23. Februar 2018

Eliminierung von Reflektionen bei akustischen Messungen

Eliminierung von Reflektionen bei akustischen Messungen

Akustische Reflektionen in Räumen tragen – in Form von Nachhall – wesentlich zum Klangempfinden bei. Bei akustischen Messungen an Lautsprechern und Mikrofonen hingegen sollen Einflüsse des Raumes so weit wie möglich ausgeschlossen werden, damit die Messergebnisse reproduzierbar sind und das Messergebnis nicht von der Raumakustik beeinflusst wird. Hierbei hilft das Verfahren der Zeitfensterung der Impulsantwort.

Die sprichwörtliche ‚gute Akustik‘  von Konzertsälen entsteht durch den gezielten Einsatz akustischer Elemente, die die von den Musikinstrumenten abgestrahlten Schallwellen durch Reflektion auf verschiedenen Ausbreitungswegen zum Ohr des Zuhörers führen. In Kommunikationsräumen wie z.B. Klassenzimmern wird versucht, die Anzahl der Reflektionen auf ein bestimmtes Mass zu optimieren. So kann eine gute Sprachverständlichkeit gewährleistet werden.

Bei akustischen Messungen an Mikrofonen oder Lautsprechern hingegen versucht man, Reflektionen komplett zu vermeiden, denn es sollen ja ausschließlich die Eigenschaften des jeweiligen Prüflings ermittelt werden – ohne die Einflüsse des Messraumes. Eine mögliche Lösung ist die Durchführung der Messungen in einem reflektionsarmen Raum, der mit akustischen Absorbern ausgekleidet ist. Die nötige Dicke der Absorberschicht bzw. die Länge der porösen Keile bringt es mit sich, dass solche Räume groß und teuer sind und daher nur wenigen Akustikern zur Verfügung stehen. In der Praxis finden Qualitätsprüfungen an Mikrofonen und Lautsprechern eher in kleinen Messkammern statt – und daher sind die Ergebnisse zu einem wesentlichen Teil auch raumabhängig. Moderne Signalverarbeitung liefert einen möglichen Ausweg.

Anechoic room

Schalltoter Raum

Impulsantwort
Um solche Reflektionen aus dem Messergebnis ‚herausrechnen‘ zu können, müssen diese erst messtechnisch erfasst und visualisiert werden. Dies kann mit einer Impulsantwort erreicht werden, bei der ein sehr kurzer Impuls mit hoher Amplitude übertragen wird. Im Ergebnis sind mehrere Impulse sichtbar: der erste Impuls repräsentiert den Direktschall vom Lautsprecher zum Mikrofon, die kurze Zeit später eintreffenden Impulse mit geringerer Amplitude beschreiben akustische ‚Umwege‘ über Reflektionen an Wänden oder Decke der Messkammer.

ETC FR without windowing

Grafik oben: Impulsantwort in einem System mit Reflektionen
Grafik unten: Frequenzgang des Systems mit Reflektionen

GlideSweep
Ein GlideSweep ist ein Testsignal, das in der modernen Audio-Messtechnik seit einigen Jahren Verwendung findet. Bei einem GlideSweep wird die Signalfrequenz kontinuierlich erhöht, der wichtigste Parameter ist nach Start- und Stopfrequenz die Dauer des Sweeps. In einem linearen und zeitinvarianten System (LTI-System), wie es ein Lautsprecher in erster Näherung ist, kann die Impulsantwort auch nach Anregung mit einem GlideSweep ermittelt werden. Die Impulsantwort wiederum dient als Basis für alle Berechnungen von Messresultaten wie der Frequenzantwort oder der Verzerrungen. Eine typische GlideSweep-Messung enthält diese Schritte:

  1. Anregung des Prüflings mit einem GlideSweep
  2. Erfassung und Digitalisierung des analogen Ausgangssignals
  3. Berechnung der Impulsantwort aus dem Anregungssignal und dem digitalisierten Signal
  4. Berechnung der gewünschten Messergebnisse aus der Impulsantwort

Zeitfensterung der Impulsantwort
Um die störenden Reflektionen aus dem Messergebnis auszublenden, wird nun nach der Berechnung der Impulsantwort ein Zeitfenster hinzugefügt. Das Zeitfenster sorgt dafür, dass nur der Hauptimpuls der Impulsantwort (der Direktschall) für die weitere Berechnung verwendet wird. Die nach dem Hauptimpuls eintreffenden Reflektionen werden ausgeblendet. Damit ergibt sich ein zusätzlicher Schritt in der Signalverarbeitung:

  1. Anregung des Prüflings mit einem GlideSweep
  2. Erfassung und Digitalisierung des analogen Ausgangssignals
  3. Berechnung der Impulsantwort aus dem Anregungssignal und dem digitalisierten Signal
  4. Zeitfensterung der Impulsantwort
  5. Berechnung der gewünschten Messergebnisse aus der gefensterten Impulsantwort

ETC FR with windowing

Grafik oben: gefensterte Impulsantwort
Grafik unten: Frequenzgang des Systems ohne Reflektionen

Auswirkungen der Zeitfensterung
Da die Reflektionen nicht mehr in die Berechnung der Messresultate einfliessen, verschwindet die störende Welligkeit und der Frequenzgang erscheint kontinuierlich. Durch das Abschneiden der Impulsantwort vor der ersten Reflektion gehen jedoch auch Informationen verloren, die für die vollständige Beschreibung des LTI-Systems nötig wären. Als Resultat der Fensterung sind die Ergebnisse unterhalb der Grenzfrequenz f(g) nicht mehr vollständig zuverlässig. Diese Frequenzen erscheinen im Frequenzgang als „unsicher“. Der f(g) errechnet sich aus dem Zeitpunkt t(f) , auf den das Fenster gesetzt wurde:

Nti-Audio-IR-Windowing-Formula-1 Im oberen Beispiel ist t(f) etwa 210 ms. Daraus resultiert eine Grenzfrequenz f(g) von knapp 5 Hz, die für die oben gezeigte Messung nicht kritisch ist. In kleineren Räumen treffen die Reflektionen schon sehr viel eher ein, so dass die untere Grenzfrequenz bei einem t(f) von 20 ms schon bei 50 Hz liegt. Daraus lässt sich ableiten, dass Lautsprecher und Mikrofon möglichst weit weg von reflektierenden Flächen platziert werden sollten.

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Kategorien: Bauakustik

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