Interpretation von Sprungantworten - Beispiele aus der Messtechnik

Der ideale Verlauf[Bearbeiten]

Die Anregung des Lautsprechers ist ein Rechteck, d.h. die Membranen werden sprunghaft nach vorne bewegt. Dadurch entsteht eine Druckwelle, die sich in Bewegungsrichtung ausbreitet. Da nach Vollendung der Vorwärtsbewegung der Membranen kein weiterer Druck entsteht, kommt es zu einem Druckausgleich in der Luft. Dieser Druckausgleich zeigt sich in der Sprungantwort in Form einer langgezogenen Unterschreitung der Nulllinie. Dadurch wird der ursprüngliche statische Druck der Umgebung wieder hergestellt. Dieser Druckausgleich durch Unterdruck kann jedoch nur die Energie beinhalten, die zuvor auf die Luft in Form einer Druckwelle ausgeübt worden ist.
Sehen wir allerdings ein deutliches Missverhältnis zwischen Druckeintrag oberhalb und Druckausgleich unterhalb der Null-Linie, kann es zwei mögliche Erklärungen geben:

  • Die bewegte Masse (die gespannte Feder) ist sehr schlecht bedämpft
  • und / oder der Tieftöner schwingt gar nicht nach vorne, erzeugt also anstatt einer Druckwelle eine Unterdruckwelle

Die Schallwellen wären somit mit einer Phasendifferenz von 180 Grad "in Phase".

Picture2.jpgSprunganregung Picture3.jpgAntwort des Lautsprechers

Das Sprungsignal besitzt eine unendlich steile Anstiegsflanke und bleibt ab diesem „Einschaltzeitpunkt“ konstant auf dem maximalen Wert.

Ein idealer Lautsprecher, der das Übertragungsverhalten eines Bandpasses mit einer oberen und einer unteren Grenzfrequenz besitzt, überträgt das Sprungsignal mit einer möglichst steilen Anstiegsflanke und einem möglichst langsamen und gleichmäßigen Abfall. Die Anstiegszeit ist umgekehrt proportional zur oberen Grenzfrequenz, die Ausschwingdauer umgekehrt proportional zur unteren Grenzfrequenz.

Quelle: www.audio-intl.com

Die Sprungantwort sieht ideal anders aus als idealtypisch auf einen eingeschränkten Übertragungsbereich bezogen. Sie nähert sich immer mehr einem Rechteck, je breitbandiger und phasenstarrer ein System ist. Am Anfang wird man immer den Tiefpass und am Ende den Hochpass sehen. Musik erzeugt keine Rechtecksignale, aber durchaus Ähnliches, wie zum Beispiel beim Händeklatschen oder bei Perkussionsinstrumenten. Es geht darum zu prüfen und zu erkennen, ob ein Lautsprecher in der Lage ist, dem dynamischen Musiksignal zu folgen oder nicht. Dazu ist vor allem das erste Rechteck bzw. der Sprung von Bedeutung.

Kleine Abweichungen vom Ideal
Wenn wir uns eine verzerrte Sprungantwort anschauen, wissen wir, dass das Übertragungsverhalten nicht stimmt. Wenn wir eine Sprungantwort mit annähernd richtiger Grundcharakteristik anschauen, sieht das erst einmal nach "richtig" aus. Dennoch gibt es auch hier Abweichungen, die eben nicht in einem auf und ab des Graphen versteckt sind, sondern bloßgestellt in Form von Nichtlinearitäten im Verlauf des Graphen sichtbar sind. Nahezu so, wie wir es beim Lesen von Frequenzgangkurven und Phasendiagrammen kennen. Wir sollten uns nicht vom optischen Eindruck der Messkurven täuschen lassen. Ähnlich aussehende Sprungantworten beispielsweise können deshalb zu sehr unterschiedlich klingenden Lautsprechern gehören, weil die scheinbar kleinen Unterschiede im Verlauf des Graphen durchaus auf deutliche Nichtlinearitäten hinweisen. Diese Nichtlinearitäten sind natürlich auch Signalverformungen, wenn auch der leichteren Art. Die Startflanken verschiedener Chassis zeitlich zu synchronisieren, ist erst der erste elementare Schritt hin zum richtigen Wandeln. Das heißt aber noch lange nicht, dass die Frequenzganglinearität gut ist und die Resonanzen unter Kontrolle sind usw.

