Mysterium Sprungantwort

Zu dem Thema Zeitrichtigkeit und seine Auswirkung auf die Wiedergabequalität gibt es verschiedene Ansichten.
Ich bin sicher kein Experte auf dem Gebiet, also kann ich hier auch nur meinen Halbwissen zum besten geben
Für Ergänzungen oder Berichtigungen zu meinen Ausführungen möchte ich mich jetzt schon mal recht herzlich bedanken.

Es gibt schlichtweg keine Lautsprecher die zeitrichtig spielen. Eine Annäherung an das Ideal wird aber sehr wohl von wenigen Lautsprecherherstellern erreicht.
Bei analogen Frequenzweichen ist hierfür die Trennung der Wege mit einer Filtersteilheit von 6 dB erforderlich. Auf elektronischem Wege, kann man mit FIR Filtern eine zeitrichtige Wiedergabe erreichen. Die impulsetreue Wiedergabe ist dann auch nur von exact einem Punkt aus möglich.

Bei einem Lautsprecher, der richtig wandelt sollten die Schallanteile von Hochton Mittelton und Tieftöner möglicht gleichzeitig am Hörplatz ankommen.
Auch die kostenlose und umfangreiche Akustiksoftware stellt seit den letzten Versionen auch die zur Verfügung, dass Zeitverhalten von Lautsprecher zu messen.

Man findet diese Funktion unter dem Reiter Impulse in REW. Unten rechts auf der Seite den Punkt Step response anklicken.
Die Einstellungen können ansonsten obenstehender Grafik entnommen werden. Die Impulsemessungen müssen nicht extra gemacht werden und können von jeder Messung abgeleitet werden. Was für den Frequenzgang gilt, hat auch hier seine Bedeutung. Im Tieftonbereich hat die Messung seine Grenzen wenn sie im Raum gemacht werden. Bei einem Messabstand bis 100 cm lässt sich der Raumeinfluss bis ca. 300 ganz gut beurteilen.

Als erstes Beispiel verwende ich als erstes Messungen die ich von meiner Cuba Libre in 100 cm Abstand gemacht habe. Der Lautsprecher steht als typisches Beispiel für einen 3-Wege Lautsprecher.

... to be continued

Es freut mich, dass das Thema offensichtlich auf Interesse stößt.

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Vielleicht kommentierst Du mal, was der Kurvenverlauf aussagt und wie andere Verläufe sein können (ich werde Dir natürlich nicht die Sahne vom Kuchen klauen ). Ich bin mir nicht sicher, ob alle Forummitglieder Sprungantworten kennen.

Genau das war der Plan.

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Wie kann ich das am besten messen und was mich am meisten Interessiert welche Erkenntnisse bekomme ich hier mit?
Kann ich zB. die Lautsprecherposition, Planung von Absorbern und Diffusoren hiermit verbessern...

Es geht darum, ob ein Lautsprecher das Originalsignal möglichst impulsetreu und zeitrichtig wiedergeben kann
Wenn Du die Lautsprecher schon hast, dann kannst Du nur noch geringen Einfluss auf die Sprungantwort nehmen.
Hersteller wie WilsonAudio liefert z.B. Spikes mit um den Kopf des LS mit dem HT + MT im Winkel, je nach Hörabstand verändern zu können.
Je nach Höhe, Hörabstand oder Neigungswinkel der Lautsprecher sind noch geringe Änderungen im Timing möglich.
Mit Absorber und Diffusoren hat das erst mal nicht zu tun.

Wir werden uns im Verlauf des Threads auch noch Sprungantworten von Wilson Audio und der Firma Isophon ansehen.
Wie nahe diese an dem Ideal eines optimalen Impulses liegen, muss dann Jeder für sich entscheiden.

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Man nehme einen Breitbänder fertig.

Damit hast Du im Grunde schon recht, aber einem Rechtecksignal gleicht auch die Sprungantwort eines Breitbänders nicht.
Die Anstiegsflanke ist oft nicht sehr steil, weil der Superhochton fehlt. Außerdem schwingen sie sehr schnell wieder aus und die Flanke fällt dadurch stark ab, weil es dem Breitbänder an Tiefbass fehlt. Bei einem Brüllwürfel fehlt der Bassbereich gänzlich und ein zusätzlicher Basslautsprecher wird erforderlich.
Elektrostaten haben ein noch schnellere Einschwingverhalten sind aber im Tiefton, ohne zusätzlich Basslautsprecher, auch begrenzt.
Wenn Du mir eine perfekte Sprungantwort eines Breitbänders präsentieren kannst, dann immer her damit.

