Qualität von Audiogeräten Quantitativ und objektiv: Audiomessungen in der Produktentwicklung

Die Qualität von Audiogeräten wird von grundlegenden Parametern gekennzeichnet. Dabei helfen quantitative und objektive Messungen in allen Phasen der Produktentwicklung. Ein Überblick über Audiomessungen für komplette Audiosysteme und Komponenten.

Audiosignale werden im Allgemeinen als Wechselspannungssignale (AC) von 20 Hz bis 20 kHz betrachtet. Bei der Beschreibung der Amplitude eines Audiosignals wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass es sich um den quadratischen Mittelwert der Signalamplitude handelt. Sofern nicht anders angegeben, ist ein Audiosignal mit einem Pegel von 1 V gleich 1 V_RMS (1 V_RMS = 1 V_eff). Aufgrund der exakten Beschreibung sollte bei der Angabe des Pegels oder der Amplitude eines Signals angegeben werden, ob es sich um RMS (V_rms) oder DC (V_DC) oder Peak (V_p) oder Peak-to-Peak (V_pp)

Wie man mit einem idealen Audiogerät misst

Ein ideales Audiogerät gibt die zugeführten Signale linear wieder. Bei der gebräuchlichsten Mess-Methode wird das Gerät mit einer Sinuswelle bei einer Frequenz anzuregen, den Pegel am Ausgang des Geräts zu messen und dann die Testfrequenz zu ändern (Bild 1). Die Messung kann ebenfalls mit einem kontinuierlichen Frequenzsweep, dem „Chirp“, erfolgen.

Eine weitere Alternative ist die Messung mit einem kontinuierlichen Signal, das viele Sinuswellen mit unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig kombiniert. Das kann ein Multiton sein oder ein Rausch-, Musik- oder Sprachsignal, das mit einer Übertragungsfunktion (Frequency Response Function, FRF) berechnet wird. In jedem Fall wird ein Diagramm erstellt, das den Amplitudengang des Prüflings (DUT) als Funktion der Frequenz darstellt. Um die Eigenschaften eines Audiogerätes anhand einer Messung zu beurteilen, wäre das die Frequenzgangmessung. Sie ist ein Indikator für die Produktqualität. Neben der Frequenzgangmessung sind weitere Tests möglich, um mehr über den Frequenzgang zu erfahren.

Verzerrung, Gesamtklirrfaktor und Gesamtklirrfaktor mit Rauschen

Kein Audiowiedergabegerät arbeitet völlig linear. Der Anteil der Energie am Ausgang des Geräts, der nicht linear mit dem Eingangssignal korreliert, wird als Verzerrung bezeichnet und üblicherweise als Gesamtklirrfaktor (THD) oder Gesamtklirrfaktor plus Rauschen (THD+N) berechnet. Für beide Messungen wird das Gerät mit einer Sinuswelle bei einer einzigen Frequenz angeregt. Das Anregungssignal oder die Grundschwingung wird dann mit einem Kerbfilter mit hoher Güte und hoher Dämpfung aus dem Ausgangssignal des Geräts entfernt.

Die Amplitude der verbleibenden harmonischen Verzerrungsprodukte, THD, oder der harmonischen Verzerrungsprodukte und des Rauschens, THD+N, wird dann gemessen. Im Allgemeinen wird der Klirrfaktor als Verhältnis des gesamten Ausgangssignals in Prozent oder dB (Dezibel) angegeben, manchmal aber auch als absolute Amplitude der einzelnen Oberschwingungen oder als Summe von Oberschwingungen und Rauschen.

Größeres Eigenrauschen als der Klirrfaktor

Bei aktiven elektronischen Geräten wird der Wert THD+N angegeben, da diese Geräte ein Eigenrauschen haben. Das Eigenrauschen kann bei einigen Geräten größer sein als der Klirrfaktor. Daher ist es bei der Messung des Klirrfaktors wichtig, klar zu definieren, was gemessen wird. Neben den Klirrfaktor oder den Klirrfaktor+N sind die Prüfbedingungen wichtig. Dazu gehören der Pegel des Anregungssignals, der Ausgangspegel und die Bandbreite der Oberschwingungsprodukte und des Rauschens.

Die Berücksichtigung oder der Ausschluss von Oberschwingungen und die Bandbreite des Rauschens können das Messergebnis erheblich beeinflussen. Das erschwert den Vergleich zwei verschiedener Hersteller. Die Berücksichtigung oder der Ausschluss von Oberschwingungen und die Bandbreite des Rauschens können das Messergebnis erheblich beeinflussen. Dies erschwert es dem Anwender, die Spezifikationen zweier verschiedener Hersteller zu vergleichen. Eine Spezifikation mit einem Klirrfaktor >0,001 Prozent bietet zu viel Interpretationsspielraum und ist nicht aussagekräftig. Der Klirrfaktor ist neben dem Frequenzgang das einfachste Kriterium zur Messung der Audioqualität.

