Produkt: d&b D20 im Test
d&b D20 im Test
Mit der D20 erweitert d&b Audiotechnik sein Portfolio. Von außen ist die D20 sozusagen eine D80, allerdings mit weniger Leistung und etwas budgetfreundlicher.
Messtechnik für Lautsprecher

Meyer Sound M-Noise: Schallpegel-Potentiale messen

Messplatz
Messplatz mit Messfrontend der PC-Software, NTI XL2, B&K-Preamp 2610 und Messrechner mit einer M-Noise-Messung auf dem Schirm (Bild: Anselm Goertz)

Was ist der Maximalpegel eines Lautsprechers? Ein Dauerthema in der Beschallungswelt. Dazu die Frage, wie gemessen wird – und die Werte in manchen Datenblättern zustande kommen. Als Vorschlag für eine praxisnahe Standardisierung gibt nun Meyer Sound seine „M-Noise“ genannte Empfehlung. Was ist neu daran, wo liegen Unterschied und Nutzen im Vergleich zu bisherigen Messungen und wie arbeitet man damit?

Unsere umfangreiche M-Noise Praxiserfahrung und Einschätzung/Vergleich mit den bisherigen Messmethoden findet sich in der Ausgabe 3/2019 von Production Partner, hier als günstige Digital- oder Print-Ausgabe zu bestellen.

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PDF-Download: Production Partner 3/2019

Special: Besuchersicherheit+++QSC-Test: Kompakt-PA CP8 und KS112+++Rock the Ballett X Jubiläumstour+++Messverfahren: Meyer Sound M-Noise

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Zusammengefasst die zehn wichtigsten Fragen zu M-Noise, um sich auf einen Besuch bei Meyer Sound auf der Prolight+Sound 2019 (Portalhaus Ebene Via, Raum Frequenz 1) vorzubereiten:

10 Fragen zu Meyer Sound M-Noise

  1. Kann man bestehende Messungen einfach in M-Noise umrechnen?
    Nein. Bestehende Messungen sind nach den verschiedensten Standards gemacht und ohnehin bereits kaum vergleichbar. Grundvoraussetzung für die Vergleichbarkeit ist das verwendete Messsignal. M-Noise verwendet ein Test- signal mit einer spektralen Zusammensetzung und einem frequenzabhängigen Crestfaktor, wie es bislang noch nicht genutzt wurde.
  2. Liegen Werte nach M-Noise grundsätzlich eher höher oder niedriger als bisherige Messmethoden?
    Die SPL-Peak-Werte fallen je nach Leistungsfähigkeit der Mittel-/Hochtoneinheit und dessen Verstärker um bis zu 6 dB höher aus. Die mit M-Noise ermittelten Mittelungspe- gel liegen auf vergleichbarem Niveau mit den Messungen, die ein EIA-426B-Noise oder ein Multitonsignal verwenden.
  3. Hilft M-Noise, Powercompression besser aufzudecken?
    Indirekt ja. Eine frühzeitige hohe Powercompression bei den Mittelungspegeln führt nach der M-Noise-Methode entsprechend auch zu geringeren Peak-SPL-Werten.
  4. Macht M-Noise auch bei Verstärkermessungen Sinn?
    Eher nicht. Bei Verstärkern gibt es schon verschiedenste Standards, um Dauer- und Peakleistung und auch die Leistung für Signale mit unterschiedlichen Crestfaktoren zu bestimmen. Siehe unsere Verstärkertests!
  5. In welchen Anwendungen liefert M-Noise praxisnähere Werte?
    Bei hoch dynamischer und perkussiver Musik.
  6. In welchen Fällen scheitert auch M-Noise, das Performance-Potential auf einen einzigen Wert verdichtet abzubilden?
    M-Noise kann – wie alle anderen Messmethoden auch, immer nur einen irgendwie gemittelten Belastungszustand nachstellen: Der Messwert ist vor allem ein Vergleichswert für verschiedene Lautsprecher unter reproduzierbaren Bedingungen. In der Praxis können diese Bedingungen (Klassik, Rock, Techno, Sprache, Kino …) jedoch sehr unterschiedlich und ganz anders aussehen.
  7. Was ist aussagekräftiger als eine Angabe nach M-Noise-Methodik?
    Das hängt stark davon ab, was man wissen möchte: Auch eine Aussage zu den Verzerrungen? Dann ist die Multitonmessung EIA-426B aussagekräftiger. Möchte man einzelne Schwachstellen eines Lautsprechers erkennen? Dann ist die Sinusburstmessung besser geeignet. Geht es um Sprachwiedergabe? Dann sollte man ein Sprachspektrum verwenden usw.
  8. Welche Hersteller veröffentlichen bereits Daten nach dieser Messung?
    Meyer Sound ist in dieser noch frühen Phase des Vorschlags dazu sowohl mit anderen Beschallungsherstellern und Vertrieben im Gespräch, als auch mit Anbietern von Messgeräten.
  9. Wird Production Partner künftig auch per M-Noise ermittelte Werte angeben?
    Wir werden das weiter verfolgen und zunächst für uns noch mehr messtechnische Erfahrungen sammeln. Danach wird entschieden, ob eine M-Noise-Messung weitere relevante Informationen liefert, die über das hinausgehen, was mit einer Sinusburstmessung und der Multitonmessung möglich ist.
  10. Ist das nur ein Hersteller-„Trick“, höhere Datenblattangaben zu erhalten?
    Nein. Es geht vor allem darum, die mögliche Dynamik, die ein Lautsprecher wiedergeben kann, als Wert besser darzustellen.

