Ermitteln der Powercompression eines Lsp in ARTA - meine Vorgehensweise (per Request)

[stoneeh]

Auf Anfrage aus dem Stegreif runtergeschrieben. Das folgende ist die Dokumentation meiner Vorgehensweise für das ermitteln der (hauptsächlich elektrisch-thermischen, aber vll. auch Port- o.ä.) Powercompression eines Lautsprechers in ARTA.

Kein Gewähr für Richtigkeit. Wer die Methodik bei sich anwenden will, tut es auf eigene Gefahr.



- mit LIMP Impedanzmessung durchführen.

- via ohmschen Gesetz errechnen, wie viel Verstärkerspannung notwendig ist, um den Lautsprecher am Impedanzminimum elektrisch-thermisch auszulasten. Richtwert wäre die Belastbarkeitsangabe des Herstellers.
Achtung #1: AES & RMS-Belastbarkeitsangaben beziehen sich auf die Dauerbelastbarkeit; IEC-Angaben (bei Hochtönern üblich) können auch Peak-Werte sein, die nicht dauerhaft anliegen dürfen.
Achtung #2: AES-Belastbarkeitsangaben werden bei breitbandigem Signal (mit Crest -> großer Hub -> gute Kühlung) ermittelt - nicht repräsentativ für zB ein Sinussignal auf die Tuningfrequenz eines Resonatordesigns (BR / Helmholtzresonator, "Horn" / Viertelwellenresonator), wo die Membran sich nicht oder kaum bewegt und der Antrieb nicht oder kaum gekühlt wird.
Achtung #3: bei seiner elektrisch-thermischen max. Belastbarkeit kann je nach Frequenz bereits die mechanische Belastbarkeit des Lsp überschritten sein.

- mit Voltmeter entsprechend RMS-Spannung der Signalkette / des Verstärkers (mit 50 Hz Sinussignal) ermitteln / einstellen.

- Messaufbau für akustische Messung vorbereiten. Die Messung kann im Nahfeld erfolgen, falls die Messkette das bei der max. Anregung ohne übersteuern und/oder nennenswerten Verzerrungen (insb. Klirr beim Mikrofon) schafft. Position von Lsp und Mikrofon dürfen sich über die Messläufe nicht ändern. Absolute Pegelkalibrierung ist egal, lediglich darf sich an dieser über die Messläufe nichts mehr ändern.

- ARTA starten, und in den Spectrum Analyzer (SPA) Modus wechseln.

- repräsentatives Anregungssignal wählen. Im Tiefton darf das imo ein Sinussignal sein, da Musik in dem Frequenzbereich im worst case ein solches darstellt - zB Basssaiten, o. Basslines bei elektronischer Musik. Im Mittelhochton liegt der Crestfaktor von Musik deutlich höher, und ich würde ein Multitonsignal (12 dB Crestfaktor) wählen.
Im ARTA SPA Modus ist das Signal oben links via dem Dropdown-Menü bei "Gen" wählbar.

- in der Menüleiste mit "Generator -> Setup Generator signals" das Signal bearbeiten. Beim Sinussignal kann die Frequenz eingestellt werden, beim Multiton die Auflösung (ich würde 6 bis 12 pro Okt. wählen) und Breite (entsprechend dem jeweiligen Lautsprecher einstellen; oder, auf die max. Breite von 20 bis 20000 Hz, wenn der Lsp eh gefiltert / getrennt ist).

- im selben Menü den Pegel (Level (dBFS)) wählen. Ich fange bei -20 dB, d.h. 20 dB niedriger als die eingangs eingestellte max. Belastbarkeit des Lautsprechers, an.

- für Tieftonmessungen in der Menüleiste die FFT-Größe für bessere Auflösung erhöhen; ich verwende 65536 bei 48 kHz Samplerate.

- bei einer Sinusmessung den Cursor (linke Maustaste) auf die Frequenz des Anregungssignals setzen. In den Werten unten links wird bei "Cursor" der SPL der fundamentalen (die am ehesten interessiert) angezeigt. Bei niedrigeren Pegeln sollte der Wert mit dem RMS-Wert direkt darunter übereinstimmen, bei höheren ist der RMS-Wert etwas höher, da dieser Verzerrungen mit berücksichtigt.

- bei der Multitonmessung gilt ähnliches. Im Mittelhochton liegen nichtlineare Verzerrungen jedoch für diese Messung üblicherweise vernachlässigbar niedrig, d.h. man kann auch nach dem RMS-Wert gehen.

