Software/Messtechnik

ARTA und seine Spießgesellen STEPS und LIMP (Fortgeschrittene)


ARTA sorgt zur Zeit in den einschlägigen Foren für Furore. Als ich das Handbuch zum ersten Mal gelesen habe und das Programm danach auf meinem Rechner benutzte war ich schlagartig begeistert. Aber bekanntlich hilft gegen Liebe auf den ersten Blick einer zweiter. Darum habe ich erst mal geprüft, bevor ich mich an ARTA binde.
Unter www.fesb.hr/~mateljan/arta/index.htm kann man sich kostenlos die Betaversionen der folgenden Messprogramme runterladen:

 

  • ARTA – Messung der Impulsantwort, Übertragungsfunktion und Real Time Analyzer.
  • STEPS – Übertragungsfunktion (Anregung mit einzelnen Sinustönen und Berechnung der Klirrkomponenten K2 und K3).
  • LIMP – Impedanzmessungen an Lautsprechern und Bestimmung der TSP.

Die Programme kommen in einem gepackten Paket. Zusätzlich kann man sich die drei Handbücher als PDF laden.
Der Programmautor ist Dr. Ivo Mateljan von der Fakultät für Elektrotechnik an der Universität Split in Kroatien. Das Programm und das Handbuch lassen vermuten, dass es sich dort um Profis handelt, die wissen was sie signaltheoretisch machen.
Einige Zusatzfunktionen in ARTA weisen darauf hin, dass ARTA dort für Messungen an digitalen Telekommunikationssystemen verwendet wird. In dieser Beschreibung konzentriere ich mich auf die Funktionen, die man für den Selbstbau von Lautsprechern braucht.

Abgrenzung zu anderen Programmen

ARTA, STEPS und LIMP sind Programme, die alle Anregungs- und Analyseparameter offen legen und wählbar machen. Hierbei man kann in kurzer Zeit zum Erfolg kommen J - oder aber Unsinn auf den Bildschirm bringen L.
ARTA ist mit JustOct nicht vergleichbar, da es den Blick in den Zeitverlauf der Impulsantwort und viel davon ableitbaren Analysen durchführen kann. Dafür ist es allerdings auch nicht narrensicher wie JustOct (s.o.).
Mit Hobby-Box ist es gut vergleichbar, da es alle Mess- und Analysefunktionen aus Hobby-Box auch beherrscht. Ich benutze Hobby-Box seit vielen Jahren und werde deshalb an einigen Stellen die Unterschiede zu Hobby-Box beschreiben.

Zuvor aber eine Ehrenerklärung:

Hobby-Box 5.1 ist jede der 148.- EURO des Kaufpreises wert. Es ist für diesen Preis ein gutes Programm. Nur die kryptische Bedienung und die unlogische Verteilung der Funktionen in den Menüs lassen den Nutzer fluchen. Hobby-Box 5.1 liefert in der Regel genaue Resultate.

Handbuch

Die Handbücher sind eine Mischung aus Bedienungsanleitung und Kompaktkurs in digitaler Signaltheorie. Die verwendeten Algorithmen werden mit Formeln benannt. In der Regel wird man das überlesen, aber man hat bei späteren Zweifelsfällen die Möglichkeit, das Programm besser zu verstehen. Viel wichtiger sind die kurzen und knappen Tipps über die besten Anregungssignale. Jeder einstellbare Parameter wird kurz erläutert.
Jedes Handbuch (ARTA, STEPS und LIMP) verschafft in seiner knappen und klaren Form einen guten Eindruck über die Logik der Programme. Englisch ist wahrscheinlich nicht die Muttersprache des Programmautors, deshalb werden nur einfache Formulierungen verwendet.
Also: Keine Angst vor dem Englisch – Man hat gute Chancen, damit zurecht zu kommen. Wer meint von Signaltheorie zu wenig Ahnung zu haben, kann sich mit dem Buch von Joe d'Appolito alles Nötige aneignen. Einige Tipps zur Praxis mit ARTA sind außerdem in diesem Artikel enthalten.
Nach der Lektüre der Handbücher bin ich als alter Hobby-Boxler in einen tiefen Heulkrampf gefallen und habe bedauert was ich in vielen Jahren habe aushalten müssen.

Installation und Kalibrierung

Der Download ist 4 MB groß. Die Installation ist vollkommen unproblematisch. Es werden lediglich X Datei.exe und etwas Zubehör entpackt. In die Registry werden lediglich File-Verweise eingetragen. Das Programm erscheint nicht in der Liste der deinstallierbaren Programme.

Vor der ersten Messung werden in nur einem Menü alle relevanten Hardwareparameter eingetragen


Logischer geht es nicht. Hier ist alles am richtigen Platz.

Lediglich die Korrektur des Mikrofonfrequenzgangs ist nicht möglich. Lt. Aussage von Ivo Mateljan soll diese aber noch implementiert werden. Hier liegt die einzige große Einschränkung. Allerdings ist ARTA in der kostenlosen Betaversion schon voll funktionsfähig und für das gesparte Geld kann man sich ein kalibriertes Mikrofon kaufen. Wenn das Mikrofon keinen abenteuerlichen Frequenzgang hat, kann man damit gut leben. In einem der Foren hat "ente" auch schon den Ausweg für Simulationsprogramme gezeigt: man nimmt die Kalibrierkurve als Zielfunktion.