 

Der maximal erreichbare Pegel – eine Angabe dazu findet sich im Prospekt oder Datenblatt der meisten Lautsprecher. Wie dieser Wert aber ermittelt wurde, dazu fehlen meist konkrete Hinweis. Und das ist kein kleines Problem: Zwischen einem fürs Datenblatt vom Entwickler rechnerisch ermittelten Peakwert und dem dann tatsächlich messtechnisch breitbandig bestimmten Mittelungspegel können durchaus 10 bis 20 dB Differenz liegen! Da fragt man sich als Anwender oder Planer: Wie kann das sein? Und wie kommt man auf verlässliche Werte? Klären wir dazu zunächst einige Begriffe und Werte-Definitionen.
Was bedeutet der Maximalpegel?

Auf der akustischen Seite gibt es den Schalldruck, der meist als energieäquivalenter Dauerschallpegel Lep (kurz Mittelungspegel) über einen definierten Zeitraum angegeben wird. Und es gibt (neben noch vielen anderen Werten) den Spitzenpegel Lpk. Betrachtet man z. B. ein nicht komprimiertes rosa Rauschen, dann sind die Spitzenwerte in diesem Signal ungefähr um den Faktor vier größer als der Mittelungspegel. Dieses Verhältnis nennt man auch Crestfaktor. Gleiches gilt für die elektrische Seite. Hier sind es der Effektivwert und der Spitzenwert der Spannung, die das Signal statistisch beschreiben. Für ein Sinussignal als Beispiel beträgt der Spitzenwert das 1,414-fache (3 dB) des Effektivwertes. Bei vielen akustischen Messungen des Maximalpegels von Lautsprecheranlagen wird der Mittelungspegel Leq zur Bewertung verwendet. Berechnet wird er anhand der Formel:

Mittelungspegel Leq
p0 = 20 μPa als Bezugsschalldruck für 0 dB
T = t2 –t1 als Dauer des Zeitintervalls

Typische Messwerte zum Immissionsschutz oder zum Schutz des Publikums bei Konzerten sind als Mittelungspegel für einen bestimmten Zeitraum definiert. So gibt die DIN 15905-5 „Maßnahmen zum Vermeiden einer Gehörgefährdung des Publikums durch hohe Schallemissionen elektroakustischer Beschallungstechnik“ als Grenzwert einen Mittelungspegel über 30 Minuten von 99 dBA vor. Als zweiter Grenzwert wird ein Spitzenwert LCpeak von 135 dB vorgegeben, der nicht zu überschreiten ist.

Ein anderes gutes Beispiel ist der erreichbare Alarmierungspegel für eine Sprachalarmanlage nach VDE 0833-4. Mit einem Sprachersatzrauschen (wie dem STIPA-Signal) als Testsignal wird der Mittelungspegel über einen Zeitraum von mindestens 16 s bestimmt.

Die IEC 60268-21 definiert Mittelungspegel zur Messung des Maximalpegels von Lautsprechern mit einer Zeitspanne von 1 s als „Short Term Max. SPL“oder von einer Minute als „Long Term max. SPL“. Für die betrachteten Zeiträume lässt sich neben dem Mittelungspegel auch noch der Spitzenwert Lpeak bestimmen.
Als Messwert für den Maximalpegel geht dieser jedoch mit einer höheren Unsicherheit einher, da abhängig vom Frequenzgang schnell einige dB Abweichungen auftreten können. Relevant wird dieser Wert jedoch, wenn es um die möglichst unverzerrte Übertragung hoch dynamischer Musiksignale geht.

Signalspektrum und Crestfaktor

Wichtige Eckwerte für ein Testsignal sind dessen spektrale Zusammensetzung und der Crestfaktor. Das wohl bekannteste Signal für den Test von Audiogeräten ist das Pinknoise mit einer konstanten Energieverteilung über alle Frequenzbänder: Aufsummiert über ein Terz- oder Oktavband ist der Pegel unabhängig von der Frequenz immer gleich. Der Crestfaktor beträgt ca. 4, entsprechend 12 dB. Das Frequenzspektrum eines Pinknoise kann mit Hilfe entsprechender Hoch- und Tiefpassfilter, z. B. zur Messung von Tief- oder Hochtönern eingeschränkt werden. Alternativ kann auch ein typisches Programmsignal-Spektrum, wie es in der IEC 60268-1, CEA 2034 oder EIA-426B vorgeschlagen wird, nachgebildet werden. Geht es um eine Sprachübertragung, dann würde man ein mittleres Sprachspektrum nach IEC 60268-16 nachbilden.