Die Welligkeiten und Verformungen von Sprungantworten weisen auf jede Menge Fehler hin. Es sind Abweichungen vom Original und die sind auch hörbar und führen dementsprechend zu berechtigter Kritik. Im Frequenzgang sind kleine Resonanzstellen oft kaum sichtbar oder zumindest nicht bewertbar. Oft liegen sie unterhalb - 20 dB. In der Sprungantwort zeigen sie sich durch eine mehr oder weniger starke Verformung des Graphen; manchmal ist es nur ein kleiner Buckel, der sich auf dem ansonsten ziemlich idealtypischen Verlauf des Graphen darstellt. Dieser winzige Buckel oder diese winzige Spitze kann das Klangbild und die Raumabbildung deutlich verzerren und das natürliche Klangempfinden stören. Im Rauschen hört man Phänomene < -30 dB mit ausreichend Konzentrationsvermögen. Eine Phasendrehung oder gar Invertierung ist immer hörbar.
Frequenzgang-Nichtlinearitäten außerhalb der Achse spiegeln sich natürlich immer auch in dem Graphen der Sprungantwort wieder, genauso, wie z.B. bei der Wiedergabe eines Sinus-Burst oder bei der Wiedergabe von Musik. Das ist bei jedem Lautsprecher so, bei stark verzerrten Spungantworten aber nicht so gut abzulesen. Nur wenn man das Einschwingen über den gesamten Frequenzbereich im Detail misst, erkennt man erst, wie viele Oktaven von einem scheinbar "kleinen" Zappler am Anfang der Sprungantwort betroffen sind. Die Verzerrungen beginnen bereits im Mitteltonbereich und betreffen den gesamten Hochtonbereich.

Das erste Beispiel[Bearbeiten]

Wir beginnen mit Lautsprechern, die eine leicht interpretierbare Sprungantwort aufweisen. Das dient dem Einstieg in das Thema und macht das Verstehen einfacher. Die Auswahl der Beispiele dient den Erläuterungen und ist ansonsten beliebig. (Quelle: www.stereophile.com)

Die folgenden vier Diagramme sind von demselben Lautsprecher: Vandersteen 2Ce Signature II. Das Erste zeigt die Sprungantwort.

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Diagramm 1: Sprungantwort

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Diagramm 2: Die Anteile der Sprungwort - Mittelhochtonsektion (rot), Tieftöner (blau)

Die Überlagerung, das Zusammenspiel von Rot und Blau, ergibt in der Summe die Sprungantwort des Gesamtsystems (Diagramm 1). Die Messdiagramme sind unter Beachtung des geringen Mikrofonabstands zu bewerten. Die Summenbildung bei normalen Hörabständen sieht sicherlich besser aus.
Die Sprungantwort startet mit der Anstiegszeit des Hochtöners. Die in die Membranbewegung eingebrachte Energie wird etwas zeitverzögert in Schall gewandelt und es entsteht eine überhöhte Spitze bei 3,8 ms. Das ist bei der natürlich begrenzten Bandbreite des Schallwandlers typisch und ganz normal. Das auf und ab im Bereich der Spitze entspricht dem Frequenzgang des Hochtöners ab 8 kHz aufwärts. (siehe Diagramm 3: Frequenzgang)
Im Bereich von 4 - 5 ms zeigt sich ein zu starker Durchhänger, den wir auch im Frequenzgangdiagramm als von den Höhen zu den Mitten abfallenden Verlauf sehen. Der Buckel bei 5 ms verweist auf ein leichtes Problem im Übergang vom Mittel- zum Tieftöner, ein leichter Phasendreher.

