Diplomarbeit

Thema: 

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

Entwicklungssystem: Borland Delphi 4 Standard mit
Zusatzkomponenten von Drittanbietern

von

Stephan Schelk

30. Dezember 1999

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung  ...  4
1.1 Beurteilung und Messung der Qualität 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 Übertragungsfunktion eines Lautsprechers  ...  15
4.1 Meßaufbau  ...  15
4.2 Meßvorgang ...   16
4.3 Setzen der Bewertungsfenster für 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 Übertragungsfunktion 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

7 Erstellen von Installationsdisketten  ...  32

8 Erprobung der entwickelten Anwendungen  ...  35

9 Erweiterungs- und Verbesserungsmöglichkeiten  ...  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 für 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 Bedienoberfläche der Software (Standard-Version) ...  26
6.2 Visuelle Bedienoberfläche der Software (Spezial-Version)  ...   29
7.1 Programmoberfläche von InstallShield Express für Delphi 4  ...  32
7.2 Schrittweise Erstellung eines Installationsprogrammes mit InstallShield Express für Delphi 4  ...  33
7.3 InstallShield Express für Delphi 4 erkennt, welche Dateien für die Lauffähigkeit der Software zusätzlich benötigt werden. ...  34
8.1 Amplitudenfrequenzgang eines Rechteck-Impulses (Impulsdauer: [Formel])
8.2 Amplitudenfrequenzgang eines periodischen Rechteck-Signals [Formel]  ...  36
8.3 Amplitudenfrequenzgang eines periodischen Sinus-Signals [Formel] ...   37

Kapitel 1

Einleitung

1.1 Beurteilung und Messung der Qualität eines Lautsprechers

Um einen realen Lautsprecher hinsichtlich seiner Qualität zu beurteilen, werden in der elektroakustischen Meßtechnik verschiedene Lautsprecher-Kenngrößen gemessen. Ein idealer Lautsprecherwürde alle ihm vom Verstärker zugeführten Signale direkt in Schall umwandeln, ohne etwas hinzuzufügen oder fortzulassen. Die von den Lautsprechern bewirkten unerwünschten Veränderungen 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 müßten einen zugeführten elektrischen Impuls ohne Verzögerung in Schall umwandeln und nach dem Abklingen des Signals augenblicklich wieder in ihre Ruhelage zurückkehren. Dieses Verhalten läßt sich in der Praxis allerdings nicht realisieren, da ein Lautsprecher beim Einschwingen zunächst einmal die Masseträgheit der Membran und der ihn umgebenden Luft überwinden muß. Wichtig für eine ordentliche Impulswiedergabe ist Resonanzarmut. Resonanzen bei der Lautsprecherwiedergabe haben verschiedene Ursachen. Im Baßbereich spielen Hörraumresonanzen die maßgebende Rolle. Sie entstehen durch Schallreflexionen an den Wänden, und zwar vor allem bei denjenigen Frequenzen, deren halbe oder ganze Wellenlänge dem (kürzesten) Wandabstand entspricht. Sie lassen sich wie folgt errechnen:

[Formel in Downloaddatei enthalten],

wobei hier (Formel) für die Schallgeschwindigkeit (Formel) und (Formel) für die Raumlänge, -breite oder -höhe steht. Stärker ausgeprägt ist meist (Formel). In einem realen, d.h. reflexionsbehafteten Raum bilden sich also stehende Wellen aus, verursacht durch wiederholte Reflexionen zwischen den Wänden, 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 über dessen klangliche Qualität.

Neben einem ungleichmäßigen Amplitudenfrequenzgang und langen Ein- und Ausschwingzeiten zählen auch Phasenverschiebungen zu den linearen Verzerrungen eines Lautsprechers. Dabei handelt es sich um minimale Zeitverschiebungen zwischen einzelnen Frequenzen, die zu hörbaren Verschlechterungen des Klangbildes führen können. Bei Lautsprechersystemen werden Phasenverschiebungen sowohl durch die Frequenzweiche als auch durch unterschiedliche Wegstrecken zwischen dem Hörer oder Mikrofon und den einzelnen Chassis verursacht. Während also lineare Verzerrungen für die Klangqualität eines Lautsprechers grundsätzlich entscheidend sind, kommen nichtlineare Verzerrungen (Klirrverzerrungen und Intermodulationsverzerrungen) meist erst bei hohen Lautstärken ins Spiel. Um also die Klangqualität eines Lautsprechers zu beurteilen, müssen folglich Lautsprecher-Kenngrößen gemessen werden, die Aufschluß über die linearen Verzerrungen geben können. Daher mißt man häufig zur Beurteilung der Qualität eines Lautsprechers:

[....]