Die Newsletter aus dem Jahr 2005 enthielten eine Reihe von Artikeln zu den Belastbarkeitsangaben von Lautsprechern und den Methoden zu deren Bestimmung. Es gab zahlreiche Anfragen zu den Details der verschiedenen Methoden. Beschreibungen der Standardmethoden sind in den jeweiligen Standarddokumenten enthalten. Eine detaillierte Ausarbeitung erfordert eine Interpretation, daher werde ich sie hier nicht versuchen. Die Last liegt beim Untersucher, eine Kopie des Standards zu beschaffen, ihn zu interpretieren und einen Test zu konstruieren, der dem Standard entspricht. Was ich hier präsentieren kann, sind die Details, wie ich einen “Plausibilitätstest” für die Leistungsfähigkeit eines Lautsprechers durchführe. Ich werde alle notwendigen Details, einschließlich des Geräteaufbaus, einbeziehen. Es sei darauf hingewiesen, dass mit Ausnahme der SmaartLive™ Echtzeit-Übertragungsfunktion keines der Geräte wirklich einzigartig ist – Sie können ein ähnliches Gerät ohne signifikante Auswirkungen auf das Testergebnis ersetzen.
Eine Fortsetzung
Der folgende Artikel in diesem Newsletter, DSP Comparison Part 3, beschreibt eine Methode zur Bestimmung der Spannungsempfindlichkeit eines Lautsprechers für ein Eingangssignal von 2,83 Veff. Dieser Artikel ist eine logische Ergänzung dazu, und beide zusammen bieten eine umfassendere Diskussion des Themas. Die Verwendung von 2,83 Veff entspricht der traditionellen Praxis, die Lautsprecherempfindlichkeit auf ein Watt zu beziehen (oder zumindest auf etwas, das mit einem Watt zusammenhängt). Es sollte beachtet werden, dass fast jede Spannung als geeignete Referenz dienen könnte. Ein Volt ist besonders sinnvoll, da es mit wenig Aufwand leicht skaliert werden kann und als Pegel von 0 dBV ausgedrückt werden kann. Wenn Sie beispielsweise eine neue kaffeemaschine 2 tassen media markt suchen, sind die Leistungsparameter dort klar definiert, anders als oft bei Lautsprechern.
Man sollte jedoch nicht zu schnell von der Tradition abweichen, daher wird in diesem Artikel eine Spannung von 2,83 Veff (+9 dBV) verwendet. Diese angelegte RMS-Spannung erzeugt einen Schalldruckpegel nahe der Grenzen der menschlichen Belastbarkeit in einem Meter Entfernung (80-110 dB SPL) von den meisten für Beschallungsanwendungen entwickelten Lautsprechern.
Es wird laut…
Sobald die Empfindlichkeit bekannt ist, stellt sich die nächste logische Frage: „Wie weit kann ich die Lautstärke aufdrehen, bevor sie kaputtgeht?“ Der in diesem Artikel beschriebene Test ist eine Möglichkeit, eine Antwort zu finden. Er ist nicht dazu gedacht, Leistungstests gemäß einem anerkannten Standard zu ersetzen. Die Standardtests sollten vom Lautsprecherhersteller durchgeführt und die Ergebnisse auf dem Datenblatt des Lautsprechers präsentiert werden. Dies ist eher ein „Plausibilitätstest“ – eine relativ schnelle und einfache Möglichkeit, die Ergebnisse standardisierter Tests zu validieren und sicherzustellen, dass die Leistungsangabe richtig interpretiert wird.
Leistungsangaben sind von Natur aus mehrdeutig und werfen immer einige Fragen auf. Zum Beispiel:
- Wenn ein Lautsprecher eine Leistung von 400 W hat, ist dies eine empfohlene Verstärkergröße, oder sollte ein größerer Verstärker verwendet werden, um eine Spitzenleistung über 400 W Dauerleistung bereitzustellen?
- Sollten 400 W in einem Modellierungsprogramm verwendet werden, um den maximalen SPL zu bestimmen, oder stellt dies die tatsächliche Verstärkergröße dar, sodass die maximale Lautstärke je nach Crest-Faktor der Programmquelle 6-10 dB niedriger wäre?
Die Mehrdeutigkeit bei Leistungsangaben kann zu Konstruktionsfehlern in der Größenordnung von 10 dB oder mehr führen – eine untolerierbare Fehlermarge. Nachdem ich bei mehreren Gelegenheiten Raummodelle gesehen habe, die SPLs von 10 dB oder mehr vorhersagten, als mit dem installierten System tatsächlich erreicht werden konnten, habe ich mich dazu veranlasst gefühlt, Leistungsangaben und SPL-Vorhersagen im Allgemeinen genauer zu prüfen. Selbst bei einem kleinen kaffeevollautomat mini sind Leistungsangaben oft detaillierter als bei professionellen Audiogeräten.
