Welche Vorteile hat die Oszilloskopmessung?

Aus HifiWiki
Wechseln zu: Navigation, Suche

Die Oszilloskop-Messung[Bearbeiten]

Das bestmögliche Zeit- / Signalverhalten ist das alleinige Kriterium für eine korrekte Wiedergabe. Die Untrennbarkeit von Zeit und Amplitude kennzeichnet allein das Hörbare. Damit kann letztlich auch nur dies das Kriterium für die Beurteilung von Lautsprechern sein. Die Visualisierung der Schallwellen erfolgt durch das Oszilloskop.

Ein Beispiel:
Wir nehmen den Anschlag einer Tom oder einer Klaviersaite mit einem Mikrofon auf. Das Mikrofon wandelt die akustische Schallwellenstruktur in eine elektrische Schwingungsstruktur. Diese elektrische Schwingungsstruktur ist von unseren elektroakustischen Wandlern (Lautsprechern) wieder in die äquivalente Schallwellenstruktur zu wandeln. Das einzige, was dabei zählt, ist, dass die elektrische Eingangsstruktur identisch ist mit der vom Wandler erzeugten akustischen Wellenstruktur.
Objektiv überprüfbar ist dies durch den Vergleich der Wellenformen mit Hilfe eines Oszilloskopes. Stimmen die Wellenformen überein, dann stimmen auch alle theoretischen Modellaspekte, wie zum Beispiel Frequenzgang, Phasengang und Klirr. Und auch die Tonhöhen werden dann korrekt wiedergegeben. Beim Lautsprecher kommt es nur darauf an, im zeitlichen Verlauf des Ereignisses, zu jedem Zeitpunkt die richtige Schallamplitude (inklusive der richtigen Polarität) zu erzeugen. Dann, nur dann können wir das aufgenommene Original, den Anschlag der Tom oder der Klaviersaite, originalgetreu hören, weil genau dieser Schalldruckverlauf auf unser Hörorgan wirkt. Wenn es Abweichungen gibt, was bei dem heutigen Stand der Lautsprechertechnik jedoch die Realität ist, dann können uns die theoretischen Modellaspekte behilflich sein, die Gründe dafür zu ermitteln.

Messdiagramme sind dafür da, dem kundigen Experten Hinweise auf Übertragungseigenschaften zu geben und dienen als Werkzeug für die Suche nach Fehlern und deren Ursachen. Eine Anleitung dafür, wie man Fehler vermeidet und wie die Rekonstruktion des Ursprungssignals zu schaffen ist, ist darin nicht enthalten. Nur Oszilloskop-Darstellungen zeigen die komplexe Schwingungsstruktur, die Schalldruckschwankungen, die auch unser Hörorgan anregen. Gleichwohl findet sich ein Phänomen in der Regel in jeder Teilansicht bzw. auf spezifische Art in jeder Messung wieder. Ein Beispiel. Die Membranresonanz eines Mitteltöners sehen wir:

  • im Frequenzgangdiagramm als Pegelüberhöhung
  • bei der akustischen Phasenmessung als eine Phasendrehung
  • im Gruppenlaufzeitdiagramm ebenso als Schwankung auf der Zeitebene
  • bei der elektrischen Phasenmessung auch als Phasenschwankung
  • im Wasserfalldiagramm im Ausschwingen auch als Rippel
  • in der Impulsantwort als Nachschwinger
  • bei der Sinusmessung als Verformung
  • in der Spungantwort als Spitze mit nachfolgendem Einbruch und anschließendem Ringing etc. etc.

Es ist und bleibt jedoch die Membranresonanz eines Mitteltöners.