Die im Menü "Audio Devices Setup" benötigten Werte für die Spannungsbereiche erhält man durch die Kalibrierung von ARTA. Auch das geschieht in einem einzigen Menü.


Für die Kalibrierung der max. Ausgangspannung erzeugt ARTA ein 500 HZ Sinussignal wählbarer Amplitude. Die Angabe erfolgt in –dB FS (maximale Amplitude = full scale = FS). Das Ergebnis kann man in Vs (bei Verwendung eines Oszilloskop) oder in Vrms eingeben (bei Verwendung eines Voltmeters). Bei der Messung mit dem Voltmeter müssen die Besitzer einfacher Multimeter darauf achten, dass ihr Gerät auch bei 500 Hz noch genau ist.

Hier merkt man das ARTA von Profis ist. Eine Einpunktkalibrierung nimmt man Sinnvollerweise in der Mitte des Audiobandes vor. Allerdings hat dann nicht jeder die passenden Messgeräte. Soundkarten mit sehr schlechten Frequenzgang der Ausgangspannung lassen sich in ARTA nicht korrigieren. Frequenzgangfehler der Eingangsspannung lassen sich durch 2-kanalige Messungen korrigieren. Ein Testprogramm für Eure Soundkarte findet ihr hier: Rightmark Audio Analyzer RMAA

Man gibt den abgelesenen Wert der zuvor eingestellten Ausgangsspannung ein, ARTA rechnet die Dämpfung wieder raus und bietet die Möglichkeit, den Wert direkt in das Hardwaremenü zu übernehmen.

Für die Kalibrierung der max. Eingangsspannung speist man die Eingänge mit einem Sinussignal wählbarer Frequenz und bekannter Amplitude. Man kann auch den zuvor kalibrierten Ausgang nehmen. Alles andere erfolgt im Prinzip wie zuvor.

Das Mikrofon kann mit einem Kalibrator automatisch kalibriert werden. Ein Kalibrator ist ein kleines batteriebetriebenes Gerät, in das man die Mikrofonkapsel einstecken kann. In einer abgedichteten Kammer erzeugt ein präziser Lautsprecher ein Signal von in der Regel 1 kHz bei genau bekanntem Schalldruckpegel. Profis überprüfen damit regelmäßig vor akustischen Messungen ihre Messkette. So ein Kalibrator ist recht teuer, deshalb verwendet es kaum ein Selbstbauer. Eigentlich müsste jedes Meßsystem eine Pegelkalibrierung aufweisen. Die Abweichungen bei den üblichen Elektretmikrofonen sind aber sehr gering, deshalb kann man bei sorgfältiger Behandlung seines Mikros auf die regelmäßige Pegelkalibrierung verzichten.

Bis auf die fehlende Korrektur des Mikrofonfrequenzganges ist die Kalibrierung praxisgerecht und logisch. Gut ist, dass man alle Parameter auf einen Blick kontrollieren kann.
Nach dem Öffnen ist ARTA sofort zur Messung der Impulsantwort bereit. Es fragt keinen dummen Unsinn, den man mit vielen Tastendrücken beantworten muss. So erfolgt auch der Ausstieg. Wer vergessen hat, die letzte Messung zu speichern, der hat halt nicht aufgepasst.

Es stehen noch drei weitere Messfunktionen zur Verfügung: FR1, FR2 und SPA. Hierbei handelt es sich um die 1-kanalig bzw. 2-kanalig gemessene Übertragungsfunktion und einen Real Time Analyzer.

Die meisten Möglichkeiten bietet die Messung der Impulsantwort.
Messung der Impulsantwort

Für die Messung der Impulsantwort stehen drei Anregungssignale zur Verfügung: Periodisches Rauschen, gleitender Sinus und MLS. Das periodische Rauschen wird von Ivo Mateljan als Standardanregung empfohlen. MLS betrachtet er nicht als besser, da die Frequenzgrenzen der Soundkarten die guten theoretischen Eigenschaften von MLS wieder zunichte machen.
Über die rote Aufnahmetaste ist eine Messung schnell vorbereitet und durchgeführt. Alles Nötige ist dort in einer sinnvollen Reihenfolge aufgeführt.


Man erhält das folgende Ergebnis:


In der Messung hat man einen sehr langen Zeitbereich eingefangen, der nach Ausklingen des Impulses im Wesentlichen durch alle möglichen Reflektionen bestimmt ist. Mit leistungsfähigen Tastenbefehlen kann man nach kurzer Lernphase rasend schnell den Zeitverlauf in der gewünschten Form auf dem Bildschirm darstellen.

Mit dem Cursor und einem Marker kann man den wichtigsten Zeitabschnitt herausschneiden. Auf Neudeutsch heißt das "gaten".
Regeln für das Gating:

  1. Wenn kein Marker gesetzt ist, dann erstreckt sich das Gate von der Cursor-Position bis zu Länge der FFT.
  2. Der Cursor steht direkt nach der Messung automatisch bei 300 Samples. Ist allerdings dort nicht zu sehen (kleine Tücke).
  3. Wenn ein Marker gesetzt ist, dann erstreckt sich das Gate von der Cursor-Position bis zur Marker-Position.
  4. Cursor und Marker werden Vorteilhafterweise auf die Nulldurchgänge von schwachen Pegeln gesetzt. Das Signal ist dann periodisch und das Fenster UNIFORM reicht aus.