Es wird heiß…
Das Anlegen einer Spannung an einen Lautsprecher bewirkt einen Stromfluss durch diesen. Die elektrische Leistung, die auf den Lautsprecher übertragen wird, ist das Produkt aus Spannung und Strom. Die resistive Komponente der Lautsprecherimpedanz führt dazu, dass ein Großteil der angelegten Leistung in Wärme umgewandelt wird, und ein Lautsprecher kann nur so viel Wärme abführen, bevor er zerstört wird. Dieser Leistungsverbrauch ist bedauerlich, aber eine Realität der physikalischen Welt. Es ist wünschenswert zu wissen, wann die thermischen Grenzen des Lautsprechers erreicht sind. Im Folgenden wird eine einfache, praxisnahe Methode zur Bestimmung der maximalen Veff-Spannung beschrieben, die einen Lautsprecher antreiben kann. Diese Veff-Spannung kann zur Dimensionierung eines Verstärkers in eine Leistungsangabe umgerechnet werden.
Nicht ein Test, sondern zwei
Es muss zwischen thermischen Tests und transienten Tests unterschieden werden. Thermische Tests verwenden die RMS-Spannung (Effektivwert) von rosa Rauschen, das auf ein standardisiertes Spektrum geformt ist. Diese Wellenform wird im nächsten Artikel detaillierter beschrieben. Da RMS die äquivalente Gleichspannung ist, hat sie eigentlich nichts mit der Offenlegung der kurzfristigen, transienten Einschränkungen des Lautsprechers zu tun. Das ist ein separater Test und das ist eine separate Bewertung (siehe „Composite Tone-Burst Test“ von Don Keele Syn-Aud-Con Newsletter Vol. 33 No. 4 für einen solchen Test). Der hier beschriebene Test dreht sich nur um Wärme, daher können wir Begriffe wie „kurzfristig“, „momentan“, „Programm“ und „Burst“ für diese Bewertung außer Acht lassen. Diese Parameter müssen durch eine völlig andere Testmethode bestimmt werden, die eine maximal zulässige Verzerrungszahl verwendet, um festzustellen, wann die Grenzen des Lautsprechers erreicht sind. Solche Parameter haben weniger mit der Leistungsableitung als vielmehr mit den mechanischen Grenzen des Lautsprechers zu tun. Mit anderen Worten, kurzfristige Ereignisse führen im Allgemeinen nicht dazu, dass die Schwingspule durchbrennt, sondern dazu, dass der Lautsprecher auseinanderfällt. Glücklicherweise ist es unwahrscheinlich, dass die transienten Grenzen des Lautsprechers unter normalen Betriebsbedingungen überschritten werden, wenn ein Verstärker ausgewählt wird, der innerhalb der thermischen Grenzen des Lautsprechers bleibt und ausreichend Headroom bietet, um typisches Programmmaterial zu verarbeiten.
Was Sie brauchen…
Ein praxisnaher Leistungstest lässt sich mit den handelsüblichen Werkzeugen der meisten ernsthaften Audio-Profis einfach aufbauen. Dazu gehören:
- Eine geeignete Programmquelle, wie z.B. rosa Rauschen, das gemäß IEC 268-1 geformt und begrenzt ist.
- Ein großer Leistungsverstärker.
- Ein True-RMS-Voltmeter.
- Eine Möglichkeit zur Durchführung einer Echtzeit-Übertragungsfunktion (d.h. SmaartLive™).
- Ein Mikrofon, das sehr hohe SPLs verarbeiten kann.
Die Signalkette ist in Abbildung 1 dargestellt. Das rosa Rauschsignal kann mit einem Wave-Editor erzeugt werden. Beachten Sie, dass es sich um ein stark beschnittenes Signal handelt, das spektral geformt werden muss, um Musik gemäß dem Standard zu emulieren. Verwenden Sie dies nicht als Stimulus für allgemeine Systemkalibrierungsaufgaben!
Mein Testaufbau für den Kurz-Leistungstest.
