Kann man Klang messen?

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Hören und Messen[Bearbeiten]

Die elektroakustische Messtechnik dient vorrangig der Visualisierung akustischer und elektrischer Ereignisse und im weiteren Sinne des Körperschalls. Das bedeutet, wir transferieren Ereignisse, die sich auf den Wahrnehmungsebenen Hören (akustische Ereignisse) und Fühlen (Körperschall und ggf. elektrische Ereignisse) abspielen, auf die Wahrnehmungsebene Sehen. Dieser Wechsel der Wahrnehmungsart (in unseren Fall) vom Hören zum Sehen führt in seiner Logik streng genommen zu der Aussage, dass man Klang grundsätzlich nicht messen kann. Klang ist kein sichtbares Ereignis. Demzufolge wäre logischerweise auch z.B. der Blutdruck nicht messbar, weil wir am Ende der Messstrecke eine Visualisierung in Form von Zahlen haben. Die Messung der Hörfähigkeit beim Hörakustiker besteht aus der Messstrecke Signalgeber und Sensorik / Auswertung durch das Hören und die Auswertung im Gehirn (zusammen => Wahrnehmung) durch den Probanden und der Datenerfassung (z.B. der Reaktionszeit). Am Ende steht eine Visualisierung in Form von Datentabellen und Graphen. (Die Reaktionszeiten könnte sich der Prüfer natürlich auch akustisch mitteilen lassen.) Definiert man das Hören der Messsignale jedoch als Erweiterung der Sensorik und Auswertung, so kann man durchaus zu der Aussage kommen, dass Klang messbar ist. Setzt die Messbarkeit von etwas die Wahrnehmung des Prüfers in der selben Wahrnehmungart voraus? Wenn dem so wäre, dann würde man Schall nur durch Hören messen können. In der Praxis besteht jedoch Konsens darüber, dass der Wechsel der Wahrnehmungsart die Messbarkeit nicht infrage stellt, sondern in der Regel sogar das Ziel der Messverfahren ist. Ohne dies könnten wir z.B. für unser Gehirn nicht wahrnehmbare Wellenlängen / Strahlung gar nicht messen. In Anbetracht dieser Überlegungen kann man durchaus davon sprechen, dass Klang messbar ist. Man kann als Messsignal auch eine "als Klang definierte" Signalstruktur verwenden. Damit wäre auch dem Begriff Klang entsprochen.
Technisch / akustisch ist Klang als komplexes regelmäßiges Schallereignis definiert, während ein Geräusch ein komplexes unregelmäßiges Schallereignis darstellt. Im Allgemeinen umfasst der Begriff Klang Geräuschanteile, die für die Erkennung der Charakteristik von Schallereignissen unerlässlich sind. Für Geräusche allein verwendet man den Begriff Klang nicht.

Wann unterscheidet sich das Gehörte vom Gemessenen?

Solange Messergebnisse eindeutig wahrnehmbar und interpretierbar sind und man den Versuchsaufbau nicht ändert, unterscheidet sich das Gehörte (das Messsignal des Versuchsaufbaus) nicht in relevanter Größenordnung vom Gemessenen, d.h. der Zusammenhang ist reproduzierbar und plausibel. Ist das Gemessenen nicht eindeutig wahrnehmbar (z.B. sichtbar bzw. visuell unterscheidbar) und / oder interpretierbar, dann ist ein Vergleich von Gehörtem und Gemessenem nicht mehr möglich, weil der eine Teil des zum Vergleich stehenden praktisch wegfällt. Zu Unterschieden zwischen dem Gemessenen und dem Gehörten kann es kommen, wenn das Gemessene die Eigenschaften des Schallereignisses nicht widerspiegelt. Des Weiteren treten Unterschiede auf, wenn der Versuchsaufbau beim Vergleich von Gehörtem und Gemessenem gewechselt wird, wenn das Messsignal ungleich dem gehörten Schallereignis ist und / oder wenn die Messstrecke ungleich der Übertragungsstrecke beim Hören ist. Ein weiterer Grund für eine Differenz zwischen Gehörtem und Gemessenem liegt in dem wahrnehmenden Menschen begründet, da dieser über eine mehr oder weniger ausgeprägte "Hörfähigkeit" verfügt und zudem Erfahrungen, Erinnerungen, Stimmungen, Vorurteile etc. in die Wahrnehmung einfließen lässt und somit grundsätzlich subjektiv wahrnimmt. Dieses Problem ist möglicherweise beim Hören von Musik viel größer als beim Hören der einfacheren, kürzeren Messsignale. Zu Musik haben wir alle eine Vorstellung, wie sie klingen soll. Wir glauben zu wissen, wie z.B. das aufgenommene Klavier klingen muss. Während der Tonmeister noch den Vergleich zum Originalklang des Instruments hat, fehlt dieser beim reinen Hören von Aufnahmen jedoch komplett! Der Hörer weiß nicht, wie eine Aufnahme klingen muss, wenn er nicht bei der Aufnahme dabei war und die Musiker nicht im Original gehört hat.