Wenn man sich die Schallstuktur eines Musikstücks auf dem Oszilloskop ansieht, kann man erkennen, dass die Musik ganz wesentlich eine Folge von Transienten ist. Das markante an den Transienten ist, dass sie wie Hochhäuser aus dem Klanggemisch hervor ragen. Sie sind die um ein vielfaches lauteren Schallstrukturen, eben genau die Peaks, welche die Verdeckungseffekte in Bezug auf nachfolgende Schallwellen bewirken. Myro macht seit sehr langer Zeit Schallaufnahmen mit dem Oszilloskop und sucht bzw. entwickelt Schallwellenformen, die geeignet sind, bei möglichst eindeutiger Aussagekraft einen Lautsprecher auf dessen Wandlerfähigkeit hin zu überprüfen. Beim Vorschalten verschiedener Filter sieht man bei gleichbleibendem zeitlichen Ursprung z.B. die der Filtersteilheit entsprechende Änderung der zeitlichen Ausdehnung der ersten Halbwelle und die Amplitudenänderungen. Genau genommen kann ein Chassis nur bei exakt einer einzigen Frequenz die erste Halbwelle mit der richtigen Frequenz wiedergeben! Dies ist ganz einfach mit Oszilloskopmessungen nachzuvollziehen.
Oszilloskopmessungen liefern das komplexeste Abbild von Schallereignissen, die Schalldruckschwankungen mit ihrem zeitlichen Verlauf. Sie sind die Basis für mathematisch generierte, komplexitätsreduzierte, theoretische Auswertungsaspekte. Sie sind somit näher an der wirklichen Natur des Schalls als die mathematischen Ableitungen aus ihnen. Mit Oszilloskopemessungen kann man nachweisen und überprüfen, ob Entwicklungen und Einstellungen anhand von mathematisch abgeleiteten Messmodellen in der Komplexität der Wirklichkeit des Schalls funktionieren oder nicht. Es ist kein Zauberwerk, ein einfaches Signal oder eine komplexe Signalstruktur durch eine Übertragungsstrecke zu leiten und sich anzuschauen, was am Ende heraus kommt. Hierbei gibt es ein richtig oder falsch. Richtig könnte man als "neutral" definieren. Bei groben Abweichungen von INPUT = OUTPUT entfällt eigentlich jede weitere Diskussion. Das Problem einer eindeutigen Beurteilung tritt dann auf, wenn die Abweichungen vielschichtig und / oder gering sind. Hier fängt die subjektive Interpretation objektiver Kriterien an. Bei vielen Diskussionen sind wir oft in diesem Bereich.

Zusammengefasst:
Die Oszilloskopedarstellungen zeigen uns das Ganze, den Klang. Ein theoretischer Modellaspekt zeigt uns nicht das Ganze, zeigt uns nicht den Klang. Irgendwie definierte (von wem auch immer) Ansprüche an die Erfüllung theoretischer Modellaspekte weisen für die menschliche Vorstellungskraft bezüglich des Klangereignisses keinerlei verwertbaren Bezug auf. Wer kann ernsthaft bei der Betrachtung eines Frequenzgang-, Phasengang-, Klirr K2 K3 K4- und Gruppenlaufzeitdiagramms den darin verborgenen Klangcharakter, das subtile Schwingen eines Instrumentes oder gar den Charakter einer Stimme beschreiben?
Das Zeit-/Signalverhalten, die Untrennbarkeit von Zeit und Amplitude kennzeichnet allein das Hörbare. Damit kann letztlich nur dies das Kriterium für die Beurteilung von Lautsprechern sein.

Kleiner Erlkönig 02.jpg

Myro Kleiner Erlkönig

Slimline .jpg

Myro Slimline

Die Sprungantwort[Bearbeiten]

Eine Sprungantwort erhält man nur als Antwort auf einen Sprung. Nur ein Sprung regt einen Wandler so an wie ein Sprung. Und nur wenn ein Wandler mit einem Sprung angeregt wurde, kann er eine Sprungantwort geben. Sobald man eine Anregung verwendet, die den Wandler in einen eingeschwungenen Zustand versetzt, enthält die daraus ermittelte "rechnerische Sprungantwort" nicht die identische Information. Aus Einschwingvorgängen periodisch wiederkehrende Signale zu machen, führt in die falsche Richtung. Einschwingvorgänge, wie alles in der Musik, wiederholen sich nicht in identischer Form und eingeschwungene Zustände sind in der Musik nur elektronisch erzeugt möglich. Musik ist grundsätzlich eine Folge wechselnder Einschwingvorgänge. Eingeschwungene Zustände kommen nur näherungsweise und eher leise vor.
Die Sprungantwort ist ein Messsignal mit einem nicht unbedeutendem Unterschied zum Impuls. Sie unterscheidet sich messtechnisch von der Impulsantwort durch ihren Energiegehalt und liefert im Verhältnis zum Impuls jene Energie, die notwendig ist, um das gesamte System vollständig anzuregen. Durch die Ableitungen von Sprungantworten oder Impulsantworten werden hingegen nur Teilaspekte berechnet. Die Information über die vollständige ursprüngliche Signalform ist dann nicht mehr zu sehen. Interpretationen können sich aber immer nur auf die in der Ableitung enthaltenen Parameter (unter den Annahmen, Ausschlüsse und Bedingungen des Messmodells und des angewendeten mathematischen Modells) beziehen. Messungen und deren mathematische Ableitungen, die aus Signalformen resultieren, die die Lautsprecherchassis während des Messvorganges im schwingenden Zustand halten, sind für die Beurteilung der Einschwingvorgänge und somit des Gesamtverhaltens nicht geeignet. Lautsprecher sind komplexe Wandler, elektro-mechanisch-thermisch-akustisch, und lassen sich nicht mit einem elektrischen Ersatzschaltbild vollständig beschreiben. Es gibt eine ganze Reihe von Faktoren, die eine richtige Sprungantwort, die richtige Wandlung, ausschließen. Alle sind einzeln Ausschlusskriterien!
Die Sprungantwort korreliert mit allen anderen Oszilloskopmessungen. Ein Lautsprecher mit deformierter Sprungantwort deformiert auch andere Signalformen entsprechend. Mit den oszilloskopgestützten Messverfahren haben gibt es die derzeit eindeutigsten Bildgebungsverfahren, die das "richtige Wandeln" von Schallstrukturen aufzeigen und beweisen können. Somit fallen alle Lautsprecher heraus, die keine saubere Sprungantwort zeigen.

