Multiton Lautsprecher-Messverfahren: Terzband IMD-Messsignal
IMD-Messsignal in digitaler Reinstform: Terzband-Multitonsignal, dargestellt über FFT-Analyser (Diagramm: J. Schröder)

Neues Multiton Lautsprecher-Messverfahren bei LowBeats

Schon vor mehr als 40 Jahren trat der weltweit erfolgreiche, noch immer hochgeschätzte BBC-Kompaktmonitor LS 3/5 A den tönenden Beweis an, dass man auch mit vergleichsweise kleinen Lautsprechern anspruchsvoll Musik hören kann. Auch beim Direktvergleich im LowBeats Klang Orakel stellt man immer wieder überrascht fest, wie gut kleine Lautsprecher à la Canton Vento 826, Dynaudio Excite X 18, KEF LS 50 oder ProAc Tablette 10 selbst in puncto Basswiedergabe mit großen Lautsprechern mithalten können. Warum dann also große Boxen kaufen, wenn kleine doch ebenso gut klingen können? Wer so denkt, macht die Rechnung ohne die Physik: Denn zur Wiedergabe tiefer Töne braucht’s entweder ausreichend Membranfläche oder aber – für kleine Boxen obligatorisch – entsprechend großen Membranhub. Bei geringen Lautstärken stellt das noch kein Problem dar. Bei höheren Pegeln jedoch nehmen die Gesamtverzerrungen drastisch zu – und das keineswegs nur m tieffrequenten Bereich: Vielmehr ziehen die hohen Membranauslenkungen den gehörmäßig kritischen Bereich von 600 bis 2500 Herz in Mitleidenschaft, was besonders bei kleinen Zweiwege-Kompaktmonitoren häufig der Fall ist  Um solche Verzerrungen für unsere Leser möglichst genau prüfen und darstellen zu können, haben wir unser neues Multiton Lautsprecher-Messverfahren entwickelt.

Denn was dem gesunden Menschenverstand im Grunde klar ist, (aber nur selten thematisiert wird) macht das Multiton Lautsprecher-Messverfahren bildhaft deutlich: Wegen ihrer geringen Pegelreserven eignen sich bassstarke, kleine Kompaktmonitore strenggenommen nur für kurze Hörabstände – wofür sie ja eigentlich auch gedacht waren und sind.

Bei den Wohnzimmer-üblichen Hörplatzabständen hingegen steigen ihre Verzerrungen schon bei mittleren Lautstärken deutlich an, weil die kleinen Chassis bereits zunehmend in den Grenzbereich geraten. Deshalb sind größere Lautsprecher hier eindeutig die bessere Wahl: Im Gegensatz zu kleinen verfügen sie über ausreichend Pegelreserven, um auch bei größeren Hörplatzabständen HiFi-gerechte Schalldruckpegel unverzerrt erzeugen zu können.

Will man, wie LowBeats, konkrete Kauf- und Anwendungsempfehlungen zu Lautsprechern geben, dürfen verlässliche Angaben zu ihrer Pegelfestigkeit also nicht fehlen. Ein wichtiger Schlüsselbegriff hierzu lautet „unverzerrter Schalldruckpegel“.

Im Klartext meint dies eine Lautstärke, bei der man die vom Lautsprecher erzeugten Verzerrungen gerade eben noch nicht als störend empfindet. Für letztere muss man natürlich einen gehörphysiologisch orientierten Grenzwert festlegen – mehr dazu in einem späteren Abschnitt.

Grundlage zum Beurteilen der Pegelfestigkeit von Lautsprechern ist also zunächst mal das Ermitteln ihrer Verzerrungen. Die aktuell gebräuchlichste Methode hierfür ist das Messen der nichtlinearen, harmonischen Verzerrungen (Total Harmonic Distortion = THD) – umgangssprachlich als Klirrfaktor bezeichnet.

Prinzipiell gestaltet sich der Ablauf einer Klirrfaktormessung wie folgt: Ein vom Mess-System erzeugter, hochreiner Sinuston wird über einen Verstärker in den zu testenden Lautsprecher eingespeist. Das von diesem wiedergegebene Signal wird mit einem Mikrofon erfasst und dem Mess-System zur Auswertung zugeführt.

Das Mess-System stellt den Sinuston (Grundwelle) plus die durch die Nichtlinearitäten des Lautsprechers verursachten Oberwellen als Frequenzspektrum dar.