Der Crestfaktor kann ebenfalls beeinflusst werden, indem das Signal geclipt wird. Die Spitzenwerte werden dabei soweit abgeschnitten, bis ein gewünschter Crestfaktor erreicht wird. Typisch ist hier ein Wert von 2 bzw. 6dB. Der Aufbau eines solchen Testgenerators gestaltet sich auch mit analoger Technik recht einfach: Neben dem Rauschgenerator benötigt man lediglich noch das Filternetzwerk für den gewünschten Frequenzgang und eine einfache Diodenschaltung für das Clipping des Signals gefolgt von einem einstellbaren Aufholverstärker.

Mit diesen Signalen lassen sich die Pegelwerte bestimmen und auch eine mögliche Zerstörungsgrenze des Lautsprechers ermitteln. Eine Aussage über die eigentliche Audioqualität oder über Verzerrungsanteile im Signal ist damit direkt jedoch nicht möglich! Hierzu später mehr.

Idee: realitätsnäheres Testsignal

Bei Meyer Sound hat man nun unter diesen beiden Aspekten Signalspektrum und Crestfaktor Musiksignale untersucht. Neben der spektralen Zusammensetzung wurde auch der Crestfaktor bestimmt. Der Crestfaktor wurde allerdings nicht nur breitbandig, wie sonst üblich, sondern auch in Abhängigkeit vom Frequenzband untersucht. Dabei kam heraus, dass der Crestfaktor in den höheren Frequenzbändern ansteigt (was speziell bei perkussiver Musik wenig überraschend ist). Als naheliegende Konsequenz daraus hat man bei Meyer Sound nun ein Rauschsignal synthetisiert, das ein vergleichbares Verhalten zu den analysierten Musiksignalen zeigt. Das Ergebnis ist das M-Noise.

Terzbandpegel
Terzbandpegel eines Pink Noise (rosa), eines Multitonsignals mit EIA-426B-Spektrum (grün) und M-Noise (blau, Abb. 1)

Abb. 1 zeigt dazu zunächst die spektrale Zusammensetzung des M-Noise im Vergleich zum Pinknoise und EIA-426B-Spektrum. Zwei Dinge fallen hier auf: M-Noise enthält oberhalb von 8 kHz wesentlich mehr Signalanteile im Vergleich zum EIA-426B-Spektrum. Der Grund dafür könnte die Anhebung des Crestfaktors für die höheren Frequenzbänder sein. Noch gravierender sind jedoch die Unterschiede zu den tiefen Frequenzen hin: M-Noise zeigt selbst bei 20 Hz noch keinerlei Pegelabfall. Für normale Musiksignale passt sowas nicht, wie der Vergleich mit dem EIA-426B-Spektrum zeigt. Unterhalb von 40 Hz gibt es bei Musik kaum noch Signalanteile, einmal von speziellen Orgelaufnahmen oder elektronischer Musik à la „Kraftwerk“abgesehen. Da Meyer Sound aber auch im Kinogeschäft stark vertreten ist, liegt der Gedanke nahe, dass man hier den Filmton im Auge hatte. Wer sich bei aktuellen Blockbustern auskennt, weiß was gemeint ist. Für ein echtes Katastrophen-Feeling werden auch 20 Hz gebraucht, und das sogar richtig laut. Auf Rückfrage bestärigt Meyer Sound dies: Die Bandbreite des M-Noise-Testsignals stimme mit dem Standard SMPTE 2095-1 überein, wie im Abschnitt Metadaten-Kommentar der Wave-Datei angegeben. Für mögliche Tests mit M-Noise-Rauschen sollte man sich daher im Vorfeld schon davon überzeugen, dass der Lautsprecher ein zu seiner Abstimmung passendes Hochpassfilter im Signalweg hat. Für eigene Versuche sind Signal und Dokumentation übrigens online zugänglich: https://m-noise.org

Crestfaktoren
Crestfaktoren nach Terzbändern eines Pink Noise (rosa), eines Multitonsignals mit EIA-426B-Spektrum (grün) und M-Noise (blau, Abb. 2) (Bild: Anselm Goertz)

Wirklich interessant wird es dann bei der Betrachtung des frequenzabhängigen Crestfaktors in Abb. 2. Während der Wert beim Pinknoise und auch bei einem Multitonsignal mit EIA-426B-Spektrum weitgehend konstant bleibt oder nur leicht zu den Höhen hin ansteigt, geht die Kurve für M-Noise recht steil nach oben. Einige von uns probeweise analysierte Musiksignale zeigen ein ähnliches Verhalten, worin ja auch die Motivation der Meyer-Sound-Techniker bei der M-Noise- Synthese lag. Unsere Kurven weichen ein wenig von denen in Meyer Sounds Unterlagen zu M-Noise ab, was durch unterschiedliche Analysemethoden begründet sein kann. Die grundsätzliche Aussage ist jedoch klar zu erkennen.

