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  1. #1
    Erfahrener Benutzer
    Registriert seit
    12.01.2019
    Beiträge
    178

    Standard Korrekte Messdistanz & mehr für die GPM im Tiefton - messtechnische Abhandlung

    Hallo DIY-HiFi-Forum.

    Die Bodenmessung aka GPM (Groundplane Measurement) Outdoor ist für viele Anwender insb. für Subwoofer die Messmethode der Wahl. Eine auf den ersten Blick simplere akustische Messung gibt es kaum - Subwoofer und Mikro aufeinander ausgerichtet auf dem Boden stellen/legen - Stativ bzw. Anwinkelung braucht's bei den grossen Wellenlängen im Bass und der einhergehenden Omnidirektionalität der Quelle als auch des Messinstruments nicht - fertig.

    Bei dokumentierten GP-Messungen in diversen Online-Communities fällt jedoch überwiegend auf, dass sich Anwender durch unglücklich gewählte Messdistanzen das Ergebnis verfälschen. Das Problem ist meist ein zu hoher Abstand von Lautsprecher zu Mikrofon, und ein im Verhältnis zu geringer zum nächsten schallharten Hindernis. Das Verhältnis vom Direktschall des Lautsprechers zu Reflexionen der nächsten Hindernisse am Mikrofon wird damit ungünstig, der Frequenzgang wellig.

    In meinem Messguide im HiFi-Forum habe ich bereits einen Abschnitt zu diesem Thema; es schadet aber denk ich nicht es hier nochmal im Detail abzuhandeln.


    In der ersten Literatur zur GPM - Groundplane Acoustic Measurement of Loudspeaker Systems, Gander, 1980 - wird, um Reflexionen ausreichend zu übertönen, die mind. 5fache Distanz des Messsetups zum nächsten schallharten Hindernis von der Distanz von Mikrofon zu Lautsprecher empfohlen.

    Sehen wir uns die Empfehlung anhand eines Beispiels an. Hier in türkis die Messung eines Subwoofers in einem Aussenhof, Distanz Mic zu Lsp 1m, Abstand zum nächsten relevanten Hindernis (grosses Garagentor) ~5m; zum Vergleich in schwarz die selbe Messung auf einem landwirtschaftlichen Grundstück fernab der Zivilisation, ohne schallharte Hindernisse; keine Glättung, 32k FFT in ARTA:

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ID:	62127

    Die "echte Outdoor-Messung" sieht ein Stück glatter aus. Die Messung im Hof ist aufgrund des beschriebenen Einflusses von Reflexionen (nach Frequenz / Wellenlänge abwechselnde Addition und Auslöschung mit dem Schall des Lautsprechers) welliger, allerdings im Rahmen - für Hobbymessungen ist das Ergebnis, insb. wenn man nachträglich glätten würde, akzeptabel.

    Ist allerdings vll. mit einfachen Mitteln, ohne an den Messbedingungen etwas zu ändern, ein besseres Ergebnis möglich?
    Kommen wir zur Fensterung / Gating. Mit diesem liesse sich das Zeitfenster der Messung so beschränken, dass die Reflexion ausgeblendet wird. In dem Fall der Aussenhof-Messung ergeben 5 Meter vom Lsp zum Garagentor + 5 zurück zum Mikro 10 Meter Laufweg, bei 343 m/s Schallgeschwindigkeit entsprechend ~30 ms Laufzeit.
    Hier das Ergebnis - türkis ungefenstert, schwarz mit 30 ms Gate:

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ID:	62128

    Wir sehen, im Grossteil des Übertragungsbandes verschwindet wie die Welligkeit, und bleibt der gewünschte Frequenzgang übrig - am unteren Ende bricht die Response jedoch deutlich ein. Warum?
    Nun, Das Messobjekt ist ein Bassreflexlautsprecher; bei diesem gibt am unteren Ende des Übertragungsbandes fast nur der Helmholtzresonator Schall ab. Dieser schwingt deutlich länger nach als der Direktschall des Chassis - länger auch als die 30 ms Zeitfenster, die wir gesetzt hatten. Siehe dazu das Wasserfalldiagramm (CSD):

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    Wir beschneiden bei diesem Lautsprecher als mit einem zu kurzen Gate die Response des Ports.
    Um dies nochmal zu belegen hier die Messung einer geschlossenen Box (CB), welche mangels Resonator deutlich schneller ausschwingt; in türkis ungefenstert, in schwarz mit den gleichen 30 ms Gate wie bei der BR-Messung - wie man sieht, hier funktioniert das begrenzen des Zeitfensters auf diesen kurzen Wert einwandfrei, d.h. entfernt nur die Welligkeit durch Reflexionen und Noise und beeinträchtigt die eigentliche Response nicht:

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    In welchem Rahmen sich sinnvoll gaten lässt kommt also stark auf den Lautsprecher(typ) an.