In dem durch den Cursor (=Anfang) und den Marker (=Ende) festgelegten Zeitbereich lassen sich etliche Analysen durchführen.
Laufzeit

Die Zeit, die der Schall benötigt, um sich nach der elektrischen Anregung am Lautsprecher bis zum Mikrofon auszubreiten, ist in ARTA direkt ablesbar.

Dem Handbuch kann man entnehmen, dass ARTA generell eine künstliche Verzögerung von 300 Samples einfügt. Ein kurzer Test mit einer direkten elektrischen Verbindung vom Ausgang zu den beiden Eingängen der Soundkarte zeigt, dass die Impulsspitze tatsächlich bei 300 Samples liegt.

Eine 2-Wege-Lautprecherbox in 92 cm Entfernung von der Schallwand gemessen ergibt die folgende Impulsantwort:

Die erste Impulsspitze tritt im Diagramm nach 561 Samples auf. Es gilt:
1 Sample -> 1 / 96 kHz = 10.42 usec -> 0.357 cm Entfernung bei 20°C

Die zugehörige Entfernung ist (561 – 300) x 0.357 = 93.2 cm. Die 92 cm waren der horizontal gemessene Abstand zwischen Schallwand und Mikrofon. Eine Kontrolle ergab, dass der tatsächliche Laufweg des Schalls vom akustischen Zentrum des Hochtöners zum Mikrofon ca. 2 cm länger ist. Die Entfernungsmessung mit ARTA ist jeder Messung mit Zollstock überlegen (zumindest bei einer Abtastfrequenz von 96000 Hz ;-) ).

Achtung: Die vom Tief-Mitteltöner erzeugte Impulsspitze liegt bei 580 Samples (=99.9 cm). Diese Abmessung lässt sich am Lautsprecher nicht finden. In den 580 Samples ist auch die Gruppenlaufzeit des TP-Filters enthalten.

ARTA behandelt die Laufzeit komplett anders als Hobby-Box. Hobby-Box entfernt die Zeit, die der Schall benötigt um am Mikro einzutreffen aus der Impulsantwort. Man hat damit keinen festen Starzeitpunkt. ARTA verfolgt das andere Extrem. Es zeichnet die komplette Laufzeit mit auf und fügt zusätzlich noch eine konstante Totzeit hinzu.

ARTA verspricht mit dieser Eigenschaft die für die Simulationsprogramme wichtige absolute Phase korrekt zur Verfügung zu stellen. Wir werden auch das kontrollieren (s.u.).

Analyse und Darstellung der Ergebnisse

DFT Frequency Response (unsmoothed)

In dieser Analyseart erhält man lediglich eine Blick auf die Koeffizienten der DFT (Diskrete Fourier Transformation). Sie erlaubt eine Kontrolle des Frequenzganges mit dem üblichen Gezappel bei hohen Frequenzen, das sich aus dem konstanten Abstand der Frequenzlinien ergibt. Auf einer logarithmischen Frequenzachse häufen sich dann am rechten Ende die Datenpunkte.

Es stehen nur wenige Anzeigeoptionen zur Verfügung. Der eigentliche Leistungsträger für die Darstellung des Frequenzganges ist die Analyseart Smoothed Frequency Response.

Smoothed Frequency Response

Hier kann man die Ergebnisse der DFT geglättet darstellen. Die Glättungsfunktionen werden wie 1/n-Oktaven bezeichnet. Von Oktaven über Terzen bis zu 1/48-Oktaven ist alles vorhanden. Damit ist aber lediglich die Glättungstiefe bezeichnet. Die Anzahl der Datenpunkte wird nicht reduziert. Das Umrechnen auf "echte" 1/n-Oktaven gibt es aber im Real Time Analyzer (s.u.).. Bei tiefen Frequenzen kann es allerdings vorkommen, dass nur wenige Datenpunkte zum Glätten vorhanden sind. Über die Länge der DFT lässt sich das korrigieren.

Hier punktet ARTA im Vergleich zu Hobby-Box. Die Angabe der Glättungstiefe ist sinnvoller als eine Bezeichnung im _Stil von wenig, normal oder stark.

In dem folgenden Diagramm sind die Glättungsfunktionen 1/3 und 1/24 dargestellt.


In dem nächsten Diagram ist basierend auf derselben Messung scheinbar derselbe Vergleich durchgeführt.


Die gelbe Kurve ist die ab dem Cursor berechnete 16k-DFT, die in 1/24-Oktaven dargestellt ist. In dieser Kurve sind alle tieffrequenten Raumresonanzen enthalten. Sie wurde als sog. Overlay gespeichert. Overlays sind eingefrorene Kurven, die durch das Starten einer neuen Messung nicht verloren gehen.

Die grüne Kurve ist die aktuelle Analyse. In diesem Fall ist es die 474-Punkte-DFT vom gelben Cursor bis zum roten Marker ("gegatet", s.o). Die tieffrequenten Raumresonanzen sind ausgeblendet. Die untere Frequenzgrenze ergibt sich aus der DFT-Länge und der Tastfrequenz (96 kHz / 474 Samples = 216.2 Hz, d.h. es liegt nur alle 216.2 Hz genau eine Information vor).