Peak- und RMS-Werte
Peak- und RMS-Werte nach Terzbändern für ein Pink Noise (rosa) und M-Noise (blau). Während die Peak-Werte weitgehend vergleichbar und konstant über der Frequenz sind, ist der RMS-Wert beim M-Noise oberhalb von 500 Hz fallend (Abb. 3) (Bild: Anselm Goertz)

Anschaulich werden die Zusammenhänge auch mit der Darstellung in Abb. 3. Hier wird für ein Pinknoise und für das M- Noise der frequenzabhängige Verlauf der RMS-Werte und der Peak-Werte für die Terzbändern von 20 Hz bis 20 kHz dargestellt. Die RMS-Werte zeigen den bekannten Verlauf aus Abb. 1. Die Kurven für die Peak-Werte verlaufen jedoch für beide Signale mehr oder weniger frequenzunabhängig konstant auf einem Niveau. Die Differenz zwischen der Peak- und der RMS-Kurve entspricht dem Crestfaktor.

Messungen mit M-Noise

Wie man bei Meyer Sound zum M-Noise als Testsignal kam, ist nun also geklärt. Wie lässt sich damit nun eine Messung durchführen, die nicht nur auf die Zerstörungsgrenze eines Lautsprechers abzielt, sondern eine Aussage über die Audioqualität zulässt? Die direkte Messung von Verzerrungen ist mit einem Rauschsignal nicht möglich, da Verzerrungskomponenten und Anregungssignal nicht getrennt werden können. 2008 gab es dazu bereits eine Idee von Pat Brown, die zusammen mit AFMG zu einem kleinen zweiseitigen Paper mit dem Titel: „Guide to Loudspeaker Power Testing“führte. Dort wurde vorgeschlagen, mit dem jeweiligen Testsignal eine Frequenzgangmessung im linearen Kleinsignalbereich für den Lautsprecher durchzuführen. Pat Brown schlägt als Testsignal dazu ein „music-like“-Noise vor. Diese Messung wird anschließend als Referenzkurve definiert. Danach folgt die eigentliche Messung, bei der der Pegel schrittweise erhöht wird. Zieht man diese Pegelerhöhung von der jeweiligen Messung wieder ab, dann müsste für einen idea-len Lautsprecher immer wieder exakt die Referenzkurve herauskommen. In der Realität beginnt die Kurve jedoch mit zunehmendem Pegel von der Referenz abzuweichen: Die frequenzabhängige Powercompression oder auch mögliche Schutzschaltungen oder Limiter im Lautsprecher lassen die Kurve von der Referenz mehr oder weniger stark abweichen. Jetzt gilt es nur noch ein Kriterium festzulegen, welche Abweichungen maximal zulässig sind. Pat Brown schlug seinerzeit 3 dB als maximalen Pegelverlust für den Mittelungspegel vor. Bei Meyer Sound sind es heute 2 dB. Für die Frequenzauflösung definierte Pat Brown Terzbänder. Für die M-Noise Auswertung gibt es dazu leider keine konkrete Angabe. Aus den Beispielmessungen lässt sich doch auf eine höhere Auflösung in der Größenordnung 1/24 Oktave schließen. Wie genau man es jetzt bei der Auswertung nehmen muss und ob ein winziger Zipfel, der den Grenzwert von −2 dB unterschreitet, schon als Limit gesehen wird, oder ob die Betrachtung eher über einen weiteren Frequenzbereich erfolgt, bleibt offen.

Messung mit M-Noise
Messung mit M-Noise mit 93 dB (blau) Mittelungspegel (Leq). Die rote Kurve wurde anschließend mit einem 3 dB höheren Pegel ge- messen. Verschiebt man die zweite Messung danach wieder um 3 dB nach unten (grün), dann sind die blaue und die grüne Kurven deckungsgleich. Der Lautsprecher arbeitet somit noch weitgehend im linearen Übertragungsbereich (Abb. 5) (Bild: Anselm Goertz)

 

Frequenzgänge eines Testlautsprechers
Frequenzgänge eines Testlautsprechers Normale Freifeldmessung ungeglättet (rot) und die daraus abgeleitete in Terzbändern gemittelte Freifeldmessung (orange). Oben in hellblau das Frequenzspektrum des M-Noise-Signals in Terzbändern. In grün das M-Noise-Spektrum nach der Übertragung über den Testlautsprecher (Abb. 4) (Bild: Anselm Goertz)

Das Vorgehen bis zur Referenzmessung zeigen die Abbildungen 4 und 5. In Abb. 4 sieht man zunächst das M-Noise-Spektrum (blau) und den noch ungeglätteten Freifeldfrequenzgang (rot) des Testlautsprechers. Stellt man diesen in Terzbändern dar, dann ergibt sich daraus die gestufte orange Kurve. Das M-Noise-Spektrum wird bei der Übertragung über den Lautsprecher entsprechend verändert. Der Frequenzgang des Lautsprechers ist dabei jedoch nicht das Thema, so dass dieser Aspekt außen vor bleibt. Im nächsten Schritt gilt es zu prüfen, ob sich der Lautsprecher im gesamten relevanten Frequenzbereich im linearen Arbeitsbereich befindet. Das kann leicht entsprechend der M-Noise-Anleitung geprüft werden, indem man den Pegel um 3 dB erhöht und die gemessene Kurve anschließend wieder um diese 3 dB absenkt. Diesen Vorgang zeigt Abb. 5. Die Kurve muss deckungsgleich mit der ersten Messung (dem noch um 3 dB geringeren Pegel) sein. Ist das erfüllt, dann ist sichergestellt, dass sich der Lautsprecher im linearen Arbeitsbereich befindet.