    Behandeln wir nun den notwendigen Mindestabstand - Nahfeld vs. Fernfeld. Grundsätzlich hat ein Lautsprecher im Nahfeld einen signifikant anderen Frequenzgang als im Fernfeld.
    Zur Demonstration hier in türkis die Response eines Subwoofers im Fernfeld, in blau die (kombinierte, da Bassreflex) Nahfeldmessung, und in schwarz die via einer mathematischen Funktion (ARTA: LF Diffraction) auf das Fernfeld umgerechnete Nahfeldmessung - wie man sieht, im Nahfeld ist der Tiefton deutlich lauter als im Fernfeld:

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ID:	62131

    Interessieren tut uns die Response im Fernfeld, da wir in diesem hören. Wir müssen also bestimmen, ab wann ein Lautsprecher im Fernfeld spielt, um die korrekte Messdistanz zu wählen.

    Formeln und Faustregeln zur Errechnung des Fernfelds gibt es wie Sand am Meer. Die ARTA Application Note zum Thema spricht von dem 6fachen des effektiven Membranradius. Gander spricht in seinem AES-Paper von mind. dem 3fachen der längsten Gehäuseseite, inkl. Spiegelschallquelle. Jobsti's Online-Rechner berechnet wiederum anders bzw. liefert andere Ergebnisse. Was alle gemeinsam haben ist dass sie relativ hohe Werte liefern, die das korrekte messen Outdoor, wenn man nicht grade einen sehr grossen Hof, Garten, oder sonstigen freien Platz zur Verfügung hat, schwierig bis unmöglich machen.

    Eine theoretische Abhandlung erspare ich mir als auch euch an dieser Stelle. Im Endeffekt würde unabhängig vom Aufwand kein Beleg möglich sein. Stattdessen will ich mit weitaus konkreteren und hilfreicheren Daten aus der Praxis / Realität dienen.

    Der Proband ist ein PA-18"-BR-Subwoofer. Der effektive Membrandurchmesser beträgt 40cm, die Schwallwandgrösse 58x65 cm. Je nach oben genannten Formeln wären wir im relevanten Übertragungsbereichs des Subs (~35-150 Hz) ab 2,4 bis 8,5 Meter im Fernfeld. Niedrigere Messabstände sollten laut vorliegendem Wissen im Nahfeld liegen, und signifikant andere Frequenzgänge produzieren.
    Anbei Frequenzgang-/Wirkungsgradmessungen in GP. Der Sub stand mit dem Port seitig, das Mikro mittig zwischen Port und Membran - identer Abstand von Membran und Port zu Mikro. Die Distanz von Lsp zu Mic wird von der Schallwand gemessen. In türkis 0,5 Meter Distanz @ 1,4 Volt Ampspannung, in blau 1m @ 2,8V, in weinrot 2m @ 5,6V, in ocker 4m @ 11,2V, in schwarz 10m @ 28V:

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    Die 0,5m Messung zeigt ab ~130 Hz leichte Änderungen. Die 10m Messung fällt um fb etwas ab (<1 dB) - das ist, da die Änderung nur sehr nahe dem BR-Tuning auftritt, angesichts 100 Watt zugeführter Leistung eher einer einsetzenden Portkompression, als einer grundsätzlichen Frequenzgangänderung aufgrund Distanzänderung, zuzuschreiben.
    Insgesamt finden wir aber im Bassbereich in keiner der Distanzen Abweichungen, die klar über die Messtoleranz hinausgehen.
    Ab ~200 Hz zeigen sich zunehmend Abweichungen, die nehme ich an aufgrund des nach Distanz unterschiedlichen Winkels von Lautsprecher zu Mikrofon eher auf Bündelungseffekte der Membran, als Unterschiede zwischen Nahfeld- und Fernfeld zurückzuführen sind.

    Anmerkung: diese Ergebnisse sind kein Einzelfall - ich habe derartige Vergleiche bereits an verschiedenen Subwoofern unterschiedlicher Grösse & Designs durchgeführt, mit weitestgehend gleichbleibenden Ergebnissen.