Bevor wir uns nun den Messungen im einzelnen widmen sollten wir uns mal anschauen wie so eine Sprungantwort idealerweise aussieht.
Als Anregungssignal dient eine Spannung die plötzlich anliegt und während der gesamten Messung anhält. Dieses Signal verursacht einen Sprung von dem die Messung ihren Namen hat. (auch Step Response genannt) Die Y Achse zeigt also den Luftdruck und die X Achse den Zeitverlauf in Millisekunden.
Die Aufgabe eines guten Lautsprechers wäre es nun, dem Originalsignal möglichst gut zu folgen. Leider sind Lautsprecher verlustbehaftet und nicht in der Lage das elektrische Signal ohne Verluste in Schall zu wandeln. Es ist schon als Ideal anzusehen, wenn es nur eine steile Flanke gibt die anschließend flach abfällt (ausschwingt). Die Sprungantwort hat damit die Form eines Dreieckes.

Viel besser als ich kann das die Firma Fairaudio erklären. Für den von mir verlinkten Artikel benötigt man noch kein Studium.
>>> Fairaudio Sprungantwort
Bitte unbedingt lesen, wenn man diesen Beitrag weiterhin verfolgen will.

Zur besseren Veranschaulichung habe ich nun mal alle Wege meines Lautsprechers einzelnen gemessen.
Durch die DSP Frequenzweiche ist hier jeder Weg HT / MT / TT auf seinen Frequenzbereich mit 18 dB (Butterworth) beschnitten.
Die Messungen habe ich in 100 cm Entfernung im Garten gemacht, damit die Raumeinflüsse nicht stören können.

Als erstes die Messung vom Hochtöner. Es handelt sich um die 25mm Kalotte KE25 aus Keramik der Firma Visaton. Bei mir werkelt die Kalotte in einem Frquenzbereich von ca. 2500 - 20000 Hz.

und hier die passende Sprungantwort dazu.

Ein steiler Anstieg in der Sprungantwort deutet auf eine hohe obere Grenzfrequenz hin. Bei meiner Messung ist der Hochtöner bei 20000 begrenzt.
Nach dem der Hochtöner nur einen kleinen und hohen Frequenzbereich überträgt, ist auch das ein- und ausschwingen relativ schnell wieder erledigt.
Im Grunde sollte das Signal aber an der Grundlinie wieder enden. Auf der Messung ist ein gewisses Überwschwingen zu sehen.

Im Mitteltonbereich kommt bei mit die ATC SM75-150S zum Einsatz. Sie arbeitet in einem Bereich von ca. 400 bis 2500 Hz.

Das Ein- und Ausschwingen dauert naturgemäß etwas länger, daher sind die Flanken flacher als beim Hochtöner.

So sieht im übrigens ein verpolter Mitteltöner aus.

Nur zum Tieftöner. Hier nur ein AL200 Visaton von zweien. Da ich die Messung ich im Garten gemacht, dadurch ist der Tiefgang begrenzt.
Durch den Eckeinbau gibt es unter 200 noch einiges dazu geschenkt.

Auch wenn bei mir die beiden Tieftöner bis immerhin ca. 400 Hz rauf spielen müssen, hier ist kaum mehr ein Impulse geschweige denn ein Sprung zu sehen.
Der Tieftöner benötigt Frequenz- und Konstruktionsbedingt von allen Chassis am Längsten zum ein und ausschwingen. Die Sprungantwort von einem Subwoofer ist daher nur gut zu sehen, wenn man Ihn bis ca. 1000 Hz hochlaufen lassen kann

Bei der Betrachtung von verschiedenen Sprungantworten ist dringend auf die Skalierung von der Zeitachse zu achten. Um Messungen optimal vergleichen zu
können, wäre es gut wenn die Skalierung einheitlich ist.

Legt man nun die drei Sprungantworten für HT / MT und TT übereinander, erhält man eine typische Sprungantwort für einen 3-Wege Lautsprecher.

Wenn alle Chassis flach in einer Schallwand verbaut sind, dann hat der Hochtöner meist den geringsten Abstand zum Hörplatz.
Schon aus diesem Grunde sieht man das Einschwingen vom Hochtöner als erstes, ganz links im Zeitverlauf.

Hier nochmal ein Foto vom Messaufbau.

