmo, dessen Testbericht man hier findet!

Begriffserklärung

Die wichtigsten Größen sind auf der elektrischen Seite für Strom und Spannung der Effektivwert oder RMS-Wert und der Spitzenwert bzw. Peakwert. Bei einer Leistungsangabe in W würde man von der mittleren Leistung und der Spitzenleistung sprechen. Auf der akustischen Seite beim Schalldruck sind die vergleichbaren Werte der Mittelungspegel Leq und der Spitzenpegel Lpk.

Auf der elektrischen und der akustischen Seite beschreibt der Scheitelfaktor oder Crest-Faktor das Verhältnis eines Signals vom Spitzenwert zum Effektivwert. Der Wert kann als einfache Zahl ohne Maßeinheit oder in dB angegeben werden.

Ein weiterer wichtiger Begriff in diesem Zusammenhang ist die Powercompression, die beschreibt wie weit z. B. ein Wandler (Lautsprecher) von seinem linearen Verhalten abweicht. Erhöht man den Eingangspegel eines Lautsprechers in dB-Schritten, dann steigt innerhalb des linearen Arbeitsbereiches auch der zu messende Schalldruckpegel in dB-Schritten an. Dieser Zusammenhang gilt jedoch nicht beliebig, sondern stößt irgendwann an seine Grenzen. Durch Auslenkungsbeschränkungen, Aufheizen der Schwingspulen, Verzerrungen oder Limiter wird der Pegelanstieg begrenzt. Dann setzt die Powercompression ein und der lineare Zusammenhang zwischen Eingangs- und Ausgangspegel geht mehr oder weniger stark verloren. Soweit die Definition der wichtigsten Messwerte.

Messmethoden bei Production Partner

In den Production-Partner-Testberichten verwenden wir schon seit längerer Zeit zwei Methoden zur messtechnischen Bestimmung des Maximalpegels von Lautsprechern:

Zum einen die Messung mit 185 ms langen Sinusburst Signalen. Hier wird der Pegel mit einem Sinussignal für eine Frequenz so lange erhöht, bis ein bestimmter Verzerrungsanteil, typisch 3% oder 10%, erreicht wird. Der dabei gemessene Schalldruck als Mittlungspegel für die Dauer der Messung wird als Messwert festgehalten. Diese Messung wird über einen zu definierenden Frequenzbereich in Frequenzschritten von 1/12 Oktaven durchgeführt. Das monofrequente Messsignal ermöglicht via FFT die direkte Auswertung der entstehenden harmonischen Verzerrungen (THD).

Für die Kurven in Abb. 1 wurde diese Art der Messung jeweils für ein Array aus drei C6 oder C10 und für den Subwoofer CF118 ausgeführt. Die gemessenen Pegelwerte sind Mittlungspegel für die Dauer des Burst-Signals bezogen auf 1 m Entfernung. Da mit einem Sinussignal gemessen wird, liegt der Spitzenpegel in diesem Fall 3 dB darüber. Durchgeführt wurden die Messungen in einem Abstand von 6 m und dann auf 1 m nach dem 1/r Gesetz (-6 dB pro Entfernungsverdopplung) zurückgerechnet. Letzteres ist bei einem Line-Array durchaus etwas problematisch, da das ausgedehnte Nahfeld bei hohen Frequenzen den Pegel nicht mit 6 dB pro Entfernungsverdopplung abfallen lässt, sondern nur mit 3 dB.

Beide HK-Audio-Topteile aus unserem Cosmo-Test zeigen bei dieser Messung sehr gute Ergebnisse. Es gibt keine Schwachstellen und die erreichten Pegelwerte liegen in einer Größenordnung von 138 dB für das C10 und von 130 dB für das C6- Array. Für den Subwoofer gibt es drei Kurven. Die Messungen erfolgte mit einem CF118. Die beiden höher liegenden Kurven wurde für zwei bzw. drei CF118 hochgerechnet. Je nach Anforderungen im Bassbereich würde man für je drei C6 einen oder zwei CF118 einsetzen. Bei der deutlich lauteren C10 sollte das Verhältnis dann schon 1:1 betragen.

Nun ist die Wiedergabe von Sinussignalen nicht unbedingt die typische Aufgabe eines Beschallungslautsprechers. Die Max.-SPL-Messung aus Abb. 1 ist daher auch primär dafür geeignet, Schwachstellen in einem System zu erkennen, wo es möglicherweise benachteiligte Frequenzbereiche gibt.

