TSP Daten im Detail (Fortgeschrittene)


Im Artikel TSP messen für alle! wurde das Rüstzeug für die Bestimmung der TSP vermittelt. In diesem Artikel soll es um einige zusätzliche Feinheiten gehen.

Serienstreuung von TSP

Da wir in Zukunft ja einiges mit dem VISATON B200 und dem BG20 vorhaben, haben wir uns gleich mehrere (jeweils 4 Stück) davon besorgt. Da stellt sich natürlich die Frage: und wie streuen die?

Bevor man sich nun über Streuung unterhält, muss man die Messbedingungen genau definieren, damit die Messergebnisse auch reproduzierbar sind:

  • Die Chassis lagern mindestens 1 Stunde vor der Messung in einem Raum mit einer Raumtemperatur von 21 +/- 3 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 70 +/- 20%. Diese Umgebungsbedingungen müssen auch während der Messung eingehalten werden
  • Die Messung wird bei einem Anregungspegel durchgeführt, bei dem im mittleren Frequenzbereich mit dem Testsignal (Multisinus) gehobene Zimmerlautstärke erzeugt wird
  • Vor jeder Messung wird der Lautsprecher 3 Minuten +/- 20 Sekunden mit dem Messsignal beaufschlagt, bevor die eigentliche Messung beginnt -> Aufwärmphase
  • Die Impedanzmessung wird einkanalig durchgeführt, da hier der Einfluss der Soundkarte geringer ist (es wird z.B. keine 100%ige Gleichheit beider Kanäle vorausgesetzt)
Die 1. Messung nach diesem Schema wurde im uneingespielten Zustand durchgeführt. Es ergaben sich die folgenden Ergebnisse:


-> Die Resonanzfrequenz streut etwas und das "blaue" Chassis (2B) zeigt ein höheres Rdc. Möglicherweise war die elektrische Verbindung (Krokodilklemmen) beim Chassis 2B nicht so gut wie bei den anderen Chassis gelungen?

Die Messung wurde am folgenden Tag wiederholt, wobei penibel auf die elektrische Verbindung geachtet wurde. Diesmal hatte das Chassis nach der Messung also 8 Minuten Betriebsdauer auf der Schwingspule:


-> Die Streuung der Resonanzfrequenz sich sehr ähnlich aus, das "blaue" Chassis (2B) ragt weniger aus der Kurvenschar heraus.

Die letzte Messreihe wurde daher als Ausgangsbasis für die weitere Auswertung verwendet. Zur Bestimmung der TSP wurde JustDisp verwendet. Der Gleichstromwiderstand Rdc sollte aus den Kurven automatisch ermittelt werden. Dabei traten jedoch einige "Problemchen" auf, die ich im Folgenden beschreiben will:


-> na, das sieht doch gut aus! Oder . . . ?


-> Bei einer Vergrößerung sieht man, dass die Anpassung um die Resonanzfrequenz herum durch einige kleinere "Resonanzstellen" um 400 Hz "abgelenkt" wird.

Durch manuelle Vorgabe von Rdc (hier 5.05 Ohm) gelingt die Anpassung um die Resonanzfrequenz herum etwas besser, obwohl der Gesamtfehler von 2.400 auf 2.728% steigt!


-> die Auswirkung auf die TSP ist aber eher gering (1.6%), in der Folge wurde auf eine manuelle Korrektur verzichtet.

Nachdem der Ausgangszustand der Chassis ordentlich erfasst wurde konnte es an das "Weichklopfen" gehen. Als Anregungssignal wurde mit GoldWave ein "braunes" Rauschen erzeugt (wave1(n-1)+rand(0.5)-0.25) und mit einem 50 Hz Tiefpassfilter (40 Hz, Statisch, Steilheit 5) bearbeitet (von Sinussignalen als Anregung halte ich in diesem Zusammenhang nichts, schließlich heißt es ja auch "einrauschen" und nicht "einsinussen"). Das Signal hat einen Crestfaktor (=maximale Amplitude / energetischer Mittelwert) von 3.4. Bis zur 63 Hz 1/6 Oktave ist der mittlere Pegel bereits um 30 dB abgesunken (Filtersteilheit ca. 60 dB/Oktave).

Damit habe ich einfach eine komplette CD bespielt (genau genommen 64 Minuten), so dass die Dauer der Anregung auch ohne mein Beisein exakt definiert ist. Die Lautstärke wurde so eingestellt, dass sich etwa 3 bis 4 mm Maximalhub (einseitig) ergaben. Nach dieser Tortour (1xCDBI = 1 Durchgang CD Burn-In) ist die Schwingspule gut warm geworden, daher müssen die Chassis mindestens 2 Stunden bei Raumtemperatur "ruhen" bevor die TSPs erneut gemessen werden können.


