So misst Professional audio

Oder: Anleitung zur Kurvendiskussion

In diesem Artikel möchte ich die Verfahren beschreiben, nach denen in der Professional audio Messergebnisse und Diagramme an verschiedenen elektroakustischen Geräten – vom Mikrofon über Verstärker und Effektgeräte bis hin zum Lautsprecher – ermittelt und ausgewertet werden.

Von Uli Apel

Das Wort „Messen“ stammt vom lateinischen Wort „Metiri“ ab, das gemeinhin als „Vergleichen“ übersetzt wird. Denn nur durch ein gemeinsames Maß sind Dinge überhaupt vergleichbar. Die Messungen in der Professional audio werden in Anlehnung an Normen und Vorschläge aus den Pflichtenheften der deutschen ARD-Rundfunkanstalten, der AES, der EBU, der ITU, des VDE und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt durchgeführt. Mit diesem Vorgehen soll ist eine weitgehende Objektivität und auch Vergleichbarkeit für den Leser gegeben.

Mit den auf diesen Wegen ermittelten Ergebnissen lassen sich aber auch Hersteller-Daten nachvollziehen. Denn es gibt bekanntlich gerade in der Tonstudiotechnik durch die Existenz des relativen Pegels „dB“ (mit all seinen Indices) unzählige Möglichkeiten, Zahlenbeträge zu veröffentlichen. Jeder Hersteller veröffentlicht andere Messdaten – so sind zwar die Daten an sich informativ und im Kontext richtig, aber kaum mit den völlig unterschiedlich ermittelten Daten eines anderen Produkts vergleichbar.

Die Messungen bei Professional audio finden überwiegend mit einem Audio-Precision SYS-2722 Messcomputer statt. Frequenzgänge von Lautsprechern messen wir analog mit dem klassischen Neutrik-Frequenzgangschreiber mit Wobbeltechnik.

In gesonderten Kästen finden Sie eine Sammlung von Begriffsdefinitionen, die zum Verständnis meiner Ausführung beitragen möchten. Außerdem werde ich auch darauf hinweisen, wie sich das Gemessene auf das Gehörte auswirkt.

Messungen an Mikrofonen

Um ein Mikrofon objektiv beurteilen zu können, müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein:
1. Der Schall zur Betönung muss in seiner Stärke und seiner Ausbreitung genormt sein.
2. Das Mikrofon muss einen definierten Abstand und eine definierte Ausrichtung zur Schallquelle besitzen.
3. Das Ausgangssignal des Mikrofons darf bei der Messung nur unwesentlich durch das angeschlossene Messgerät beeinflusst werden.
4. Die Speisung des Mikrofons (bei aktivem Wandler: Phantomspannung) hat exakt 48 Volt zu betragen.
5. Diese Versorgungsspannung muss hochgradig reiner Gleichstrom sein, denn gerade hier fallen Unsauberkeiten immens ins Gewicht.

Feldbetriebsübertragungsfaktor

Das Mikrofon wird zur Ermittlung des Feldbetriebsübertragungsfaktors – in unseren Tabellen unter dem Begriff Empfindlichkeit bekannt – zunächst mit einem Sinuston von 250 Hz bei einem Pegel von 1 Pa betönt.
Diese Frequenz ist gewählt worden, da bei einem Betönen mit 1000 Hz nicht ausgeschlossen werden kann, dass unter den im Professional audio-Labor gegebenen Bedingungen, an der Membran bereits Kammfiltereffekte auftauchen. Diese könnten durchaus größere Fehler erzeugen. Außerdem können Mikrofone zur Ermittlung des Feldbetriebsübertragungsfaktors auch mit einem Pistonphon gemessen werden.
Dieses gibt eine Frequenz von 250 Hz ab. Mit Hilfe dieser Messmethode kann auch der maximale Grenzschalldruckpegel ermittelt werden, denn nur hier ist gewährleistet, dass der Schalldruckgeber einen Klirrfaktor kleiner 0,02 % bei einem Schalldruck von bis zu 140 dB hat.
Das Ergebnis wird in mV/Pa (= Millivolt/Pascal) in den technischen Daten angegeben.
Der Feldbetriebsübertragungsfaktor gibt an, welche effektive Wechselspannung ein Mikrofon abgibt, wenn es einem Schalldruck von 1 Pa ausgesetzt wird. Dieser wird meist für 1 kHz angegeben. 1 Pa = 10 µbar = 94 Phon. Diese Prüfung findet „auf freiem Feld“ statt, d.h. ohne Reflexion von Wänden oder ähnlichem.