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Myro Heaven's Gate

Die Bewertung von Messergebnissen, von den Bildern, die unser Auge sieht, stößt an Grenzen. Kein Lautsprecher ist auf ein Zehntel-Dezibel linear und somit tritt ab einem bestimmten Grad der Interpretationsfähigkeit anstelle der Objektivität die subjektive Vermutung oder Einschätzung. Zum Glück ist unser Gehör weitaus interpretationsfähiger als das Gehirn auf Grundlage messtechnischer Bilder. Zum Beispiel gibt es Einspiel-Phänomene, die mit den üblichen Verfahren messtechnisch nicht erkennbar sind, aber dennoch das Hörempfinden spürbar beeinflussen. Ein Beweis dafür, dass unser Gehör weit empfindlicher und auflösender ist als wir gemeinhin annehmen. An dieser Stelle fängt bei der Entwicklung das Hören an. Die einfachste und zuverlässigste Methode, insbesondere bei der Feinabstimmung von Filtern, ist das Hören mit Rosa Rauschen. Dieses Hören will gelernt sein. Ansonsten bewertet man nicht das zur Abstimmung angelegte Filter, sondern andere Empfindungen beim Hören von Rauschen. Das Rauschen ist ein komplexes dynamisches Geräusch, dass gemittelt weitgehend konstant ist und daher die Arbeit erleichtert, das aber auch den Transienten innerhalb von Musik sehr nahe kommt und somit das dynamische, zeitliche Verhalten von Filtern sehr gut beurteilen lässt.

Wo die Messtechnik endet fängt das Rauschen an!

Wie geht Myro mit Konfliktsituationen um, in denen sich das Gehörte vom Gesehenen unterscheidet?

Indem man sich des zuvor dargestellten bewusst ist und indem man an den vielen Unzulänglichkeiten ohne Scheuklappen arbeitet, an der Wahrnehmung und auf der akribischen Suche nach dem nützlichsten Messverfahren und der aussagekräftigsten Methode, Visualisierung und Hörerfahrung.
In der Elektroakustik haben wir es aber vorrangig mit Fehlern in einer Größenordnung zu tun, die eindeutig messtechnisch aufgezeigt werden kann. Hier handelt es sich vor allem um Felsbrocken, nicht um Feinstaub! Um diesen kümmert man sich, wenn die Felsbrocken aus dem Weg geräumt werden konnten. Und falls dies nicht möglich sein sollte, dann sollte man lieber ein neues Konzept verfolgen.

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ESS PS-261

Grundlagen für Messungen[Bearbeiten]

Der Begriff "Elektroakustischer Wandler" ist eigentlich verkürzt. Genauer wäre: "Elektro-mechanisch-thermisch-akustischer Wandler". Darin spiegelt sich die Komplexität wider, mit der wir es zu tun haben. Und das ist auch der Grund, warum die in Simulationen angewendeten Modelle nicht wirklich greifen: Es müssen zu viele Annahmen und Ausschlüsse gemacht werden. Theorien und Messtechnik sind zu komplex für einfache Modellbildungen. In der Praxis haben wir es mit einigen Nichtlinearitäten und Störungen (wie Rumpeln, Rauschen etc.) zu tun. Chassis an sich sind komplex in ihrem Verhalten und nichtlinear in den meisten Eigenschaften. Die Interaktion der Chassis untereinander, mit dem Gehäuse und der räumlichen Umgebung ist ebenso komplex und nichtlinear. Resonanzstellen bäumen sich auf, brechen zusammen und erscheinen dann nochmals usw. Chassis verhalten sich zeitlich variant! Oder die Aufhängungen: Sie haben eine Nachgiebigkeit, die einer gewissen Funktion entspricht, zumindest theoretisch. Sie haben aber auch ein Resonanzverhalten. Sie erzeugen Eigenschwingungen, die sich als Körperschall im Material, in damit verbundene Materialien und in der Umgebung in Form von Schallwellen ausbreiten, die reflektiert werden usw. Die Wechselwirkung mit den anderen Bestandteilen des Chassis sind vielfältig, komplex und chaotisch, z.B. der Membran oder dem Gehäuse; auch das chaotische Verhalten der angeregten Materialien (Membran, Aufhängungen etc.) mit den vielen unterschiedlichen Zeitkonstanten mit deren zeitverzögerten Rückwirkungen in Form von abgestrahltem Schall und in mechanischer Form, z.B. auf den Antrieb und die Nichtlinearitäten des Antriebs selbst etc. Deshalb sind Simulationen und Messungen im eingeschwungenen Zustand (z.B. FFT) realitätsfern! Das ist der Grund, warum Myro sich nicht in die Tiefen einzelner Messmodelle und Ersatzschaltbilder begibt. Man schaut sich hingegen die Signal- / Schallstruktur direkt an, bevor sie sich unter Annahmen und Ausschlüssen in die Enge eines Modells verabschiedet. Dafür wurde auch das Dynamic Measurement Verfahren ausgedacht.
Das Messtechnik-Equipment sollte natürlich auch in Ordnung sein. Der Messverstärker muss in der Lage sein, ein sauberes Rechteck auszugeben. Eine sehr große Zahl von Verstärkern ist nicht in der Lage, tieffrequente Rechtecksignale oder gar einen reinen DC-Sprung zu liefern. Auch eine saubere Anstiegsflanke stellt für Verstärker in der Regel ein Problem dar.