Phase, Verzögerung, Gruppenverzögerung und Polarzusammenhang

Im engeren Sinne stellt die Phase die Verzögerung zwischen zwei Signalen dar und wird in Periodengrad ausgedrückt. Die Phase kann als Beziehung zwischen zwei oder mehr Ausgangssignalen, als Zweikanalphase, oder vom Eingang eines Geräts zum Ausgang gemessen werden. Es kann sich um die absolute Phasenlage handeln. Unkontrollierte Phasenabweichungen zwischen den Ausgangskanälen sind sehr störend. Das menschliche Gehör kann eine Schallquelle aufgrund von Phasenunterschieden oder Laufzeitunterschieden zwischen den Ohren im Raum lokalisieren.

Ein verbreiteter Fehler in digitaler Signalverarbeitungssoftware ist, dass ein Kanal gegenüber dem anderen um ein einzelnes Audiosample verzögert ist. Mit einer Phasenmessung lässt sich das leicht feststellen. In elektronischen Bauteilen zeigt die absolute Phase den Übergang von Kapazität zu Induktivität und die Bewegung durch die Resonanzfrequenz von Lautsprechern und Mikrofonen. Die Gruppenlaufzeit ist die absolute Phase eines Gerätes, ausgedrückt als Zeitverzögerung zwischen Eingang und Ausgang. Die Gruppenlaufzeit gibt Aufschluss über die Wirkung von Hochpassfiltern, insbesondere von AC-Kopplungsfiltern in der Elektronik, und von Tiefpassfiltern. Die Gruppenlaufzeit ist daher eine Bezugsgröße für die Messung von Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlern.

Rauschen, Rauschabstand und Dynamikbereich

Geräte mit aktiver Elektronik besitzen ein Eigenrauschen. Das ist eine Untergrenze, die den niedrigsten Signalpegel festlegt, den das Gerät wiedergeben kann. Beispielsweise weißes Rauschen oder Netzbrummen aus einem Lautsprecher. Die Messung des absoluten Rauschens oder Eigenrauschens ist die einfachste Methode. Da kein Signal wiedergegeben wird, wird jede Energie am Ausgang des Audiogeräts erfasst und der Pegel dieser Energie in einer bestimmten Messbandbreite bestimmt. Ohne Signal gehen einige Geräte in einen Stumm- oder Energiesparmodus über.

Manchmal möchte man das Eigenrauschen eines Gerätes im Verhältnis zum maximalen Signalpegel ausdrücken. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und der Dynamikbereich sind zwei Methoden dafür. Eine klassische SNR-Messung erfasst zunächst den maximalen Ausgangspegel eines Geräts und dann das Eigenrauschen.

Bei der Messung des Dynamikumfangs ist das Verfahren fast identisch, nur dass das Anregungssignal nicht einfach abgeschaltet wird, sondern ein Signal mit einem Abstand von -60 dB zur Grundschwingung angelegt und dann aus dem Ausgang des zu prüfenden Geräts herausgefiltert wird. Das stellt sicher, dass sich das Gerät nicht selbst abschaltet, wenn kein Signal anliegt. Wenn ein Audiosystem aus mehreren Kanälen besteht, ist der Isolationsgrad zwischen den Kanälen eine Standardmessung.

Das Zweikanal-Stereosystem ist ein Beispiel für ein Mehrkanal-Audiosystem. Das Übersprechen wird gewöhnlich gemessen, indem man einen Kanal anregt und misst, wie viel Energie in die benachbarten Kanäle entweicht. Starkes Übersprechen zerstört die von Mehrkanal-Audiosystemen übermittelten Positionsinformationen und lässt die Stereodarstellung zu einem monauralen Klangbild zusammenfallen.

Die beiden Kriterien Empfindlichkeit und Skalierung

Empfindlichkeit und Skalierung sind wichtige Kriterien für jedes Gerät, das Audiosignale umwandelt. Bei A/D- und D/A-Wandlern beschreibt die Skalierung das Verhältnis von Volts-to-Full-Scale (V/FS) zwischen einem analogen Signal und dem entsprechenden digitalen Audio-Abtastwerten. Bei Mikrofonen wird die Empfindlichkeit als Volt-Ausgang pro Pascal Schalldruck (V/Pa) angegeben. Die Empfindlichkeit von Lautsprechern wird als Schalldruck beschrieben, der in einer bestimmten Entfernung bei einer bestimmten Eingangsleistung des Wandlers gemessen wird. In der Praxis wird selten ein Leistungsmesser verwendet. Es wird angenommen, dass der Lautsprecher eine Nennimpedanz hat. Es wird eine bestimmte Spannung verwendet, wie 2,83 V_eff für einen 8-Ohm-Treiber.

Ein perfektes omnidirektionales Klangbild kann nur mit wenigen Lautsprechern und Mikrofonen erreicht werden. Vielmehr ist es erwünscht, dass ein Gerät in bestimmte Richtungen mehr abstrahlt (Lautsprecher) oder aufnimmt (Mikrofone) als in andere. Richtdiagramme sind daher das Ergebnis vieler Frequenzgangmessungen des Lautsprechers und des Mikrofons in verschiedenen Richtungen. Die Messwerte werden in einem Polardiagramm dargestellt (Bild 2). Es zeigt den Frequenzgang bei verschiedenen Frequenzen und verschiedenen Winkeln relativ zum Prüfobjekt.