Die durchschnittliche Empfindlichkeit von Studiomikrofonen liegt bei ca. 20 mV/Pa, weil es sich meist um Kondensatormikrofone mit einem eigebauten Verstärker handelt. Anders verhält es sich bei dynamischen Mikrofonen, die – systembedingt – allein aus der Schwingspule ihre Ausgangsspannung erzeugen. Diese ist um ca. 20 dB (also um den Faktor 10) geringer als die von den Kondensatorkollegen. Vorteile bei diesen Mikros: Sie sind sehr robust und vor eventueller Übersteuerung besser geschützt.

Geräuschpegelabstand

Die Ermittlung geschieht ebenfalls nach einschlägigen Vorschriften aus der akustischen Messtechnik: Das Mikrofon wird in ein Prüfrohr geschoben, welches gegenüber Geräuschen aus der Umgebung speziell abgeschirmt ist. Dann wird die Spannungsdifferenz zwischen dem Pegel bei der Betönung von 1 Pa und der Spannung, die das Mikrofon ohne Betönung abgibt, gemessen. Diese Messung erfolgt gewichtet über das A-Filter und wird daher als Geräuschpegelabstand angegeben. (Das A-Filter ist ein Gewichtungsfilter, welches in etwa die Empfindlichkeit unseres Gehörs nachbildet.)

Die Geräuschspannung ist die gehörwertrichtig bewertete Eigenstörspannung, die ein Mikrofon selbst erzeugt (durch elektronische Bauteile, Wärme, etc.). Gemessen wird ohne ein Auftreffen von Schall, also im Mikrofonprüfrohr, welches einem „schalltoten Raum“ entspricht. Der Geräuschspannungsabstand ist das in dB ausgedrückte Verhältnis der Spannung, die das Mikrofon bei einem Schalldruck von 1 Pa und der Frequenz 1 kHz abgibt, zu seiner eigenen Geräuschspannung.

Zur Orientierung: Werte von der Größenordnung von 70 dB und darüber gehen in Ordnung. Deutlich kleinere Werte lassen auf ein hörbares Rauschen schließen.

Frequenzgang

Da Professional audio mit keinem komplett „schalltoten“ Raum arbeitet, wird mit Hilfe der MLS-Methode der Frequenzgang des Mikrofons gemessen. Diese Messmethode, die nur dank moderner Computertechnik möglich ist, erlaubt es, akustische Messungen (fast) unter normalen Betriebsbedingungen (wie etwa im Studio) zu machen (MLS steht für: Maximum-Length Sequence). Das Messsignal enthält alle Frequenzen (vergleichbar mit dem „Rosa Rauschsignal“) und ist durch seine Kürze – 1 Sekunde Dauer – hervorragend geeignet, Amplitudenfrequenzgänge zu ermitteln, die dann, je nach Raumgröße, durchaus bis 70 Hz hinunterreichen. Das MLS-Signal wird auch mit einem Pegel von 1 Pa erzeugt.

Aus dem Verlauf des Frequenzgangs lässt sich schließen, ob das Mikrofon für die Nahbesprechung (Abfall in Richtung der tiefen Frequenzen) oder ob es sich für die Abnahme von Instrumenten (das erfordert z.B. einen möglichst linearen Frequenzgang) eignet. Des Weiteren lässt sich erkennen, ob beispielsweise der Präsenzbereich (Sprachverständlichkeit) oder die Höhen des Mikrofons (in dezenter Form bei Gesang häufig gewünscht) angehoben werden.