M-Noise Messungen
M-Noise Messungen jetzt mit höheren Pegeln im Vergleich zur 96-dB-Messung (rote Kurve) aus Abb. 5. Für die blaue Kurve wurde der Pegel um 6 dB erhöht, für die grüne um 12 dB und für die magentafarbene Kurve um 15 dB. Verschiebt man die so gemessenen Kurven anschließend wieder um den jeweiligen Wert der Pegelsteigerung nach unten, dann wird die Powercompression sichtbar. Bei +15 dB sind die Abweichungen durch die Powercompression in einigen Terzbändern bereits größer als 2 dB (Abb. 6) (Bild: Anselm Goertz)

 

Relative Darstellung
Relative Darstellung der Messungen aus Abb. 6 in Terzbändern. DieKurven zeigen die Abweichung gegenüber dem rechnerischen Verlauf aus der 96-dB-Kurve mit Pegelerhöhungen um 6 dB (blau), 12 dB (grün) und 15 dB (magenta, Abb. 7) (Bild: Anselm Goertz)

 

Relative Darstellung
Relative Darstellung der Messungen aus Abb. 6, nun in 1/24 Oktavbändern (Abb. 8) (Bild: Anselm Goertz)

Powercompression

Im nächsten Schritt wird jetzt der Pegel schrittweise immer weiter erhöht und die gemessene Kurve immer wieder um den entsprechenden Wert abgesenkt. Unser hier verwendetes Messsystem beherrscht diese Funktion automatisch und führt bei Bedarf auch direkt einen Vergleich mit der Referenz- bzw. Toleranzkurve durch. Beginnend mit der ersten Messung bei 96 dB Mittelungspegel wurde für Abb. 6 der Pegel zunächst um 6 dB und dann um 12 dB gegenüber der 96-dB-Messung erhöht. Für eine dritte Messung wurden weitere 3 dB zugegeben. Rein rechnerisch betrachtet sollten die Pegelwerte dann 102 dB, 108 dB und 111 dB betragen. Gemessen wurden jedoch nur 101,8 dB, 107,1 dB und 109,1 dB. Bei der letzten Messung gab es also breitbandig einen Verlust durch Powercompression von 1,9 dB. Die ersten Terzbänder erreichten auch schon den Grenzwert von mehr als 2 dB Abweichung von der Referenzkurve, womit nach der M- Noise-Messvorschrift das Limit erreicht wurde. Die letzte Messung mit 109,1 dB Leq Mittelungspegel erreichte dabei einen Spitzenwert Lpk von 124,7 dB

Input [dB] SPL [dB] SPL Leq[dB] SPL Lpk[dB]
0 96 (Ref) 96 112
+6 102 (Calc.) 101,8 117,8
+12 108 (Calc.) 107,1 123,3
+15 111 (Calc.) 109,1 124,7

Berechnete und gemessenen Pegelwerte mit M-Noise für Pegelerhöhungen von 6, 12 und 15 dB gegenüber dem Referenzwert von 96 dB. (Tab. 1)

Etwas übersichtlicher werden die Kurven aus Abb. 6, wenn man diese nur noch relativ als Abweichung von der Referenzmessung darstellt. In Abb. 7 sind mit dieser Art der Darstellung die mit zunehmendem Pegel immer größer werdenden Abweichungen gut zu erkennen. Der hier gemessene kleine Musterlautsprecher schwächelt ganz offensichtlich unterhalb von 100 Hz und auch im 800-Hz-Terzband.

Möchte man es noch genauer wissen, dann stellt man für die Messung nicht die mit 1/3 Oktave geglättete Darstellung ein, sondern 1/24 Oktave, woraus sich dann die hoch aufgelösten Kurven aus Abb. 8 ergeben. Sobald das M-Noise-Messsignal ausgewählt und die Einstellungen im Messprogramm vorgenommen sind, kommt man mit dieser Art des Auswertung sehr schnell zu einem aussagekräftigen Ergebnis für den erreichbaren Spitzenpegel und Mittelungspegel. Ein gewisser Vorteil dieser Messmethode liegt auch darin, dass man sie ansatzweise auch in einer nicht reflexionsfreien Umgebung durchführen kann. Die Werte sind dann jedoch nicht mehr exakt mit denen anderer Lautsprecher oder Messungen aus anderen Räumen zu vergleichen, da der Diffusfeldanteil aus dem Raum den Wert des erreichbaren Maximalpegels beeinflusst.