-> na, da hat sich trotz 64 Minuten Quälerei aber nicht viel getan . . .

ChassisRdc [Ohm]Fs [Hz]QmsQesQts
B200_1A_8min5.1149.599.8791.1551.034
B200_1B_8min5.1045.659.9871.0670.964
B200_2A_8min5.1449.1310.171.0330.938
B200_2B_8min5.6749.558.8191.0560.943
B200_1A_1xCDBI5.1848.4410.751.1541.042
B200_1B_1xCDBI5.0744.5910.461.0400.946
B200_2A_1xCDBI5.0547.9311.090.9970.915
B200_2B_1xCDBI5.6148.549.7951.0530.951

Die mittleren Änderungen durch das "Einrauschen" sind: Rdc -0.5%, Fs -2.3%, Qms +8.4%, Qes -1.6%, Qts -0.7%
Die Standardabweichung (B200_XX_8min) beträgt: Rdc +/-5.3%, Fs +/-3.9%, Qms +/-6.3%, Qes +/-5.0%, Qts +/-4.6%

Aber das ist ja erst die 1. Hälfte der Miete. Jetzt muss ja noch eine Messung mit Zusatzmasse erfolgen. Beim 1. Chassis war ich zunächst etwas vorsichtig und habe nur 5.76g Masse aufgebracht. Da mir die Änderung der Resonanzfrequenz zu gering erschien habe ich dann noch eine Messung mit 14.54gr Zusatzmasse durchgeführt:

Wenn man die Impedanzkurven mit JustOct anpasst ergeben sich für alle 3 Messungen geringfügig unterschiedliche Rdc-Werte. Hier wurde daher noch einmal feingetunt und schließlich alle TSPs mit einem manuell vorgegebenen Rdc von 5.15 Ohm berechnet (wenn man Rdc genau gemessen hat entfällt dieses Feintunen natürlich). Wenn man die simulierten Parameter abspeichert und dann den Menupunkt "Spezial / Berechne TS-Parameter" aufruft, ergeben sich mit beiden Zusatzmassen die folgenden TSPs:

Alles in allem 2 gute Ergebnisse! Trotz der geringen Änderung der Resonanzfrequenz bei der Zusatzmasse von 5.76g unterscheiden sich die beiden Ergebnisse für Mms nur um 2.3% (wobei die Messung mit der größeren Zusatzmasse wahrscheinlich "richtiger" ist). Damit ergibt sich ein um 2.3% anderes Cms und ein um 2.3% anderes Vas.

Der Wirkungsgrad wird übrigens in dB/Volt/m angegeben, damit Chassis mit unterschiedlicher Impedanz direkt vergleichbar sind! Für 4 Ohm Chassis sind 6 dB (dB/2V/m), bei 8 Ohm Chassis 9 dB (dB/2.83V/m) zu addieren um auf die "gewohnten" Werte zu kommen.

Die TSP der anderen 3 Chassis wurden auf dieselbe Weise ermittelt, so dass nun auch eine statistische Auswertung der 4 unterschiedlichen TS-Parametersätze möglich ist (als Membranfläche wurde jeweils 215.1 cm² angenommen):

ChassisRdc [Ohm]Fs [Hz]QmsQesQtsMms [g]Vas [l]BL [N/A]
B200_1A5.1548.4410.701.1451.03410.0570.423.90
B200_1B5.0744.5910.461.0400.96410.4180.273.92
B200_2A5.0547.9311.090.9970.9159.8473.484.04
B200_2B5.6148.549.7951.0530.9519.8671.474.21
B200_Mittelwert5.2247.3810.511.0590.96610.0473.914.02
B200_Std_Abw5.0%4.0%5.2%5.9%5.2%2.6%6.0%3.6%

Es gibt einen "Ausreißer" bei Rdc (Chassis 2B) und bei Fs (Chassis 1B). Die mittlere Standardabweichung aller Parameter liegt bei 4.7%, die bewegte Masse streut jedoch nur um 2.6 %.

Wie stimmen denn nun die Mittelwerte der 4 Chassis mit den Herstellerangaben bzw. den Messungen von Klang & Ton (06/2004) und Hobby-HiFi (04/2003) überein?

QuelleRdc [Ohm]Fs [Hz]QmsQesQtsMms [g]Sd [cm²]Vas [l]BL [N/A]
VISATON5.0408.390.830.759.72141023.90
HiFi-Selbstbau5.2247.3810.511.0590.96610.04215.173.914.02
HiFi-Selbstbau (weicher)5.2340.008.880.8940.81610.04215.1103.74.02
Hobby-HiFi 04/20034.9377.10.790.71102191273.7
Klang & Ton 06/20045.2043.869.470.870.809.59224.296.953.81

Hobby-HiFi hat den B200 offensichtlich am stärksten weichgeklopft (37 Hz), aber die bewegte Masse wurde von allen auf +/-2.3% genau gemessen. Erstaunlich ist die Streuung des Gleichstromwiderstandes (+/-3.3%) und vor allem die Abweichungen bei der Membranfläche (+/-2.4%). Schließlich ist für letzteres eigentlich nur ein Lineal und ein gesundes Auge erforderlich . . . .