Das Messsystem[Bearbeiten]

Unverfälschte Messergebnisse erfordern ein präzises Messsystem. Das Messequipment sollte mehrere Oktaven breitbandiger sein als das Messobjekt. Myro verwendet das ATB Precision, ein computergestütztes Messgerät der Firma Kirchner-Elektronik mit zusätzlicher Dynamic Measurement Software. Für die perfekte Verstärkung der Messsignale dient eine Verstärker-Endstufe Audionet AMP I. Eine sehr große Zahl von Verstärkern ist nicht in der Lage, tieffrequente Rechtecksignale oder gar einen reinen DC-Sprung zu liefern. Wobei auch ein reiner DC-Sprung irgendwann abgeschaltet werden muss, also letztendlich ein Rechtecksignal ist. Auch eine saubere Anstiegsflanke stellt für Verstärker in der Regel ein Problem dar.
Die Wahl des Messmikrofons ist ebenfalls von großer Bedeutung (nebst Halterung). Es hat linear und extrem breitbandig zu sein. Sehr viele Messmikrofone steigen im Frequenzgang ab 10 kHz an und fallen ab 15 - 20 kHz ab. Die Diaphragma-Resonanz sollte mindestens eine Oktave, für Impulsmessungen mindestens zwei Oktaven oberhalb des zu messenden Bereichs liegen. Bereits für eine seriöse 20 kHz Messung braucht man ein Mikrofon mit einer Membraneigenresonanz von mindestens 40 kHz, besser noch 80 kHz! Eine entsprechende Linearität des Frequenzgangs vorausgesetzt. Um z.B. 25 kHz halbwegs sauber messen zu können, sollte das Mikrofon bis mindestens 100 kHz linear sein. Ansonsten sieht auch der Anfang des Rechtecksignals / der Sprungantwort verbogen aus. Die Mehrzahl der Mikrofone zeigt bereits deutliche Abweichungen ab 15 kHz. Für die im Falle des Diamanthochtöners anvisierten Messungen bis 50 kHz kommen nur wenige Messkapseln in Frage, denn zum Aufspüren von etwaigen Membranresonanzen sind Messungen im Ultraschallbereich erforderlich.
Zur Aufnahme des Schalls wird daher ein hochpräzises Mikrofon der Firma Microtech Gefell verwendet, das Kondensatormikrofon MK 301 mit entsprechendem Mikrofonvorverstärker und Netzgerät. Dieses Mikrofon besitzt eine hervorragende Linearität und einen Übertragungsbereich bis 100 kHz. Die Messungen finden im wesentlichen im firmeneigenen reflexionsarmen Raum statt.


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Frequenzgang des Myro Messmikrofons (Frequenzgang bis 100 kHz, Abweichung max. +/- 1 dB)