Verstärkermesstechnik

Definition Vorverstärker – Endverstärker
Vorverstärker sind grundsätzlich Verstärker, die nur dazu dienen, niedrige Pegel innerhalb einer Übertragungskette anzuheben. Alle Pegel, kleiner als -10 dBu werden in der Studiotechnik als niedrig angegeben.
Pegel zwischen -10 und + 22 dBu bezeichnet man als Linepegel, Pegel > 22 dBu werden als Hochpegel bezeichnet. Vorverstärker sind Spannungsverstärker. Spannungsverstärker werden für die Professional audio immer mit einem Ausgangspegel von 4 dBu gemessen. Alle Messungen, so auch die Empfindlichkeitsangaben am Eingang beziehen sich auf diesen Wert.

Endverstärker sind Verstärker, die einen Spannungspegel zu einem Leistungspegel machen. Endverstärker werden nach Herstellerangaben gemessen, da bei ihnen meist der Antrieb eines Lautsprechers o. ä. gewährleistet sein muss.

Zur Beurteilung eines Vor-Verstärkers wird das Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangssignal angegeben. Hier ist die Angabe in dB üblich. Ein Mikrofonverstärker sollte mindestens eine Verstärkung von 60 dB haben, denn nur so lässt sich eine Ausgangsspannung eines dynamischen Mikrofons auf Studiopegel anheben. Bei unseren Messungen an Mikrofonvorverstärkern stellen wir grundsätzlich eine Verstärkung von 44 dB ein (-40 dBu am Eingang ergibt + 4dBu am Ausgang). Die Ermittlung des maximalen Eingangspegels und des maximalen Ausgangspegels bezieht sich auf eine Verstärkung, bei der gerade ein Klirrfaktor von 1% erreicht wird.

Der Verstärkungsfaktor eines Verstärkers errechnet sich aus der Differenz zwischen Normpegel – bei uns sind das +4 dBu – und dem Fremdspannungsabstand.

Amplitudenfrequenzgang

Die Ermittlung geschieht bei analogen Geräten in der Regel im Bereich von 100 kHz bis 10 Hz. Es wird immer mit der oberen Grenzfrequenz begonnen, da in diesem Fall ein Sweep objektivere Messungen ergibt, da das System (Verstärker) vom eingeschwungenen Zustand aus gemessen wird. Die Darstellung erfolgt im Kartesischen Diagramm Pegel (dBu) über Frequenz (Hz). Je linearer ein solcher Frequenzgang ist, desto neutraler verhält sich der Verstärker gegenüber Klangverfärbungen.

Gleichtaktunterdrückung

Bei symmetrischen Geräten wird die Gleichtaktunterdrückung gemessen, da sie neben Verzerrungen im tieffrequenten oder hochfrequenten Bereich auch für die Störanfälligkeit bei der Verwendung von langen Kabeln zuständig ist. Die Messung CMRR (Common-Mode-Rejektion-Ratio) ergibt auch eine Darstellung Pegel über Frequenz.

Der CMRR-Wert sollte über den gesamten Frequenzbereich niedriger als -65 dB sein. Verringert er sich zu höheren Frequenzen hin, kann es Probleme mit der Einstreuung durch Fremdfelder von Dimmern oder ähnlichem geben. Auf der anderen Seite – im Bassbereich – können Brummstörungen auftreten.

Lineare und nichtlineare Verzerrungen

Ein weiteres Qualitätskriterium für Vorverstärker ist die Erzeugung von Verzerrungen. Verzerrungen werden unterschieden in lineare und nichtlineare.

Unter linearen Verzerrungen werden jede Art von Equalizer oder Filtereigenschaften verstanden. So ist ein Trittschallfilter z.B. ein linearer Verzerrer. Oder ein Verstärker für besondere Signalquellen (Phonoentzerrer, Magnetkopfverstärker) ist ein Verstärker mit linearer Verzerrung. Diese entsprechenden Kurven werden bei Professional audio ebenfalls gemessen und in entsprechenden Diagrammen (in der Professional audio wird beispielsweise Frequenzgang eines zuschaltbaren Trittschallfilters in der Regel mit veröffentlicht).