Wenn man unsere Ergebnisse auf ein stärker weichgeklopftes Chassis umrechnet (neue Resonanzfrequenz = 40 Hz), dann ist die Abweichung zu den Herstellerangaben sehr gering.

Dieselben Messungen wurden parallel auch an 4 Chassis VISATON BG20 durchgeführt. Die Ergebnisse sind (als Membranfläche wurde jeweils 215.1 cm² angenommen):

ChassisRdc [Ohm]Fs [Hz]QmsQesQtsMms [g]Vas [l]BL [N/A]
BG20_16.5140.134.8220.5690.50910.9694.095.95
BG20_26.5941.975.4840.6220.55911.5381.805.99
BG20_36.5638.694.3140.5350.47612.0791.906.36
BG20_46.5039.564.3900.5530.49111.1994.836.07
BG20_Mittelwert6.5440.094.750.5700.50911.4490.666.09
BG20_Std_Abw0.6%3.5%11.3%6.6%7.3%4.2%6.7%3.1%
BG20_weicher6.5436.004.2860.5120.45711.44112.46.09

Hier ist der Gleichstromwiderstand sehr konstant, dafür streut vor allem die mechanische Güte Qms recht stark. Die mittlere Standardabweichung aller Parameter liegt bei 5.4%.

Und wie stimmen hier die Mittelwerte der 4 Chassis mit den Herstellerangaben bzw. den Messungen von Hobby-HiFi (03/2001) überein?

QuelleRdc [Ohm]Fs [Hz]QmsQesQtsMms [g]Sd [cm²]Vas [l]BL [N/A]
VISATON6.4361.600.400.32102141216.12
HiFi-Selbstbau6.5440.094.750.5700.50911.44215.190.666.09
Hobby-HiFi 03/20016.1341.40.360.29112141306.2

Auch beim BG20 hat Hobby-HiFi eine etwas geringere Resonanzfrequenz als der Hersteller ermittelt. Auch die Güten liegen unterhalb der Herstellerangaben. Dafür wurde die Masse sowohl von uns als auch von Hobby-HiFi höher als vom Hersteller bestimmt. 2001 waren die Augen der Hobby-HiFi-Redaktion wohl noch besser, denn die Membranfläche wurde genau so hoch wie vom Hersteller angegeben . . .

 

Wer misst misst Mist . . .

Also die Tatsache, dass wir bei allen Chassis deutlich höheren Güten als der Hersteller und Klang & Ton bzw. Hobby-HiFi gemessen haben, hat mich ja doch irgendwie stutzig gemacht. Das muss doch einen Grund haben!

Vor ein paar Jahren habe ich mal im Rahmen eines Vergleichstest die Impedanz von verschiedenen Chassis auch mit einem professionellen Messsystem gemessen. Als Messfunktion wurde eine Übertragungsfunktion gewählt. Neben der Amplitude und Phase der Impedanz wurde dabei auch die sog. Kohärenz bestimmt. Diese Größe gibt Auskunft darüber, wie gut das Antwortsignal (hier: Spannung über Chassis; Vorwiderstand und Chassis in Reihe) durch das Referenzsignal (hier: Spannung über Vorwiderstand und Chassis = Ausgangsspannung des Verstärkers) erklärt werden kann. Bei niedrigen Anregungspegeln war die Kohärenz bei allen Frequenzen fast 100%. Wurde jedoch die Anregung erhöht, brach die Kohärenz um die Resonanzfrequenz herum auf unter 80% ein und die Übertragungsfunktion war in diesem Bereich leicht "verzappelt" und "verbogen". Seitdem führe ich Impedanzmessungen bei recht geringen Pegeln durch um diesen Effekt zu vermeiden!

Um zu ergründen, ob die Abweichung der Messwerte ggf. auf unterschiedliche Anregungspegel zurückzuführen ist, habe ich die Freiluft-Impedanzmessung mit zunehmend höheren Pegeln wiederholt. Glücklicherweise ist der Lautstärkeregler meines Verstärker in dB kalibriert, so dass die Lautstärkeänderung reproduzierbar eingestellt werden konnte.

Die Messreihe begann mit dem Warmfahren (3 min) bei "normalem" Pegel (50 dB) mit anschließender Impedanzmessung. Bei den folgenden Messungen wurde das Chassis nur zum Aussteuern und während der kurzen Messdauer mit der erhöhten Lautstärke betrieben und danach das Signal sofort stumm geschaltet, um die Schwingspule nicht unnötig zu erhitzen. Zum Abschluss wurde die Messung mit normaler Lautstärke wiederholt. Die gesamte Messreihe dauert nur 5 Minuten, das Chassis wurde nicht bewegt und nicht berührt.