Der kleine Offset zwischen beiden Kurven ist nicht als Fehler anzusehen. Die unterschiedlich langen DFTs umfassen eine unterschiedlich lange Impulsantwort und messen tatsächlich unterschiedliche Pegel. In der langen DFT sind die Raumreflektionen enthalten und erhöhen den Pegel. In einem reflektionsfreien Raum lägen beide Kurve auf demselben Niveau.

Das Messobjekt war eine kleine 2-Wege Box, deren Trennfrequenz bei 1900 Hz liegt. Die Kurve wurde in 92 cm Entfernung aufgenommen.

Die Phase in ARTA

Die Phase ist in den üblichen Darstellungen verfügbar:

  • Absolute Phase in der Darstellung mit Phasensprüngen bei +180° und -180°
  • Minimalphase
  • Absolute Phase, in der aufsummierten Darstellung ohne Phasensprünge

Die aufsummierte absolute Phase ist allerdings nicht zusammen mit dem Amplitudengang darstellbar und kann deshalb nicht zusammen mit diesem exportiert werden. In ARTA wird nur die im Diagramm sichtbare aktive Kurve exportiert. Man muss also die Phase auf dem Bildschirm haben, damit sie auch im Exportfile enthalten ist.

Für den Abgleich einer Simulationsrechnung mit Programmen wie LSPcad, Boxsim u.ä. ist die Phase von großer Bedeutung. Im einfachsten Fall geht man dabei wie folgt vor:

  • Messung des ungefilterten Frequenzganges des TMT und Export des Amplitudenverlaufes und der absolute Phase in der Darstellung zwischen +/-180°.
  • Dito für den HT ,ohne dabei die Position der Box oder des Mikrofons zu verändern.
  • Dito aber diesmal für die elektrische Parallelschaltung von TMT und HT.
  • Importieren der Frequenzgänge der ungefilterten Einzelchassis in das Simulationsprogramm.
  • Die Parallelschaltung im Simulationsprogramm einstellen und mit der gemessenen „Wahrheit“ vergleichen.

Wenn man mit den auf diese Weise kontrollierten Frequenzgängen eine Weiche im Simulationsprogramm entwickelt, wird sich dass Ergebnis der Simulation von dem tatsächlichen Frequenzgang kaum unterscheiden.

Sollte der Abgleich nicht sofort funktionieren, kann es hilfreich sein "gegatete" Kurven mit kleinerem Anteil exzessiver Phase zu exportieren, d.h. den Cursor (gelb) näher an die Impulsspitze zu setzen und evt. zusätzlich die Auflösung der 1/n-Bänder zu verringern. Die Entfernung exzessiver Laufzeitanteile hat auch den Vorteil, dass im Simulationsprogramm deutlich weniger Phasensprünge auftreten und die Darstellung deshalb übersichtlicher wird.

Wenn man auch das letzte Detail aus dem Simulationsprogramm ziehen möchte, ist das Thema noch etwas komplizierter als beschrieben. Eine sichere Hilfe bietet hier nur das Buch von Joe d'Appolito.

Hier eine Messung des ungefilterten Summensignals von TMT und HT.

Führt man mit diesen Daten einen Abgleich seines Simulationsprogramms durch (hier LSPcad), so erhält man die folgende Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation:

Die schwarze Kurve ist die simulierte Summe der ungefilterten Einzelchassis. Die graue Kurve ist das Ergebnis der Kontrollmessung. Das Ergebnis ist Weltspitzenklasse. Simulationen mit Hobby-Box sind nur über die berechnete Minimalphase möglich und ergeben nicht diese extreme gute Übereinstimmung.

In einem Thread im Forum "Allgemeine" von Hifi-Selbstbau sind Schwierigkeiten beschrieben, die mit Hobby-Box gemessene Daten in LSPCAD verursachten. Die mit ARTA gemessenen Daten ergeben in LSPCAD die folgende Übereinstimmung zwischen Simulation und Kontrollmessung:


Die schwarze Kurve ist die simulierte Summe der gefilterten Einzelchassis. Die graue Kurve ist wieder das Ergebnis der Kontrollmessung. Besser geht es nicht!

Ich will nicht behaupten, dass Hobby-Box es nicht auch kann, aber in ARTA habe ich in 2 Stunden ein perfektes Ergebnis erzielt. Mit Hobby-Box hatte ich nach 2 Tagen noch immer Frust geschoben.

Die Anwender von Simulationsprogrammen werden an ARTA ihre helle Freude haben. Die Behandlung der Laufzeit und der Phase ist absolut vorbildlich. Hier weiß man, was das Programm macht und kann in der Simulationssoftware die richtigen Angaben machen.

Ein Vergleich mit Hobby-Box

Hier ein Vergleich zwischen einer Frequenzgangkurve, die mit Hobby-Box (Rot) und mit ARTA (Schwarz) gemessen wurde. Es wurden in ARTA weitestgehend die Parameter eingestellt, die auch in Hobby-Box verwendet werden.


Schwarz: ABX_0602020 mit ARTA Rot: ABX_0602021 dito mit Hbox Grün: Simul. mit EDGE


Die Übereinstimmung ist sehr gut. Die geringen Abweichungen um 8 kHz und ab 12 kHz sind ein Einfluss des in ARTA nicht kompensierten Mikrofonfrequenzganges. Unter 400 Hz habe ich in meinem Raum generell Schwankungen von Messung zu Messung.

Das Messobjekt war ein B&G Neo 3 auf einer offenen Schallwand mit 30 x 30 cm² Kantenlänge. Die grüne Kurve ist die Simulation des Schallwandeinfluss mit EDGE – Respekt.