Als zweite für die Praxis aussagekräftigere Maximalpegelmessung wird daher die Multitonmessung eingesetzt. Die Basis des Multitonsignals besteht aus 60 Sinussignalen mit Zufallsphase, deren spektrale Gewichtung beliebig eingestellt werden kann. Für die in den nachfolgenden Abbildungen gezeigten Messungen wurde eine Gewichtung entsprechend eines mittleren Musiksignals nach EIA-426B-Vorlage (grüne Kurve) gewählt. Der Crestfaktor des so synthetisierten Messsignals liegt bei einem praxisgerechten Wert von 4 entsprechend 12 dB. Das Signalspektrum und der Crestfaktor kommen so einem üblichen Musiksignal recht nahe und stellen eine typische Belastung für einen PA-Lautsprecher dar.

Ein großer Vorteil dieser Messmethode ist die Möglichkeit, synchron zu messen und direkt via FFT das Signalspektrum zu erhalten. Nicht synchrone Messverfahren, z. B. mit einem Noise-Signal, benötigen dagegen viele Mittelungen (min. 8 nach Norm) und ermöglichen die Auswertung der Verzerrungen nur indirekt über die Berechnung der Kohärenz des gemessenen Signals zum Originalsignal.

Für den aus der synchronen Multitonmessung abgeleiteten Verzerrungswert können in einfacher Weise alle Spektrallinien aufaddiert werden, die nicht im Anregungssignal vorhanden sind, d. h. die als harmonische Verzerrungen oder als Intermodulationsverzerrungen hinzugekommen sind. In der Grafik sind das die blauen Linien und deren Summenkurve in 1/6 Oktav breiten Frequenzbändern. Wichtig ist es dabei zu beachten, die Frequenzen des Anregungssignals so zu generieren, dass sie nicht mit den harmonischen Verzerrungsanteilen zusammenfallen, da sie sonst nicht mehr ausgewertet werden könnten.

Auch bei dieser Art der Messung wird der Pegel so lange erhöht, bis der Gesamtverzerrungsanteil (TD = Total Distortions) einen Grenzwert von 10% erreicht. Bei den Gesamtverzerrungen werden alle harmonischen Verzerrungsanteile (THD) und auch die Intermodulationsverzerrungen (IMD) berücksichtigt. Durch die Darstellung in der Grafik über der Frequenzachse besteht zudem die Möglichkeit, kritische Frequenzbereiche mit hohen Verzerrungen zu erkennen.

Als zweites Kriterium neben den Verzerrungsanteilen kann mit dieser Messung auch noch die Powercompression ausgewertet werden. Man startet dazu die Messreihe zunächst mit einem geringen Pegel im linearen Arbeitsbereich des Lautsprechers, bei dem noch keine Powercompression auftritt. Prüfen lässt sich das durch eine Pegelerhöhung, z. B. um 3 dB, die dann ohne erkennbare Powercompression vom Testobjekt umgesetzt werden muss. Von diesem Wert ausgehend wird dann der Pegel in 1-dB-Schritten weiter erhöht. Irgendwann folgt der Lautsprecher diesen Pegelerhöhungen entweder breitbandig oder auch nur in einzelnen Frequenzbändern nicht mehr.

Welche Grenzwerte man dazu genau festlegt, wird aktuell in einem AES-Gremium diskutiert. Dass die Powercompression als zweites Kriterium sinnvoll ist, erkennt man vor allem bei aktiven Mehrwegesystemen, wenn ein einzelner Weg durch einen Limiter begrenzt wird. Die Verzerrungen steigen dann zwar nicht mehr weiter an, das System verliert ab seine Balance. Bei der Powercompression hingegen, ist der Einsatz des Limiters deutlich zu erkennen.

Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die Multitonmessung für ein 3er-Array mit C6-Systemen. Die Messung startet im linearen Arbeitsbereich der Lautsprecher mit einem Leq von 117 dB. Steigert man jetzt den Pegel in 1-dB-Stufen, dann setzt zunächst bei den Tieftönern eine leichte Powercompression ein. Die orange Kurve mit +9dB gegenüber der Startwert zeigt dann die erste Messung, bei der mehrere Frequenzbänder eine Powercompression von 2 dB überschreiten. Die parallel laufende Auswertung der Verzerrungen liefert für diesen Pegel einen Wert von -20 dB (10%) und einen Leq von 124,5 dB. Rein rechnerisch ohne Powercompression hätten es 126 dB sein müssen. Der Wert passt gut mit der orangen Powercompression-Kurve zusammen, die für die Tieftöner bei ca. 2 dB liegt und für die Hochtöner bei ca. 1 dB. Breitbandig betrachtet beträgt der Pegelverlust 1,5 dB. Beide Kriterien Powercompression oder Verzerrungswerte führen somit zu vergleichbaren Ergebnissen.

