Lassen Sie uns einige Dinge über Sweeps klären

Sweeps sind eine gängige Methode im Bereich der Audiomessung, um die Änderung eines gemessenen Ausgabewertes über einen fortschreitenden Eingangsparameter zu beschreiben. Der am häufigsten verwendete progressive Eingangsparameter ist die Frequenz, die über die Standard-Audiobandbreite von 20 Hz bis 20 kHz variiert wird. Aber zu einem Sweep gehört noch viel mehr. Dieser Artikel bietet einen Überblick sowie detaillierte Erklärungen zu verschiedenen Methoden, Parametern und Optimierungen im Zusammenhang mit Sweeps.

Wenn Sweep-Messungen in einem Diagramm dargestellt werden, identifiziert die y-Achse die Messergebnisse. Das Diagramm wird entsprechend der Messung benannt, ergänzt durch das Wort „Response“. Zum Beispiel können Ergebnisse als „Amplituden-Response“, „Impedanz-Response“ oder „Phasen-Response“ bezeichnet werden. Eine Ausnahme von dieser Namenskonvention ist der Begriff „Frequenz-Response“. Um technisch korrekt zu sein, bezieht sich die Frequenz-Response sowohl auf die Amplituden- als auch auf die Phasen-Response zusammen. Beachten Sie jedoch, dass es in der Praxis auch üblich ist, dass sich die Frequenz-Response nur auf die Amplituden-Response bezieht.

Frequenzgang

Glide Sweep

Ein Glide-Sweep (oder Chirp) ist ein kontinuierliches Signal, bei dem die Frequenz logarithmisch mit der Zeit ansteigt oder abfällt. Dies bietet den vollständigen Bereich der Testfrequenzen zwischen der Start- und Stoppfrequenz. Ein Vorteil gegenüber dem Stepped-Sweep ist, dass die Signaldauer vom Benutzer ohne Verlust der Frequenzauflösung in den Ergebnissen reduziert werden kann. Dies ermöglicht schnelle Tests.

Die Impuls-Response eines Prüflings kann aus den Messergebnissen berechnet werden. Daraus werden die Amplituden-, Phasen- und Verzerrungsmessungen berechnet. Unerwünschte akustische Reflexionen können mit einem Zeitfenster reduziert werden.
Glide-Sweep-Signal

Da die genaue Dauer des Sweep-Signals bekannt ist, eignet sich der Glide-Sweep ideal für die Messung von Signalen, die nicht vom Audio-Testsystem selbst, sondern vom Prüfling abgespielt werden. Um dem Messsystem anzuzeigen, dass das Testsignal gleich beginnt, wird dem Sweep-Signal eine kurze Triggersequenz vorangestellt. Diese Methode ist besonders nützlich bei der Messung von Geräten, die keinen Audio-Eingangskanal haben, z. B. Smartphones, Tablets oder Smart Devices.

Obwohl die Theorie hinter dem Glide-Sweep seit mehreren Jahrzehnten bekannt ist, hat sich seine Verwendung in Audio-Messgeräten erst in den letzten Jahren entwickelt. Der Grund dafür liegt in der hohen Rechenleistung, die erforderlich ist.

Gestufter Sweep

Bei einem Stepped-Sweep wird ein variabler Eingangsparameter (Frequenz oder Amplitude) in diskreten Schritten erhöht oder verringert. Nach jeder Änderung wartet der Analysator, bis ein stabiler Messwert erkannt wird, bevor er zum nächsten Schritt wechselt. Die Skalierung der Schritte ist linear oder logarithmisch. Die Stabilitätsbedingung (Settling) kann vom Benutzer definiert werden.

Da die Einschwingzeit verschiedener Testobjekte nicht vorhergesagt werden kann, kann die Dauer eines Stepped-Sweeps nicht im Voraus genau bestimmt werden.

Für die Bestimmung der Amplituden- oder Frequenz-Response wurde der Stepped-Sweep weitgehend durch den Glide-Sweep ersetzt. Die Hauptanwendung für den Stepped-Sweep ist die Messung der Linearität von Systemen. Hier wird die Frequenz des Testsignals konstant gehalten, während die Amplitude variiert wird. Typischerweise werden die Amplitude und die Verzerrung des Prüflings gemessen. Dies wird auch als „Amplituden-Sweep“ bezeichnet.