107Vanfig04.jpg

Diagramm 3: Frequenzgang

107Vanfig06.jpg

Diagramm 4: Frequenzgang im Raum

Bei dieser Art der Konstruktion (3-Wege LS mit Hochtöner oben, Mitteltöner und Tieftöner in dieser Reihenfolge darunter) ergibt sich in Kombination mit den phasenlinearen Übergängen der Treiber folgende Charakteristik: Das vertikale Abstrahlverhalten im Übergangsbereich zwischen zwei Chassis, z.B. Mitteltöner und Bass, weist nach oben gerichtet eine Senke im Frequenzgang auf, auf Hörachse ist der Frequenzgang linear und nach unten gerichtet ergibt sich eine Überhöhung. Das ganze passiert zwischen Hochtöner und Mitteltöner in gleicher Weise. Der Lautsprecher strahlt somit über den gesamten mittleren Übertragungsbereich nach unten, in Richtung Fußboden gerichtet lauter ab als nach oben Richtung Decke.Der Fußboden ist in der Regel die näheste Reflexionsfläche. Somit überhöht sich der Frequenzgang wie in Diagramm 4 zu sehen. Abhilfe schafft nur stark schallabsorbierendes Material, am besten genau auf halber Strecke vom Lautsprecher zum Zuhörer.

Grundsätzlich gilt:

  • Der Hochtöner bestimmt die maximale Anstiegsgeschindigkeit eines Impulses.
  • Das synchrone Einschwingen des Hochtöners mit dem Mittel- und Tieftöner bewirkt die volle Impuls-Dynamik. Eine Bassdrum beispielsweise klingt dann schnell und knackig, wenn alle Lautsprecherchassis synchron, in Phase einschwingen.

Jede Sprungantwort, die Mehrfachschwingungen aufzeigt, ist grundsätzlich falsch! Das ist ein eindeutiges Unterscheidungsmerkmal. Schwieriger wird es, einen Qualitätsmaßstab innerhalb der Gruppe der Lautsprecher aufzustellen, die sich im obigen Sinne "ideal" verhalten. Hier können Kriterien wie z.B.

  • die Übertragungsbandbreite
  • der Dynamikumfang
  • die "Linearität" des Graphen
  • das Abstrahlverhalten

herangezogen werden. Das heißt, die Sprungantwort wird auf ihre Bandbreite untersucht, bei unterschiedlichen Pegeln, unter verschiedenen Winkeln gemessen und auf ihre "Linearität" hin untersucht. Mit "Linearität" ist die Gleichförmigkeit des Graphen mit der idealtypischen Form und die darauf ersichtliche Welligkeit gemeint. Man kann also erkennen, unter welchen Bedingungen die "korrekte" Sprungantwort vom Lautsprecher erzeugt wird und unter welchen Bedingungen nicht. Daraufhin ließe sich der Einsatzbereich des Lautsprechers bestimmen. Lautsprecher / Schallwandler, die innerhalb einer gewissen Bandbreite Rechtecke wiedergeben können, haben einen etwas anderen Verlauf der Sprungantwort, sie bilden kurzzeitig ein Plateau aus. Dies ist aufgrund der Unterschiede zwischen ersten und nachfolgenden Halbwellen nur in Verbindung mit einem im eingeschwungenen Zustand zu tiefen Tönen hin ansteigenden Frequenzgang möglich.

107vandy140789.jpg
Vandersteen 2Ce Signature II

Das zweite Beispiel[Bearbeiten]

CE-RC-A,MHT+B+Summe.jpg CE-RC-A,Step.jpg

Die Graphiken oben zeigen die Sprungantworten eines teilaktiven Dreiwege-Lautsprechers:
Blau: Mittelhochton
Rot: Aktivbass
Schwarz: Summensignal

Diese Sprungantwort ist typisch für viele Dreiwege-Lautsprecher mit steilflankigen Filtern. Manchmal ist der Mittelhochtonbereich in Phase, manchmal, wie in diesem Fall, gegenphasig zum Tieftöner. Völlig eindeutig sichtbar ist der stark verzerrte Einschwingvorgang und die zeitliche Folge der Schallanteile der Hoch-, Mittel- und Tieftonchassis. Der vom Hochton völlig getrennte Mitteltiefton-Einschwingvorgang und der vom Mittelhochton völlig getrennte Bass-Einschwingvorgang (Roter Graph) zeigen den fehlenden Bezug, das Auseinanderreißen der Schallanteile. Hierbei ist es unerheblich, wie viele Millisekunden dazwischen liegen. Entscheidend ist die Schallwellenform der Überlagerung, der Klang, der das Schlagzeug charakterisiert.