Absolute Pegel

Wenn man die Impulsantwort mit unterschiedlichen Anregungspegeln durchführt erhält man ein unerwartetes Ergebnis:


Die gelbe Kurve (Overlay) ist mit –3dB Pegel aufgenommen. Für die grüne Kurve wurde ein Pegel in Höhe von –20 dB eingestellt. Das Anregungssignal ist deutlich leiser und die Eingangskanäle werden entsprechend geringer ausgesteuert. Dummerweise zeigen beide Kurven den gleichen Pegel. Der Unterschied bei den tiefen Frequenzen ist eine Folge des schlechteren Störspannungsverhältnis bei der –20dB-Messung.

Eine Anfrage bei Ivo Mateljan ergab, dass dies ein beabsichtigtes Verhalten ist. Es wird stets die reine Übertragungsfunktion in der Form Ausgang/Eingang berechnet. Mathematiker nennen das Normierung auf den Eingangspegel. Lautsprecherbauer müssen somit auf die direkte Darstellung absoluter Pegel verzichten.

Ich habe allerdings die Hoffnung, dass wenn man sich näher mit ARTA beschäftigt noch Tricks rausfindet, die diese Funktionalität über die Hintertür doch noch möglich machen. Ein heißer Kandidat dafür ist der Real Time Analyzer. Hier ändert sich der Meßwert in Abhängigkeit vom Anregungspegel. Eine Messung in der Form dB/2.83V/1m ist aber immer noch eine sehr komplizierte Angelegenheit.

Wenn man an einem Lautsprecher Nahfeld- und Fernfeldmessungen ergibt sich das folgende Bild:


Die gelbe Kurve ist die mit –3 dB angeregte Fernfeldmessung in 1 m Abstand zum akustischen Zentrum des Chassis. Die grüne Kurve ist die in ca. 6 cm Abstand gemessene Nahfeldkurve. Um eine Übersteuerung der Eingangskanäle zu vermeiden wurde der Anregungspegel auf –13 dB reduziert.

Die Normierung auf den Eingangspegel hat dabei keine negativen Folgen. Einer Überschlagsrechnung kann man entnehmen daß im Nahfeld 24 dB höhere Pegel gemessen werden (20 * log (6/100)= -24.4 dB). Mit einer Editierungsfunktion (Scale Level) kann man in ARTA den Pegel der gemessenen Kurve verändern. Erfreulicherweise merkt sich ARTA dabei den ursprünglichen Pegel und man verliert nicht die Ausgangskurve wie in Hobby-Box.

Man kann die gemessene Kurve nach oben oder unten abschneiden und beide Abschnitte getrennt exportieren. In dem folgenden Beispiel wurden für den Fernfeldteil der Kurve die Raumreflexionen durch Gating (s.o.) ausgeblendet.


In einem Texteditor kann man dann die beiden exportierten Abschnitte in einem File zusammenkleben und für das Simulationsprogramm nutzen. Das ist etwas umständlich.

Wasserfalldiagramm (CSD)

Der als Gate ausgewählte Zeitbereich kann mit der Funktion CSD als Wasserfall dargestellt werden.
Hierbei ist ARTA um Längen flexibler als Hobby-Box. Es gelten die folgenden Regeln:

  • Die Größe der FFT bestimmt die Frequenzauflösung
  • Die Anstiegszeit (Rise Time) belegt den Anfang und das Ende eines FFT-Blocks mit einer Fensterfunktion. Der Cursor muss im Impulsdiagramm um den Betrag der Anstiegszeit VOR den Beginn des Impulses gesetzt werden, sonst verschluckt ARTA den Anfang des Impulses. Für erste Versuche ist es günstig, die Anstiegszeit sehr kurz zu wählen (0.02 sec) und den Cursor nicht zu nah an die Impulsspitze zu setzen.
  • Slice Shift ist der in Samples angegebene Abstand von aufeinander folgenden Wasserfallscheiben
  • Der letzte im Wasserfall dargestellte Zeitpunkt ergibt sich aus: Anzahl der Scheiben * Slice Shift / Abtastfrequenz


Die ansteigende untere Grenzfrequenz ergibt sich aus der ansteigenden Frequenzauflösung der DTF, da der untersuchte Zeitabschnitt ja immer kürzer wird.

Das Wasserfalldiagramm in ARTA ist ein Glanzlicht. Es bietet sehr viel Flexibilität in der Darstellung. Man kann zu Vergleichszwecken mit den Testzeitschriften praktisch jedes beliebige Format erzeugen. Das Beispiel entspricht dem Diagramm in Hobby-Hifi.
Andere Analysen

ARTA kann von Frequenzgängen auch die Gruppenlaufzeit darstellen. Nützliche Analysen sind ferner die Sprungantwort und sog. Energy-Time-Curves

Hervorzuheben ist der recht aufwendig und professionell gestaltete Programmteil zur Messung der Nachhallzeit T60 und einiger anderer raumakustischer Größen. Aus Zeitgründen habe ich diese nicht kontrolliert. Ich bin aber ziemlich sicher, dass diese gut funktionieren. Ivo Mateljan hat Veröffentlichungen über die Themen gemacht.