Der „Bad Sound Guy“ Test-Track
Die Lautstärke der IEC 268-1 Rauschdatei muss während des Tests in regelmäßigen Zeitintervallen erhöht werden. Anstatt mit einer Stoppuhr daneben zu stehen, habe ich die Pegelerhöhungen direkt in den Test-Track eingebaut – eine spezielle Wave-Datei für Leistungstests. Sie emuliert einen „Bad Sound Guy“ – jemanden, der die Lautstärke in regelmäßigen Abständen immer weiter aufdreht, bis die Reaktion des Lautsprechers eine signifikante Änderung zeigt. Eine Zeitbereichsansicht des Test-Tracks ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Rausch-Track wurde so modifiziert, dass der Pegel alle fünf Minuten um 3 dB ansteigt – eine Pegeländerung, die mit einer „Lautstärkeanpassung“ eines Soundsystems für jeden aufeinanderfolgenden Song konsistent ist. Die Gesamtlänge beträgt knapp 1 Stunde, sodass zehn Pegeländerungen mit einem Gesamtbereich von etwa 30 dB auftreten werden. Der absolute Pegel des Signals kann entsprechend dem zu testenden Lautsprecher eingestellt werden. Für handelsübliche PA-Lautsprecher mit mittlerer Richtwirkung stelle ich das Wiedergabesystem normalerweise so ein, dass die Veff-Spannung des 7. Rauschsegments etwa 30 Veff (+30 dBV) beträgt, was einer kontinuierlichen Durchschnittsleistung von etwa 100 Watt in eine ohmsche Last von 8 Ohm entspricht. Sie kann für kleinere oder größere Lautsprecher erhöht oder verringert werden.
Test-Track für den "Bad Sound Guy" Test
Das Verfahren
Dieser Test ist äußerst einfach durchzuführen.
- Beginnen Sie damit, die Wiedergabekette so einzustellen, dass für Intervall 6 des Test-Tracks 30 Veff am Voltmeter angezeigt werden. Wenn der Track von Anfang an abgespielt wird, beträgt das erste Intervall dann etwa 3 Veff (etwa 1 Watt in eine ohmsche Last von 8 Ohm).
- Messen Sie die Übertragungsfunktion in SmaartLive und speichern Sie diese im Speicherregister A. Drücken Sie „m“ auf der Tastatur. Dies versetzt SmaartLive in den „relativen“ Modus. Die Anzeige zeigt nun die Differenz zwischen dem aktuell gemessenen Signal und dem im Register A gespeicherten Signal an, was eine flache Linie auf der Analysatoranzeige ist.
- Lassen Sie den Track einfach laufen. Der Pegel steigt alle 5 Minuten um 3 dB. Da das Referenzsignal und das die Wiedergabekette antreibende Signal identisch sind, tritt keine Änderung der Übertragungsfunktion auf, wenn der Pegel ansteigt.
- Eventuell wird der Lautsprecher nichtlinear, was bedeutet, dass sich seine Reaktion relativ zur anfänglichen, im Register A gespeicherten Reaktion geändert hat. Die in Echtzeit auf dem SmaartLive-Display angezeigte Kurve wird dies zeigen. Es ist keine flache Linie mehr.
Wann ist es vorbei?
Die meisten Standardtestmethoden erfordern, dass der Lautsprecher bis zum Ausfall oder bis zur dauerhaften Änderung der Reaktion betrieben wird. Das von mir verwendete Kriterium für „Ausfall“ ist eine 3-dB-Änderung der Übertragungsfunktion des Lautsprechers gegenüber einer anfänglichen Referenzreaktion bei geringer Leistung (Abbildung 4). Wir wollen hier nichts kaputtmachen, sondern nur eine gute Arbeitsgrenze herausfinden. Die 3-dB-Reaktionsänderung zeigt an, dass ein Schaden unmittelbar bevorsteht, wenn die Spannung erneut erhöht wird. An diesem Punkt sollte das System heruntergeregelt, nicht aufgedreht werden! Wenn Sie sich für hochwertige Elektronik interessieren, vielleicht ist ein krups ea895n evidence one eine Überlegung wert, die präzise funktioniert.
Anatomie eines thermischen Fehlers
Hinweise zu thermischen Tests
Hier sind einige Vorbehalte bezüglich thermischer Tests im Allgemeinen:
- Der Hauptgrund für eine solche Bewertung ist die Unterstützung bei der Bestimmung der SPL-Grenze des Systems und einer geeigneten Verstärkergröße. Es ist keine gute Ingenieurpraxis, ein Gerät, ob Audio oder nicht, nahe seinem Ausfallpunkt zu betreiben.
- Leistungsangaben sind sehr empfindlich gegenüber der spektralen Form des verwendeten Stimulus. Die Ergebnisse werden für rosa Rauschen, geformtes rosa Rauschen, weißes Rauschen, Sinuswellen und Musik unterschiedlich sein. Die Ergebnisse der hier beschriebenen Methode können nicht direkt mit Bewertungen verglichen werden, die aus Tests mit anderen Stimuli stammen.
- Der Leistungsverbrauch in einem Lautsprecher ist parasitär, daher ist eine hohe Bewertung nicht unbedingt eine gute Sache. Es könnte ein Hinweis auf einen ineffizienten Lautsprecher sein.
- Da es sich um eine dB-Beziehung handelt, sind Bewertungen, die innerhalb von 3 dB voneinander liegen, nahezu identisch. Ein Lautsprecher mit 100 W und einer mit 200 W haben also sehr ähnliche Belastbarkeitseigenschaften.