Nichtlineare Verzerrungen aber, die dem Signal Anteile hinzufügen, die vor der Verstärkung nicht vorhanden waren, sind unerwünschte Eigenschaften eines Verstärkers. Diese können auf verschiedene Arten gemessen werden:

FFT-Spektrum

Über das FFT-Spektrum lassen sich am leichtesten die einzelnen Harmonischen (k2, k3, etc.) ablesen. Das Rauschspektrum an der Untergrenze der FFT-Kurve wird als Noise-Floor bezeichnet. Liegt dieser um -80 dB oder tiefer (sehr gute Geräte schaffen -110 dB und besser) und wird nicht nennenswert überschritten, gehen die Werte in Ordnung. Befinden sich auf Höhe der Harmonischen Peaks im FFT-Spektrum, die deutlich über die -60 dB-Marke hinausragen, können diese hörbar als Verzerrung oder harmonische Sättigung in Erscheinung treten. Das gleiche gilt für Anhebungen im Bassbereich, die auf Brummen hindeuten.
In den Diagrammen ist der Pegel über der Frequenz aufgetragen und es muss nur noch die Klirrdämpfung, die bekanntlich in dB angegeben wird, in einen Klirrfaktor umgerechnet werden.
Im Gegensatz zur Angabe „THD+N“ besteht hier die Möglichkeit, die einzelnen Harmonischen von ihrem absoluten Pegel her einzuordnen. Der Geräuschanteil ist die (gekräuselte) Linie im unteren Teil des Diagramms. Klangliche Aussagen sind schwer zu treffen, da es durchaus Diagramme gibt, die „grausam“ aussehen, und deren „Erzeuger“ – der gemessene Verstärker – trotzdem angenehm klingt.

Der Klirrfaktor als numerischer Wert in Prozent

Diese Angabe erfolgt in PAM als THD+N und bezeichnet den Gesamtklirrfaktor als Summe aller Harmonischen (Total Harmonic Distortion) und des Rauschens (+ Noise) des Verstärkers. Aus diesem Ergebnis können nicht einzelne Harmonische herausgezogen werden. Wenn k2 oder k3 getrennt von Interesse sind, muss auf die FFT-Darstellung zurückgegriffen werden.
Zur Orientierung: Ein Klirrfaktor von weniger als 1 % ist schon meist nicht mehr wahrnehmbar. 0,1 % und besser gelten in der Studiotechnik als quasi klirrfrei.

Fremd-/Geräuschspannungen

Die Ermittlung dieser Werte geschieht wieder auf den bezogenen Ausgangspegel von +4 dBu. Geräuschspannung wird gemessen über das A-Filter und Fremdspannung nach CCIR (22,5 Hz – 22 kHz). Dazu wird eine Verstärkung von 44 dB eingestellt. Der Eingang wird mit 200 Ohm abgeschlossen.

Diese Werte sollten ebenfalls größer als 75 dB sein. Sehr hohe Eingangswiderstände (an DI-Adaptern beispielsweise) bergen sonst die Gefahr für Brumm- oder Störsignaleinsteuungen.

Übersprechen

Übersprechen oder Crosstalk bedeutet die Hörbarkeit eines Signals, welches nicht in den Eingang eingespeist wird, an dem die Messung vorgenommen wird. Zum Beispiel wird der linke Kanal mit einem Messton beschickt und am Ausgang des rechten Kanals wird gemessen. Die Differenz zwischen dem linken und dem rechten Kanal zeigt das Übersprechen, das im Frequenzgang dargestellt wird.
Liegt der Wert für das Übersprechen durchgehend unter -65 Dezibel, entspricht dies der Studionorm. Liegen die Werte mehr als deutlich darüber, leidet die Stereo-Trennung.

Phantomspeisung

Die Phantomspannung dient der Speisung der in Kondensatormikrofonen verbauten Verstärker. Diese Speisung geschieht nicht über eine eingebaute Batterie im Mikrofon selbst, sondern durch das Anschlusskabel des Mikrofons mit Hilfe einer genormten Schaltung. Die Spannung dafür beträgt im Normalfall 48 V (Volt). Der Gleichstrom fließt symmetrisch über die Widerstandspaare beider Tonfrequenzanschlussadern des Mikrofons in den Verstärker und wird durch die Abschirmung des Kabels wieder zurückgeführt.
Professional audio misst die Spannung mit einem gewöhnlichen Volt-Meter am Eingang des jeweiligen Verstärkers. Liegt der Wert im Bereich von 48 +/-4 Volt, ist die Versorgung des angeschlossenen Kondensatormikrofons gewährleistet. Liegt sie deutlich darunter, könnte es zu einer Unterversorgung des Mikrofons kommen, was sich im Anstieg des Rauschens äußert. Liegt der Wert deutlich darüber, könnte das Mikrofon Schaden nehmen.