Datenaustausch mit anderen Programmen und Ausdrucke

Alle in ARTA, STEPS und LIMP dargestellten Kurven lassen sich als Textfile exportieren. Das File ist so aufgebaut, dass wohl alle anderen Programme damit zurecht kommen werden. Das Trennzeichen ist ein Tab. Hier ein Beispiel:

Smoothed Frequency Response
Resolution = 1/3 octave
Numpoints = 720
SamplingRate = 96000 Hz
Frequency(Hz) Magnitude(dB)
23.438 56.40
23.687 56.50
23.939 56.60
……………
46626.582 24.57
47123.148 24.17
47625.004 23.76


Leider lassen sich keine Kurven Importieren, was man bei einem kostenlosen Programm akzeptieren kann, in der kommerziellen Version aber nicht verzeihlich wäre.

Alle Messdaten werden in einem ARTA-eigenen Format gespeichert (*.pir). Allerdings kann kein zusätzlicher Text als Beschreibung mit abgespeichert werden. Die Dokumentation muss vollständig außerhalb von ARTA erfolgen. Es ist nun eine Geschmacksfrage, ob man damit leben kann oder das als Zumutung empfindet. Mich stört es nicht, da ich meine Messungen generell in einer separaten Datenbank dokumentiere. In der kommerziellen Version ist eine vernünftige Dokumentation der Messergebnisse allerdings Pflicht, und auch der normale Hobbyanwender sollte nicht nur den Dateinamen als Beschreibung nutzen können.

ARTA kennt keine Druckanweisung. Die Diagramme werden über die Zwischenablage in andere Programme kopiert und von dort ausgedruckt.

Was den Datenaustausch und die Datendokumentation angeht, stellt ARTA lediglich eine Basisversorgung zur Verfügung. Andere Programme bieten mehr.

Direkte Messung der Übertragungsfunktion (FR1, FR2)

Die direkte Messung der Übertragungsfunktion funktioniert von den Einstellungen so wie auch die Messung der Impulsantwort. Als Schmankerl stehen sehr raffinierte Anregungssignale zur Verfügung. Aber man muss die passenden Fensterfunktionen im Auge behalten. Das Handbuch geht auf dieses Thema recht gut ein.

Die direkt gemessene Übertragungsfunktion unterscheidet sich nur durch das Fehlen des Gatings von einer über die Impulsantwort gemessenen Übertragungsfunktion. Man kann im Dauermode kontinuierlich Übertragungsfunktion auf dem Bildschirm anzeigen lassen. Besitzer eines DCX 2496 werden diesen Komfort bei der Abstimmung von Mehrwegeboxen sehr zu schätzen wissen.

Auch bei der Mittelwertbildung mit einem an verschiedenen Raumpositionen umherwandernden Mikrofon ist diese Funktion eine Hilfe.

Es stehen viele Funktionen zur Darstellung der Messergebnisse zur Verfügung. Eine nachträgliche Bearbeitung ist jedoch nicht vorgesehen.

Die einkanalige Messung ist dann von Bedeutung wenn man nur einen monophonen Kanal für das Mikrofon hat (siehe FAQ von Ivo Mateljan)

Real Time Analyzer (SPA)

Der Real Time Analyzer folgt in Konzept und Bedienung den anderen Programmteilen.

Ein Highlight ist die Anregung mit zwei Sinustönen unterschiedlicher Frequenz und Pegel und der Ausgabe der Intermodulationsverszerrungen.

Hier ein typisches IM-spektrum für ein 20er-Chassis in einem geschlossenen Gehäuse.


Die Anregung erfolgte mit Sinustönen von 900 Hz und 1000 Hz mit jeweils gleicher Amplitude.
Intermodulationsprodukte sind zu erwarten bei

  • 900 + 1000 = 1900 Hz (IM-Produkte 2ter Ordnung)
  • 1000 – 900 = 100 Hz
  • 2 x 900 + 1000 = 2800 Hz (IM-Produkte 3ter Ordnung)
  • 2 x 900 – 1000 = 800 Hz
  • 2 x 1000 + 900 = 2900 Hz
  • 2 x 1000 - 900 = 1100 Hz

Erkennbar sind IM-Produkte bei 800, 1100, 1900, 2800 und 2900 Hz. Die Seitenbänder bei 1900 Hz sind die Klirrkomponenten K2 der beiden Sinustöne (2 x 900 Hz und 2 x 1000 Hz). Alle IM-Produkte liegen mehr als 30 dB unter dem Anregungspegel, was für diese Chassis unglaubwürdig gut ist. Für die Messung der IM-Produkte sollte man einen ordentlich hohen Pegel einstellen.

Mit dieser Funktion zeigt ARTA was ein Programm von Profis so alles kann.

Spezialitäten in STEPS

STEPS heißt STEPS, weil es mit Sinusanregung arbeitet, die in Stufen (=Steps) verändert wird. Die gute Nachricht ist, dass es keine besonderen Spezialitäten der Bedienung in STEPS gibt. Es wird genauso wie ARTA kalibriert, d.h. man kann dieselben Kalibrierwerte verwenden.. Wer ARTA kann, der erstellt in kurzer Zeit Kurven des Klirrgangs mit Angabe von K2 und K3. Die Ausgabe höherer Klirrkomponenten ist in STEPS nicht vorgesehen. Wer das unbedingt braucht, der muss sich die Klirrspektren bei diskreten Einzelfrequenzen im Real Time Analyzer (SPA) von ARTA angucken.

