In den Newslettern des Jahres 2005 wurden diverse Artikel über die Leistungsklassen von Lautsprechern und die Methoden zu deren Ermittlung veröffentlicht. Viele Anfragen bezogen sich auf die Details dieser verschiedenen Methoden. Beschreibungen der Standardmethoden finden sich in den jeweiligen Standarddokumenten. Eine detaillierte Ausarbeitung dieser erfordert Interpretation, daher werde ich hier keinen Versuch unternehmen. Es liegt in der Verantwortung des Prüfers, eine Kopie des Standards zu beschaffen, ihn zu interpretieren und einen Test zu konstruieren, der ihm zu entsprechen scheint. Was ich hier präsentieren kann, sind die Details, wie ich einen “Plausibilitätstest” für die Leistungsklasse eines Lautsprechers durchführe. Ich werde alle notwendigen Details, einschließlich des Geräteaufbaus, aufnehmen. Es sollte beachtet werden, dass mit der möglichen Ausnahme der Echtzeit-Übertragungsfunktion von SmaartLive™ nichts wirklich Einzigartiges an den Geräten ist – Sie können ein ähnliches Gerät ohne signifikante Auswirkungen auf das Testergebnis substituieren.
Der nachfolgende Artikel in diesem Newsletter, DSP-Vergleich Teil 3, beschreibt eine Methode zur Bestimmung der Spannungs-Empfindlichkeit eines Lautsprechers bei einem Eingangssignal von 2,83 Veff. Dieser Artikel ist eine logische Ergänzung dazu, und beide zusammen liefern eine vollständigere Diskussion des Themas. Die Verwendung von 2,83 Veff steht im Einklang mit der traditionellen Praxis, die Empfindlichkeit von Lautsprechern auf eine Watt Eingangsleistung (oder zumindest etwas im Zusammenhang mit einem Watt) zu beziehen. Es sollte bemerkt werden, dass praktisch jede Spannung als geeignete Referenz dienen könnte. Ein Volt ist besonders sinnvoll, da es leicht mit geringem mentalen Aufwand skaliert werden kann und als Pegel von 0 dBV ausgedrückt werden kann. Man kann jedoch nicht zu schnell mit der Tradition brechen, daher wird in diesem Artikel eine Spannung von 2,83 Veff (+9 dBV) verwendet. Diese angelegte Effektivspannung erzeugt einen Schalldruckpegel nahe der Grenzen menschlicher Belastbarkeit in einem Meter Entfernung (80-110 dBSPL) von den meisten für Beschallungsanwendungen konzipierten Lautsprechern.
Es wird laut…
Sobald die Empfindlichkeit bekannt ist, stellt sich die nächste logische Frage: “Wie laut kann ich aufdrehen, bevor er kaputtgeht?” Der in diesem Artikel beschriebene Test ist ein Mittel zur Beantwortung dieser Frage. 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 angegeben werden. Dies ist eher ein “Plausibilitätstest” – eine relativ schnelle und einfache Möglichkeit, die Ergebnisse standardisierter Tests zu validieren und sicherzustellen, dass die Leistungsspezifikation richtig interpretiert wird.
Leistungsangaben sind von Natur aus mehrdeutig und werfen immer Fragen auf. Zum Beispiel:
- Wenn ein Lautsprecher eine Nennleistung von 400 W hat, ist dies eine empfohlene Verstärkergröße, oder sollte ein größerer Verstärker verwendet werden, um Spitzenreserven über 400 W Dauerleistung zu ermöglichen?
- Sollten 400 W in einem Modellierungsprogramm zur Bestimmung des maximalen SPL verwendet werden, oder repräsentiert dies die tatsächliche Verstärkergröße, so dass die maximale Lautstärke je nach Crestfaktor der Programmquelle 6-10 dB niedriger wäre?
Mehrdeutigkeiten bezüglich Leistungsspezifikationen können Konstruktionsfehler in der Größenordnung von 10 dB oder mehr verursachen – ein unerträglicher Fehlerspielraum. Da ich mehrfach erlebt habe, dass Raummodelle SPLs vorhersagen, die 10 dB oder mehr höher sind als das, was mit dem installierten System erreicht werden kann, habe ich dazu veranlasst, Leistungsklassen und SPL-Vorhersagen im Allgemeinen kritisch zu prüfen.
Mehrdeutigkeiten bezüglich Leistungsspezifikationen können Konstruktionsfehler in der Größenordnung von 10 dB oder mehr verursachen.
