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Ing. Büro Dr. Jordan für Akustik
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Wie können Sie die korrekte Funktion Ihres Schallplattenspielers überprüfen?
Es gibt eine Vielzahl von Testschallplatten auf dem Markt, dies sind teilweise sehr hochwertige z.B. von Bruel&Kjaer. Die meisten sind jedoch historisch und nur noch gebraucht verfügbar. Der wirkliche Zustand ist damit unklar.
Die Testschallplatte von Clearaudio ist eine Neuproduktion und zeigt daher ein definiertes Verhalten. Daher haben wir uns mit unserer Auswertung auf diese LP spezialisiert.
Diese LP enthält u.a. eine Aufnahme mit einem Pilotton von 1kHz und ein Sweep von 20-20kHz.
Frequenzgang des gesamten Systems vom Tonabnehmer bis zum Ausgang Ihres Phono-Verstärkers.
Drehzahl
Gleichlaufschwankungen (Wow&Flutter)
Übersprechen
Verzerrungen über der Frequenz
Die Spur beginnt mit einem Pilotton mit der Frequenz von 1kHz und einer Länge von 10s. Mit diesem Pilotton können bereits Frequenzabweichungen ermittelt werden und die Pegel kalibriert werden. Danach folgt eine kurze Pause. Dananch folgt der "Sweep", ein Gleitton von 20-20kHz innerhalb von 50s. Dieser Sweep wird in verschiedenen Aufnahmen auf die beiden Kanäle verteilt. Es gibt Aufnahmen nur mit jeweils einem Kanal, sowie der Summe und der Differenz auf beiden Kanälen. Auf diese Weise kann das Übersprechen ermittelt werden.
Schauen wir uns zunächst den Verlauf des Pegels in dB über der Zeit an.
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Man erkennt deutlich, den relativ konstanten Pilotton, die Pause und den Sweep.
Interssanter wird es, wenn man die Momentanfrequenz misst und auch wieder über der Zeit darstellt.
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Bitte beachten Sie, dass die Y-Achse (Frequenzachse) logarithmisch ist. In dieser Darstellung ist der Sweep linear. Das wiederum bedeutet, dass die Frequenz innerhalb des Sweeps - wie es in der Audiotechnik üblich ist - exponentiell erhöht wird.
Schauen wir uns zunächst den Pilotton genauer an. In der Übersicht erscheint er zwar konstant mit 1000Hz, aber....
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Man erkennt eine Abweichung von ca. 0.6% (994Hz statt 1000Hz) und eine Schwankung, die auch als Wow&Flutter bezeichnet wird. Weiter unten in diesem Artikel werten wir die Drehzahlabweichungen und Gleichlaufschwankungen genauer aus.
Aus dem Sweep kann der Pegel über der Momentanfrequenz aufgetragen werden. Dies ist der klassische Frequenzgang.
Sie können damit den Tonabnehmer und die RIAA-Entzerrung prüfen.
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Das Spektrogram ist ein hilfreiches Werkzeug, um den Pegel über der Zeit UND der Frequenz darzustellen.
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Man erkennt den Signalverlauf in einem Überblick.
Im folgenden Bild stellen wir den Pilotton als klassisches 3D-Bild dar. Hier erkennt man deutlich die Harmonischen bei 2Hz, 3kHz usw.
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In ideales Übertragungssystem würde nur den Ton bei 1kHz zeigen. Durch Nicht-lineare Effekte werden Oberwellen erzeugt.
Zum Ausmessen verwendet man eher eine normale spektrale Darstellung (FFT)
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Die erste Oberwelle bei 2kHz beträgt -48dB mit Bezug auf den Pilotton. Die Verzerrungen liegen damit um Größenordnungen unter denen von modernen digitalen Aufzeichnungssystemen. Diese erreichen Verzerrungen unterhalb von -120dB (z.B. APX555 von Audio Precision). Das sind 70dB weniger, oder als Spannungververhältnis 1:3000. Die digitalen Systeme haben damit 3000mal geringere Verzerrungen. Aber vermutlich sind es genau diese deutlichen Verzerrungen, die bei den Enthusiasten den "warmen Klang" bewirken.
An dieser Stelle möchten wir keine Diskussion pro oder contra einer LP vs. einer digitalen Aufnahme führen. Unser Ziel ist es, dass Ihr Plattenspieler die bestmöglichen Ergebnisse erzielt.
Auf der Messschallplatte ist das Testsignal so aufgenommen, dass der Pilotton auf beiden Kanälen vorhanden ist. Der Sweep ist jedoch nur auf einem Kanal. Auf dem anderen Kanal sollte daher Stille sein. Dies ist jedoch nicht der Fall, da es bedingt durch das mechanische System zu Übersprechen kommt. Diese Übersprechdämpfung sollte möglichst hoch sein.
