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Sinus-Signale

Ein Sinus-Ton ist die „reinste“ Form eines Klanges und das wichtigste Testsignal überhaupt.

Ein Sinus-Signal wird durch die Amplitude und die Frequenz bestimmt

Der Spitzenwert ist bei einem sinusförmigen Signal ist um den Faktor 1.41 größer als der Effektivwert. Ein digitaler Sinus mit Vollaussteuerung hat einen Wertebereich von –1.0 bis +1.0 und ein Effektivwert von 0.7. Dies entspricht –3dB.

Legt man ein Sinus an den Eingang von einem linearen System, so ist das Ausgangssignal auch wieder ein Sinus. Es kann sich die Amplitude und Phase verändert haben. Die Frequenz bleibt stets gleich.

Mit sinusförmigen Signalen werden u.a. folgende Parameter vermessen

  • Frequenzgang
  • Phasengang
  • THD
  • THD+N
  • Signal zu Störabstand
  • Übertragungsfaktoren
  • Wirkungsgrad
  • Hörtests

In der Raumakustik werden sinusförmige Signale eher selten verwendet, da ein normaler Raum erhebliche Resonanzen aufweist. Diese Resonanzen können bei schmalbandiger Anregung (und genau das ist ein Sinuston) leicht zu Fehlinterpretationen führen.

Möchte man zum Beispiel den Klirrfaktor (THD) über der Frequenz vermessen, so erhöht man die Frequenz schrittweise.

Hinweis: Lautsprecher sind für typische Musik und Sprache ausgelegt und nicht für solche Testsignale und können bei Einzeltönen thermisch und mechanisch überlastet werden.

Zweiton-Signale

Nichtlineare Systeme (z.B. Lautsprecher) werden häufig mit einem speziellen Testsignal vermessen, das aus zwei Tönen mit unterschiedlicher Frequenz besteht. Durch nicht-lineare Effekte entstehen Differenztöne. Wir können diesen Effekt leicht demonstrieren. Töne mit 18kHz und 19kHz sind für viele Menschen nicht mehrwahrnehmbar. Spielt man beide Töne jedoch gleichzeitig ab, so erscheint ein deutlich hörbarer Ton bei 1kHz.

Mit Zweiton-Signalen werden Intermodulationen (IM) vermessen.

Multiton-Signale

Weit verbreitet sind auch Mehrtonmessungen. Hier enthält das Anregungssignal mehrere Frequenzen z.B. im Terzabstand. Der Frequenzgang kann daher gleichzeitig an mehreren Punkten gemessen werden. Solche Signale werden häufig in Produktionstests verwendet, da mit kurzer Messzeit viele Parameter gemessen werden können.


Gleitsinus (Wobbeln)

Bei einem Gleitsinus wird die Frequenz kontinuierlich und relativ langsam erhöht. Man misst damit automatisiert den Frequenzgang.

Dieses klassische Wobbeln gehört zu den ältesten Verfahren, um den Frequenzgang zu bestimmen. Eine Messung des Frequenzgangs ist relativ langsam, da das System zunächst einschwingen muß. Der enorme Vorteil liegt jedoch darin, daß es sehr unempfindlich ist gegenüber Rauschen oder Verzerrungen. Dies liegt darin begründet, daß die Signalenergie auf einer Frequenz gebündelt wird. Daher ist dieses Verfahren nach wie vor sehr weit verbreitet. Zu Zeiten der analogen Plotter wurden Gleitsinussignale verwendet. Hier wurde die Frequenz kontinuierlich erhöht. Der Plotter zeichnet die Amplitude des Ausgangssignals auf. So erhält man die direkt den Frequenzgang. Die Erhöhung der Frequenz kann linear oder logarithmisch erfolgen Moderne automatisierte Systeme messen schrittweise in einem vorgegebenen Frequenzbereich.

Chirps

Chirps sind relativ moderne Signale. Sie sind eine spezielle Form des Gleitsinus. Amplitude und Frequenz werden hier nach einem besonderen Verfahren erhöht. Chirps haben besondere Eigenschaften, die man am besten in der Autokorrelation sieht. In Chirp Signal ist zu jeder verschobenen Variante orthogonal.

Chirp-Sequenzen haben immer eine Länge, die einer Zweierpotenz entspricht.

Chirps werden häufig in der Raum- und Bauakustik zur Messung der Raumimpulsantwort eingesetzt. Hier werden relativ lange Sequenzen bis 60s eingesetzt. Mit kürzeren Sequenzen werden rein elektrische Messungen (Frequenzgang) durchgeführt. Mit diesen Verfahren kann man Störsignale sehr effizient unterdrücken.

Weißes Rauschen

Der Begriff "Rauschen" ist in der Audiotechnik mehrdeutig. In Aufnahmen soll einerseits das Rauschen möglichst gering sein. Anderseits ist das Rauschen neben den Sinussignalen das wichtigste Testsignal in der Elektroakustik. Ein ideales Rauschsignal kann als Multiton-Signal interpretiert werden mit unendlich vielen Frequenzen und jeweils zufälliger Phase.

Eine sehr bekannte Rauschquelle ist das thermische Rauschen, das durch die zufällige Bewegung von Elektronen entsteht. Bestimmt man die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (Histogramm) so erhält man die berühmte Gaußkurve. Betrachtet man ein solches Signal im Frequenzbereich mit einem Spektralanalysator, so ist das Spektrum konstant. Genau genommen ist dies die spektrale Leistungsdichte, also der Signalanteil pro Herz. Der Name “weiß” kommt aus der Analogie zum Licht. Elektromagnetische Strahlung, die im Bereich zwischen 400nm und 630nm konstant ist, nimmt unser Auge als weißes Licht war.