- Messung starten; Achtung, es kann mitunter beim -20 dB Setting bereits laut werden (Hörschutz verwenden).

- den (zeitlich) ersten angezeigten SPL-Wert links unten notieren. Dieser dient als Referenz (Kleinsignalmessung, keine Powercompression).

- im Generator Menü den Pegel (Level (dBFS)) erhöhen. Ich verwende 5 o. 10 dB Schritte.

- Messung mit dem eben eingestellten stärkeren Signal wiederholen. Wiederum den ersten angezeigten Pegel notieren. Die Differenz zwischen dem theoretischen / mathematischen Sollwert (SPL sollte sich um die eben eingestellten +5 o. +10 dB erhöht haben) und dem gemessenen Wert stellt die Kurzzeit-Powercompression bei der Last in Frage dar.
Man kann die Messung nun weiterlaufen lassen. Der SPL wird sich vermutlich weiter reduzieren, und sich irgendwann auf einen fixen, oder sich nur mehr seeehr langsam verändernden Wert einpendeln (Equilibrium zwischen Leistungszufuhr und Wärmeabfuhr). Die Differenz zwischen dem Soll und Ist bei diesem Wert stellt die Langzeit-Powercompression dar.

- Prozedur in weiteren Schritten, am besten je +5 o. +10 dB, bis 0 dB im Generator wiederholen.
Nochmal: Achtung, Gefahr für Lautsprecher und Ohr.
Hinweis: der Level des digitalen Inputs / Audioformats wird rechts unten angezeigt; "OVRL" indiziert ein übersteuern. Aber auch früher in der Messkette, zB am Pre-Amp, kann bereits unabhängig davon ein übersteuern stattfinden.

- bei Sinussignal Prozedur für weitere Frequenzen wiederholen. Insb. bei dem im Bassbereich sich stark ändernden Impedanzverlauf, und der dementsprechend stark variierenden tatsächlich an der Spule anliegenden Leistung, wird man stark unterschiedliche Powercompression ermitteln; an der Einbauresonanz selbst beim Maximum der eingangs festgelegten Verstärkerspannung üblicherweise um 0 dB.

- so hat man nun die Powercompression, Kurz- und Langzeit, für verschiedene Anregungsstärken, ermittelt. Die Hersteller geben das auch gerne so an: zB Powercompression @ 0 dB, Powercompression @ -3 dB, Powercompression @ -10 dB, ...

[JFA]

Ja, geht. Aber ein Sinussignal im Tiefton ist - vor Allem wenn der dabei auslenken muss - eigentlich zu lasch getestet. Ein Gemisch ist genauer.

Und dann gibt es noch die einfache Variante des ganzen:
- kleinen Shunt in die Zuleitung legen
- Prüfsignal draufgeben
- mit einem RMS-fähigen Multimeter die Spannung darüber messen und den Strom ausrechnen
- warten bis die Möhre warm wird
- nochmal messen

Der Quotient aus den beiden Stromwerten enspricht der Verringerung des Referenzschalldrucks.

[wus]

Danke, stoneeh!

[wus]

Und dann gibt es noch die einfache Variante des ganzen:
- kleinen Shunt in die Zuleitung legen
- Prüfsignal draufgeben
- mit einem RMS-fähigen Multimeter die Spannung darüber messen und den Strom ausrechnen
- warten bis die Möhre warm wird
- nochmal messen

Der Quotient aus den beiden Stromwerten enspricht der Verringerung des Referenzschalldrucks.

Das ergibt aber halt nur die thermische Kompression. Dazu kann aber - je nach Gehäuseprinzip - Portkompression kommen, und die Chassis können wohl auch aufgrund ihrer mechanischen Auslenkungsgrenzen zusätzlich komprimieren.

Da ist mir eine Messung schon lieber.

Zum ermitteln der Power Compression im Bassbereich würde ich wohl auch ein Sinussignal verwenden. Um da einen Bezug zum realen Einsatz herstellen zu können - wenigstens ungefähr - würde ich allerdings schon gerne wissen, welche Crestfaktoren man in realer Musik in den verschiedenen Frequenzbereichen vorfindet.

Gibt es irgendein Tool das die beim Abspielen von Musik ermittelt, und zwar eben frequenzselektiv?

[JFA]

Das ergibt aber halt nur die thermische Kompression. Dazu kann aber - je nach Gehäuseprinzip - Portkompression kommen, und die Chassis können wohl auch aufgrund ihrer mechanischen Auslenkungsgrenzen zusätzlich komprimieren.

Ja klar. Mit einer Messung kann man auch erkennen, wie sich der Frequenzgang verändert.