Dieses Übersprechen erkennt man bereits aus einem einfachen Pegel-Zeitverlauf. Hier werden grob etwa 18dB erreicht.
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In der Auswertung wird die Übersprechdämpfung über der Frequenz aufgetragen.
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Aus dem Sweep können auch die nicht-linearen Verzerungen (THD) über der Frequenz bestimmt werden. Wir werten 5 Oberwellen aus. Bei höheren Freuenzen z.B. 10kHz erscheint nur noch die erste Oberwelle, da weitere Oberwellen bereits im Ultraschallbereich sind. Typische Aufnahmen haben eine Abtastfrequenz von 44.1 oder 48kHz. Damit wären höhere Oberwellen bereits oberhalb der halben Abtastrate. Auf Anfrage werten wir auch Aufnahmen mit Abtastraten von 96kHz und 192kHz aus. Bitte beachten Sie, dass der Sweep auf der Testschallplatte jedoch nur bis 20kHz reicht.
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Die Gleichlaufschwankungen (Wow&Flutter) sind ein wichtiges Qualitätsmerkmal eines Plattenspielers. Hohe Schwankungen der Drehzahl führen zu "Leiern", geringere Schwankungen führen zu einem "rauhen" Klang. Die Grundlagen hierzu haben wir in dem verlinkten Artikel zusammengefasst.
Aus dem Pilotton der Testschallplatte kann die absolute Drehzahlabweichung und die Gleichlaufschwankungen bestimmt werden.
Schauen wir uns die Frequenz des Pilottons über der Zeit an. Eigentlich sollte dieser konstant 1000Hz betragen. Aber einen solchen "idealen" Plattenspieler gibt es nicht.
Eine andere Darstellung ist die Abweichung von der Nenndrehzahl in %.
In der Audiotechnik werden diese Abweichungen in der Regel nach IEC60386 bewertet. Dieses Filter bewertet bestimmte Abweichungen stärker als andere. Die Filterkurve wurde durch umfangreich Hörtests ermittelt und international standardisiert.
In den Datenblätter findet man nur die Mittelwerte. Die betragen für die obige Auswertung:
Abweichung von der Nenndrehzahl: -0.37%
Gleichlaufschwankungen (Wow&Flutter:
RMS unbewertet: 0.068%
RMS bewertet nach IEC60386: 0.035%
2-sigma bewertet nach IEC60386: 0.066%
Die Abweichungen sind bewertet grundsätzlich deutlich geringer. Daher muss man bei Vergleichen besonders aufpassen. In der Norm IEC60386 wird neben dem Effektivwert (RMS) der bewerteten Frequenzabweichungen ein weiterer Parameter "2-sigma" definiert. Dieser statistische Parameter gibt an, dass 95% der Momentan-Frequenzabweichungen unterhalb dieses Wertes (hier 0.066%) liegen. Es ist jetzt Zufall, dass dieser Wert ähnlich dem unbewerteten RMS liegt. Diese Werte haben nichts miteinander zu tun und müssen jeweils getrennt verglichen werden. Die einzige Gemeinsamkeit ist, dass alle drei Werte in % angegeben werden.
IEC 60386:1972/AMD1:1988
Method of measurement of speed fluctuations in sound recording and reproducing equipment
DIN IEC 60386:1995-04
Meßverfahren für Geschwindigkeitsschwankungen bei Tonaufzeichnungs- und -wiedergabegeräten (IEC 60386:1972 + A1:1988)
An dieser Stelle veröffentlichen wir Informationen und Hintergrundwissen zu Schallplattenspielern
Sicher ist ihnen auch schon aufgefallen, dass bei vielen USB-Mikrofonen sehr störende Zwitscher-Geräusche, die auch an Zirpen oder Sirren erinnern, auftreten. Diese Zwitscher-Geräusche fallen insbesondere natürlich bei ruhigen Passagen auf. Die Ursachen sind ähnlich wie das klassische Netz-Brummen, das bei vielen Audio Geräten auftritt. Hier kommt es durch Einstreuung der Netzspannung zu dem Brummton. Der Brummton ist aber gerade am Grenzbereich unseres Hörvermögens und tritt daher nicht so störend in Erscheinung. Die Zwitscher-Geräusche bei USB-Mikrofon oder auch USB-Soundkarten sind gerade im Bereich der höchsten Empfindlichkeit unseres Hörvermögens (1-2kHz).
Bei der USB-Schnittstelle wird alle 1/1000 Sekunde also alle Millisekunde ein Datenpaket mit digitalen Audiodaten übertragen. Der Rest der Zeit finden im wesentlichen keine Übertragungen auf der USB-Schnittstelle statt. Jedes Datenpaket sendet einen elektro-magnetischen Impuls aus. Dadurch ergibt sich genau die Grundfrequenz von 1kHz. USB selbst verwendet eine relativ hohe Spannung von 5 Volt, um eine hohe Störfestigkeit zu haben. Dadurch haben aber die USB Datenpakete eine hohe elektromagnetische Energie und streuen praktisch überall ein. Aufgrund der höheren Frequenz haben diese Einstreuungen auch eine deutlich höhere Reichweite und sind wesentlich schwieriger zu unterdrücken als ein klassischer Brummton.