Kann die Fourier-Transformation (FFT) die Oszilloskopmessung ersetzen?[Bearbeiten]

Es wird oft argumentiert, dass man die direkte Messung der Sprungantwort auch durch die mathematische Simulation mittels Fourier-Transformation ersetzen könne. Auf der einen Seite haben wir bei der Sprungmessung den realen Stimulus "Spannungssprung" von Null zur vorgegebenen Gleichspannung. Dieser Stimulus - und nur dieser Stimulus - regt die Chassis an. Auf der anderen Seite haben wir das Modell "Fourieranalyse", eine theoretische Methode, mit der unter bestimmten Modellannahmen ermittelt wird, aus welchen Schallwellen man den realen Stimulus bilden könnte, wenn man sie in Betrag und Zeit kumulieren würde. Das Ergebnis der Fourieranalyse ist ein theoretisches Konstrukt, kein realer Stimulus, regt daher auch kein Chassis an.

Wenn man aus der Sprungantwort durch Differenzieren die Pulsantwort berechnet (andersherum ist die Sprungantwort das Integral der Pulsantwort über die Zeit), dann kann man auch die Pulsantwort mit einem Sprung oder einem Rechtecksignal falten. Insofern lassen sich bei einem LTI-System aus der Pulsantwort die Ergebnisse berechnen, egal ob es nun ein Sprung, ein Rechtecksignal, ein Halbsinus, ein Cosinusburst usw. sind, mit dem der Puls gefaltet wird. Das ist eindeutig, aber beschränkt gültig auf lineare und zeitinvariante Systeme.

Die Grenzen der Theorie
An dieser Stelle müssen wir bereits die erste Einschränkung vornehmen. Zwar ist ein Lautsprecher zeitinvariant, sonst könnte man keine Filter setzen. Aber linear ist er bei genauer Betrachtung nicht. Wir haben das Problem der Nichtlinearitäten im Antrieb und im gesamten Bewegungsablauf und zusätzlich das des Hublimits und der thermischen Kompression. Nahezu jedes Teil eines Chassis ist nichtlinear. Die Aufhängungen 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, chaotisch! Auch die Membran und das Gehäuse fügen Nichtlinearitäten hinzu. Hier kann die Annahme eines linearen Systems höchstens näherungsweise erfolgen und dies führt zu Abweichungen der Simulation von einer realen Messung mit echter Sprunganregung.

Möglichkeiten und Grenzen der Fourier-Transformation
Die Fouriertransformation selbst ist im Prinzip ein Rechenvorgang, der die Pulsantwort mit theoretisch unendlich langen (praktisch geht es auch kürzer) Sinusfrequenzen faltet. Daraus ergeben sich für jede Frequenz eingeschwungene Zustände mit einer jeweiligen Amplitude und Phasenlage. Und daraus lassen sich Frequenz- und Phasengang zeichnen. Mit den Methoden einer Fast Fouriertransformation muss man nicht mehr mühsam die Testsignale erzeugen und messen, es geht mathematisch unkomplizierter.
Damit ist auch klar, dass die FFT keine Aussagen über Einschwingzustände zulässt. Sie ist nur ein Hilfsmittel, mehr nicht, eine weitere Art der Darstellungsmöglichkeit bei der Systemanalyse. Nun ist Musik kein eingeschwungener Zustand, insofern macht die FFT nur Sinn, wenn man ein Spektrum bezüglich der Transienten im Frequenzgang (quasi mit Hüllkurve) betrachten will. Man erkennt also mit der FFT nur einen Teilausschnitt von dem, was man wirklich hört.

