Kalibrierung einer TASCAM US-122/144 für akustische Messungen

[CHX]

Liebe TASCAM-Soundkarten-Anhänger,

Ich versuche hier zu beschreiben, welche Schritte notwendig sind, um eine
TASCAM US-122/144 Soundkarte im Zweikanalmodus zu kalibrieren.

In dieser Soundkarte ist ja bekanntlich ein sehr guter Mikrofonverstärker integriert.
Möchte man diesen nutzen, wird die ARTA-Messbox zumindest für akustische Messungen
(teilweise) unbrauchbar.
Um die ARTA-Messbox einsetzen zu können, müssen ja Mikrofonverstärker und
Soundkarte als separate Geräte vorliegen.

Das hier besprochene Messsystem ist aber trotzdem sehr sympathisch,
da außer der Soundkarte, dem Mikrofon und dem Leistungsverstärker
keine weiteren Geräte notwendig sind.

Man kann sogar den Spannungsteiler zum Schutz der Soundkarte weglassen, da
der LINE IN Eingang der Soundkarte Spannungen bis 7,75 Vrms ohne Verzerrungen
akzeptiert (siehe Datenblatt).

Für den Messaufbau werden zusätzlich benötigt:
- 1 x Cinchkabel
- 1 x Lautsprecherkabel
- 1 x Spezialkabel: Klinke 6,3 mm Stecker an einem Ende und gewöhnliches Lautsprecherkabel
am anderen Ende (Dieses Kabel muss eventuell selber zusammengelötet werden)
- Eventuell XLR-Adapter um die Kalibrierung durchführen zu können
- Multimeter für die Kalibrierung

Diese Kalibrierung ist ähnlich zu der, die im ARTA-Handbuch beschrieben wird.
Auch hier müssen der Maximalwerte der Eingangsspannungen ermittelt werden.
Diese Maximalwerte werden für die Berechnung des Korrekturfaktors benötigt.

1. Aussteuern der Messkette

Zunächst sollte (wie auch im ARTA Handbuch beschrieben) die komplette Messkette
korrekt ausgesteuert werden.
Die LINE/MIC IN Regler sind so einzustellen, dass das System nicht übersteuert wird.
Der Pegel sollte aber auch nicht zu niedrig sein.
Die korrekte Aussteuerung kann man mit dem Standard Zweikanal-Messaufbau durchführen.

Hiefür sind die folgenden Schritte notwendig:

1. LINE OUT Regler auf z.B. 2 Uhr Position bringen

2. Den linken LINE OUT Kanal der Soundkarte über ein Cinch-Kabel mit dem linken LINE IN
Kanal des Leistungsverstärkers verbinden.

3. Multimeter an dem linken Lautsprecher-Ausgang des Leistungsverstärkers anschließen

4. In ARTA den Spectrum Analyzer aufrufen

4.1 Den Generator auf Sinus Generieren stellen /
Frequenz auf 400 Hz stellen /
Peak Level auf 0 dB stellen

4.2 Generator starten

4.3 Die Position des LINE OUT Reglers der Soundkarte und/oder Lautstärkereglers
des Leistungsverstärkers so lange verstellen, bis das Multimeter 2,83 V anzeigt

4.4 Ist der Wert eingestellt, kann der Generator ausgeschaltet werden.

4.5 Multimeter abklemmen

5. Den rechten LINE IN Regler auf die 9 Uhr Position stellen

6. Den linken LINE IN Regler auf die 3 Uhr Position stellen

7. Über das Spezialkabel (6,3 mm Klinke auf Lautsprecherkabel) linken
Leistungsverstärkerausgang mit dem rechten LINE IN Eingang der Soundkarte verbinden.

8. Lautsprecherkabel zwischen linken Leistungsverstärkerausgang und Lautsprecher
anschließen

Am Ausgang des Leistungsverstärkers sind somit zwei Lautsprecherkabelenden anzuschließen.

9. Mikrofon an den linken MIC IN Eingang (XLR) der Soundkarte anschließen

10. Phantomspannung einschalten

11. Mikrofon in genau 1 m Entfernung vor dem Lautsprecherpositionieren.

12.1 In ARTA unter Audio Devices Setup unter Mikrophone Sensitivity
den entsprechenden Wert der Mikrofonempfindlichkeit eintragen

12.2 Die Werte bei I/O Amplifier Interface auf 1 setzten außer bei
L/R Channel diff. (dB). Hier wird eine 0 eingetragen.

12.3 Microphone used on Left Ch aktivieren

12.4 Unter FR Compensation wird die Mikrofon-Korrektur-Kurve geladen

13. Impulse Response Messung in ARTA vorbereiten

13.1 Output Volume (dB) auf 0 stellen

13.2 Dual Channel measurement mode aktivieren

13.3 Bei Prefered input channel Left auswählen

13.4 Den Knopf Generate drücken und Aussteuerungsanzeige beobachten

13.5 In ARTA NUR über die beiden MIC/LINE IN Regler der Soundkarte die Aussteuerung
der beiden Eingangskanäle durchführen

Eine Messung muss nicht durchgeführt werden nur die Aussteuerung muss passen.