- Da standardisierte Leistungstests ein längeres Zeitintervall (typischerweise 8 oder 100 Stunden) verwenden, sollten die von ihnen erzeugten Bewertungen im Allgemeinen niedriger sein als die durch diesen Test erzeugten.
- Es gibt eine Unklarheit bezüglich der Leistungsangabe, die aus der maximalen Veff-Spannung berechnet wird, aufgrund des in der Berechnung verwendeten Impedanzwerts W = E²/Z, wobei W die Leistung, E die Veff-Spannung und Z die Impedanz ist (der mit Z verbundene Leistungsfaktor wurde für diese allgemeine Diskussion weggelassen). Einige Möglichkeiten umfassen:
Minimale Impedanz – Ergibt die höchste Leistungsangabe, aber nicht die tatsächlich während des Tests verbrauchte Leistung.
Nennimpedanz – Ergibt eine etwas geringere Leistungsangabe, aber nicht die tatsächlich während des Tests verbrauchte Leistung.
Durchschnittliche Impedanz – Ergibt eine deutlich geringere Leistungsangabe, die aber eher der tatsächlich während des Tests verbrauchten Leistung entspricht.
Gewichtete Impedanz – Gewichtet die Impedanzkurve relativ zum Spektrum des angelegten Signals. Dies ist die korrekteste Methode, erfordert aber eine erhebliche Berechnung. Sie erzeugt eine relativ niedrige (aber korrekte) Leistungsangabe, da die Impedanz des Lautsprechers, wie sie vom Verstärker gesehen wird, programmabhängig ist.
Ironischerweise erzeugen die „korrekteren“ Methoden, die die durchschnittliche oder gewichtete Impedanz verwenden, deutlich geringere Leistungsangaben als diejenigen, die die minimale oder nominale Impedanz verwenden. Während dies einerseits als konservativ angesehen werden kann, wird es andererseits die Verwendung eines Verstärkers mit grob unzureichendem Spannungshub nahelegen, um den Teststimulus zu bestehen. Dies macht die maximale Veff-Spezifikation attraktiv, da sie und die unten beschriebene Leistungsangabe, die daraus resultiert, unabhängig von der Impedanz des Lautsprechers sind, wie sie in Wirklichkeit sind.
Welche Verstärkergröße?
Sobald die Veff-Grenze des Lautsprechers gefunden ist, kann der Sounddesigner einen geeigneten Verstärker auswählen. Die maximale Veff-Spannung kann im Common Loudspeaker File-Format (Abbildung 3) angegeben werden. Die im CLF angegebene äquivalente Verstärkergröße gibt die 8-Ohm-Sinuswellenverstärkerleistung an, die erforderlich wäre, um die Veff-Spannung des Testsignals zu erzeugen, die die thermische Grenze des Lautsprechers erreicht hat. Es besagt: „Wenn Sie einen Verstärker mit dieser Leistung verwenden und ihn mit typischem Programmmaterial stark übersteuern, hält der Lautsprecher weniger als 10 Minuten.“ Derselbe Verstärker, der Programmmaterial mit höherem Crest-Faktor (d.h. CD oder MP3) verarbeitet und so eingestellt ist, dass er nur gelegentlich übersteuert, liefert wahrscheinlich den höchsten sicheren, zuverlässigen Dauerschalldruckpegel, den der Lautsprecher liefern kann. Das Prinzip der effizienten Nutzung gilt auch hier, ähnlich wie man bei der Auswahl einer nespresso maschine schwarz auf die optimale Leistung und Zuverlässigkeit achtet.
Screenshot aus CLF
Fazit
Da haben Sie es. Eine einfache, schnelle, verteidigbare und wiederholbare Methode zur Bestimmung des maximal sicheren Schalldruckpegels eines Lautsprechers basierend auf thermischen Überlegungen. Es gibt wirklich keine Möglichkeit, das Ergebnis zu verzerren oder aufzublähen – es ist einfach, was es ist – die maximale Veff-Spannung des spezifizierten Spektrums, die der Lautsprecher für eine angemessene Zeit verarbeiten kann, bevor er sich falsch verhält. Es ist keine Standardmethode und wurde nicht der umfangreichen Peer-Review unterzogen, die Standards genießen, daher präsentiere ich sie hier detailliert zur Prüfung, Debatte, Ausarbeitung oder Verbesserung. Jeder, der eigene Leistungstests durchführen möchte (ich kenne eine Reihe von Tourneefirmen, die dies routinemäßig tun), könnte die Methode nützlich finden.
Sie gibt im Wesentlichen die maximale Verstärkung über der Referenzempfindlichkeit an, die vom Lautsprecher zu erwarten ist, vorausgesetzt, ein geeigneter Verstärker wird verwendet.
Weitere Teile für den Lautsprecher-Leistungstest