Der Frequenzgang im Freien hat hier einen begrenztem Tiefgang, da die Lautsprecher für den Eckeinbau konzipiert wurden.

Hier nochmal die gemessene Sprungantwort mit allen drei Wegen. Nach 1,5 Millisekunden ist der Tieftöner eingeschwungen, nach 4 Millisekunden ist der gesamte Vorgang beendet. Der Buckel vom TT ist höher, weil er bei dieser Messung lauter einstellt war als der Hoch- und Mitteltöner.

Nach dem gleichen Prinzip ist im übrigen auch die >>> LaBelle von Visaton konstruiert worden, die ich bei Michael im Garten gemessen habe. Eine gewisse Verwandheit lässt sich nicht abstreiten.
Der Mitteltöner ist hier etwas lauter, als der Hoch- und Tieftöner eingestellt, darum ist auch seine Spitze höher. Der Buckel vom Tieftöner kommt erst etwas später und hat bei 2 Millisekunden seinen Peak erreicht. Die TT müssen bei der LaBelle nicht so weit raufspielen wie bei der Cuba Libre. Die Flanke des TT ist daher nicht so steil. Das Auschwingen ist nach 4 Millisekunden erreicht.

Auch namhafte Hersteller wie B&W haben teure Lautsprecher mit diesem Weichenlayout konstruiert >>> B&W 802D Sterophile
...oder hier die >>> KEF Refence v207/2
(Auf der Seite von Stereophile ganz nach unten scrollen.)

Diese Sprungantworten sind zwar richtig, gleichen aber eher einer Achterbahn mit einer Berg und Talfahrt. Diese Sprungantworten haben mit dem Originalen Signal in einer Dreiecksform nicht mehr viel gemeinsam.

Zitat

ch würde trotzdem für die Einzelmessung der TT eine andere Skalierung der Zeitachse mit ca. 20ms vorziehen, um den gesamten Schwingvorgang nach dem Impuls bis zur Ausgangslage zurück anzuzeigen

Mir geht es hier vor allem darum, möglichst einfach zu erklären, wie man eine Sprungantwort lesen muss. Von der Skalierung sind die Messungen vergleichbar mit den Veröffentlichung von Stereophile, die wir uns noch anschauen wollen.

Zitat

ja, bitte weiterschreiben. Richtig gut gemacht von Dir!

Na dann los.

Wir wissen bereits, dass die gemessene Sprungantwort sehr wesentlich, vom gemessen Abstand und der Frequenzweiche anhängt.
Trennfrequenzen mit 18 dB stellen IMHO einen guten Kompromiss, aus der Belastbarkeit von den Chassis, seiner Überlappungsbereiche und ihrem Abstrahlverhaltens dar.

Hier nochmal der Blick auf die 18 dB (BW) DSP Weiche, die oben von der Cuba Libre mitgemessen wurde:
Bei der Entwicklung eines Lautsprechers, sollte darauf geachtet werden, dass die gemessenen Flankensteilheiten möglichst genau mit den theoretischen übereinstimmen.

Nähere Infos und Ausführungen hat HIFI Selbstbau auf folgender Webseite zusammengeschrieben.
>>> Zeitrichtig - schon wieder oder immer noch
Im zweiten Teil dieses Beitrages wird dann aufgezeigt, wie Sprungantworten von Frequenzweichen mit andern Flankensteilheiten aussehen.
Leider ist der zweite Teil dieser Ausführungen nur für Abonnenten einzusehen, auf diesem Grund mache ich jetzt hier noch ein wenig weiter.

Auf den Seiten isst zu lesen das gewisser Monsier LeCleach eine andere Auslegung von einer 18 dB / 3-Wege Weiche ins leben gerufen hat.
Da ich Euch Französisch ersparen möchte hier der Link auf eine englische Erklärung der neuen Weichenabstimmung >>> Le Cleach

Bei dieser Weichenabstimmung wird der Mitteltöner invertiert angeschlossen. Der Sprung geht dann also nicht mehr noch oben sonder nach unten

Damit die Phasenbeziehungen zu Hoch- und Tiefton wieder stimmen, müssen die Schallzentren genau bestimmt werden.
Bei analogen Lautsprechern und Frequenzweichen, müssen der Hochtöner und der Tieftöner nach hinten gesetzt werden.

Als Beispiel für eine LeCleach Abstimmung möchte ich meine erste Version der Cuba Libre verwenden.