Bei einem Lautsprecher mit einem bekannten Kennschalldruck von 85 dB und einem
Mikrofon mit einer Empfindlichkeit von 2,07 mV/Pa konnte ich folgende Regler-Position als
ideal ausmachen:

rechter LINE IN Regler -> 12 UhrPosition
linker MIC IN Regler ->5 Uhr Position (max. Position des Reglers)


Wichtig !!!
Die Positionen der MIC/LINE IN Regler dürfen nicht mehr verändert werden.

[CHX]

2.1 Vorüberlegungen

Wird die Zweikanal-Messanordnung als Blockschaltbild (folgt) betrachtet,
stellt man fest, dass für das Kalibrieren der Anordnung die Kenntnis des Spannungsverhältnisses
gebildet aus den Werten des linken und rechten Eingangssignals wichtig ist.

Dieses Verhältnis hängt unmittelbar von den Positionen der MIC/LINE IN Regler
(links und rechts) der Soundkarte zusammen.
Diese Positionen wurden oben bei der Ermittlung der Aussteuerung festgelegt,
und dürfen nicht mehr verändert werden.

Das ARTA-Kalibriertool (Setup -> Calibrate devices) wird für die Bestimmung
dieses Verhältnisses benötigt.

Das ARTA-Kalibriertool ermittelt für die gewählte MIC/LINE IN Reglerstellung
den maximalen Spannungswert, der ohne zu übersteuern an den Eingängen
angelegt werden kann.
Dieser wird als Spitzenwert (peak) angezeigt.


Festlegen der Spannung von 2,83 V am Lautsprechereingang:
Der LINE OUT Regler der Soundkarte wurde bereits so eingestellt, dass dieser
in Verbindung mit der Position des Lautstärkereglers am Leistungsverstärker
die geforderten 2,83 V ergibt.
Wird der Soundkartenausgang zum kalibrieren verwendet, dann wird man die Position
des LINE OUT Reglers aber verändern müssen.
Nach dem Kalibriervorgang muss also die Spannung von 2,83 V am Leistungsverstärkerausgang
erneut kontrolliert werden.

ARTA Spectrum Analyzer oder ARTA Kalibriertool:
Wird der Soundkarten Ausgang zum Kalibrieren verwendet, dann kann
für die Ermittlung der korrekten Aussteuerung (siehe oben) der Spectrum Analyzer
verwendet werden. Dieser hat den Vorteil, das Ausgangssignal ohne Abschwächung (0 dB)
generiert werden kann.
In der Regel wird während der Messung ebenfalls das Ausgangssignal mit 0 dB wiedergegeben.

Wichtig:
Pegel des Ausgangsignals während des Kalibriervorganges muss mit dem
Pegel währen der Messung übereinstimmen.

Man kann aber ohne weiteres auch das ARTA-Kalibriertool (Setup -> Calibrate devices)
verwenden. Der maximale Pegel der in diesem Tool eingestellt werden kann, ist aber -3 dB.

Wird das Ausgangssignal also mit -3 dB ausgegeben, dann gibt es zwei Möglichkeiten
die 2,83 V für die eigentliche Messung korrekt einzustellen:

1. Man stellt den LINE OUT Regler der Soundkarte und den Lautstärkeregler des
Leistungsverstärkers auf 2,83 V; muss dann aber während der Messung den
Ausgangspegel auf -3 dB stellen.

2. Man stellt den LINE OUT Regler der Soundkarte und den Lautstärkeregler des
Leistungsverstärkers auf 2 V;muss dann aber während der Messung den
Ausgangspegel auf 0 dB stellen.


2.2 Bestimmungen der Maximalwerte für den rechten und linken MIC/LINE IN Kanal

Diese Prozedur wird zunächst für den rechten (LINE IN) und dann für
den linken (MIC IN) Eingangskanal durchgeführt.
Die Prozedur ist für beide Kanäle identisch.
Nach dem Kalibriervorgang muss die Spannung von 2,83 V am Leistungsverstärkerausgang
erneut kontrolliert werden (siehe oben: 1. Aussteuern der Messkette bis Punkt 4)


1. LINE OUT mit MIC/LINE IN über ein Cinch-Kabel und Adapter (XLR bzw. 6,3 mm Klinke)
verbinden.

2. Aufrufen des Kalibriertools
Setup -> Calibrate devices

3. Unter soundcard fullscale input (mV) bei Channel den entsprechenden
Eingangskanalkanal wählen.

4. Den LINE OUT Regler so positionieren, dass beim Drücken von
Estimate Max Input mV die Aussteuerungsanzeige nicht übersteuert

5. Stecker am MIC/LINE IN herausziehen

6. Multimeter an den LINE OUT der Soundkarte anschließen

7. Unter: soundcard fullscale output (mV)
den Knopf Generate Sinus drücken.

8. Den am Multimeter angezeigten Wert unter
soundcard fullscale input (mV)-> Enter Voltage (peak or rms)
eintragen. Es handelt sich um einen rms-Wert.

