Die sechs grundlegenden Audiomessungen

Qualitative Zielvorgaben sind unerlässlich, damit ein Entwicklerteam ein überzeugendes neues Produkt oder eine Dienstleistung erstellt, ebenso sind sie auch in der fertigungsbegleitenden Qualitätssicherung unverzichtbar.

In der Audiotechnik gibt es einige Eckdaten, die bei der Qualitätsbewertung eines Testobjekts (DUT) am wichtigsten sind. Wir nennen sie "The Big Six" Messungen. Diese sind:

• Pegel
• Frequenzgang
• Klirrfaktor und Rauschen (THD+N)
• Phasenlage
• Übersprechen
• Rauschspannungsabstand (SNR)

Natürlich erfordern unterschiedliche Audiogeräte verschiedene Ansätze für Mess- und Prüfverfahren. Dennoch sind diese sechs Messungen für die meisten Anwendungen entscheidend.

Pegel

Der Pegel, auch als Amplitude bezeichnet, beschreibt die Größe des Signals. Je größer die Amplitude des Signals ist, desto höher ist der Pegel. Als eine der grundlegendsten Audiomessungen, die wir vornehmen können, ist der Pegel entscheidend dafür, wie viel Energie das Gerät abgeben kann. Die Verstärkung hingegen ist eine Messung, die üblicherweise für Verstärker verwendet wird - sie ist der Ausgangspegel des Geräts geteilt durch den Eingangspegel des Geräts. Jedes Testobjekt kann mehrere Pegelmessungen erfordern, die von Interesse sind. Audiotechniker müssen Sollpegel festlegen.

Beispiele hierfür sind:

- Ein Eingangspegel, der einen bestimmten Ausgangspegel erzeugt, z. B. 1 Volt, 1 Watt oder Einheitsverstärkung;

- Ein Eingangspegel, der eine bestimmte Ausgangsverzerrung erzeugt, z. B. 1 % THD+N;

- Ein Pegel, der ein gutes Rauschverhalten mit komfortabler Aussteuerungsreserve bietet und oft als Betriebspegel bezeichnet wird;

- Ein Eingangs- oder Ausgangspegel, der in einer Prüfdokumentation vorgegeben ist.

Jeder dieser Pegel kann als Bezugspegel verwendet werden, auf dem weitere Messungen aufbauen. Frequenzgangmessungen werden z. B. relativ zum Pegel einer Frequenz in Bandmitte ausgedrückt; THD+N-Messungen werden bei bestimmten Pegeln durchgeführt, die in den Ergebnissen angegeben werden sollten.

Überlegungen zur Verstärkung bei Pegelmessungen

Das Verhältnis zwischen dem Ausgangsspannungspegel eines Testobjekts und seinem Eingangsspannungspegel ist die Spannungsverstärkung des Testobjekts. Bei einem Testobjekt mit einer Verstärkung von 2 wird beispielsweise bei einer Eingangsspannung von 2 Volt eine Ausgangsspannung von 4 Volt erzeugt. Eine Verstärkung von 1, bei der die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung ist, wird als Einheitsverstärkung bezeichnet.

Einige Testobjekte bieten keine Verstärkungseinstellungen und haben eine feste Verstärkung, die entweder auf den Wert 1 oder auf einen anderen Wert festgelegt ist.

Pegelmessung bei Testobjekten mit variabler Verstärkung

Ein Testobjekt mit einem Lautstärkeregler oder einer anderen Einrichtung, die die Verstärkung beeinflusst, ist ein Gerät mit variabler Verstärkung. Bei der Einstellung und Messung des Pegels muss unbedingt berücksichtigt werden, ob die Verstärkung des Testobjekts variabel ist und, falls dies der Fall ist, wie die Bedienelemente des Testobjekts eingestellt werden müssen, um reproduzierbare Messergebnisse zu erzielen.

Frequenzgang

Eine Frequenzgangmessung gibt die Ausgangspegel eines Testobjekts an, wenn er mit verschiedenen Frequenzen mit bekanntem Pegel angeregt wird. Die einfachste aller Frequenzgangmessungen besteht aus nur zwei oder drei Tönen, von denen der erste in der Mitte des nutzbaren Frequenzbereichs des Testobjekts liegt, gefolgt von einem Ton nahe dem oberen Ende des Bereichs und manchmal einem Ton nahe dem unteren Ende. Unter der Annahme, dass die Töne alle mit dem gleichen Pegel erzeugt werden, beschreiben die Ausgangspegel des Testobjekts dessen Reaktion auf diese verschiedenen Frequenzen.

Messungen des Frequenzgangs über den gesamten Bereich können mit verschiedenen Methoden durchgeführt werden. Die klassische Methode ist das Durchlaufen einer Sinusschwingung von der niedrigsten bis zur höchsten Frequenz im Bereich, wobei die Ergebnisse in einem Diagramm dargestellt werden. Ein "flacher" Frequenzgang beschreibt die Form eines Diagramms, bei dem das Testobjekt bei allen Frequenzen gleich anspricht und eine Kurve mit einer Steigung von 0 und minimalen Abweichungen erzeugt. Unten sehen Sie ein Beispiel für eine typische flache Frequenzgangkurve des Testobjekts.