Würde man diese Messung mit einem Pinknoise oder einem wie auch immer gefilterten Pinknoise mit frequenzkonstantem Crestfaktor durchführen, dann wären die Ergebnisse für die erreichbaren Mittelungspegel vergleichbar. Die erzielten Spitzenpegel fallen jedoch mit M-Noise gemessen höher aus, vorausgesetzt die Hochtöner im betreffenden Lautsprecher und auch der zugehörige Verstärker sind in der Lage, den hohen Crestfaktor in den oberen Frequenzbändern ohne Verluste zu übertragen.

Nehmen wir dazu einmal an, der Hochtöner hat eine thermische Dauerbelastbarkeit von 25 W an 8 Ω entsprechend 14,1 Vrms, dann würde ein Signal mit 12 dB Crestfaktor eine maximale Spannung von 56,6 Vpk erfordern und ein Signal mit 18 dB Crestfaktor von 113,1 Vpk. Letzteres spricht speziell beim Hochtöner für Verstärker, die eine hohe Spannung und kurzzeitig auch hohe Ströme liefern können. Bei aktiven Lautsprechern gestaltet sich das recht einfach, indem man zwei kräftige Endstufen für hohe Ausgangsspannungen aus einem gemeinsamen Netzteil speist. Dabei genügt es, das Netzteil bei der mittleren Leistungsabgabe passend für den Tieftonzweig auszulegen. Der Hochtonzweig mit einer vergleichsweise geringen mittleren Leistungsaufnahme belastet das Netzteil nur unwesentlich. Trotzdem kann dann die Endstufe für den Hochtöner bei kurzen Signalspitzen die notwendige Spannung und den zugehörigen Strom liefern.
Sind technisch alle Voraussetzung erfüllt, dann werden bei einer Messung mit einem M-Noise-Signal Spitzenpegel gemessen, die bis zu 6 dB über den mit einem Pinknoise zu messenden Werten liegen. Die 6 dB entsprechen im Mittel dem höheren Crestfaktor des M-Noise-Signals in den oberen Frequenzbändern. Meyer Sound Chief Loudspeaker Designer Pablo Espinosa bemerkt dazu, dass genau das auch seiner Erfahrung entspricht: Nämlich mit echten Musiksignalen einen bis zu 6 dB höheren Spitzenpegel im Vergleich zu einer Messung mit Pinknoise zu erreichen. Eine Mes-sung mit M-Noise könnte also die Leistungsfähigkeit in punkto Spitzenpegel bei Lautsprechern mit entsprechend kräftigen Verstärkern und Hochtönern messtechnisch besser darstellen. Darin liegt auch der Unterscheid zur anfangs angesprochenen Messmethode von Pat Brown, wo nicht die akustischen Spitzenpegel im Fokus der Messungen stehen, sondern die Bestimmung der maximalen Eingangsspannung, bis zu der eine Powercompression von höchstens 3 dB auftritt. Der so ermittelte Spannungswert kann dann als maximale Eingangsspannung in einer EASE-GLL-Simulationsdatei verwendet werden.

Verzerrungen

Stochastische Rauschsignale sind generell ungeeignet, um Signalprobleme in Form harmonischer Verzerrungen (THD) oder Intermodulationsverzerrungen (IMD) zu bestimmen. Möchte man dazu eine Aussage machen, dann können für eine THD-Messungen Sinusburst eingesetzt werden oder – möchte man THD und IMD zusammen erfassen – auch Multitonsignale. Die Basis des Multitonsignals besteht im hier gezeigten Beispiel aus 60 Sinussignalen mit Zufallsphase, deren spektrale Gewichtung beliebig eingestellt werden kann (die Zahl 60 ist dabei nicht zwingend festgelegt). Für die nachfolgenden Messungen in Abb. 9 und 10 wurde die Gewichtung eines mittleren Musiksignals nach EIA-426B (grüne Kurve) gewählt. Der Crestfaktor des so synthetisierten Messsignals liegt bei 4 (entsprechend 12 dB) und ist wie in Abb. 2 dargestellt weitgehend unabhängig von der Frequenz. Für den aus dieser Art der Messung abgeleiteten Verzerrungswert werden alle Spektrallinien aufaddiert, die nicht im Anregungssignal vorhanden sind, die also als harmonische Verzerrungen oder als Intermodulationsverzerrungen hinzugekommen sind.

Wichtig ist es dabei zu beachten, die Frequenzen des Anregungssignals so zu generieren, dass sie nicht mit den harmonischen Verzerrungsanteilen zusammenfallen, da sie sonst nicht mehr ausgewertet werden könnten. Auch bei dieser Art der Messung wird der Pegel so lange erhöht, bis der Anteil der Gesamtverzerrungen (TD = Total Distortions) einen bestimmten Grenzwert – z. B. von 10% – erreicht.