Linearitätsmessung

Amplituden-Wichtung

Wenn die Frequenz als variabler Eingangsparameter ausgewählt wird, kann das Amplitudenprofil des Eingangssignals definiert werden. Dies ermöglicht beispielsweise die Entzerrung eines Verstärkers oder Lautsprechers, so dass eine flache elektrische oder akustische Amplituden-Response als Ausgang erzielt wird. Diese Methode kann sowohl auf Glide-Sweep als auch auf Stepped-Sweep angewendet werden.

Zeit-Sweep

Im Falle eines Time-Sweeps stellt die x-Achse die Zeit dar. Auch hier stellt die y-Achse einen Messwert dar, z. B. die Amplitude. Die Änderung des Messwertes wird über die Zeit beobachtet. Zum Beispiel, wie ändert sich die Response des Prüflings über einen langen Zeitraum?

Tabellen-Sweep

Eine selten verwendete Sonderform des Stepped-Sweeps ist der Table-Sweep. Hier wird das Eingangssignal aus einer Tabelle als eine Sequenz von beliebigen Frequenz- und Amplitudenpaaren erzeugt.

Audio- und akustische Geräte und Systeme werden im gesamten hörbaren Bereich und darüber hinaus betrieben. Dieser Bereich erstreckt sich über die beiden Dimensionen Frequenz und Pegel. Dementsprechend müssen Messungen an Audio- und Akustiksystemen die relevanten Parameter in diesen Dimensionen messen und bewerten. Die grundlegenden Messungen, die verwendet werden, sind Sweep-Messungen.

Für eine aussagekräftige und genaue Messung sind die wichtigsten Sweep-Parameter, die definiert werden müssen, die Start- und Stoppwerte für die Frequenz oder Amplitude sowie die Schritte (Anzahl der gewünschten Messpunkte) oder die Dauer der Messung (im Falle eines Glide-Sweeps).

Messungen an akustischen Komponenten

Für Sweep-Messungen an akustischen Komponenten, wie z. B. Lautsprechern, müssen mehrere Punkte berücksichtigt werden. Neben der akustischen Frequenz-Response in dBSPL (links) kann auch die Impedanz-Frequenz-Response (rechts) von Interesse sein. Die Start- und Stoppfrequenzen müssen daher so gewählt werden, dass nicht nur die spezifizierte Response-Bandbreite des Lautsprechers abgedeckt wird, sondern dass der Sweep auch weit genug unterhalb der Resonanzfrequenz beginnt.

Die Dauer des Glide-Sweeps hängt von der Startfrequenz ab. Je niedriger die Frequenz, desto länger muss das elektromechanische System angeregt werden. Bei der folgenden Messung eines Mitteltöner-Lautsprechers wurden 1,5 Sekunden Signaldauer für eine Messbandbreite von 20 Hz – 20 kHz verwendet.

Frequenzgang

Die Messung wurde unter Nicht-Freifeldbedingungen durchgeführt. Die resultierenden Reflexionen erscheinen in der Frequenz-Response (grüne Kurve) in Form von Wellen. Diese werden durch eine gleitende Kurvenmittelung (rote Kurve) entfernt. Alternativ können die Reflexionen auch durch die Verwendung eines Zeitfensters eliminiert werden.

Messungen an Wiedergabegeräten

Wiedergabegeräte sind durch das Fehlen eines geschlossenen Signalwegs erkennbar, d. h. es ist nicht möglich, ein vom Audio-Generator erzeugtes Testsignal direkt in das Gerät einzuspielen und gleichzeitig das Signal als Ausgang vom Gerät wiederzugeben. Ohne diesen geschlossenen Regelkreis kann sich der Audio-Analysator nicht mit dem Signal synchronisieren. Typische Beispiele für Wiedergabegeräte sind Mobiltelefone oder Tablet-Computer sowie die meisten Geräte mit eingebauten Lautsprechern.