Zur zahlenmäßigen Ergebnisdarstellung werden die Amplituden der entstandenen Oberwellen geometrisch addiert und das Resultat anschließend ins Verhältnis zur Amplitude der Grundwelle gesetzt. Daraus erfolgt die Angabe des aktuellen Gesamt-Klirrfaktors in Prozent oder aber der Klirrdämpfung in Dezibel.

Natürlich kann man das Ganze auch Schritt für Schritt mit einzelnen Messtönen über den gesamten Hörfrequenzbereich machen – dann erhält man nachfolgendes Diagramm, dass den Klirrfaktor in Abhängigkeit zur Messfrequenz ausweist.

THD-Messung-single-tone
Typische THD-Messung in Schritten zur Bestimmung des frequenzabhängigen Klirrfaktors bei einem Lautsprecher: Die hohe Nadel ist die aktuelle Grundwelle (hier etwa 600 Hz), die kürzeren Nadeln rechts daneben zeigen die harmonischen Verzerrungsprodukte an – hier k2, k3 und k4. Das Messsignal enthält zum Zeitpunkt x lediglich die Grundwelle (Diagramm: J. Schröder)

Ebenso lässt sich die Klirrfaktormessung auch bei unterschiedlichen Eingangspegeln durchführen, um seinen Anstieg bei höheren Schalldruckpegeln darzustellen. Macht man beides, so erhält man ein Diagramm, wie es beispielsweise das HiFi-Magazin stereoplay als „Pegel- und Klirrverlauf“ abdruckt.

Oberwellenstruktur und Verlauf der THD-Messung liefern Lautsprecherentwicklern aufschlussreiche Informationen über Stärken, Schwächen und mögliches Optimierungspotenzial ihrer Produkte und sind daher als Standard in der Lautsprechermesstechnik nicht wegzudenken.

Klassische THD-Messungen haben jedoch einen ganz entscheidenden Nachteil: Zum Zeitpunkt x wird der Lautsprecher stets mit nur einem einzigen Ton beaufschlagt – was einem Musiksignal natürlich in keinster Weise entspricht. So erfasst die THD-Messung denn auch ausschließlich den harmonischen Anteil aller nichtlinearen Verzerrungen, will sagen nur die ganzzahligen Vielfachen der Grundwelle (k2; k3; k4; usw.).

Muss ein Lautsprecher jedoch mehrere Töne (mindestens zwei) von unterschiedlicher Frequenz wiedergeben, entstehen bedingt durch seine Nichtlinearitäten neben den harmonischen auch noch weitere, nämlich nichtharmonische Verzerrungsprodukte – beispielsweise Summen- und Differenztöne. Der Begriff, der sowohl harmonische als auch nichtharmonische, nichtlineare Verzerrungen einschließt, heißt Intermodulationsverzerrungen (Intermodulation Distortion = IMD)

IMD-Messungen erfassen also sämtliche durch Nichtlinearitäten des Lautsprechers bedingten Wechselwirkungen mehrerer gleichzeitiger Signale (mindestens von zweien). Daher entsprechen IMD-Messungen den tatsächlichen Betriebsbedingungen (nicht nur) von Lautsprechern bei Musikwiedergabe deutlich besser als herkömmliche THD-Messungen.

Multiton Lautsprecher-Messverfahren – die praxisgerechte Alternative

Messverfahren zum Ermitteln von Intermodulationsverzerrungen existieren gleich mehrere. Jedoch würde es den Rahmen dieses Beitrags sprengen, all diese hier zu beschreiben. Wir haben uns für ein Verfahren entschieden, das erstaunlicherweise noch nicht sehr weit verbreitet ist: die IMD-Messung mittels Multiton-Signal.

Zwar sind Multiton-Signale nichts grundlegend Neues, habe ich doch damit bereits zu Beginn der 90er Jahre im letzten Jahrhundert professionelle Bandmaschinen eingemessen. In der Lautsprechermesstechnik wurden Multiton Lautsprecher-Messverfahren allerdings erst in den letzten Jahren etwas populärer.

Wie der Name bereits verrät, beinhalten Multiton-Signale mehrere, hochreine Sinusschwingungen mit unterschiedlicher Frequenz und definierten Pegeln. Diese müssen keineswegs identisch sein, sondern können einen definierten Verlauf aufweisen – beispielsweise um die Amplitudenstatistik bestimmter Musikrichtungen nachzubilden.

