Lautsprecher - Frequenzgangmessungen selbstgemacht

Der Frequenzgang eines Lautsprechers, oder das, was wir letztlich messen, hängt stark vom Raum ab. Man kann einen Lautsprecher im Freien messen, also ohne Wände und Reflexionen oder man kann die Messung in einem "Badezimmer" mit viel Hall durchführen. Die Resultate sind absolut unterschiedlich, weil einmal nur der Direktschall massgebend ist und im anderen Fall die Summe der abgestrahlten Energie.
Der Wohnraum liegt mehr oder weniger dazwischen. Also misst man meist in wohnraumähnlicher Umgebung in 1m Distanz im Bereich der unteren Mitten bis zum oberen Frequenende. Im Bass misst man im Nahfeld (20 bis 30 cm) um die störenden Raumeinflüsse zu reduzieren.
Gemessen wird normalerweise mit Rosa Rauschen und Terzbandfilter vor dem Messinstrument. Da dieses Rauschen im Tieftonbereich starke Pegelschwankungen aufweist(Zufällige Überlagerung der unendlich vielen Teilfrequenzen), muss die Integrationszeit der Messung recht hoch sein. Das ist bei vielen automatisch einmessenden Systemen und Messprogrammen nicht genügend gegeben. Meist werden die Spitzenpegel gemessen, sodass letztlich eine Bassanhebung angezeigt wird, die nicht vorhanden ist.
Eine andere Möglichkeit ist die Messung mit gewobbeltem Sinus. Hier wird die Messfrequenz im Bereich einer Terz variiert. Sowohl das Wobbelsignal als auch das Rauschen verhindert, dass zufällige Anhebungen oder Löcher, die durch Raumreflexionen entstanden sind, sich auf die Messung auswirken.

Jetzt aber zu Deinen Fragen:
Soviel ich weiss, besitzt das Panasonic Mikrofon eine eigene Batterie zur Speisung. Es muss also sichergestellt sein, dass am Mikanschluss der Soundkarte keine Speisung vorhanden ist, weil sonst das Mikrofon beschädigt werden könnte (Tantal-Elko zur Spannungsabtrennung im Mik wird falsch gepolt betrieben). Ein separater Mikverstärker gehobener Klasse wäre vorteilhaft (soll ja nicht schlechter sein als das Mik).
Das Behringer Mik ist für Phantomspeisung gebaut. Also muss zumindest ein solches Speisegerät, besser ein externer Mikverstärker mit Phantomspeisung verwendet werden. Die Speisung aus der Soundkarte nützt nichts.

Soviel mal zur Messung. Generell aber zum Frequengang gerade bügeln mit der Weiche: Das sollte man eigentlich nicht tun. Denn ein Zuviel einer Frequenz kannst Du zwar etwas bedämpfen, aber da es sich immer um ein schwingendes Gebilde handelt, beim Lautsprecher wie bei der Weiche, ist das Ein- und Ausschwingen dieser Dinger zu beachten. Und das kriegt man mit der Weiche nie gleich hin, wie es der Lautsprecher macht. Oder anders gesagt: Zuviel Salz am Schnitzel kriegst Du mit Zucker nicht weg.
Wichtig ist, dass man Lautsprecher verwendet, die von Natur aus schon linear sind. Wenn Du also beispielsweise einen Mitteltöner hast, der von 120 Hz bis 10 kHz auf 2 dB genau linear ist und Du nimmst einen Hochtöner, der bereits ab 2 kHz gut arbeitet und der Tieftöner geht auch bis 2 kHz, so bist Du sehr frei in der Gestaltung der Weiche. Du kannst eine tiefe Trennung wählen oder eine höhere, es gibt keine Probleme. Wenn Du aber Chassis aussuchst, die gerade mit würgen und krachen einigermassen gemeinsame Grenzen haben, dann kannst Du sicher sein, dass sie an diesen Grenzen auch an ihre Grenzen stossen, sprich nicht mehr optimal arbeiten.

Also die Aussage, dass "in der Regel" mit rosa Rauschen oer Wobbeln gemessen wird muss ich hier doch mal in Frage stellen.
Für den Hobby Bereich mag das zutreffen, ist natürlich beides genausowenig in einem Raum geeignet etwas über den Freifeld-Frequenzgang auszusagen.

Sowohl das Wobbelsignal als auch das Rauschen verhindert, dass zufällige Anhebungen oder Löcher, die durch Raumreflexionen entstanden sind, sich auf die Messung auswirken.