Da die Schallzentren bei mir nicht pysikalisch versetzt sind, habe ich die Anpassungen durch das Delay in meiner DSP Weiche realisiert.

Mit folgendem Ergebnis

Vor dem eigentlichen Sprung des Hochtöners sieht man schon eine kleine Senke. Sie zeigt an, das der invertierte Mitteltöner bereits mit dem einschwingen beginnt. Kurz darauf sehen wir den Impusle des Hochtöners. Der invertierte Mitteltöner geht nahtlos in das Auschwingverhalten des Hochtönes über. Der Tieftöner koppelt wiederum an das Ausschwingen des Mitteltöners an. Nach nicht mal einer Millisekunde hat der Tieftöner seinen eingeschwungenen Zustand erreicht.

Auch mit dieser Weichenlösung befinden wir uns in bester Gesellschaft. Sehr ähnlich sieht auch die Sprungantwort von der Wilson Audio Sahscha aus. Das einschwingen des Tieftöners ist nach ca. 1,5 Millisekunden erreicht.

Quelle: >>> www.fairaudio.de

Abschließend möchte ich euch noch die Sprungantwort von einer WA Sasha zeigen, die ich im nicht akustisch optimierten Raum beim Tom gemacht habe. Der Hoch- und Mitteltonbereich wird bei einem Messabstand von 100 cm kaum beeinflusst, durch die Wand und vor allem Bodenfreflexionen. Der Raumeinfluss im Bassbereich ist deutlich durch die zappeligen Ausschläge zu sehen. Es zeigt, dass es nicht einfach ist, eine akurate Sprungantwort im kleinen Raum zu messen.

Der Ordnung halber noch der passende Frequenzgang zu dieser Sprungantwort.

Auch wenn diese Form der Sprungantwort nicht sehr viel mit dem Originalsignal zu tun hat, wird das gerne als "zeitrichtig" ausgewiesen.
Tatsächlich ist ein System bei dem HT / MT und TT so nahe zusammen liegen schon sehr dynamisch. Ein invertierter Mitteltöner ist aber nicht ganz optimal. Das es noch besser geht, werden wir uns anschließend ansehen.

Hi Inco

danke für Dein Rückfrage.

Schau nochmal in meinem Beitrag nach. Ich hatte die 1,5 Millisekunden Sprungantwort aus der Stereophile von Wilson Audio bezogen.
Bei der Weiche von mir, deren Sprunganwort Du nochmal gepostet hast, hätte ich vermutlich geschrieben, dass der Tieftöner noch unter einer Millisekunde schon eingeschwungen ist. Ich hätte damit den Abstand von Hochtöner Sprung bis zum Tieftöner abglesenen. So wie Du das bereits eingezeicht hast. Diese Aussage ist aber nicht fundiert und unterliegt meiner Auffassung. Ich wollte damit aufzeigen das der Vorgang schneller ist und die Graphen vergleichbar machen.

Zitat

der eingeschwungene Zustand müsste doch viel weiter rechts liegen (je nachdem ab welcher "Hüllkurve" man von einem eingeschwungenen Zustand sprechen will)?

Ich will ja nicht unbedingt eine Monolog führen, hast Du diesbezüglich nähere Infos oder einen Link für mich.
Wenn man nun meine Sprungantwort mit der von Wilson vergleichen würde. Welchen Unterschied könnte man Deiner Aussage nach treffen ?

Zitat

Ich würde die Zeit vergleichen bis sich das System z.B bis auf eine Schwingungsamplitude von etwa 5% beruhigt hat,
und diese dann vergleichen.

Hier sehe ich das Problem, dass ein Lautsprecher mit weniger Tiefgang (Bass) naturgemäß auch schneller wieder ausschwingt.
Deswegen ist er aber nicht besser.

Hier ein Beispiel. Nachfolgend ist der Frequenzgang von der Celestion zu sehen, die der Turbo gebaut hat. Es handelt sich um ein Hochtonhorn und zwei Mitteltieftöner.
Da der Lautsprecher nur als Satellit geplant ist und in Verbbindung mit einem DBA laufen soll, sind seine Bassqualitäten sehr beschränkt.
Für eine Freiaufstellung sind die LS nicht so zu gebrauchen. Durch den Eckeinbau ist dann noch einiges im Bass dazugekommen

Die Sprungantwort zeigt schön, dass der Bassbereich schnell ausschwingt, die Flanke ist relativ steil.

>>> Turbos Bauthread zur Celestion