Entwicklung einer Software zur Messung der Übertragungsfunktion von Lautsprechern mittels Auswertung der Impulsantwort

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung  4

1.1  Beurteilung und Messung der Qualit at eines Lautsprechers  4

1.2  Meßverfahren zur Messung an Lautsprechern  6

1.3  Raum-Impulsantwort und Lautsprecher-Impulsantwort  6

2  Entwicklungssystem Delphi 4 Standard  7

2.1  Entwicklungsumgebung (IDE)  8

2.2  Die VCL (Visual Component Library)  9

2.3  Vorgehensweise bei der Entwicklung von Delphi-Anwendungen  10

3  Eingesetzte Delphi-Komponenten von Drittanbietern  12

4  Bestimmung der  

  Ubertragungsfunktion eines Lautsprechers  15

4.1  Meßaufbau  15

4.2  Meßvorgang  16

4.3  Setzen der Bewertungsfenster f ur die Zeitsignale  18

4.4  Transformation in den Frequenzbereich FFT (Schnelle Fourier  

  Transformation)  19

4.5  System- und signaltheoretische Betrachtungen  20

4.5.1  Fourier-Transformierte eines zeitlich verschobenen  

  Rechteck-Impulses  20

4.5.2   

  Ubertragungsfunktion eines LTI-Systems  21

4.5.3  Fensterung im Zeitbereich  22

4.5.4  Abtastung und Aliasing  23

5  Das Windows WAV-Format  24

6  Software-Realisierung  26

6.1  Standard-Version  26

6.2  Spezial-Version  29

6.3  Zusatz-Software: Signalanalyse im Zeit- und Frequenzbereich  30

1

INHALTSVERZEICHNIS 2

7  Erstellen von Installationsdisketten  32

8  Erprobung der entwickelten Anwendungen  35

9  Erweiterungs- und Verbesserungsm oglichkeiten  38

10  Anhang  39

10.1  Literaturverzeichnis  39

10.2  Hinweis zum Textsatz  40

Abbildungsverzeichnis

2.1 Entwicklungsumgebung (IDE) von Delphi 4 Standard . . . . . . . 8

4.1 Positionierung des Bewertungsfensters f¨ ur die Lautsprecher-Impulsantwort nach der Regel der reflexionsfreien Messung (Die gelbe Kurve zeigt das Rechteck-Fenster.) . . . . . . . . . . . . . . 19 4.2 Zeitlich verschobener Rechteck-Impuls . . . . . . . . . . . . . . 20

5.1 Struktur einer WAV-Datei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

6.1 Visuelle Bedienober߬ ache der Software (Standard-Version) . . . . 26 6.2 Visuelle Bedienober߬ ache der Software (Spezial-Version) . . . . . 29

7.1 Programmoberfl¨ ache von InstallShield Express f¨ ur Delphi 4 . . . 32 7.2 Schrittweise Erstellung eines Installationsprogrammes mit InstallShield Express f¨ ur Delphi 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 7.3 InstallShield Express f¨ ur Delphi 4 erkennt, welche Dateien f¨ ur die Lauff¨ ahigkeit der Software zus¨ atzlich ben¨ otigt werden. . . . . . . 34

8.1 Amplitudenfrequenzgang eines Rechteck-Impulses (Impulsdauer: ¼ Ñ×) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

8.2 Amplitudenfrequenzgang eines periodischen Rechteck-Signals 8.3 Amplitudenfrequenzgang eines periodischen Sinus-Signals (

( ½ ÀÞ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

½ÀÞ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Kapitel 1

Einleitung

1.1 Beurteilung und Messung der Qualit¨ at eines

Lautsprechers

Um einen realen Lautsprecher hinsichtlich seiner Qualit¨ at zu beurteilen, werden in der elektroakustischen Meßtechnik verschiedene Lautsprecher-Kenngr¨ oßen gemessen. Ein idealer Lautsprecher w¨ urde alle ihm vom Verst¨ arker zugef¨ uhrten Signale direkt in Schall umwandeln, ohne etwas hinzuzuf¨ ugen oder fortzulassen. Die von den Lautsprechern bewirkten unerw¨ unschten Ver¨ anderungen des Originals heißen “Verzerrungen“, wobei zwischen linearen und nichtlinearen unterschieden werden. Lineare Verzerrungen zeigen sich im Amplitudenfrequenzgang aber auch im Impulsverhalten. Die Membranen idealer Lautsprecher m¨ ußten einen zugef¨ uhrten elektrischen Impuls ohne Verz¨ ogerung in Schall umwandeln und nach dem Abklingen des Signals augenblicklich wieder in ihre Ruhelage zur¨ uckkehren. Dieses Verhalten l¨ aßt sich in der Praxis allerdings nicht realisieren, da ein Lautsprecher beim Einschwingen zun¨ achst einmal die Massetr¨ agheit der Membran und der ihn umgebenden Luft ¨ uberwinden muß. Wichtig f¨ ur eine ordentliche