Alle Lautsprecherhersteller dürften die Messung mit MLS (Maximum Length Signal) bevorzugen, wie sie etwa MLSSA bietet.
Der Vorteil liegt dabei auf der Hand: es kann beliebig lang gemittelt werden, der Raum kann durch Abschneiden der berechneten Impulsantwort aus dem Ergebnis herausgezogen werden.

mfg Tom

Es kommt immer drauf an, in welcher Umgebung gemessen wird. Man kann Lautsprecher in einem reflexionsarmen Raum (schalltote Räume gibt es nicht) messen, im Freien oder unter wohnraumähnlichen Bedingungen. In den meisten Fällen bekommt man irgendwelche Reflexionen, die sich selbst bei stundenlangem Mitetln nicht verschwinden. Im Gegenteil. Wenn schon, müsste man die Messung so kurz machen, dass die Reflexionen noch nicht eingetroffen sind und damit das Messergebnis nicht beeinflussen konnten.
Natürlich gibt es heute Methoden, die man vor 20 Jahren noch nicht kannte. Trotzdem ist das "Einrauschen" die Standardmethode geblieben, wobei diese sowohl für die "optimale" Raumanpassung als auch zur Messung des Raumes selbst für bauakustische Massnahmen wie auch für die Lautsprechermessung in Test und Entwicklung verwendet wird.
Die angegebene MLS ist sicher dann möglich, wenn die akustischen Eigenschaften des Raums bekannt sind und mit entsprechendem Equipment nachgemessen wurden. Diese Eigenschaften können auf digitaler Ebene vom Messergebnis abgerechnet werden. Nur ist diese Methode in einem unbekannten Raum und ohne entsprechende Nachmessungen nicht einsetzbar. Und mit Amateurmaterial (wo der Prüflautsprecher ebenfalls Referenz der ganzen Messungen spielen muss) ist so etwas wohl kaum sinnvoll einsetzbar.

Richi du liegst m.E. schlichtwegs falsch.

Eventuell bist du auf dem falschen Dampfer weil MLS klingt wie weißes Rauschen (aber sicherlich niemals wie !rosa! Rauschen!) ?

Ein bisschen Theorie:

Dass Wobbeln ungeeignet ist wirst du ja nicht bestreiten, es sei denn du willst den Raum voll mitmessen, dann aber muss immernoch sehr langsam gewobbelt werden.

Ein Lautsprecher - Mikrofon System kann in weiten Grenzen als lineares System beschrieben werden. (Luft bis ca 130dB linear, Rauschen und Klirr betrachten wir hier nicht, wir wollen den Frequenzgang)
Wir werden also wissen wollen welche Charakteristik dieses lineare System hat.
Wie misst man das theoretisch? Man haut einen Impuls vorne rein und schaut was hinten raus kommt. Ergebnis: eine Impulsantwort, die sich durch Fourier-Transformation in den Frequenzgang umrechnen lässt. Bekannt auch aus den allfälligen Wasserfall-Diagrammen, die ja nicht viel mehr sind als eine Spektrale Ansicht der Impulsantwort.

Wo liegt das Problem? Der Impuls ist sehr kurz und hat daher sehr wenig Energie, wir werden also einen sehr sehr schlechten Signal-Rauschen Verhältnis bekommen.

Früher hat man dann halt oft gemessen und gemittelt, was die Sache sehr aufwändig gemacht hat, und auch nicht in jedem Fall nur besser. (Das Mitteln muss penibel Zeitrichtig passieren, wofür es wieder einen hohen Aufwand braucht)

Heute hat man die Rechenpower um MLS zu verwenden, was nach aktuellem Forschungsstand das Optimuim darstellt. Es ist auc h nicht zu erwarten dass an dieser Stelle noch was besseres "gefunden" wird.
Ein MLS ist nichts anderes als eine Art weißes Rauschen innerhalb des verlangten Frequenzbandes. Es wird allerdings nicht wie Rauschen zufällig erzeugt sondern nach einen wiederholbaren pseudo-zufälligen Schema, es ist also von vorne bis hinten bekannt.
Der Kniff ist, dass man nun die Antwort auf das MLS aufnimmt und mit dem Eingangssignal Korreliert.
Korrelation ist ja nichts anderes als mit allen Möglichen Verschiebungen die zwei Signale übereinander zu tragen und zu vergleichen. Die Übereinstimmung trägt man nun für den entsprechenden Abstand ein (Impulsantwort)
Von weißen Rauschen wissen wir ja, dass es im theoretischen Idealfall mit sich selbst völlig unkorreliert ist, das ist ja gerade die Definition vom Rauschen.
Beim MLS ist es genauso, bei Autokorrelation erhalten wir nur bei Verschiebung 0 einen hohen, sogar sehr hohen Peak, daneben rauscht es sehr wenig. Die Höhe des Peaks gegenüber dem minimalen Rauschen hängt vor allem von der Länge des MLS ab und kann im Prinzip beliebig gewählt werden, was aber hernach die Rechenzeit steigert.
Wenn man nun die Korrelation der Antwort mit dem Eingangssignal hat, dann ist das eben genau die Impulsantwort des Systems. Und das ist es was wir haben wollen. Kann man sich das Vorstellen was da passiert?
Die Impulsantwort kann man ja mal Systemtheoretisch als eine Summe von Zeitversetzten Impulsen betrachten. Jedes dieser Zeitversetzten "Mini-Echos" erzeugt nun eine Abbild des Eingangssignals im Ausgangssignal, das wir nachher wieder finden, wenn wir die zwei Signale "übereinanderlegen".
Tatsächlich wird die Korrelation meist im Frequenzraum durchgeführt, da dies weniger Rechenzeitintensiv ist (O(n log n) gegenüber (O(n²)), das muss uns hier aber nicht interessieren. Wenn man viel Zeit hat kann man auch eine normale Korrelation implementieren, was dann die Komplexität eines Auswerteprogramms für MLS auf wenige Zeilen reduziert. (Dürfte auf eine Seite gehen)