Ausblick

In der zweiten Folge zu unserer Messtechnik bei Professional audio geht es um das Messen von Wandlern/Interfaces und Lautsprechern sowie um unsere Messinstrumente.

 

Kenngrößen von Schall

Schallfrequenz
Die langsamste Schwingung, die das menschliche Ohr noch als Schall wahrnimmt, beträgt ca. 16 Hz. Wobei ein Hz = eine Schwingung pro Sekunde bedeutet. Die höchste, noch wahrnehmbare Frequenz ist ca. 20.000 Hz.

Schall wird gegliedert in:
a. Töne (sinusförmige Schwingungen einer Frequenz)
b. Klänge (Sinusförmige Schwingungen mehrerer sich überlagernder Frequenzen
c. Geräusche (Schwingungen stochastischer Art, ohne Periodizität)

An harten Wänden wird der Schall reflektiert (gespiegelt). Von weichen Stoffen wird der Schall absorbiert (verschluckt). In geschlossenen Räumen ergeben sich Anhall- und Nachhallerscheinungen, die einerseits die Gesamtlautstärke erhöhen und andererseits die Zeitdauer des Schallereignisses verlängern.

Wellenlänge
Betrachten wir die Schallschwingungen „Hz“, bezogen auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in der Luft, so können wir folgern, dass eine Schwingung genau 333 m lang ist, wenn die Frequenz 1 Hz beträgt.
Bei einem Ton von 100 Hz ist die Wellenlänge 333 m/100 Hz = 3,33 m für eine Schwingung. Bei einem Ton von 10 kHz beträgt die Wellenlänge nur noch 3,3 cm.

Lautstärke (Pegel)
Wenn von einer Einheit für die Lautstärke gesprochen wird, taucht der Begriff „phon“ oder die Bezeichnung „Dezibel“ auf. Beide werden gern – gerade zur Beschreibung der Lautstärke – in einem Atemzug genannt. Vielen ist jedoch der Unterschied nicht deutlich: Phon bezeichnet den Lautstärkepegel, dB den Schalldruckpegel. Der Unterschied ist in der Nichtlinearität unseres Gehörs begründet: Wir hören verschiedene Frequenzen nicht gleichlaut, auch wenn sie im Schalldruckpegel gleiche Werte haben.

Bei der Gewinnung von Kurven gleicher Lautstärkepegel spielen die Bedingungen unter denen gemessen wird, und die Versuchspersonen eine wichtige Rolle. Daraus ergibt sich das Fletcher-Munson-Diagramm für gleiche Lautstärkepegel von Sinustönen im freien Schallfeld. Nur bei der Frequenz 1000 Hz stimmen Schalldruck und Schallpegel wertmäßig überein (siehe auch Tabelle). Die Zerlegung eines Klanges, der ja aus mehreren Tönen besteht, heißt „Analyse“. Die Darstellungsform wird „Frequenzspektrum“ genannt.

Merke:
1. Je höher die Frequenz, desto höher der Ton.
2. Je größer die Amplitude, desto größer die Lautstärke.
3. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt 344 m/s bei 20°C.
4. Hörschwelle: ca. 20 Mikropascal, die Auslenkung der Luftmoleküle beträgt dann ca. 5,6 Picometer.
5. Schmerzschwelle: ca. 200 Pascal. Das entspricht einer Auslenkung der Luftmoleküle um ca. 5 Hundertstel mm.
6. 1 Phon Lautstärkeunterschied ist gerade noch hörbar, 10 Phon Lautstärkezunahme erzeugen den Eindruck: doppelt so laut.
(Gern wird, der Einfachheit halber, statt von Phon auch von dB gesprochen, auch wenn das einer genauen wissenschaftlichen Grundlage zuwiderläuft.)

Weiter zum zweiten Teil –>

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