Achtung die Aufzeichnung haben wir stark verstärkt , um den Effekt deutlich zu zeigen. Reduzieren Sie ggf. die Lautärke.
Die enfachste Massnahme ist Hören. Die Geräusche sind sehr typisch und nicht zu überhören.
Mit Hilfe von Messgeräten lassen sich diese Störungen eindeutig identifizieren und auch quantifizieren. Das Mittel der Wahl ist eine hochauflösende FFT mit längerer Mittelungszeit.
Die Einstreuungen sind in der Regel synchron zur Abtastrate und aliegen daher bei exakt 1kHz.
Diese Störgeräusche treten hauptsächlich in günstigeren Mikrofonen auf. Hier verwendet der Hersteller aus Kostengründen eine Single-Chip Lösung. Das heißt der USB-Transceiver und die ADCs sind in einem Chip und sehr dicht beieinander. Dadurch kommt es leicht zu Übersprechen zwischen dem USB-Digitalteil und dem Analogteil. Man findet die Zwitscher-Geräusche allerdings auch bei Geräten mit getrennten ADCs. Hier waren die Entwickler in der Regel unsauber bei der Masseführung und Abschirmung. Durch einfache Modifikation der Schaltung lässt sich das Problem auch nicht lösen, sondern die Schaltung muss von vornherein auf saubere Versorgungsspannungen und geringe Einstreuungen ausgelegt sein. Letzten Endes sind auch hier Masseschleifen das eigentliche Problem diese wirken wie eine Antenne. Zusätzlich wird die 5V Versorgung der USB Schnittstelle im 1kHz Raster moduliert. Und auch der Analogteil wird letztlich aus dieser „schmutzigen“ Spannung versorgt. Grundsätzlich lässt sich das Problem durch ein sauberes Design in den Griff bekommen und man kann es auch messtechnisch sehr leicht erfassen. Im Nachhinein lässt sich das Störgeräusch kaum entfernen, da es im Gegensatz zu dem Brummton mitten im Hörbereich liegt.
In der Regel, NEIN. Diese Signalanteile sind so gering, das die Messungen nicht verfälscht werden. Einzig unser Ohr ist bei diesen Frequenzen extrem empfindlich und man ist bei Audio-Aufnahmen zunächst irritiert.
In diesem Beitrag zeigen wir den Aufbau einzelner weit verbreiteter Messmikrofone. Dafür zerlegen wir diese Mikrofone und geben eine Überblick über die Funktionsweise.
Sie finden hier detailierte Informationen für folgende Mikrofone:
Sie finden hier auch einen Vergleích UMIK-1 vs. UMIK-2
Hörbeispiele auch mit dem UMKI-1 finden Sie unserem Grundlagen-Artikel über USB-Messmikrofone.
Das Behringer ECM8000 ist ein weit verbreitetes Messmikrofon mit 48V Phantomspeisung. Es wird über ein XLR-Anschluss an einen Vorverstärker angeschlossen. Häufig findet man den MPA102 von Monacor. Dieser Vorverstärker liefert auch die Phantomspeisung für das ECM8000. Das ECM800 kann jedoch auch an jede Soundkarte mit 48V Phantomspeisung angeschlossen werden.
Das ECM8000 besteht aus einer kleinen Schaltung zur Signalanpassung und einer preiswerten 1/4" Elektret-Kapsel. Die Schaltung erzeugt aus der Phantomspeisung von 48V die Versorgungsspannung für die Elektretkapsel. Dies ist keine Polarisationspannung, sondern nur die Versorgungsspannung für den FET, der direkt in die Kapsel als Impedanzwandler eingebaut ist. Das Mikrofonsignal wird nicht weiter verstärkt, sondern nur symmetriert.
In unserem Labor verfügen wir über Audioanalyzer APX555 von Audio Precision. Daher haben wir den Vorverstärker vom ECM8000 auch vermessen.
Zunächst der Frequenzgang des ECM8000 ohne Kapsel, der reine Vorverstärker
Der Frequenzgang des Vorverstärkers ist sehr linear bis weit in den Ultraschallbereich hinein. Wohlgemerkt, dies ist der elektrische Frequenzgang ohne Kapsel. Die 1/4" Kapsel (vermutlich ein Klon der WM-61A) ist weit weniger linear. Daher bieten wir komplett vermessene ECM8000 mit Kalibrierdaten an.