Es wird heiß…
Das Anlegen einer Spannung an einen Lautsprecher führt zum Fluss von Strom durch ihn. Die an den Lautsprecher übertragene elektrische Leistung ist das Produkt aus Spannung und Strom. Die resistive Komponente der Impedanz des Lautsprechers führt dazu, dass ein Teil (der meiste!) der angelegten Leistung in Wärme umgewandelt wird, und ein Lautsprecher kann nur so viel Wärme ableiten, bevor er zerstört wird. Diese verbrauchte Leistung ist bedauerlich, aber eine Realität der physikalischen Welt. Es ist wünschenswert zu wissen, wann die thermischen Grenzen des Lautsprechers erreicht sind. Das Folgende ist eine einfache, reale Methode zur Bestimmung der maximalen Effektivspannung, die einen Lautsprecher antreiben kann. Diese Effektivspannung kann zur Verstärkerwahl in eine Leistungsklasse umgerechnet werden.
Nicht ein Test, sondern zwei
Es muss zwischen thermischen Tests und transienten Tests unterschieden werden. Thermische Tests verwenden die Effektivspannung (RMS) von Rosa Rauschen, das nach einem standardisierten Spektrum geformt ist. Diese Wellenform wird im nächsten Artikel detaillierter beschrieben. Da RMS die äquivalente Gleichspannung ist, hat sie nichts damit zu tun, die kurzfristigen, transienten Grenzen des Lautsprechers aufzudecken. Das ist ein separater Test und eine separate Nennleistung (siehe “Composite Tone-Burst Test” von Don Keele, Syn-Aud-Con Newsletter Vol. 33 Nr. 4 für einen solchen Test). Der hier beschriebene Test befasst sich ausschließlich mit Wärme, daher können wir Begriffe wie “kurzfristig”, “momentan”, “Programm” und “Burst” für diese Nennleistung beiseitelegen. Diese Parameter müssen durch eine völlig andere Testmethode bestimmt werden, die eine maximal zulässige Verzerrung verwendet, um festzustellen, wann die Grenzen des Lautsprechers erreicht sind. Solche Parameter haben weniger mit der Wärmeableitung zu tun als mit den mechanischen Grenzen des Lautsprechers. Mit anderen Worten, kurzfristige Ereignisse rösten normalerweise nicht die Schwingspule, sie lassen den Lautsprecher auseinanderfallen. Glücklicherweise, wenn ein Verstärker ausgewählt wird, der innerhalb der thermischen Grenzen des Lautsprechers bleibt und ausreichende Spitzenreserven für typisches Programmmaterial bietet, ist es unwahrscheinlich, dass die transienten Grenzen des Lautsprechers unter normalen Betriebsbedingungen überschritten werden.
Was Sie brauchen…
Ein realer Leistungstest ist einfach zu konstruieren mit den handelsüblichen Werkzeugen, die die meisten ernsthaften Audio-Leute besitzen. Dazu gehören:
- Eine geeignete Programmquelle, wie z. B. Rosa Rauschen, geformt und beschnitten gemäß IEC 268-1
- Ein großer Leistungsverstärker
- Ein True-RMS-Voltmeter
- Ein Mittel zur Durchführung einer Echtzeit-Übertragungsfunktion (z. B. SmaartLive™)
- Ein Mikrofon, das sehr hohe SPLs verarbeiten kann
Die Signalkette ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Rosa-Rausch-Stimulus kann mit einem Welleneditor erzeugt werden. Beachten Sie, dass dies ein stark beschnittenes Signal ist, das spektral geformt werden muss, um Musik gemäß dem Standard zu emulieren. Verwenden Sie dies nicht als Stimulus für allgemeine Systemkalibrierungsaufgaben!