Die Impedanz des Geräts und der Thiele-Small Parameter

Bei Lautsprechern und Lautsprechersystemen ist es wichtig, die Impedanz des Geräts und insbesondere die Impedanz als Funktion der Frequenz zu verstehen. Oft hört man, dass Lautsprecher eine bestimmte Anzahl von Ohm haben (acht Ohm), aber alle realen elektrodynamischen Lautsprecher haben eine komplexe Impedanzkurve. Die Impedanzkurve ist für zwei wesentliche Anforderungen wichtig.

• Erstens: Welche Verstärkereigenschaften sind erforderlich, um den Lautsprecher zu betreiben? Ein Lautsprecher mit niedriger Impedanz benötigt eine höhere Stromzufuhr, während ein Lautsprecher mit hoher Impedanz eine höhere Spannungszufuhr benötigt.

• Zweitens ist die Impedanzfunktion der Schlüssel zur Ableitung der Thiele-Small-Parameter. Mit dem lässt sich das mechanische Gehäuse bestimmen, welches den gewünschten Frequenzgang liefert.

Wie hoch ist der höchste Signalpegel, den ein Gerät wiedergeben kann? Wenn ein D/A-Wandler eine Skalierung von 2,5 V/FS hat, dann ist 2,5 V das maximal wiederzugebende Signal. Aber was ist mit analogen Verstärkern, Lautsprechern oder Mikrofonen? Bei Verstärkern ist die herkömmliche Definition des maximalen Ausgangspegels die größte Signalamplitude, die der Verstärker an einer Last von X Ohm mit einer Verzerrung liefern kann, die einen bestimmten Wert nicht überschreitet.

Thermische Grenzen können diesen Wert verändern. Dieser Wert spiegelt eine Auslegung wider, die eine bestimmte Spitzenleistung nur für eine bestimmte Anzahl von Millisekunden liefern kann. Bei Mikrofonen wird der Maximalpegel üblicherweise als Übersteuerungspunkt definiert und oft als absoluter Wert angegeben. Bei Mikrofonen kann ein ständiges Überschreiten des Übersteuerungspunktes die Membran beschädigen, so dass oft keine weiteren Bedingungen für die Spezifikation gelten. Die einzige Ausnahme ist normalerweise der Klirrfaktor.

Wovon der maximale Signalpegel eines Lautsprechers abhängt

Der maximale Signalpegel eines Lautsprechers hängt von verschiedenen Faktoren ab. Lautsprecher können durch die mechanische Auslenkung der Membran begrenzt sein. Oder bei längerem Betrieb Wärme abzuführen. Das maximale Signal wird deshalb häufig empirisch bestimmt. Eine Möglichkeit besteht darin, den Signalpegel an einem Lautsprecher zu erhöhen und den Punkt zu notieren, an dem eine höhere Signalamplitude nicht zu einer entsprechenden Erhöhung der Ausgangslautstärke führt. Ein anderer Ansatz ist, das maximale Signal zu bestimmen, das ein Gerät über einen bestimmten Zeitraum wiedergeben kann, ohne dass es aufgrund thermischer Belastung ausfällt.

Messungen sind der objektive Ausdruck subjektiver Produktanforderungen. In den ersten Phasen der Produktentwicklung sollte man einen Zielfrequenz- und Zielverzerrungsgang haben. Die objektive Quantifizierung subjektiver Kriterien ist besonders wichtig, wenn es um die Entwicklung eines akustischen Geräts geht. Bei Lautsprechern wird davon ausgegangen, dass ein flacher Frequenzgang erwünscht ist, wenn er in einer schalltoten Umgebung in der Achse gemessen wird. Für Ohrhörer und Kopfhörer gibt es keine allgemein akzeptierte Frequenzgangfunktion.

Worauf es bei Ohr- und Kopfhörern ankommt

Das menschliche Ohr ist eine komplexe akustische Belastung, die individuell unterschiedlich ausgeprägt ist. Bei Ohr- und Kopfhörern ist es wichtig, aus den subjektiven Vorgaben objektive Kriterien abzuleiten. An die Konzeptionsphase der Produktentwicklung schließt sich die Qualifizierung der Komponenten. Für Audio-Messungen gibt es zwei wichtige Voraussetzungen. Im Allgemeinen sind viele Spezifikationen der Komponenten bekannt. Für das Produktdesign sind sie allerdings unbedeutend.

Zudem lassen sich die Spezifikationen von Komponenten häufig nicht miteinander vergleichen. Fast keine zwei Komponentenlieferanten geben die Parameter auf die gleiche Weise an. Bei der Bauteil-Qualifizierung helfen Messungen, dass verschiedene Geräte miteinander vergleichbar sind. Eine messtechnische Untersuchung hilft bei der Frage, ob die Komponenten die spezifischen Anforderungen in der Produktentwicklung erfüllen. Die Kette von Audiomessungen unterstützt objektive Anforderungen, damit ein neues Produkt die beabsichtigte Leistung erbringt.

* Daniel Knighten ist Produktmanager bei Audio Precision

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