Frequenzgang des Lautsprechers

CE-RC-A,FFT.jpg

Weitere Beispiele[Bearbeiten]

1207VQWfig8.jpg
Quelle: www.stereophile.com

Es gibt Nichtlinearitäten im Übertragungsverhalten von Lautsprechern, die grundsätzlich aus der begrenzten Übertragungsbandbreite resultieren. Diese Grenzen sind bei Lautsprechern mit weitgehend korrekter Sprungantwort auch klar zu sehen. Ganz am Anfang, dort wo das Signal beginnt, bei ca. 3,7 ms müsste der Graph senkrecht in die Höhe gehen. Der Hochtöner hat aber seine Grenze in der Anstiegszeit und die Energie, die eigentlich am Anfang erzeugt werden müsste, wird leicht verzögert. Das führt zu der ersten etwas überzogenen Spitze bei ca. 3,8 ms. Da wird also Energie zeitverzögert abgestrahlt und überlagert den weitern Verlauf.
Die Tieffrequente Begrenzung des Übertragungsverhaltens macht sich in einem mehr oder weniger starken Abfallen der Kurve bemerkbar. Fällt die Kurve ab der Spitze steil ab, so kann der Tieftöner die erste Halbwelle im Bassbereich nur schwach ausbilden. Verläuft der Graph flacher, dann gelingt dies besser. Um das beurteilen zu können, müssen die Sprungantworten unbedingt auf der Zeitachse gleich skaliert sein. Alle anderen Nichtlinearitäten, die im Verlauf der Kurve sichtbar sind, zeigen Frequenzgangfehler mit entsprechender Phasendrehung.

Wilmaxx2fig7.jpg
Quelle: www.stereophile.com

Diese Sprungantwort zeigt die Grenzen des Übertragungsbereichs ebenfalls, nur etwas schwerer zu erkennen, wie bei allen falschen Sprungantworten. Der Mitteltöner ist hier verpolt und der Hochtöner hat eine sehr schlecht bedämpfte Membranresonanz, was im negativen Druckbereich in Form des Ringings auf der Kurve sichtbar ist. Die Nichtlinearität bei 4,7 ms ist entweder ein Fehler im Grundtonbereich oder bei größerem Messabstand schon die erste Raumreflexion. Eines ist ebenfalls klar: Egal mit welchem Signal man diesen Lautsprecher anregt, er schwingt eben falsch ein, verzerrt den Einschwingvorgang.

707Focfig7.jpg
707Focfig3.jpg
Quelle: www.stereophile.com

Focal Electra 1037 Be

Die folgende Sprungantwort ist exemplarisch für den Stand der Lautsprechertechnik. Es ist die Sprungantwort eines 3-Wege-Lautsprechers. Bei ca. 3,75 ms beginnt der Einschwingvorgang des Hochtöners. Das ist die erste Spitze die nach unten zeigt. Der Hochtöner ist verpolt!

Die zweite nach oben gerichtete Spitze erzeugt das völlig unkompensierte und zudem sehr schlecht bedämpfte Nachschwingen des Hochtöners. Die folgende nach unten gerichtete Schwingung zwischen 3,9 und 4,1 ms ist das Ergebnis der totalen Gegenphasigkeit von Hoch- und Mitteltöner. Der Mitteltöner ist das einzige nicht verpolte Chassis dieses Lautsprechers, dessen Einschwingvorgang seine Spitze bei ca. 4,3 ms zeigt. Die starke Senke ab ca. 4,6 ms unterhalb der Nulllinie, in den Unterdruckbereich, erzeugt das Basssystem. Auch hier sehen wir einen extremen Phasensprung.

Fazit:
Dieser Lautsprecher gleicht in bezug auf Phasen- und Zeitverhalten einer Achterbahn. Nicht nur der extreme zeitliche Versatz der Lautsprecherchassis ist hier von Bedeutung, viel mehr zeigt sich das Dilemma bei der Wiedergabe von Einschwingvorgängen aller Art. Da es sich um einen 3-Wege-Lautsprecher handelt, betrifft dies nahezu den gesamten Übertragungsbereich. Der Energieaufbau bricht schon in der Anstiegsflanke zusammen und das Signal schwingt entgegengesetzt durch Nullstellen mit kleinen Amplituden hin und her. Nicht nur, dass das Signal vollig verformt wird, die in das System eingetragene Energie wird zeitverschoben mit geringen Maximalamplituden dargeboten. Würde man diese Sprungantwort mit einer idealen Sprungantwort bei gleichem Energieinhalt übereinander legen, so würde man auch den Unterschied der Maximalamplitudenwerte deutlich sehen.