9. Den Sinusgenerator durch Drücken des Knopfes Stop Generator anhalten.

10. Den linken LINE OUT (Cinch Anschluss) wieder mit dem rechten bzw. linken
MIC/LINE IN Eingang verbinden

11. Den Knopf Estimate max Input mV drücken

12. Den Wert der unter Estimated (Left bzw. Right) von ARTA ermittelt wurde bitte notieren


2.3 Berechnungen des Korrekturfaktors

Korrekturfaktor = (maximale Spannung rechts/ maximale Spannung links) * 2,83

Für meine Soundkarte gilt:

rechter LINE IN Regler -> 12 UhrPosition

4084 mVpeak
ermittelt mit 666 mV Eingangspannung


linker MIC IN Regler ->5 Uhr Position (max. Position)

16,56 mVpeak
ermittelt mit 10 mV Eingangsspannung


Korrekturfaktor = (4084/16,56) * 2,83 = 698

Der ermittelte Wert 698 wird in ARTA unter Audio Devices Setup
Ext. left preamp gain eingetragen

[CHX]

Im folgenden Blockschaltbild sind die einzelnen Bestandteile dargestellt, die
für eine akustische Zweikanalmessung mit der TASCAM US-122/144 notwendig sind.

Vereinfacht ausgedrückt kann jeder Block durch folgende Größen beschrieben werden:

1. Amplitudenfrequenzgang
2. Phasenfrequenzgang
3. Verstärkungsfaktor / Empfindlichkeitsfaktor (konstanter Wert)

Je nach Aufgabe besitzt jeder Block eine spezifische Eingangs- und Ausgangsgröße.

Der Lautsprecher besitzt als Eingangsgröße eine elektrische Spannung mit einem
Spannungswert von 2,83 V. Als Ausgangsgröße liefert ein Lautsprecher Schalldruck gemessen
in Pascal.

Ziel ist es die in ARTA gemessenen Größen so >>zu bereinigen<<, dass lediglich
die folgenden Lautsprechergrößen:

1. Amplitudenfrequenzgang
2. Phasenfrequenzgang
3. Kennschalldruck bei 1 kHz - 1m - 2,83V (in der Regel im Amplitudenfrequenzgang berücksichtigt)

dargestellt werden.



Blöcke:
SKaus: Soundkartenausgang inklusive Verstärker und Innenwiderstand
LV: Leistungsverstärker
LS: Lautsprecher
MIK: Mikrofon
SKLein: linker Soundkarteneingang (MIC IN (inklusive Mikrofonverstärker))
SKRein: rechter Soundkarteneingang Kanal (LINE IN)

Signale:
Saus: binäres Ausgangssignal erzeugt durch ARTA
Uein: Ausgangsspannung der Soundkarte (LINE OUT) (z.B. 1 V)
ULS: Eingangsspannung am Lautsprecher (bei kalibrierten Messungen 2,83 V)
PLS: Schalldruck des Lautsprechers (Diese Größe wird in ARTA dargestellt)
Umik: Spannung am Mikrofonausgang
SLein: binäres Eingangssignal am linken Kanal (gemessen durch ARTA)
SRein: binäres Eingangssignal am rechten Kanal (gemessen durch ARTA)


ARTA misst die binären Größen SLein und SRein und berechnet daraus:

MESS = SLein/SRein
-----------------------------------------------------------------
Allgemein gilt folgende vereinfachte Beziehung:

Ausgangsgröße = Eingangsgröße * Block

Ein Hintereinanderschalten von Blöcken lässt sich mathematisch durch eine Multiplikation
der Blöcke beschreiben:

Ausgangsgröße_2 = Eingangsgröße * Block1 * Block2
-----------------------------------------------------------------

Es gilt also:

SLein = SKaus * LV * LS * MIK * SKLein * Saus
SRein = SKaus * LV * SKRein * Saus

Die >>Blockeigenschaften<< des Soundkartenausgangs (SKaus) und des Leistungsverstärkers (LV)
bzw. die Signaleigenschaften von Saus, sind sowohl im Signal SLein als auch im Signal SRein enthalten.
Dividiert man das eine Signal durch das andere, sind diese Größen in MESS
nicht mehr enthalten.

Draus folgt:
Man kann den Verstärkungsfaktor des Leistungsverstärkers und der Soundkarte ändern,
eine Veränderung des in ARTA gemessenen Signals wird man aber nicht sehen.

MESS = SLein/SRein = LS * MIK * (SKLein/SKRein)

Nach LS aufgelöst:

LS = (1/MIK) * (SKRein/SKLein) * MESS

Lautsprecher Schalldruck:

PLS = MESS * ((1/MIK) * (SKRein/SKLein) * 2,83 V)

Um also den Lautsprecherschalldruck mit der TASCAM US-122/144 zu messen,
muss die ARTA Messung von

1. Mikrofoneigenschaften (MIK)
2. dem Faktor am Soundkarteneingang (SKRein/SKLein)
3. dem Spannungswert von 2,83 V

>>bereinigt<< werden.


Viele Grüße

Christoph