Zu den realen Betriebsbedingungen zählt bei Lautsprechern ein Hör- / Messabstand von normalerweise mehr als 2 m. Wichtig ist, dass die Anstiegsflanken der Chassis bei praxisgerechter Entfernung des Mikrofons in richtiger Relation zueinander stehen: Je nach Lautsprechermodell ist praxisnah bei Myro 1,5 - 5 m (ab 3 m Freifeld). Messungen im Nahbereich führen natürlich zu anderen Ergebnissen als auf größere Entfernung. Im Nahbereich ändern sich die Abstrahlwinkel und die Distanzen der einzelnen Systeme zur Aufnahmeposition. Dadurch ergeben sich Fehler in der Summenbildung und zwar unter dem Zeit- und dem Druck-Aspekt. Mit zunehmender Entfernung verhalten sich die Systeme synchron und die Summenbildung stimmt wieder. Erst bei großen Distanzen macht sich die höhere Dämpfung der Luft bei hohen Frequenzen bemerkbar und führt zu erkennbarem Hochtonabfall. Den Hochtöner unter wenigen Grad Winkel zu hören, hat da viel dramatischere Auswirkungen.
Wer seine Lautsprecher auf 1 m Abstand entwickelt, wird erfahren, dass es bei praxisnahen Hörabständen nicht mehr stimmt. Lautsprecher werden stets für unterschiedliche Anwendungen konzipiert. Der Mindesthörabstand hängt von der Lautsprecherkonstruktion ab. Die Baugröße der Chassis, die Anzahl der Wege und der Abstand der Systeme zueinander definieren den Mindestabstand. In Anbetracht der Not, mangels ausreichend großer, reflexionsbedämpfter Schallmessräume möglichst glatte Messkurven zwecks Veröffentlichung zu erhalten, hat sich aber die Messung innerhalb kurzer Abstände etabliert. Zu Zeiten, da die Macht der Testzeitschriften ungebrochen war, haben einige Hersteller die dort notgedrungenermaßen angewandten Messbedingungen regelrecht kopiert, um im Test die darauf bezogenen guten Bewertungen zu bekommen. Somit passen alle, die unter diesen Bedingungen messen, ihre Messbedingungen einer Notlage an, jedoch nicht den praxisgerechten und naturgesetzlichen Bedingungen.

Beispiel: Thiel CS 3.7
Die Thiel CS 3.7 ist ein richtig wandelnder Lautsprecher und, wie es sich für den privaten Gebrauch gehört, auf eine dafür typische Hördistanz abgestimmt worden. In dieser Entfernung stimmt die Sprungantwort. Das Modell sieht so aus:

Quelle: www.stereophile.com

Oben befindet sich das Mittelhochton-Koaxialchassis, darunter der Tieftöner, unten die Passivmembran. Gemessen wird die Sprungantwort auf Höhe des Koaxialchassis, Mikrofonabstand 1,27 m.

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Das Mikrofon befindet sich auf Höhe des Koaxialchassis. Von dieser Position aus gemessen ist der Abstand zum Koaxialchassis deutlich kürzer als zum Tieftöner. Daraus folgt das Auseinanderfallen der Sprungantwort. Der erste Anstieg stammt nun fast vollständig vom Mittelhochton-Koaxialchassis und der Katerbuckel danach zeigt den in der Sprungantwort enthaltenen Anteil des Tieftöners, aber auf der Zeitachse (x-Achse) nach hinten verschoben. Das ist logisch, da die Entfernung zum Tieftöner länger ist und dessen Schallanteil nun verspätet eintrifft.

Die Aussagekraft der Messung beschränkt sich im Wesentlichen darauf, dass der Lautsprecher in 1,27 m Entfernung nicht die richtige Summe bildet. Angesichts der Tatsache, dass ca. 99,9 % der Lautsprecher nirgendwo die richtige Summe bilden, auch nicht in einer praxisgerechten Hörentfernung, ist dies kein großes Drama.

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Das Mikrofon befindet sich nun rund 15 cm tiefer. Der Tieftöner ist somit etwas näher dran und das Koaxialchassis etwas weiter weg als zuvor. In der Sprungantwort sehen wir das sofort. Die Schallanteile von Koaxialchassis und Tieftöner rutschen zeitlich enger zusammen und der Einbruch in der Sprungantwort schließt sich deutlich sichtbar.
Auf Hörentfernung gemessen, bildet sich die Schallsumme noch besser. Die Entfernungsunterschiede zu den verschiedenen Chassis werden geringer, die Schall-Laufzeiten nähern sich an. Zu beachten ist, dass sich der Tieftöner auf Grund der geneigten Schallwand weiter vorne befindet. Die Messung, welche zeigen würde, welche Qualität der Hörer in typischer Wohnraum-Hörentfernung erwarten kann, fehlt leider.

Dynamic Measurement[Bearbeiten]

... ein Klanganalyseverfahren für Lautsprecher und Elektronik.

