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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.

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