Impulswiedergabe ist Resonanzarmut. Resonanzen bei der Lautsprecherwiedergabe haben verschiedene Ursachen. Im Baßbereich spielen H¨ orraumresonanzen die maßgebende Rolle. Sie entstehen durch Schallreflexionen an den W¨ anden, und zwar vor allem bei denjenigen Frequenzen, deren halbe oder ganze Wellenl¨ ange dem (k¨ urzesten) Wandabstand entspricht. Sie lassen sich wie folgt errechnen:

und ¾× ×

wobei hier f¨ ur die Schallgeschwindigkeit (rund ¿¿¼ Ñ × ) und × f¨ ur die Rauml¨ ange,

-breite oder -h¨ ohe steht. St¨ arker ausgepr¨ agt ist meist . In einem realen, d.h. reflexionsbehafteten Raum bilden sich also stehende Wellen aus, verursacht durch

4

KAPITEL 1. EINLEITUNG 5

wiederholte Reflexionen zwischen den W¨ anden, die sich kaum verhindern lassen. Direkte sowie einfach und mehrfach reflektierte Schallwellen addieren sich. Im Mittel- und Hochtonbereich entscheiden im wesentlichen Eigenresonanzen der beweglichen Einzelteile eines Lautsprechers ¨ uber dessen klangliche Qualit¨ at.

Neben einem ungleichm¨ aßigen Amplitudenfrequenzgang und langen Ein- und Ausschwingzeiten z¨ ahlen auch Phasenverschiebungen zu den linearen Verzerrungen eines Lautsprechers. Dabei handelt es sich um minimale Zeitverschiebungen zwischen einzelnen Frequenzen, die zu h¨ orbaren Verschlechterungen des Klangbildes f¨ uhren k¨ onnen. Bei Lautsprechersystemen werden Phasenverschiebungen sowohl durch die Frequenzweiche als auch durch unterschiedliche Wegstrecken zwischen dem H¨ orer oder Mikrofon und den einzelnen Chassis verursacht. W¨ ahrend also lineare Verzerrungen f¨ ur die Klangqualit¨ at eines Lautsprechers grunds¨ atzlich entscheidend sind, kommen nichtlineare Verzerrungen (Klirrverzerrungen und Intermodulationsverzerrungen) meist erst bei hohen Lautst¨ arken ins Spiel.

Um also die Klangqualit¨ at eines Lautsprechers zu beurteilen, m¨ ussen folglich Lautsprecher-Kenngr¨ oßen gemessen werden, die Aufschluß ¨ uber die linearen

Verzerrungen geben k¨ onnen. Daher mißt man h¨ aufig zur Beurteilung der Qualit¨ at eines Lautsprechers:

¯ Amplitudenfrequenzgang (Schalldruck aufgetragen ¨ uber der Frequenz)

¯ Phasenfrequenzgang (Phasenverschiebung aufgetragen ¨ uber der Frequenz)

Mit Hilfe des Amplitudenfrequenzganges lassen sich R¨ uckschl¨ usse auf die frequenzselektiven Eigenschaften des Lautsprechers ziehen. Hierdurch kann man erkennen, bei welchen Frequenzen dieser einen erh¨ ohten Schalldruck von sich gibt und bei welchen Frequenzen dieser einen verminderten Schalldruck von sich gibt. Im Idealfall sollte sich der Lautsprecher im gesamten f¨ ur den H¨ orbereich relevanten Frequenzbereich (maximal: ¾¼¾¼¼¼¼À Þ ) neutral verhalten, d.h. die Kurve des Amplitudenfrequenzganges w¨ are dann exakt eine horizontale Linie. Dieses Verhalten l¨ aßt sich allerdings aufgrund von nicht vermeidbaren Nichtidealit¨ aten der einzelnen Lautsprecher-Elemente (z.B.: Schwingspule, Schwingspulenmagnet, Lautsprechermembran, Eigenresonanz des Lautsprechers, bei Lautsprechersystemen mit Geh¨ ause auch die Frequenzweiche) im realen Fall nicht erreichen; man erh¨ alt daher dann eine Kurve mit lokalen Maxima (“Peaks“) und Minima (“Einbr¨ uche“) f¨ ur den Amplitudenfrequenzgang. Der Phasenfrequenzgang demgegen¨ uber sollte im Idealfall ebenfalls durch eine exakt horizontale Kurve beschreibbar sein; die im realen Fall vorhandene Abweichung hiervon ist auf dieselben Gr¨ unde zur¨ uckzuf¨ uhren wie bereits beim Amplitudenfrequenzgang be- schrieben.