Beim Messen muss man etwas aufpassen. Klirrmessungen werden mit hohem Pegel gefahren und der Eingangskanal ist schnell übersteuert. STEPS zeigt die Übersteuerung am unteren Rand des Bildschirms korrekt an, aber diese Information "springt" einen nicht so an, wie man es erwarten würde. Und wieder ist die Wunschliste an Ivo Mateljan länger geworden.

Im Visaton Forum hatte F. Hausdorf Klirrkurven aus STEPS mit denen aus ATB-Precision verglichen. Die Übereinstimmung war gut.

Das Fehlen einer Messung mit absoluten Pegeln ist in STEPS, wo es um die Klirrgänge bei einem festen Pegel geht, kaum zu verschmerzen. Ivo Mateljan hat zugesagt, dass die nächste Version von STEPS die Fähigkeit haben wird, mit absoluten Pegeln zu messen.
Spezialitäten in LIMP

Mit LIMP (Loudspeaker Impedance Measurement Program) werden Impedanzverläufe gemessen und die Thiele-Small-Parameter (TSP) berechnet. Von der Arbeitsweise her ist LIMP ein Zwitter aus Hobby-Box und JustOct. Als Anregung wird Rauschen verwendet (Multisinus bei JustOct), aber die TSP werden konventionell aus den -3dB-Frequenzen der Resonanz berechnet (Hobby-Box).

In LIMP wird mit einer direkten Verbindung vom Ausgang zu den beiden Eingängen das System kalibriert. Hier schweigt sich das Handbuch ausnahmsweise aus und man erfährt nicht, ob die Kalibrierung gespeichert wird oder nach jedem Programmstart neu durchgeführt werden muss.

Das Hardware-Setup ist schnell begriffen. Wenn man eine für Hobby-Box geeignete Verkabelung wählt, muss man den rechten Kanal als Referenzkanal angeben (linker Kanal bei Hobby-Box), ansonsten wird der Vorwiderstand der Chassisimpedanz zugeschlagen.

Dummerweise speichert LIMP nicht alle Einstellungen bei Programmende. Man muss alles beim nächsten Programmstart neu eingeben. Hier sollte Ivo Mateljan noch mal nachbessern.

Es können sehr viele Messungen gemittelt werden, was zu einer aussagkräftigen Impedanzkurve führt. Auch Resonanzstellen im Chassis lassen sich noch gut ablesen. In dieser Funktion gefällt mir Hobby-Box allerdings etwas besser, da es mit den festen Sinustönen die Resonanzen stärker anregt.

Die TSP werden berechnet wenn man eine Kurve gerade gemessen hat und eine andere als Overlay hinzulädt. Volumenmethode und Massenmethode stehen zur Verfügung. Es findet ein Check auf die Plausibilität der Impedanzdaten statt. Allerdings ist nicht dokumentiert welche Kriterien LIMP dabei anwendet. Die Liste aller TSP kann man sich als Textfile auf Knopfdruck in die Zwischenablage kopieren.

In LIMP ist eine pfiffige Zusatzanalyse enthalten. Man kann sich an der Cursorposition die komplexe Impedanz in R, C und L getrennt anzeigen lassen. Damit kann man LIMP als Kapazitäts- oder Induktivitätsmessgerät gebrauchen.

Hier der Impedanzverlauf eines 8.2 uF MKP-Kondensators (White periodic noise, -3dB; 100 linear averages, preaverage, asynchronous averaging):


Die Analyse kann nun an verschiedenen Cursorpositionen durchgeführt werden.


Hierbei wird man sich auf Kurvenpunkte konzentrieren, die rein kapazitiv sind (Phasenwinkel = -90°) und von diesen sind die zu bevorzugen, deren Impedanzwert in etwa so groß wie der verwendete Vorwiderstand sind. Der gemessene rein resistive Anteil bei dieser Frequenz (0.13 Ohm) ist im Wesentlichen der Kabelverlust.

Hier noch die Impedanzmessung an einem 10 uF Kondensator von Mundorf:


Der Nominelle Wert wird gut getroffen, allerdings hat dieser Kondensator deutlich höhere Verluste zu hohen Frequenzen hin . Es handelte sich um einen bipolaren Elko der rauen Sorte, der mit Sicherheit eine andere Weichenabstimmung bewirken wird als ein MKP gleicher Kapazität (s. a. Artikel über Frequenzweichen).

Unsachliche Anmerkung des Autors: Nicht auszudenken was dieser Kondensator in einem Hörtest bewirkt hätte, da doch Mundorf draufstand.

Spulen lassen sich auf dieselbe Weise ausmessen. Hier eine Rollenkernspule mit nominell 1.5 mH und einem Innenwiderstand von 0.23 Ohm:


Ein zu Kontrollzwecken gemessener Widerstand ergab eine gerade Linie für Betrag und Phase. Das Verfahren ist wirklich genau. Lediglich als Milliohmmeter taugt es nicht, da die Kabelverluste nicht kompensiert werden. Ein dickes Lob an Ivo Mateljan.

Achtung: Diese Messungen sind zickig, was das Rauschen angeht. Eine gute Soundkarte, dicke Masseverbindungen und die Anwendung aller Mittelungstechniken sind Pflicht.

Von den drei Programmen ist LIMP am wenigsten weit entwickelt. Trotzdem ist es voll funktionsfähig und ersetzt sogar ein L-C-R-Meßgerät. Für eine kommerzielle Version muss allerdings noch etwas getan werden.