Das von uns verwendete Multiton-Testsignal erstreckt sich über das gesamte Audio-Spektrum von 20 Hertz bis 20 Kilohertz. Es enthält 30 Einzelfrequenzen im Terzabstand mit jeweils identischem Pegel.

Die 24-Bit-Auflösung des Testsignals garantiert dabei eine spektrale Reinheit von –144dBFS, womit wir selbst Elektronikkomponenten problemlos auf den Zahn fühlen können (und werden).

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LowBeats Multiton Lautsprecher-Messverfahren: IMD-Multiton-Testsignal rein
Akkord mit 30 Tönen: Im Gegensatz zur THD-Messung deckt das Terzband-Multiton-Signal zur IMD-Messung zum Zeitpunkt x den kompletten Hörfrequenzbereich ab, was den Bedingungen bei Musikwiedergabe entspricht. In der hier dargestellten Reinform sind zwischen den einzelnen Tönen keine Verzerrungskomponenten sichtbar (Diagramm: J. Schröder)
LowBeats Multiton Lautsprecher-Messverfahren: 30-band-Multiton-Signale bei Aktivlautsprecher clipped
Intermodulationsspektrum eines Aktivlautsprechers mit absichtlich leicht übersteuerten Eingangssignal. Sehr gut zu erkennen die breitbandig und gleichmäßig verteilten Verzerrungskomponenten zwischen den einzelnen Frequenzen des Multiton-Signals, verursacht durch Clipping. (Diagramm: J. Schröder)
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Im Idealfall (keine Verzerrungen) sind in der spektralen Darstellung lediglich 30 einzelne „Frequenznadeln“ zu sehen – mit absolut sauberen Zwischenräumen bis hinunter zu ihren Fußpunkten. Je höher jedoch die nichtlinearen Verzerrungen, desto mehr optischer „Schmutz“ sammelt sich hier an – was der akustischen Wahrnehmung entspricht. Mit zunehmendem Verzerrungsgrad „verschmiert“ das ursprünglich reine Signal auch klanglich mehr und mehr.

Bereits die Vorversuche für das Multiton Lautsprecher-Messverfahren mit der Multiton-basierten IMD-Messung verliefen derart erfolg- und aufschlussreich, dass wir diese ab sofort als Standard bei unseren Lautsprechertests einführen.

Sicherlich werden wir an Details noch etwas feilen – beispielsweise an einer durchgehenden Skalierung der Diagramme. Ebenfalls noch nicht in Stein gemeißelt, wenn auch schon auf der Zielgeraden sind die Rahmendaten für einige Messaufgaben.

Im praktischen Einsatz ermöglicht uns das neue Multiton Lautsprecher-Messverfahren zahlreiche nützliche Tests an Lautsprechern. Hier nur die wichtigsten:

– der direkte Vergleich der Verzerrungsprodukte verschiedener Lautsprecher bei gleichem Schalldruckpegel

– die Angabe eines „empfohlenen, oberen Schalldruckpegels“

– die praxisnahe Einschätzung der akustischen Reichweite

– die Abnahme der Verzerrungen bei Kombination mit einem Subwoofer

– das Aufdecken klanglicher Schwachstellen im Übertragungsverhalten

– die angenäherte Darstellung (Hüllkurve) des Amplitudenfrequenzgangs bezogen auf die Lautsprecherachse.

Darüber hinaus bietet die Multiton-IMD-Messung jedoch noch einen erheblichen Vorteil in puncto Anwendung: Die Anzeige der Messergebnisse erfolgt in Echtzeit. So lässt sich beispielsweise der Pegel des Multiton-Signals so lange steigern, bis der dargestellte Verzerrungsgrad einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.

Maximalpegel – was heißt das?

Technisch interessierten Lesern ist sicher aufgefallen, dass ich im Vorangehenden den Begriff „Maximalpegel“ tunlichst vermieden habe. Das liegt daran, dass sich der Maximalpegel bei Lautsprechern nur sehr schlecht definieren lässt. Der Lausprecher erreicht seinen „Maximalpegel“ – was bedeutet das? Mechanische Zerstörung der Chassis? Schwingspulen durchgebrannt? Membran gerissen?

Meines Erachtens nach liegt der einzig sinnvolle Weg darin, eine gehörmäßig ausgerichtete Verzerrungsgrenze zum Ermitteln eines „empfohlenen, oberen Schalldruckpegels“ festzulegen.