-> im Bereich der Resonanzfrequenz zeigt sich ein deutlicher Einfluss bei Erhöhung des Anregungspegels

Die Reproduzierbarkeit der Messung war sehr gut (Vergleich erste und letzte Messung):

Die Parameteranpassung ergab die folgenden Werte (Rdc wurde jeweils mit 6.56 Ohm vorgegeben):

MessungRdc [Ohm]Fs [Hz]QmsQesQtsVas [l]BL [N/A]
BG20_3_50dB6.5638.694.3140.5350.47691.906.36
BG20_3_55dB6.5638.864.0080.5360.47291.106.40
BG20_3_60dB6.5638.233.6490.5270.46094.126.43
BG20_3_65dB6.5637.303.2950.5120.44398.886.47
BG20_3_70dB6.5636.353.0060.5030.431104.16.48
BG20_3_50dB6.5639.044.3470.5400.48190.266.35

-> die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ist besser als 1.0 %!
-> bei 70dB Anregung geht die Resonanzfrequenz (gegenüber der 50dB-Messung) um 6.0% zurück, Qms sinkt um 30.3%, Qts um 9.5% und Vas steigt um 13.3%

Bereits an der Parameteranpassung kann man erkennen, dass hier kein Verhalten mehr vorliegt, dass dem Thiele-Small-Impedanzmodell entspricht:

Daher ist eine Angabe der TSP bei diesem Anregungspegel nicht mehr sinnvoll! Wie R.H. Small in seiner Veröffentlichung schon betont handelt es sich eben um Kleinsignal-Parameter . . . Bei der "klassischen" Auswertung nach der -3dB-Methode fällt so etwas nicht unbedingt auf. Eine genaue Messung der Übertragungsfunktion hatte sicher eine zunehmend schlechte Kohärenz im Bereich der Resonanzfrequenz gezeigt.

 

Zusammenfassung

Bei 2 Chassistypen wurde an jeweils 4 Chassis eine Messung der TSP unter reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt.
  • Die mittleren Änderungen durch moderates "Einrauschen" (1 Stunde) sind: Rdc -0.5%, Fs -2.3%, Qms +8.4%, Qes -1.6%, Qts -0.7%.
  • Die mittlere Standardabweichung aller Parameter beträgt bei beiden Chassistypen etwa 5 %.
  • Die Mittelwerte von Fs, Qms, Qes, Qts und Vas weichen zum Teil deutlich von den Herstellerangaben und den Angaben von Hobby-HiFi und Klang & Ton ab. Der Unterschied wird zum Teil durch die unterschiedliche Nachgiebigkeit der Membranaufhängung durch das nur moderate Einrauschen hervorgerufen.
  • Die Mittelwerte von Rdc, Mms und BL stimmen sehr gut mit den Herstellerangaben und den Angaben von Hobby-HiFi und Klang & Ton überein.
  • Bei höherem Anregungspegel werden die TSP deutlich beeinflusst. Das Thiele-Small-Impedanzmodell stimmt dann im Bereich der Resonanzfrequenz aber zunehmend schlechter mit der gemessenen Impedanz überein, da es nur ein Kleinsignal-Modell ist.

Bei den TSP müssen die Messbedingungen genau angeben werden um eine Vergleichbarkeit zu ermöglichen. Dazu gehört auch eine möglichst genau festgelegte "Einrausch"-Prozedur. Das ONLINE-Magazin hat hiermit seine Vorgehensweise ausführlich beschrieben und mit Fakten begründet.

Diese Grundsatzuntersuchung hat auch gezeigt, dass die Angabe der TSP von nur einem einzelnen Chassis nur eine eingeschränkte Aussagekraft hat. Besser ist die Angabe des Mittelwertes und der Streuung von mindestens 2 Chassis.

Kommentare  

# Guest 2013-08-15 13:25
Vielen Dank für den sehr hilfreichen Beitrag. Aber welcher Pegel bzw. welche Spannung ist denn nun Kleinsignal?
# wus 2013-03-15 17:33
Hat denn schon mal jemand den Einfluss der Alterung unter normalen Betriebsbedingu ngen untersucht? Also - Chassis neu einrauschen (oder einwobbeln wie andere das nennen - was auch immer, die Methode sollte nur genau beschrieben sein damit es nachvollziehbar ist), TSP messen und aufschreiben, dann Chassis in Box für längere Zeit betreiben (Musik, Radio, Heimkino whatsoever) bei typischen Pegeln 1, 2, 3, 6 Monate, 1, 2, 3 ... Jahre betreiben, dann TSP neu messen.

Tut sich da noch was?

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