Die “Bad Sound Guy”-Testspur
Die IEC 268-1-Rauschdatei muss während des Tests in regelmäßigen Zeitintervallen erhöht werden. Anstatt mit einer Stoppuhr danebenzustehen, habe ich die Pegelerhöhungen direkt in die Testspur eingebaut – eine spezielle Wellendatei für Leistungstests. Sie emuliert einen “schlechten Tontechniker” – jemanden, der immer wieder aufdreht, bis die Reaktion des Lautsprechers eine signifikante Änderung zeigt. Eine Zeitbereichsansicht der Testspur ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Rauschspur wurde so modifiziert, dass sie alle fünf Minuten um 3 dB an Pegel zunimmt – eine Pegeländerung, die einer “Lautstärketweak” eines Soundsystems für jeden aufeinanderfolgenden Song entspricht. Die Gesamtlänge beträgt knapp eine Stunde, sodass zehn Pegeländerungen mit einem Gesamtbereich von etwa 30 dB auftreten. Der absolute Pegel des Signals kann entsprechend dem zu testenden Lautsprecher eingestellt werden. Für typische mittelgerichtete PA-Lautsprecher passe ich normalerweise das Wiedergabesystem so an, dass die Effektivspannung des 7. Rauschsegments etwa 30 Veff (+30 dBV) beträgt, was etwa 100 Watt durchschnittlicher Dauerleistung in eine 8-Ohm-Widerstandslast entspricht. Sie kann erhöht oder verringert werden, um für kleinere oder größere Lautsprecher geeignet zu sein.
[Die Vorgehensweise
Dies ist ein extrem einfacher Test, der leicht umzusetzen ist.
- Beginnen Sie damit, die Wiedergabekette so einzustellen, dass sie für Intervall 6 der Testspur 30 Veff liefert. Wenn die Spur von Anfang an abgespielt wird, beträgt das erste Intervall dann etwa 3 Veff (etwa 1 Watt in eine 8-Ohm-Widerstandslast).
- 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 in Register A gespeicherten Signal an, was eine gerade Linie auf dem Analysatordisplay darstellt.
- Lassen Sie die Spur einfach abspielen. Der Pegel steigt alle 5 Minuten um 3 dB. Da das Referenzsignal und das Signal, das die Wiedergabekette antreibt, dasselbe sind, tritt keine Änderung der Übertragungsfunktion auf, wenn der Pegel steigt.
- Schließlich wird der Lautsprecher nichtlinear, was bedeutet, dass sich seine Reaktion im Vergleich zur anfänglich gespeicherten Referenzreaktion geändert hat (Abbildung 4). Die in Echtzeit auf dem SmaartLive-Display angezeigte Kurve zeigt dies. Es ist keine gerade Linie mehr.
Wann ist es vorbei?
Die meisten Standardtestmethoden verlangen, dass der Lautsprecher bis zum Ausfall betrieben wird oder bis sich die Reaktion dauerhaft geändert hat. Das von mir verwendete Kriterium für “Ausfall” ist eine 3-dB-Änderung der Übertragungsfunktion des Lautsprechers gegenüber einer anfänglichen Referenzreaktion bei niedriger Leistung (Abbildung 4). Wir wollen hier nichts kaputt machen, sondern nur eine gute Arbeitsgrenze herausfinden. Die 3-dB-Reaktionsänderung zeigt an, dass eine Beschädigung droht, wenn die Spannung erneut erhöht wird. An diesem Punkt sollte das System heruntergeregelt, nicht hochgedreht werden!
[Bezüglich thermischer Tests
Hier sind einige Vorbehalte bezüglich thermischer Tests im Allgemeinen:
Der Hauptgrund für eine solche Nennleistung ist die Bestimmung der SPL-Grenze des Systems und der geeigneten Verstärkergröße. Es ist keine gute Ingenieurspraxis, ein Gerät, ob Audio oder nicht, nahe an seinem Ausfallpunkt zu betreiben.
Leistungsangaben sind sehr empfindlich gegenüber der spektralen Form des verwendeten Stimulus. Die Ergebnisse sind unterschiedlich für Rosa Rauschen, geformtes Rosa Rauschen, Weißes Rauschen, Sinuswellen und Musik. Die Ergebnisse der hier beschriebenen Methode können nicht direkt mit Nennleistungen verglichen werden, die aus Tests mit anderen Stimuli abgeleitet wurden.
Der Stromverbrauch in einem Lautsprecher ist parasitär, daher ist eine hohe Nennleistung nicht unbedingt etwas Gutes. Sie kann ein Hinweis auf einen ineffizienten Lautsprecher sein.
Da es sich um eine dB-Beziehung handelt, sind Nennleistungen, die innerhalb von 3 dB voneinander liegen, praktisch gleich. Ein Lautsprecher mit einer Nennleistung von 100 W und einer mit 200 W haben also sehr ähnliche Leistungshandhabungseigenschaften.
Da standardisierte Leistungstests ein längeres Zeitintervall verwenden (typischerweise 8 oder 100 Stunden), sollten die daraus resultierenden Nennleistungen im Allgemeinen niedriger sein als die, die bei diesem Test erzielt werden.