Wird dieser überschritten, sind also noch ein paar Dezibel mehr an Lautstärke möglich, ohne Schaden zu riskieren – doch dann wird’s bereits anstrengend für Chassis und vor allen Dingen die Ohren.

Nach eingehenden Hörtests haben sich folgende Richtwerte als praxisgerecht erwiesen. Bei Frequenzen unterhalb von etwa 300 Hertz liegt die Verzerrungsgrenze für den „empfohlenen, oberen Schalldruckpegel“ bei 3 Prozent (Klirrdämpfung = 30 dB), oberhalb davon greift die allgemein angewandte Regel 1000 / Frequenz in Hertz. Die Verzerrungsgrenze bei 1000 Hertz beträgt demnach 1 % (Klirrdämpfung = 40 dB).
Der „empfohlene, obere Schalldruckpegel“ eines Lautsprechers ist derjenige Pegelwert, bei dem er in einem beliebigen Frequenzband im Tonspektrum die oben definierte Verzerrungsgrenze erreicht (Mikrofonabstand = 1 Meter).

Vergleichsmessungen des Verzerrungsverhaltens bei verschiedenen Lautsprechern erfolgen (derzeit) bei einem Schalldruckpegel von 94 dBspl (1 Pascal) – dabei kommt es durchaus vor, dass vor allem kleine Lautsprecher die oben beschriebene Verzerrungsgrenze bereits überschreiten.

Das Multiton Lautsprecher-Messverfahren macht den Lautsprecherklang sichtbar

Messungen im HiFi-Bereich halte ich nur dann für aussagekräftig, wenn sie mit dem akustisch Wahrnehmbaren einhergehen. Auch in diesem entscheidenden Punkt erweist sich die IMD-Messung als „parkettfest“, wie nachfolgende Geschichte sehr schön zeigt.

Anfang 2014 brachte Canton den aktiven Mini-Monitor AM 5 auf den Markt. Damals auf intensiver Suche nach einem richtig guten Desktop-Nahfeldmonitor, stieß ich eher zufällig im stereoplay-Gerätelager auf ihn.

Schon während der ersten Hörtest-Begegnung vergingen kaum zwei Minuten, bis ich wusste. „Der AM 5 isses.“ Und er blieb es auch – trotz zahlreicher Verlockungen – bis zum heutigen Tage.

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Canton AM 5 front
In der Ultrakompakt-Klasse einer der mit Abstand besten Aktiv-Monitore: der Canton AM 5. Klanglich punktet er nicht nur durch vorbildliche Neutralität, sondern auch durch ungewöhnlich niedrige Verzerrungen (Foto: Canton)
Canton AM 5 amp block
Die vielfach einstellbare Ortsanpassung ermöglicht den Betrieb des Canton AM 5 in unterschiedlichen akustischen Szenarien. Musiker und Tonschaffende freuen sich über den symmetrischen XLR-Eingang mit wählbarer Empfindlichkeit (Foto: Canton)
Canton AM 5 mit iMac
Für Desktopanwendungen in Verbindung mit einem Computer ist der Canton AM 5 eine perfekte Wahl mit erstaunlich hochwertigen Klangeigenschaften (Foto: Canton)
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Ich kenne kaum einen anderen Lautsprecher, bei dem sich die Tester-Kollegen so einig waren wie beim Canton AM 5 – entsprechend euphorisch fielen denn auch die Bewertungen in den zahlreichen Tests aus. Oft habe ich mich (und natürlich auch Canton Chefentwickler Frank Göbl) gefragt, weshalb dieser unspektakuläre, kleine Knirps so ausnehmend gut klingt.

Keine Frage, dass alle herkömmlichen Messwerte wie Frequenzgang und Abstrahlverhalten Canton-typisch mustergültig ausfielen – doch das gelingt anderen Herstellern mit ihren Lautsprechern auch. So blieb die Frage nach der Ursache für den AM-5-Wohlklang denn auch über mehr als drei Jahre hinweg unbeantwortet.

Bis zum 18. August 2017: An diesem Tag machte ich die „Vorserien“-IMD-Messung für das Multiton Lautsprecher-Messverfahren mit einigen, ausgewählten Lautsprechern im Studio A der msm-Studios, München. Mit dabei war auch der Canton AM 5, weil mich speziell kleine Lautsprecher mit ihrer prinzipbedingt großen Membranauslenkung interessierten.