Die nachfolgende Grafik stammt vom selben Lautsprecher und zeigt dessen Frequenzgang, der bis auf Unregelmäßigkeiten im Hochtonbereich mit einer extrem starken Membranresonanz oberhalb von 15 kHz eigentlich recht ausgewogen ist. Im Frequenzgang, der beim Messvorgang aus einem quasi eingeschwungenen Zustand gemessen wird, sind die Probleme bei der Impulsdynamik und der Phase keineswegs zu erkennen.

616Marcofig2.jpg
Quelle: www.stereophile.com

Marten Coltrane 3
Die Fehler in der Sprungantwort, gemessen unter einem extremen vertikalen Winkel, dürften sich auf Ohrhöhe in einiger Entfernung auflösen. Damit wäre dieser Lautsprecher als weitgehend zeitrichtig einzustufen, da die Hörer die richtigen Schallwellen am Ohr empfangen (Direktschall und horizontale Reflexionen). Da wir die Messung am Hörplatz allerdings nicht sehen können, kann man das nicht mit allerletzter Sicherheit bestätigen. Was bleibt, sind jedoch die Amplituden- und Zeitfehler durch die nicht korrigierten Resonanzen. Anhand der gezeigten Messergebnisse werden die vertikalen Reflexionen immer noch besser oder auf gleichem Niveau sein wie bei den meisten üblichen Konstruktionen (Koaxiallautsprecher eingeschlossen).

V2efig3.jpg
V2efig4.jpg
Quelle: www.stereophile.com

Vandersteen
Auch diese Sprungantwort zeigt Lautsprecher, die grundsätzlich auf die richtige Art und Weise einschwingen. Wenn man sich den Frequenzgang und die Sprungantwort anschaust, sieht man, wie eindeutig der Frequenzgang in der Sprungantwort wiederzufinden ist. Und da zeigen sich natürlich auch alle Nichtlinearitäten.

Im Hochtonbereich sieht es unruhig aus und der kleine Katerbuckel in der Sprungantwort ist auf die Frequenzgangüberhöhung im Grundtonbereich zurückzuführen.
Und wie klingt so etwas?
In den Höhen etwas zischelig und die etwas lauten Grundtöne machen die Instrumente und Stimmen etwas dicker als sie sind. Aber ansonsten ist es unangestrengt, da die ständige Fehlerkorrektur im Gehirn im Millisekundentakt entfällt.

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Quelle: www.stereophile.com

Dunlavy Signature SC-VI

Diese Sprungantwort kommt dem Ideal sehr nahe.

Die Fa. Manger zeigt die Messung weiterer Lautsprecher verschiedener Hersteller.

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Weitere Beispiele sind bei dem Magazin Fairaudio beschrieben.

Auch in dem folgenden Beispiel findet man dieselben Effekte sowohl im Zeitbereich (der Sprungantwort), als auch im Frequenzbereich (dem Frequenzgang) anschaulich wieder: Der Hochtöner schwingt positiv ein und erzeugt die erste Spitze nach oben. Der Tieftöner ist verpolt angeschlossen und erzeugt die folgende Schwingung nach unten. Auf dieser Schwingung nach unten sieht man ein Zittern. Dies sind die unbedämpften Resonanzen des Hochtöners, welche sich mit dem Tiefton überlagern. Im Frequenzgang sind diese Resonanzen als Anstieg ab ca. 15 kHz zu sehen. Auch der schnelle Abfall des Hochtöners hin zu 20 kHz spricht dafür, dass es sich um Resonanzen handelt, da ein kontrolliert schwingender Hochtöner keinen so starken Abfall hätte. Im Einschwingen steht dieser Hochtonanteil damit nicht zur Verfügung.

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