Klirrfaktor über dem Eingangspegel bei 1KHz
Das Umik-1 von miniDSP ist ein weitverbreitetes und preiswertes USB-Messmikrofon. Stark vereinfacht kann man es als digitalisierte Variante des ECM8000 von Behringer betrachten. Die Bauformen ähneln sich deutlich. Beide Mikrofone verwenden eine günstige 1/4" Kapsel.
Doch wie sieht das UMIK-1 von Innen aus?
Im Gegensatz zu den ganz einfachen USB Mikrofonen, vewendet MiniDSP beim UMIK-1 einen 32Bit Mikrokontroller (PIC) und einen getrennten ADC. Bei den preiswerteren single-Chip Lösungen tritt häufig das Problem von Einstreuungen vom USB-Digitalteil auf. MiniDSP verwendet beim UMIK-1 sogar einen recht hochwertigen Stereo ADC mit 192kHz Abtastrate , 24-Bit und 110dB SNR. Das UMIK-1 stellt aber via USB nur eine Abtastrate von 48kHz zur Verfügung. Interessanterweise auch als Stereo-Gerät. Das UMIK-1 ist daher als Stereo-Gerät sichtbar und es werden beide Signale vom ADC via USB geliefert. Die Verstärkung beider Kanäle ist identisch. Daher stellt die Stereo-Funktion erstmal keinen Zusatznutzen dar.
Der PCM1863 verfügt über eine einstellbare Verstärkung (PGA programamble gain amplifier). Diese Funktion ist beim UMIK-1 via DIP Schalter einstellbar im Bereich von 0-36dB. Der Standardwert ist 18dB. Dieser Wert wird auch im USB Descriptor angezeigt. Das UMIK-1 erscheint auch als Audiogerät mit dem Namen "UMIK1 gain 18dB". Die DIP-Schalter werden beim Booten ausgelesen und stellen die Verstärkung ein. MiniDSP hat es beim UMIK-1 versäumt, die Verstärkung dynamisch auszulesen und in den USB-Descriptor einzubauen. Das wäre für Messprogramme hilfreich, die so die eingestellte Verstärkung auslesen könnten. Beim PCM1863 wird die Verstärkung per Software eingestellt. Daher hätte man auch während der Laufzeit via USB-HID Kommandos oder Gain-Kommandos (USB audio) verwenden können, um die Verstärkung einzustellen. Mit solchen Funktionen kann man die Dynamik erheblich verbessern, da gerade die Verstärkung der 1. Stufe grossen Einfluss auf das Rauschen hat.
Hier ist das Blockschaltbild vom PCM1863
Datenblatt zum PCM1863 von TI
Datenblatt zum PIC32MX controller
Viele der oben beschriebenen Funktionen hat MiniDSP in das UMIK-2 integriert, das dadurch eine wesentlich bessere Dynamik erreicht. Daher ist das UMIK-1 für Messungen der Raumakustik und Messungen an Lautsprechern gut geeignet, für rauscharme Messungen oder Aufnahmen jedoch nicht.
Hörbeispiele auch mit dem UMKI-1 finden Sie unserem Grundlagen-Artikel über USB-Messmikrofone.
Das UMIK-2 ist eine erheblich erweitertes USB-Messmikrofon. Auf den ersten Blick ähnelt es dem UMIK-1. Zumindest die Bauform entspricht in etwa dem UMIK-1. Das UMIK-2 ist allerdings eine vollständig eigene Entwicklung.
Unser Fazit: Für raumakustische Messungen reicht das UMIK-1. Für hochwertige Aufnahmen oder Pegelmessungen ist das UMIk-2 die bessere Wahl. Für Pegelmessungen benötigen Sie meist ein Schallpegelkalibrator. Das UMIK-1 benötigt hierfür einen speziellen Adapter, das UMIk-2 hingegen nicht. Diesen Adapter sollten Sie bei der Planung des Gesamtbudges berücksichtigen. Der scheinbar güstige Preis vom UMIk-1 wird schnell relativiert wird, insbesondere wenn Ihre Anforderungen steigen.
Die Platine im Detail
Der Controller ist von XMOS vom Typ XUF208-128-QF48
Der ADC ist ein tlv320adc5140 von TI
Hervorzuheben ist, dass die Platine von vornherein auch als 4-Kanal System konzipiert ist.
Der Impedanzwandler im Kopf direkt hinter der Kapsel
Der Impedanzwandler wird mit 5V versorgt.
Das UMIK-2 arbeitet genau wie das UMIK-1 ausschliesslich mit der 5V Versorgung vom USB Anschluss. Aufgrund dieser relativ geringen Spannung ist die maximale Aussteuerung begrenzt. USB Mess-Mikrofone in einer Klasse höher (z.B. ATD5-T) verwenden DC/DC Wandler und können so Eingangsspannungen von 28V (Spitze Spitze) verarbeiten, ohne zu übersteuern.