Multitonmessung mit 96 dB Leq und 108 dB Lpk, der Verzerrungsanteil beträgt −33 dB (=2,2%, Abb. 9) (Bild: Anselm Goertz)

 

Multitonmessung mit 110 dB Leq
Multitonmessung mit 110 dB Leq und 122 dB Lpk, der Verzerrungsanteil beträgt −20 dB (=10%, Abb. 10) (Bild: Anselm Goertz)

Die Multitonmessung aus Abb. 9 erfolgte mit dem Musterlautsprecher aus den vorherigen Messungen für einen Mittelungspegel von 96 dB. Die dabei gemessenen Verzerrungen lagen bei −33 dB (2,2%) und der gemessenen Spitzenpegel bei 108 dB. Die zweite Messung aus Abb. 10 wurde bei einem Mittelungspegel von 109,7 dB durchgeführt. Der Spitzenpegel lag jetzt bei 122,4 dB und der Anteil der Gesamtverzerrungen bei −20 dB entsprechend 10%. Die 800-Hz- Schwäche der Box zeigt sich auch hier deutlich. Die primär aus harmonischen k2– und k3-Anteilen bestehenden Verzerrungen bei tiefen Frequenzen verbergen sich ein wenig im lokalen Maximum der blauen Verzerrungsanteile zwischen 100 und 300 Hz. Diese wären mit einer Sinusburstmessung noch besser zu erkennen, werden aber hier trotzdem korrekt erfasst. Die Multitonmessung bestätigt an dieser Stelle die M-Noise-Messung, oder auch umgekehrt: Beide Messungen liefern einen Maximalpegel als Leq von 109 dB und zeigen anhand ihrer Grenzwerte mit 10% TD bei der Multitonmethode oder mit maximal 2 dB Compression für das M-Noise auf, wo der Lautsprecher seine Grenzen hat. Die dabei gemessenen Spitzenpegel liegen bei 124,7 dB (M-Noise) bzw. 122,4 dB (Multiton). Der Unterschied fällt bei diesem Messobjekt geringer aus als erwartet, da der 6-dB-Gewinn im Spitzenpegel durch den höheren Crestfaktor des M-Noise nur dann zum Zuge kommt, wenn der Lautsprecher diese auch umsetzen kann, was hier jedoch nicht der Fall war.

Fazit: M-Noise stellt Lautsprecherunterschiede bei der Wiedergabe hochdynamischer Musik besser dar

Mit M-Noise stellt Meyer Sound ein neues Testsignal für die Messung von Maximalpegeln bei Lautsprechern vor. Durch den für die höheren Frequenzbänder ansteigenden Crestfaktor kommt M-Noise einem realen Musiksignal näher als ein aus einem Pinknoise abgeleitetes Testsignal oder ein Multitonsignal. Die Frequenzgewichtung geht in die Richtung der bekannten mittleren spektralen Verteilung für Musiksignale. Ungewöhnlich ist jedoch, dass es bis 20 Hz hinab keinen Pegelabfall gibt.

Ausgewertet wird bei der M-Noise-Messung die frequenzselektive Powercompression im Vergleich zu einer Messung aus dem linearen Arbeitsbereich des Lautsprechers. Mit einem Grenzwert für die Powercompression von 2 dB gelingt es in angemessener Weise, die Möglichkeiten eines Lautsprechers auszuloten. Aus der Messung kann der maximale Schalldruckpegel als Peak-Wert und auch als Mittelungspegel direkt abgeleitet werden. Je nach Fähigkeiten des Lautsprechers und der zugehörigen Verstärker dokumentiert M-Noise bis zu 6 dB höhere Spitzenwerte im Vergleich zur Messung mit einem Pinknoise- oder Multiton-Signal.

Diese Art der Messung soll so die Unterschiede zwischen verschiedenen Lautsprechermodellen bei der Wiedergabe hochdynamischen Musikmaterials besser herausstellen. Optimaler Weise führt man die M-Noise-Messung in einer reflexionsarmen Umgebung aus. Diese ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Eine Messung in normalen Räumen ist ebenfalls möglich. Die Werte sind dann jedoch nicht mehr exakt mit denen anderer Lautsprecher oder Messungen aus anderen Räumen zu vergleichen. Unsere Messungen wurden mit dem Messsystem Monkey-Forest durchgeführt, in das sich die Messung und Auswertung der frequenzselektiven Powercompression mit M-Noise in wenigen Handgriffen implementieren ließ.

Merlijn van Veen
Doppelte Messtechnik: Merlijn van Veen unterstützte uns parallel mit einer M-Noise-Messung (Bild: Detlef Hoepfner)

Meyer Sound LINA: Vergleichsmessungen mit M-Noise

Als naheliegende Konsequenz aus dieser Erkenntnis synthetisierte man also ein neues Rauschsignal, das ein vergleichbares Verhalten zu den analysierten Musiksignalen zeigt. Das Ergebnis ist das M-Noise (das „M“ steht also nicht für „Meyer“, sondern für „Music“). Die M-Noise-Messung sieht nun so aus, dass mit dem M-Noise-Signal zunächst ein Referenzfrequenzgang im linearen Arbeitsbereich des Lautsprechers gemessen wird. Ob man sich im linearen Arbeitsbereich befindet, lässt sich leicht dadurch prüfen, dass man den Pegel um einige dB erhöht, wobei sich der Frequenzgang nicht verändern darf. Während unseres Tests der Meyer Sound LINA in Production Partner 6/2019 führte Merlijn van Veen in unserem Labor parallel eine M-Noise-Messung mit Hilfe des SIM-3-Systems aus, in dem der gesamte Messvorgang als Funktion integriert ist.