Schaut man neben dem Leq auch noch auf den Spitzenwert Lpk, dann erreichen die drei C6 einen Wert von 136 dB. Wie weit die so ermittelten Peakwerte mit den Werten aus Datenblättern übereinstimmen, hängt stark vom verwendeten Signal ab. Hat das Signal ein rosa Spektrum mit mehr Energie im Hochtonbereich, dann erreicht ein Lautsprecher mit kräftigen Hochtönern einen höheren Spitzenpegel. Gleiches gilt für Signale, die einen höheren Crestfaktor aufweisen und so bei gleichem Mittlungspegel den Spitzenwert hochtreiben können, vorausgesetzt die ansteuernde Endstufe kann eine entsprechend hohe Ausgangsspannung liefern. Ein um 6 dB höherer Spitzenpegel erfordert von der Endstufe die doppelte Ausgangsspannung.

Passt die Simulation?

Für den Anwender stellt sich immer auch die Frage wie gut passen die in einer Simulation des Systems berechneten Werte mit den tatsächlich erreichbaren zusammen. Die für das Cosmo-System verfügbare EASE-GLL-Datei berechnet für das 3er-Array bei 0° Curving-Winkel und einem EIA-426B-Spektrum 129 dB. Der Wert basiert, wie das wichtige Infofenster der GLL zeigt, auf internen Leistungswerten von maximal 400 W für die Tieftöner und 110 W für den Hochtöner. Die 400 W an 16 Ω entsprechen einer Spannung von 80 Veff. Die Maximale Ausgangsspannung der Endstufe PLM 12k44 liegt für eine 5,3-Ω-Last bei ca. 178 Vpk.

Das bedeutet, dass für ein Signal mit 12 dB Crestfaktor ohne massives Clipping der Signalspitzen die 80 Veff nicht erreicht werden, sondern maximal 45 Veff. Gegenüber den 80 Veff in der GLL entspricht das einem Verlust von 5 dB, wenn man auf den Mittelungspegel Leq schaut. Zieht man diese 5 dB von den berechneten 129 dB ab, dann passt es genau mit dem Messwert zusammen. Für ein Signal mit nur 6 dB Crestfaktor wäre der Wert von 129 dB als Leq vermutlich erreicht worden.

Was bedeutet das jetzt? Die GLL rechnet richtig, wenn man die dort angegebenen Spannungswerte beachtet und, falls diese von den genutzten Endstufen nicht erreicht werden können, die Differenz entsprechend in Abzug bringt. Einfacher rechnet es sich, wenn man den Wert für die maximale Spannung (Veff) aus der GLL nimmt, dann schaut um wieviel höher die maximale Ausgangsspannung der Endstufe als Peakwert ist und sich daraus den maximalen Schalldruck als Peakwert ausrechnet. Das sind im Falle des C6 die mit der GLL berechneten 129 dB plus 20·log(178/80) und somit genau 136 dB, wie gemessen. Möchte man jetzt den Mittelungspegel wissen, dann muss man nur noch den Crestfaktor des Signals in dB von diesem Peakwert abziehen.

In gleicher Weise kann die Berechnung für das C10 durchgeführt werden. Die gemessenen und gerechneten Werte aus Abbildung 2 bis 4 stimmen ebenfalls gut überein.

Das beschriebene Verfahren mit einem Multitonsignal EIA-426B passt gut für Fullrange-Systeme. Für die Messung von Subwoofern ist es jedoch weniger geeignet, da im EIA-426B-Spektrum der Pegel unterhalb von 50 Hz bereits deutlich abfällt. Für die Messung des Subwoofer CF118 wurde daher mit der Messsoftware ein neues Multitonsignal erzeugt, dessen Bandbreite von 20 Hz bis 200 Hz reicht und bei dem alle Frequenzbänder gleich gewichtet sind.

Die Messreihe startete für den CF118 bei 113 dB bezogen auf 1 m im Vollraum und wurde dann in 1-dB-Schritten um bis zu 12 dB gesteigert. Die 2 dB Powercompression wurden bei +9 dB erreicht, woraus sich ohne Powercompression 122 dB ergeben hätten. Gemessen wurden 120,5 dB als Leq und 129,5 dB als Lpk. Durch die Bandbegrenzung bei 200 Hz ist der Crestfaktor des Messsignals mit knappen 10 dB etwas geringer. Die GLL errechnet dazu 124,5 dB mit einer Peakreserve von 20·log(178/113) entsprechend 4 dB. In diesem Fall liegt der gemessene Peakwert dann sogar 1 dB höher als der rechnerische Wert.

In Anbetracht der diversen Unbekannten bei dieser Art der Messung ist auch hier die Übereistimmung sehr gut.

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