Das von Myro mitentwickelte Dynamic Measurement Messverfahren prüft und analysiert die Wandlerfähigkeit von Lautsprechern. Der Sinn ist die Messung von Signalen auf der Zeitebene. Dies geschieht auf der Basis von Vergleichen. Die Intention des erfundenen Verfahrens ist die Visualisierung, nicht die Messung von Daten als Grundlage für die mathematische Extrahierung einzelner Parameter. Wichtig war, eine möglichst naturnahe Anregung zu bekommen. Daher wurde bewusst darauf verzichtet, die Sinus-Halbwellen auf die "reine Frequenz" zu berechnen. Beabsichtigt war der abrupte Start von der Nullposition aus, so wie er bei Musikinstrumenten ebenfalls passiert. Die Aussagekraft (visueller Vergleich Input zu Output) wird dadurch in keiner Weise geschmälert.
Das ATB-Precision, für das das Verfahren entwickelt wurde, verfügt über einen vollwertigen Mess-Signal-Generator. Dies ermöglicht eine sehr genaue Signalform für das Input-Signal. Auf ein Filter zur Verrundung wurde ebenfalls verzichtet, da man sehen soll, was tatsächlich nach dem Wandler vorliegt. Es wird ein vorgegebenes elektrisches Testsignal in eine Übertragungsstrecke gegeben und mit der Schallantwort des Lautsprechers verglichen. Prinzipiell ist es dabei unerheblich, welches Signal verwendet wird, Hauptsache es befindet sich innerhalb der Übertragungsbandbreite der Übertragungsstrecke. Als Testsignale werden vorzugsweise halbe Sinusschwingungen verschiedener Frequenzen verwendet, da akustische Ereignisse im wesentlichen auf diesen Schwingungsformen basieren. Bei dem Dynamic Measurement Messdurchgang werden zeitlich isolierte Halbwellen erzeugt, keine zusammenhängenden, in der Tonhöhe ansteigenden Halbwellen wie bei einem Sweep. Es wird eine Folge von Halbwellen oder Sinus-Perioden etc. gemessen, in einem wählbaren Frequenzbereich mit wählbarer Anzahl an Messungen. Beim Messvorgang werden die Signale vom unteren Ende des Messbereichs bis zum oberen Ende hintereinander ausgegeben. Es stehen als Messsignale zur Verfügung:

  • 0,5 Sinus-Periode
  • 1 Sinus-Periode
  • Cosinus-Burst
  • 0,5 Rechteck-Periode

Bei der Musikwiedergabe wird ein elektroakustischer Wandler mit einer komplexen Signalstruktur angeregt. Die Verwendung einer Halbwelle oder einer Sinusperiode als Messsignal dient der Vereinfachung der Erkennung der Wandlereigenschaften von Lautsprechern gegenüber der Messung mit komplexeren Signalformen. Das Dynamic Measurement Verfahren ist damit eine noch bessere Grundlage für die Interpretation des dynamischen Verhaltens. Es zerlegt die Sprungmessung praktisch in Halbwellen und stellt sie einzeln in 3D dar. Hierbei wird der Bezug zu der jeweiligen Frequenz hergestellt und die Effekte werden besser zuzuordnen. Es sind bis zu 300 Einzelmessungen in einem frei wählbaren Frequenzbereich möglich. Die Frequenzbereiche lassen sich in folgenden Schritten festlegen:

  • bis 100 Hz in 10 Hz-Schritten
  • bis 1.000 Hz in 100 Hz-Schritten
  • bis 10.000 Hz in 1.000 Hz-Schritten
  • bis 30.000 Hz in 10.000 Hz-Schritten

Man kann also innerhalb einer Bandbreite von 10 Hz 300 Einzelmessungen machen u.s.w. Die Z-Achse ist von 1 bis 16 Perioden skalierter. Es gibt eine Front- und eine Rückansicht. Zudem wird durch stufenloses Stauchen der X- und Y-Achsen eine seitliche und eine Ansicht von oben ermöglicht. Des Weiteren gibt es eine upsidedown-Funktion; d.h. man kann sich das Ganze von der Unterseite anschauen. Eine 2-D Darstellung jedes einzelnen Messschrittes ist möglich, mit zusätzlichen Tools.
Es wird die Schallantwort des Lautsprechers im tatsächlichen Druck-Zeit-Verlauf dargestellt. So bleiben die komplexen Eigenschaften ersichtlich. Zeitverhalten, Amplitude, Polarität und Signalverzerrungen werden in einem Vorgang gemessen und dargestellt. Das Messprogramm bietet zudem Möglichkeiten der Analyse der Messergebnisse in Bezug auf Zeit, Phase, Amplitude und Frequenzspektrum (FFT-Analyse).
Dynamic Measurement ist keine alternative Methode zur Ermittlung der Sprungantwort oder zur Frequenzanalyse und steht somit nicht in Konkurrenz zu anderen Messsystemen.

A priori Sub.jpg

Myro a priori 10.01 mit Myro SubScan23W


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