Bezüglich der Thiele-Small-Parameter gibt es hier etwas umsonst, das andere Programme nicht für Geld liefern (ATB PCpro).

Die Zukunft von ARTA und seinen Spießgesellen

Eine Anfrage bei Ivo Mateljan ergab, dass ARTA, STEPS und LIMP in diesem Jahr kommerzielle Produkte werden sollen, die mit einer preisgünstigen Lizenz für Privatpersonen angeboten werden.

Wer das Programm benutzt, der sollte auch Fehlermeldungen an Ivo Mateljan schicken (darum hat er gebeten). Das ist ein geringer Lohn für die tolle Software und treibt die Entwicklung sicher voran.

Fazit

Wenn man auf hohem Niveau meckern möchte, so muss man feststellen, dass es in den folgenden Bereichen Einschränkungen gibt:

  • Das Handbuch liegt leider nur in Englisch vor.
  • Die Freiheit, viele Parameter einstellen zu können, kann auch zu falschen Analyseergebnissen führen – Definitiv kein Programm für Anfänger.
  • Der Mikrofonfrequenzgang kann nicht kompensiert werden.
  • Es sind nur eingeschränkt Messungen des absoluten Schalldruckpegels möglich.
  • An einigen Stellen merkt man, dass es sich um eine Pre-Release handelt.
  • Es können keine Daten aus anderen Programmen importiert werden.
  • Das Arbeiten mit mehreren Kurvenverläufen wird nur minimal unterstützt.
  • Die Dokumentation der Messungen muss getrennt von ARTA, STEPS und LIMP erfolgen.
  • Stellt gewisse Anforderungen an das Mikrofon und die Soundkarte.

Die Pluspunkte sind:

  • Sehr gutes Handbuch.
  • Logisches Konzept, das eine weitreichende Kontrolle über alle Analysen erlaubt.
  • Wenn man sich eingearbeitet hat, geht alles rasend schnell.
  • Sehr großer Funktionsumfang bis hin zu T60 und IM-Spektrum.
  • Vorbildliche Behandlung von Laufzeit und Phase.
  • Sehr gutes Wasserfalldiagramm.
  • L-C-R-Meter.
  • Für eine Pre-Release sehr guter Entwicklungstand.
  • ARTA, STEPS und LIMP sind als Pre-Release kostenlos.

Selbst die kostenlose Betaversion ist für die Nutzer, die ein bisschen Englisch können eine Alternative zu anderen Programmen, die nur für Geld zu bekommen sind.

Wer eine gute Mess-Hardware hat, über etwas Erfahrung mit Messprogrammen verfügt und es puristisch mag, der wird mit ARTA, STEPS und LIMP. im Messhimmel landen.

Wer Hobby-Box besitzt und damit gut klar kommt, der muss nicht unbedingt wechseln. Ein mit Hobby-Box entwickelter Lautsprecher wird nicht anders aussehen und klingen als einer, der mit ARTA erschaffen wurde.

Wer bisher mit JustOct arbeitet und "aufsteigen" möchte, für den ist ARTA durchaus interessant. Man hat es in der Lernphase sicher etwas schwerer, aber später winkt die Belohnung (Ausblenden von Reflexionen, Wasserfall etc.).

Was haben das zweite Hingucken und die vielen Prüfungen gebracht?

ARTA hält auch dem dritten, vierten und fünften Blick stand. Die kleinen Einschränkungen, die es zur Zeit noch gibt, haben meine Begeisterung nicht abkühlen lassen. Mein nächster Lautsprecher wird schon jetzt mit ARTA, STEPS und LIMP entwickelt.


Wir möchten uns bei unserem Abonnenten Sysiphus für diesen ausführlichen und fundierten Bericht über ARTA, STEPS und LIMP bedanken. Sysiphus ist beruflich mit Akustikmessungen und digitalen Meßsystemen beschäftigt und ist seit Jahren begeisterter Lautsprecher- und Elektronikentwickler. Dabei musste er immer wieder seine Kenntnisse einsetzen um in dem Bermuda-Dreieck aus Simulieren, Messen und Hören nicht verloren zu gehen.

Kommentare  

# Sebastian 2016-02-19 20:17
Hallo,

welche Software gibt es für den Mac?
+2 # Volker Sonn 2014-10-09 22:03
Hallo,

leider werden in dem Artikel bei mir ungefähr nur die Hälfte der Bilder richtig angezeigt. (getestete Browser: Chrome, iPad)

Grüße Volker
# wolfgang520 2011-09-13 14:40
Zuerst einmal vielen Dank für diesen hervorragenden Artikel. Der Umgang mit ARTA ist für einen Anfänger nicht leicht und dabei sind derartige hilfen ausgesprochen wertvoll.
Nun zu meiner Frage:
ARTA bietet eine Buffle Step Korrektur an. Diese ist lt. Handbuch bei der Nahfeldmessung auszuführen. Wenn ich jedoch einen Lautsprecher im Wohnraum messe, sollte der Frequenzgang doch auch den Wohnraumbedingu ngen entsprechen.
Die Korrektur würde doch eine Differenz zwischen gemessenen und hörbarem Frequenzgang des Lautsprechers bewirken. warum führt man also diese Korrektur aus?

Gruß

Wolfgang
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