Der Stimulus kennt nur einen (bzw. beim Rechteck zwei) Spannungswechsel, nämlich den Spannungssprung am Anfang und den Spannungsabfall am Ende. Dazwischen liegt Gleichspannung! Der Gleichspannungszustand ist aber kein Stimulus für einen elektrodynamischen Wandler, nur der Spannungswechsel kann dies sein.
Nur weil eine Fourieranalyse ein bestimmtes Ergebnis in Form von Wellen (Wechselspannung) ausgibt, bedeutet das nicht, dass die Gleichspannung zu einer Wechselspannung wird. Hier wird aus zwei völlig unterschiedlichen getrennten Modell-Ebenen ein unzulässiger Umkehrschluss gebildet. Theoretisch kann der Stimulus aus einem Konglomerat von bestimmten Wechselspannungen / Frequenzen gebildet werden. Der reale Stimulus wird dadurch aber nicht zu einer Wechselspannung (Ein/Aus ausgenommen). Die reale Messung in dem folgenden Beispiel ist der Beweis. Es gibt keinen Unterschied in der Schallantwort der Chassis, wenn man mit Sprung oder 30 Hz-Rechteck misst.

Beispiel:
Der Vergleich von Sprungantworten mit Original DC-Sprung-Messung und mit mathematischer Ableitung aus Messsignalen, die den Lautsprecher im quasi-eingeschwungenen Verhalten messen.

Im folgenden Diagramm sehen wir den Vergleich zwischen einer Step-Messung (Blau) und einer Rechteckmessung (Schwarz / Frequenz = 30 Hz). Beide Signale regen den Lautsprecher gleichermaßen sprunghaft an. Wir sehen deutlich den Unterschied zwischen einer Sprungantwort aus der Nullstellung heraus gegenüber der aus dem schwingenden Verhalten. Bei der ersten Sprunganregung starten die Chassis mit einer Anfangsgeschwindigkeit v = 0. Bei der zweiten, invertierten Sprunganregung starten die Chassis von der Vornestellung (+DC mit der Anfangsgeschwindigkeit v = 0) hin zur Nulllinie und darüber hinaus zur rückwärtigen Stellung (-DC) und erreichen im Bereich der Nulllinie die maximale Geschwindigkeit der Membranbewegung. Die Startgeschwindigkeiten der beiden Sprungantworten sind demzufolge:

  • Bei der ersten Sprungantwort v = 0
  • Bei der zweiten Sprungantwort v = max.

Und genau darin ist der Unterschied zu verstehen zwischen Sprungantwortmessungen mit einem echten Oszilloskopsprung und der Ableitung aus einem Messsignal, bei dem der Lautsprecher aus dem schwingenden Zustand heraus gemessen wird.

RSD-1 70.jpg

Myro Amur RSD

Vergleich Step zu Rechteck (30 Hz).jpg

Die zweite Sprungantwort des Lautsprechers bei der Rechteckmessung kurz vor 24 ms zeigt uns, im Unterschied zur ersten Sprungantwort am Anfang, folgendes:

1. Eine deutlich höhere Amplitude, die jedoch nicht daraus resultiert, dass die invertierte Ansteuerung des Lautsprechers grundsätzlich anders aussieht.

2. Eine deutliche Zunahme der Amplitude der Anstiegsflanke, der höheren Frequenzen und eine relativ geringe bei tieferen Frequenzen.



  • Blau: Anregung mit Sprungfunktion
  • Schwarz: Anregung mit Rechteck f = 30 Hz

Da es in dem für die Darstellung und Bewertung der Sprungantwort passenden Zeitfenster (ca. 2 - 5 ms) und darüber hinaus keinen Unterschied macht, sind Messungen mit tieffrequenten Rechtecken in Ordnung.


<zurück: Myroklopädie>
<zurück: Myro>