Zum ermitteln der Power Compression im Bassbereich würde ich wohl auch ein Sinussignal verwenden. Um da einen Bezug zum realen Einsatz herstellen zu können - wenigstens ungefähr - würde ich allerdings schon gerne wissen, welche Crestfaktoren man in realer Musik in den verschiedenen Frequenzbereichen vorfindet.

Ich weiß nicht, was es da so an Tools gibt, aber wenn ich einen EIA426B geformten Multiton mit 12 dB Crestfaktor bei 50 Hz bandpassfiltere kommen 9,4 dB raus.

[ctrl]

Zu dem Thema ist der Klippel Vortrag zu "Amplitude Compression" ganz hilfreich:

https://www.youtube.com/watch?v=K8ZIGXSM29A

Dort wird aufgezeigt mit welchen Anregungssignalen, Anregungsdauer und wie die verschiedenen Arten von "amplitude compression" gemessen werden können.

[stoneeh]

Anfangs gespenstisch ähnlich zu meiner Methodik / meinen Ausführungen. Sogar die selben -20 dB als Anfangssignal / Referenz schlagen sie vor. Note: ich hatte bisher weder deren Vortrag gesehen, noch die entsprechende IEC Norm gelesen, noch mir überhaupt irgendeine Literatur zum Thema zu Gemüte geführt.

Insg. ein sehr informatives Seminar. Ein kleiner Teil der Behauptungen / Ausführungen ist allerdings suspekt - zB dass eine kurze Anregung keine elektrisch-thermische Kompression produzieren würde, und alles was man bei dieser Kurzzeitkompression sehen würde mechanischer Natur wäre (9:25 bis 9:45). Bei 13:15 gibt er die Zeit für die Erwärmung einer kleinen Schwingspule aber wieder mit ~1s an. Und im NFS wird die Kurzzeit-Compression aber wieder mit einem 2,7s Sweep (zB Erin's Danley SH-50 Review; runterscrollen zu "Dynamic Range (Instantaneous Compression Test)") gemessen. Was nun?

Powercompression nach Frequenz würde ich mit (stepped) Sine mit Abkühlphasen (gänzlich isolierte Betrachtung), oder Multiton oder Noise (Betrachtung des Verhaltens bei einzelnen Frequenzen bei praxisnaher breitbandiger Last möglich) ermitteln.

Ein Praxisbeispiel zu mechanischer vs. elektrischer Kompression noch: eine der aktuell besseren Kalotten kann man problemlos innerhalb eines <1s Sinussweeps elektrisch-thermisch in starke Kompression, als auch an ihr Lebensende bringen (ich weiß es), während der Treiber mechanisch noch vollkommen im tiefentspannten Bereich (~1% THD, 90% davon K2) spielt.

Danke, stoneeh!

Gerne!

Das ergibt aber halt nur die thermische Kompression. Dazu kann aber - je nach Gehäuseprinzip - Portkompression kommen, und die Chassis können wohl auch aufgrund ihrer mechanischen Auslenkungsgrenzen zusätzlich komprimieren.

Da ist mir eine Messung schon lieber.

Definitiv. Und generell: wenn ich für jedes mal, wo das nach Annahme / Berechnung vorausgesagte Verhalten schlussendlich doch nicht so ganz mit der Realität, d.h. dem direkt ermittelten Wert, übereingestimmt hat, eine Münze hätte, würde ich heute nur noch an einem karibischen Pool oder Strand liegen.

Zum ermitteln der Power Compression im Bassbereich würde ich wohl auch ein Sinussignal verwenden. Um da einen Bezug zum realen Einsatz herstellen zu können - wenigstens ungefähr - würde ich allerdings schon gerne wissen, welche Crestfaktoren man in realer Musik in den verschiedenen Frequenzbereichen vorfindet.

Gibt es irgendein Tool das die beim Abspielen von Musik ermittelt, und zwar eben frequenzselektiv?

In zB Audacity (Freeware) kannst du ein Musikstück schneiden, mit Trennfiltern (Hoch-, Tief-, Bandpass) bearbeiten, und unter Analyse -> Measure RMS dessen Crest Faktor bestimmen. Wer's genauer wissen will, für den gibt's noch aufwendigere Tools.

Erkenntnis aus der Praxis - seit ich Musikstücke wie diese kenne, die essentiell einen dauerhaften stepped Sine mit nur sporadischen Pausen darstellen, bemesse ich meine Technik zmd. im Bassbereich an einem solchen worst case: https://www.youtube.com/watch?v=hmP7TYtDVUU