Da das Grundrauschen nicht Korreliert ist, wird es uns nicht weiter dazwischenfunken. Deshalb wird auch in der Bauakustik MLS benutzt, da macht es nämlich keine Probleme wenn nebenan einer nen Bohrer ansetzt. Die Bauakustiker bekommen ja in der Regel ein wenig Zeit um ihre Messungen durchzuführen, wo niemand stören !soll!, aber die sind natürlich auch froh wenn sie ein wenig sicherer sind vor Störeinflüssen. In der Realität siehts nämlich oft schlecht aus mit der Auszeit für die Handwerker etc., da lässt dann einer in der heiligen Messzeit doch nen Schraubenzieher fallen etc.

Die Impulsantwort kannst du nun als Wasserfalldiagramm anschauen, du kannst auch einfach einmal quer drüber den Frequenzgang rausrechnen, oder du kannst vorne die erste Wellenfront rausschneiden und dann eben nur den Frequenzgang dieser ersten Wellenfront berechnen. Natürlich ist das Abschneiden im Einzelfall nicht trivial, man wird grundsätzlich den zu messenden Lautsprecher nicht in Zimmerecken stellen wollen, sondern dafür sorgen wollen, dass die erste Wellenfront auch distinguierbar bleibt. Das ist gegeben wenn die Freifeld-Impulsantwort zeitlich kürzer ist als die Zeit an der die ersten Echos eintreffen. An den Impulsantworten gibt es meist auch eine Stelle bei der man mit etwas Übung dann schon erkennt wo die Raumantwort einsetzt.

Es gibt also nichts was uns wirklich fehlen würde in dieser Messung, oder hab ich was vergessen?

Ich wüsste nicht an welcher Stelle der Prüflautsprecher hier Referenz der Messungen ist.
Die Eigenschaften des Raums die bekannt sein müssen ist die Zeit die ich zur Verfügung habe bis die Echos kommen, das kann man mit einem Massband auch Messen, oder man schaut sich mal mit Fleiß die Impulsantwort an und sieht es dort.
Man kann auch einfach mal ein Spektrum anschauen mit hoher Auflösung, da sieht man durch die Zeitlich gestaffelten Frequenzschriebe sehr gut was passiert.

Das klassische Einrauschen wirst du allerhöchstens bei einer PA finden, oder an anderen Stellen wo man einen guten Frequenzgang im Raum haben möchte und nicht viel Zeit oder Equipment hat. Das schöne ist ja, dass man dafür nix weiter braucht als eine Rauschquelle und einen Analyzer. Bei Lautsprecherentwicklung hat das IMHO aber nichts verloren.
Hier wird man sich immer für den Freifeld-Frequenzgang interessieren, möglichst aus vielen Richtungen um die Abstrahlcharakteristik ermitteln zu können.
Auch wenn man einen Schalltoten Raum hat, wird man nicht auf die Vorteile verzichten die MLS bietet. Man stelle sich mal vor was so ein Raum kostet, warum dieser Aufwand? Um Nachher ein veraltetes Messverfahren einsetzen zu können? Sicher nicht, man wird optimale Ergebnisse wollen.

Da du von Amateurmaterial sprichst möchte ich darauf hinweisen dass es auch unter 100 Euro Software gibt, die MLS unterstützt, genauso wie es OpenSource etwas für Linux gibt.

mfg

DAS ist ja mal eine verständliche Erklärung - vielen Dank!!

Detlef

@ Vismars
Danke für die Erklärung. Ich habe vor vielen Jahren möglicherweise erste Ansätze davon mitbekommen und irgendwie meinen Winterschlaf zu spät beendet, sodass ein Teil an mir vorüber ging.
Ich will jetzt nicht behaupten sattelfest zu sein, aber die Zusammenhänge sehe ich jetzt in einer neuen und aktuellen Sicht. Und so gesehen hast Du natürlich recht.

Und wie misst man nun selber?
Welhe Programme sind das, die man für wenig oder als open source bekommt.

Is ja alles ganz interessant, aber doch alles nur Theorie.
Mich interessieren erstmal ganz praxisnahe Hinweise für Hobbyentwickler, die mit der Soundkarte die Selbstenwicklung in Ihrem Raum messen wollen.

Moin Kyote,

ich messe z.B. mit HobbyBox5.1 - arbeite momentan noch mit den lezten der 20 freien Programmstarts, dann gibt es die (kostenpflichtige) Registrierung.

Detlef