Die IMD-Messung (Diagramme unten) sorgte schließlich für den Aha-Effekt. Sie ließ auf Anhieb erkennen, wodurch sich der Canton AM 5 klanglich abhebt: Im Vergleich zu einem gleich teuren, ähnlich kompakten Aktivlautsprecher mit gleichgroßem Tiefmitteltonchassis produzierte er bei identischem Schalldruckpegel (94dBspl; 1m) deutlich weniger Verzerrungen.

Ohnehin fiel beim Canton AM 5 das Maß an Intermodulationsprodukten für einen Lautsprecher dieser Größe erstaunlich gering aus.

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LowBeats Multiton Lautsprecher-Messverfahren: Canton AM 5 vs 12 cm compettitor
Intermodulationsspektren im Vergleich: Canton AM 5 (hellrot) und gleichteurer, ebenso kompakter Aktiv-Mitbewerber mit gleichgroßem Tiefmitteltöner (petrol). Bei identischem Schalldruckpegel (94dBspl; 1m) fallen die Verzerrungsprodukte beim Canton AM 5 stellenweise um bis zu 20 dB (Faktor 10) geringer aus. Klanglich macht sich das vor allem in klareren Mitten bemerkbar, wovon beispielsweise weibliche Gesangsstimmen deutlich profitieren (Diagramm: J. Schröder)
LowBeats Multiton Lautsprecher-Messverfahren: Canton AM 5 vs 12 cm compettitor HP80Hz
Gleiche Konstellation wie vorhergehendes Diagramm (94dBspl; 1 m), jedoch mit 80-Hz-Hochpassfilter zur Simulation des Betriebs mit einem Subwoofer. Beim Canton AM 5 (rot) gehen die Verzerrungsprodukte nochmals deutlich zurück. Für den Mitbewerber (grün) gilt das ebenfalls, jedoch bleiben die Verzerrungen im Bereich von 200 bis 600 Hz noch immer vergleichsweise hoch (Diagramm: J. Schröder)
LowBeats Multiton Lautsprecher-Messverfahren: Canton AM 5 distortion decrease with subwoofer
Intermodulationsspektrum (94dBspl; 1m) beim Canton AM 5, mit aktiviertem (rot) und ohne 80-Hz-Hochpassfilter (grün): In Verbindung mit einem Subwoofer spielt der AM 5 speziell bei Frequenzen unterhalb von 150 nochmals deutlich verzerrungsärmer auf insgesamt hervorragend niedrigem Niveau (Diagramm: J. Schröder)
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Obige Diagramme lassen sehr gut erkennen, wann und wo es bei Lautsprechern hörbar kritisch mit der Musikwiedergabe wird. Diese Darstellungsform bleibt allerdings der IMD-Messung mit Multiton-Signal vorbehalten – sie ist mit der üblichen Klirrfaktor-Messmethode nicht machbar.

Natürlich muss sich auch ein vielversprechendes Messverfahren zunächst mal „einspielen“: Im praktischen Einsatz offenbaren sich eventuelle Schwachstellen, die man „betriebsblind“ leicht mal übersieht.

Daher meine Bitte: Egal, ob Anregung, Fragen, Kritik und natürlich auch Lob zum vorgestellten Multiton Lautsprecher-Messverfahren – schreiben Sie mir eine E-Mail an jus@lowbeats.de.

In einem Punkt bin ich mir allerdings jetzt schon sicher: Mit der Multiton-IMD-Messung sind wir unserem Ziel, Lautsprechertests transparenter und objektiver zu machen, einen großen Schritt nähergekommen.

Zudem ergänzt das Multiton Lautsprecher-Messverfahren unser LowBeats Klang Orakel perfekt: Während letzteres den direkten Klangvergleich in der „Komfortzone“ der Lautsprecher, sprich bei HiFi-gerechter Lautstärke, ermöglicht, macht das Intermodulationsspektrum ihr klangliches Verhalten im Grenzbereich sichtbar.

Seine „Premiere“ feierte unser neues Multiton Lautsprecher-Messverfahren beim:
Familientest der umfangreichen nuPro-Aktivboxen-Linie von Nubert.

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Autor: Jürgen Schröder

Jürgen Schröder
Tonmeister, Mess-Chef und technische Gewissen von LowBeats. Kümmert sich am liebsten um Wissens-Themen, Kopfhörer und den spannenden Bereich zwischen Studio und HiFi.