Es gibt Mehrdeutigkeiten bezüglich der Leistungsklasse, die aus der maximalen Effektivspannung berechnet wird, aufgrund des Impedanzwertes, der bei der Berechnung W = E²/Z verwendet wird, wobei W die Leistung, E die Effektivspannung und Z die Impedanz ist (der Leistungsfaktor, der mit Z verbunden ist, wurde für diese allgemeine Diskussion weggelassen). Einige Möglichkeiten sind:
- Minimale Impedanz – Ergibt die höchste Leistungsklasse, aber nicht die tatsächliche Leistung, die während des Tests verbraucht wurde.
- Nennimpedanz – Ergibt eine etwas kleinere Leistungsklasse, aber nicht die tatsächliche Leistung, die während des Tests verbraucht wurde.
- Durchschnittliche Impedanz – Ergibt eine deutlich kleinere Leistungsklasse, die aber eher der tatsächlichen Leistung entspricht, die während des Tests verbraucht wurde.
- Gewichtete Impedanz – Gewichtete die Impedanzkurve relativ zum Spektrum des angelegten Signals. Dies ist die korrekteste Methode, erfordert aber erhebliche Berechnungen. Sie ergibt eine relativ niedrige (aber korrekte) Leistungsklasse, da die Impedanz des Lautsprechers, wie sie vom Verstärker gesehen wird, programmabhängig ist.
Ironischerweise ergeben die “korrekteren” Methoden, die die durchschnittliche oder gewichtete Impedanz verwenden, deutlich niedrigere Leistungsklassen als diejenigen, die die minimale oder Nennimpedanz verwenden. Einerseits kann dies als konservativ angesehen werden, andererseits legt es die Verwendung eines Verstärkers mit grob unzureichender Spannungshub nahe, um den Teststimulus zu überstehen. Dies macht die maximale Effektivspannungsspezifikation attraktiv, da sie und die daraus resultierende Leistungsklasse unabhängig von der Impedanz des Lautsprechers sind, wie sie in Wirklichkeit sind.
Welche Verstärkergröße?
Sobald die Effektivspannungs-Grenze des Lautsprechers gefunden ist, kann der Sounddesigner einen geeigneten Verstärker auswählen. Die maximale Effektivspannung kann im Common Loudspeaker File-Format (Abbildung 3) angegeben werden. Die äquivalente Verstärkergröße, wie sie in der CLF angegeben ist, gibt die 8-Ohm-Sinuswellen-Verstärkerleistung an, die erforderlich wäre, um die Effektivspannung des Testsignals zu erzeugen, das die thermische Grenze des Lautsprechers erreichte. Sie besagt: “Wenn Sie einen Verstärker mit dieser Leistung verwenden und ihn mit typischem Programmmaterial stark übersteuern, wird der Lautsprecher weniger als 10 Minuten halten.” Derselbe Verstärker, der Programme mit höherem Crestfaktor (d. h. CD oder MP3) verarbeitet und nur gelegentliches Clipping erzeugt, wird wahrscheinlich den höchsten sicheren, zuverlässigen Dauer-SPL liefern, den der Lautsprecher liefern kann.
[Zusammenfassung
Das ist es also. Eine einfache, schnelle, nachvollziehbare und wiederholbare Methode, um den maximalen sicheren SPL aus einem Lautsprecher basierend auf thermischen Überlegungen zu bestimmen. Es gibt wirklich keine Möglichkeit, das Ergebnis zu verzerren oder aufzublähen – es ist einfach, wie es ist: die maximale Effektivspannung des spezifizierten Spektrums, die der Lautsprecher für eine angemessene Zeit handhaben kann, bevor er sich daneben benimmt. Es ist keine Standardmethode und wurde keiner umfassenden Peer-Review unterzogen, wie es Standards genießen. Daher präsentiere ich sie hier im Detail zur Prüfung, Debatte, Ausarbeitung oder Verbesserung. Jeder, der seine eigenen Leistungstests durchführen möchte (ich kenne eine Reihe von Tourneefirmen, die dies routinemäßig tun), kann die Methode nützlich finden.
Sie gibt im Wesentlichen den maximalen Gewinn über die Referenzempfindlichkeit an, der von dem Lautsprecher erwartet werden kann, vorausgesetzt, es wird ein geeigneter Verstärker verwendet. pb
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