Klirrfaktor und Rauschen (THD+N)

Als Klirren bezeichnet man das unerwünschte Hinzukommen neuer Töne zum Audiosignal. Diese Töne sind harmonisch verwandte Töne zum Originalsignal. Wenn das Signal eine Sinusschwingung mit der Frequenz f1 ist, sind die Obertöne f2, f3 usw. ganzzahlige Vielfache des Originaltons. Der Klirrfaktor ist die Summe aller Obertöne, die in der Bandbreite des Testobjekts gemessen werden.

Warum THD+N? Warum nicht einfach THD (den Klirrfaktor) und N (das Rauschen) einzeln messen? Bevor FFT-Analyzer verfügbar waren war es schwierig, den Klirrfaktor allein ohne das Rauschen zu messen, aber es war relativ einfach, Klirr und Rauschen zusammen zu messen. Die seit Jahren überlieferten Messverfahren geben daher THD+N an, weil dies praktisch war. Darüber hinaus ist THD+N ein aussagekräftiges Maß für die Qualität, das allgemein verstanden und akzeptiert wird.

Phasenlage

In der Audiotechnik werden Phasenmessungen verwendet, um den positiven oder negativen Zeitversatz in einer Signalperiode (z. B. einer Sinusschwingung) zu beschreiben, der gegenüber einem Bezugssignal gemessen wird. (Mehr darüber erfahren Sie in unserem Blog-Beitrag "Weshalb Sinussignale?"). Bei der Referenz handelt es sich in der Regel um dasselbe Signal an einem anderen Punkt im Signalweg oder um ein verwandtes Signal in einem anderen Kanal des Testobjekts.

Die beiden häufigsten Phasenmessungen sind: die Eingangs-/Ausgangsphase des Geräts und die Phasenlage zwischen den Kanälen. Die Phasenverschiebung verändert sich mit der Frequenz, es ist daher nicht unüblich, Phasenmessungen bei mehreren Frequenzen vorzunehmen oder den Phasengang eines Frequenzdurchlaufs aufzuzeichnen. Die Phase wird in Grad angegeben.

Übersprechen

Bei Audiosystemen mit mehr als einem Kanal ist es unerwünscht, dass das Signal eines Kanals am Ausgang eines anderen Kanals erscheint. Diese Signalübertragungen zwischen den Kanälen werden als Übersprechen bezeichnet und sind in realen Geräten nur sehr schwer zu beseitigen. Das Übersprechen wird als das Verhältnis des unerwünschten Signals im nicht angesteuerten Kanal zum Signal im angesteuerten Kanal ausgedrückt. Das Übersprechen entsteht überwiegend durch kapazitive Kopplung zwischen den Leiterzügen im Gerät, es weist in der Regel eine mit der Frequenz ansteigende Charakteristik auf.

Rauschspannungsabstand (SNR)

Wie viel Rauschen ist zu viel? Das hängt ganz davon ab, wie laut Ihr Signal ist.

Der Rauschspannungsabstand ist ein Maß für diese Differenz und bietet (wie THD+N) eine Kennzahl für die Qualität eines Gerätes. Das Signal wird in der Regel auf den nominalen oder auf den maximalen Betriebspegel des Testobjekts eingestellt. Wenn der SNR unter Verwendung des Maximalpegels bestimmt wird, kann das Ergebnis auch als Dynamikbereich bezeichnet werden, da es die beiden Extremwerte des möglichen Pegels im Testobjekt beschreibt. (Der Dynamikbereich bei digitalen Geräten hat eine etwas andere Bedeutung). Das Rauschspannungsabstand wird in der Regel in Dezibel angegeben und mit negativem Vorzeichen dargestellt.

Bei der Verwendung herkömmlicher Methoden erfordert die Messung des Rauschspannungsabstands zwei Messungen und ein wenig Arithmetik. Zuerst misst man den Signalpegel und schaltet dann den Generator aus (und schließt oft auch die Eingänge des Testobjekts mit einer niedrigen Impedanz ab, um das Rauschen im Gerät weitestmöglich zu reduzieren). Dann wird der Rauschpegel (oft als Grundrauschen bezeichnet) gemessen, wobei Filter zur Begrenzung der Messbandbreite eingesetzt werden. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Werten ist der Rauschspannungsabstand. Einen mit einer gehörrichtigen Empfindlichkeitskurve bewerteter Rauschspannungsabstand bezeichnet man als Geräuschspannungsabstand.

Von der Forschung und Entwicklung bis hin zur Produktion erfordern Audiomessungen je nach Anwendung unterschiedliche Bewertungskriterien. Die Festlegung von Zielvorgaben und die Bewertung jedes Testobjekts verschafft Ingenieuren und Technikern die nötigen Erkenntnisse, um sinnvolle Entscheidungen für die Produktentwicklung und -herstellung zu treffen.