Es wurden zwei Messmikrofone eingesetzt. Eines an der eigentlichen Messposition ca. 4 m entfernt vom Lautsprecher, und eines relativ nahe am Lautsprecher. Das zweite Mikrofon diente dabei ausschließlich zur Prüfung der Signalkohärenz zwischen dem Messsignal und dem vom Lautsprecher abgestrahlten Signal. Die Kohärenz zweier Signale beschreibt deren lineare Abhängigkeit bzw. Ähnlichkeit und ist ein gutes Maß für mögliche nichtlineare Verzerrungen. Um die Kohärenz möglichst frei von möglichen Störungen durch den Raum oder das Umfeld zu bestimmen, wird ein zweites Mikrofon nahe zum Lautsprecher eingesetzt. Für die hier durchgeführte Messung unter Laborbedingungen im reflexionsarmen Raum wäre das zweite Mikrofon zwar nicht unbedingt erforderlich gewesen, aber es soll ja das prinzipielle Vorgehen gezeigt werden.

M-Noise-Messung mit dem Meyer Sound SIM3
M-Noise-Messung mit dem Meyer Sound SIM3, in der oberen Hälfte die Frequenzgang- und Kohärenz-Messung, unten die zugehörigen Phasengänge (Abb. 19) (Bild: Merlijn van Veen)

Die SIM3-Messung aus Abb. 19 zeigt in der oberen Hälfte die Frequenzgänge und in der unteren Hälfte die Phasengänge. Die grüne Kurve ist der Referenzfrequenzgang, die blaue Kurve deren um 2 dB nach unten verschobener Verlauf. Die eigentliche Messung sieht nun so aus, dass der Pegel immer weiter erhöht wird, bis die aktuelle Messung (rote Kurve) in einem Frequenzbereich von zwei oder mehr Oktaven Umfang um maximal 2 dB von der Referenz abweicht. Die Abweichungen entstehen durch Powercompression, Limitereinsatz und ähnliches. Um bei den Messungen auch die Verzerrungen im Auge zu behalten, wird gleichzeitig auch die Signalkohärenz überwacht, die nicht unter 91% auf der SIM-Skala fallen sollte. Bei weniger als 91% Kohärenz ist von starken Signalverzerrungen auszugehen.

M-Noise-Messung einer einzelnen LINA
M-Noise-Messung einer einzelnen LINA in der Array-Einstellung ohne HF-Kompensation. Die blaue Kurve zeigt das Spektrum des M-Noise, die grüne Kurve den Frequenzgang der LINA und die rote Kurve das Spektrum des gemessenen Signals. Das zur Messung eingesetzte SIM3 zeigte maximal 2 dB Powercompression und nur geringe Abweichungen in der Signalkohärenz. Der so bestimmte Mittlungspegel Leq betrug 114 dB und der Spitzenpegel Lpk 132 dB. Beide Werte bezogen auf 1 m Entfernung im Freifeld (Abb. 20) (Bild: Anselm Goertz)
M-Noise-Messung einer einzelnen LINA
M-Noise-Messung einer einzelnen LINA in der Einstellung für eine einzelne Box mit HF-Kompensation. Der gemessene Mittlungspegel Leq betrug jetzt 112 dB und der Spitzenpegel Lpk 128 dB (Abb. 21) (Bild: Anselm Goertz)

Die M-Noise-Messung wurde mit einer LINA mit und ohne Hochtonkompensation für eine einzelne Box durchgeführt. Parallel zum SIM zeichnete unser MF-Labormesssystem die Pegel auf. Beim Erreichen des 2-dB-Limits mit der roten Kurve aus Abb. 19 lag der gemessene Schalldruckpegel bei 132 dB Peak und 114 dB Mittlungspegel Leq. Nimmt man den HF-EQ für eine einzelne Box mit in den Signalweg, dann sinken die Pegelwerte auf 128 dB Peak und 112 dB Leq. Der Zusammenhang leuchtet schnell ein, da ohne EQ eine einzelne LINA eine kräftige Höhenanhebung verursacht, wo der kräftigere Hochtöner seine Pegelreserven voll ausspielen kann und den Pegel in die Höhe treibt. Mit EQ fällt dieser HF-Zuschlag weg und der Pegel entsprechend geringer aus. Die ohne EQ gemessenen 132 dB Peak stimmen exakt mit der Angabe aus dem Datenblatt der Meyer Sound LINA überein.

Produkt: DJ Monitor Föön HPH3871
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  1. Meyer Sound LINA: Vergleichsmessungen mit M-Noise | Production Partner

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