KAPITEL 1. EINLEITUNG 6

Um nun die Qualit¨ at eines Lautsprechers beurteilen zu k¨ onnen, werden in der Elektroakustik Meßsysteme (entweder rein hardwarem¨ aßig, rein softwarem¨ aßig oder kombiniert) mit unterschiedlichen Meßverfahren eingesetzt, die eine m¨ oglichst pr¨ azise Messung des Amplituden- bzw. Phasenfrequenzganges erm¨ oglichen sollen.

1.2 Meßverfahren zur Messung an Lautsprechern

F¨ ur die meisten Lautsprecher ist eine Messung im Lautsprecher-Nahfeld ausreichend. Das Nahfeld eines Lautsprechers ist ein Bereich, bei dem man sich in unmittelbarer N¨ ahe zum Lautsprecher befindet. Diesem Abstand entspricht etwa eine halbe Wellenl¨ ange des Schallsignales. Bei Lautsprechermessungen mit Hilfe eines Mikrofons w¨ ahlt man h¨ aufig einen Abstand von ca. ½Ñ, wobei das Mikrofon sich exakt auf der H¨ ohe des zu messenden Lautsprechers befinden sollte. Dies ist wichtig, da das Abstrahlverhalten eines Lautsprechers richtungsabh¨ angig ist, d.h. die Meßergebnisse h¨ angen stark von der relativen Position von Lautsprecher und Mikrofon ab. Eine der wichtigsten Vorteile der Nahfeldmessung ist, dass der Einfluß von Raumreflexionen dann fast vernachl¨ assigt werden kann. (Dies h¨ angt von der Raumakustik ab.) Die ¨ Ubertragungsfunktion eines Lautsprechers kann mit

Hilfe von Sinus-, Rausch- und Impulssignalen gemessen werden. In der elektroakustischen Meßtechnik setzt man h¨ aufig Rauschen oder impulsf¨ ormige Signale ein.

1.3 Raum-Impulsantwort und Lautsprecher-Impulsantwort

Die Raumimpulsantwort zwischen zwei Punkten innerhalb eines Raumes l¨ aßt sich in Direktsignal, erste Reflexionen von W¨ anden und diffusen Nachhall aufspalten. Bei der in dieser Diplomarbeit durchgef¨ uhrten Messung wird in einem realen, d.h. reflexionsbehafteten Raum gemessen. Um nun trotzdem eine exakte Messung zu gew¨ ahrleisten, werden sowohl die ersten Reflexionen von W¨ anden als auch der diffuse Nachhall von der entwickelten Software unterdr¨ uckt. Auf diese Weise erh¨ alt man praktisch dieselben Meßergebnisse als wenn man in einem idealen (d.h. reflexionsfreien) Raum messen w¨ urde.

Kapitel 2

Entwicklungssystem Delphi 4

Standard

Delphi ist ein grafisches Entwicklungstool, mit dem man schnell und komfortabel leistungsf¨ ahige Windows-Anwendungen erstellen kann. Besonders hervorzuheben sind die durchdachte Entwicklungsoberfl¨ ache und vor allem der leistungsf¨ ahige und schnelle Compiler. Seit der Version 2 hat Delphi den Schritt von der 16bit-Version f¨ ur Windows 3.x zur 32-bit-Version f¨ ur Windows 95/98 und NT gemacht. Der Begriff “Entwicklungssystem“ bedeutet, dass sich die komplette Softwareerstellung innerhalb eines einzigen Programms, der Entwicklungsumgebung (IDE, Integrated Development Environment), abspielt. Auch anspruchsvolle Datenbankanwendungen sind mit Delphi m¨ oglich. Als Programmiersprache verwendet Delphi Object Pascal. Es handelt sich hierbei um eine Erweiterung von Pascal um viele objektorientierte Eigenschaften, so dass man mit Delphi alle neuen Features von Windows nutzen kann. Damit ist es zul¨ assig, alle Standardprozeduren, -funktionen, -schleifen etc. von Pascal im Quellcode zu verwenden. Delphi reicht an die Leistungsf¨ ahigkeit einer C++-Entwicklungsumgebung heran und bietet dennoch eine relativ leicht zu erlernende Sprache und eine angenehm zu bedienende Oberfl¨ ache. Delphi 4 gibt es in den folgenden drei Versionen:

7