    Fazit: die empfohlenen Mindestabstände für Nah-vs. Fernfeld aus der Literatur, die so auch regelmässig in der Community wiederholt & angewendet werden, können messtechnisch nicht bestätigt werden. Insb. in schwierigen (-> kleinen/engen) Messumgebungen kann und sollte daher bei der GPM / Bodenmessung von Subwoofern ein deutlich geringerer Abstand von Mikrofon zu Lautsprecher verwendet werden. Nur so kann in den meisten Messumgebungen der Einfluss von Reflexionen ausreichend reduziert, und eine saubere, aussagekräftige Messung sichergestellt werden.

    Beim fenstern ist mit Vorsicht vorzugehen. Gehäusetypen mit Resonator reagieren auf zu radikales Gating mit signifikanten Einbrüchen im Frequenzgang. Bei geschlossenen Boxen kann deutlich freizügiger gefenstert werden.


    Viel Spass & Erfolg beim messen,
    Stoneeh

  2. #2
    Erfahrener Benutzer
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    Görlitz - Niederschlesien
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    1.305

    Standard

    Moin,




    richtig guter Lesestoff, wird direkt ausgedruckt.
    Gruß
    Thomas

    "Wer der Herde folgt, sieht nur Ärsche... " frei nach Hannes Jaenicke

  3. #3
    Weil ich Bock d'rauf hab' Benutzerbild von hoschibill
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    28777 Bremen
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    7.740

    Standard

    Hi stoneeh
    Sehr großartig. Vielen Dank für die, sehr gut verständliche, Abhandlung .

    Gruß Olli
    Spaß am Hobby .

    Zwei 20er sind in 90% der Fälle ausreichend, in 80% überdimensioniert und zu 100% ist mehr Membranfläche noch besser
    (c) JFA

  4. #4
    Good Vibrations Benutzerbild von Jesse
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    27.11.2008
    Beiträge
    1.510

    Standard

    Hallo Stoneeh,

    sehr anschaulich und hilfreich, danke.


    Ich hab das mal als PDF angehängt:

    Korrekte Messdistanz & mehr für die GPM im Tiefton - messtechnische Abhandlung.pdf
    Geändert von Jesse (13.09.2021 um 11:43 Uhr)
    Gruß

    Jesse
    Good Vibrations



    "Die Realität ist in Wirklichkeit etwas komplizierter."


  5. #5
    Erfahrener Benutzer
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    12.01.2019
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    178

    Standard

    Sehr geil Jesse Wurde gleich abgespeichert.. find ich so sehr schön / übersichtlich zu lesen. Danke auch naumi und Olli für den Zuspruch! Würde mich btw. auch freuen wenn der Content auf anderen Plattformen geteilt wird.

    Eins möcht ich noch kurz ergänzen / relativieren / klarstellen: ich möchte mit meinem Text nicht besagen dass die Kompendien auf die ich verweise, bzw. die erwähnten Formeln darin, obsolet bzw. gänzlich falsch wären. Ich habe sie nicht vollkommen analysiert und jeden Teilaspekt überprüft; anhand dessen etwas zu diskreditieren hätte wenig mit wissenschaftlicher Vorgangsweise zu tun. Meine Messungen können nur allermindestens darstellen / belegen dass deutlich kürzere Messdistanzen als nach den erwähnten gängigen Formeln im Bassbereich vollkommen akzeptabel sind und zu keinen nennenswerten linearen Verzerrungen führen. Im Frequenzbereich darüber mutmasse ich ähnliches, und dass die gemessenen Unterschiede wie schon erwähnt auf Bündelung zurückzuführen sind. Einwandfrei belegen kann ich letzteres aber nicht.

    PS: ein ähnliche Abhandlung zur kombinierten Nahfeldmessung vs. Fernfeldmessung würde nehm ich an ebenfalls interessieren? Keine Garantie darauf - ich frag nur mal der Sicherheit halber nach.

  6. #6
    Erfahrener Benutzer
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    Nähe Hildesheim
    Beiträge
    1.052

    Standard

    Danke Stoneeh für den klasse Artikel,
    und danke Jesse für das Umwandeln in ein PDF!
    Die Gedanken sind frei, wer kann sie erraten, sie fliehen vorbei, wie nächtliche Schatten.
    Kein Mensch kann sie wissen, kein Jäger erschießen. Es bleibet dabei: Die Gedanken sind frei.

    Liebe Grüße Willi

  7. #7
    Erfahrener Benutzer
    Registriert seit
    07.01.2020
    Beiträge
    311

    Standard

    Vielen Dank Stoneeh.

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