Spektralanalyse von weissem Rauschen

Das folgende Bild zeigt das Spektrum von weissem Rauschen. Die blaue Kurve ist der Momentanwert. Die rote Kurve ist der Mittelwert über 20s. Weisses Rauschen hat eine konstante mittlere spektrale Leistungsdichte

 

Hinweis: Weisses Rauschen enthält sehr viel Energie bei hohen Frequenzen und ist daher für Lautsprecher (insbesondere der Hochtöner) potenziell gefährlich. Lautsprecher sind für typische Musik und Sprache ausgelegt und nicht für solche Testsignale und können bei weissem Rauschen thermisch überlastet werden.

Die Energieverteilung sieht man am besten in Oktav-Bändern. Pro Oktave nimmt der Pegel um 3dB zu.

Weisses Rauschen in Oktavbändern

 

Rosa Rauschen

Das menschliche Ohr nimmt Frequenzen nicht linear wahr sondern logarithmisch. Daher teilt man den Hörbereich in Bänder ein. Die Breite dieser Bänder nimmt mit steigender Frequenz zu. In der Psycho-Akustik wird hierfür auch die Barkskala verwendet. Zur Vereinfachung wird im Allgemeinen eine einfache logarithmische Einteilung eingesetzt, deren Frequenzen nach DIN/ISO normiert sind. Ein Meßgerät, das den Signalanteil in diesen Bändern mißt, wird vielfach als RTA (Real-Time-Analyzer) bezeichnet. Üblich sind Oktav bzw. 1/3 Oktav Auflösungen.

Betrachtet man weißes Rauschen mit einem RTA so nimmt der Pegel mit zunehmender Frequenz zu. Die Bänder bei hohen Frequenzen sind breiter und erhalten dann mehr Signalanteile. Im Band von 10-20kHz sind bereits 50% des Gesamtsignals enthalten. Im Band zwischen 1-2kHz nur 1/10. Die Kurve steigt mit 3dB pro Oktave an. Im unteren Frequenzbereich ist daher kaum ein Anteil vorhanden. Daher ist weißes Rauschen für Messungen im Baßbereich ungeeignet. Man erhält das scheinbare Paradoxon, daß das gleichverteilte weiße Rauschen die Höhen betont. Daher wird das Rosa Rauschen bei vielen Messungen bevorzugt. Auf einem RTA erhält man einen flachen Verlauf. Daher muß die spektrale Leistungsdichte mit 3dB/Oktave abnehmen.

Rosa Rauschen enthält wesentlich geringere Signalanteile im Hochtonbereich, und ist daher für die meist empfindlichen Hochtöner nicht gefährlich.

Rosa Rauschen entspricht im Mittel auch eher Musik bzw. Sprache als weißes Rauschen. Messungen mit rosa Rauschen sollten typischerweise mit einem RTA durchgeführt werden. Entsprechend verwendet man bei weißem Rauschen eine normale Spektralanalyse.

Spektralanalyse von rosa Rauschen

Das folgende Bild zeigt das Spektrum von rosa Rauschen. Die blaue Kurve ist der Momentanwert. Die rote Kurve ist der Mittelwert über 20s. Rosa Rauschen hat eine fallende spektrale Leistungsdichte. Das Signal klingt auch im direktem Vergleich mit weissem Rauschen deutlich dumpfer und erinnert an einen Wasserfall.

pink noise FFT

Bei einer Oktavanalyse ist der Pegel pro Band konstant.

pink noise octave bands

Hinweis: Rosa Rauschen enthält unter Umständen hohe Pegel bei tiefen Frequenzen und ist daher für Lautsprecher (insbesondere der Tieftöner) potenziell gefährlich. Lautsprecher sind für typische Musik und Sprache ausgelegt und nicht für solche Testsignale. Rosa Rauschen kann zu einer Überschreitung der maximalen Auslenkung der Membran führen.Eine thermische Überlastung ist weniger das Problem. In der Praxis wird rosa Rauschen zu unteren Frequenzen bandbegrenzt und damit wird die maximale Amplitude begrenzt.

 

 

 

 

Anwendung von Rauschen-Signalen

Rauschsignale sind breitbandig. Man kann nach ausreichender Mittelung den Frequenzgang in einem Durchgang bestimmen. Rosa Rauschen ist in der Raum- und Bauakustik ein wichtiges Testsignal. In der Raumakustik kann mit der Methode des abgeschaltetem Rauschens die Nachhallzeit bestimmt werden. In der Bauakustik misst man damit den Luftschallübertragungsfaktor zwischen zwei Räumen.

Häufig wird auch bandbegrenztes bzw. Schmalbandrauschen eingesetzt.

STIPA-Rauschen

Das STIPA Testsignal wird zur Messung der Sprachverständlichkeit nach DIN60268-16 verwendet. Es besteht aus 8 Oktavbändern mit bandbegrenztem rosa Rauschen. Jedes Oktavband wird mit zwei relativ niedrigen Frequenzen amplitudenmoduliert. Die Frequenzbänder sind 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Hz.

Das Signal ist so dimensioniert, dass es im spektralen Mittel menschlicher Sprache entspricht.

Programm-Rauschen ( IEC60268-1 ) „Program noise“

Weisses und rosa Rauschen sind für Tests an Lautsprechern nur bedingt geeignet. Die spektrale Verteilung weicht zu stark von der typischen Nutzung eines Lautsprechers ab. Diese sind ja letztlich für Sprache und Musik ausgelegt. Gerade für die Messung der Dauerbelastbarkeit oder des maximalen Pegels benötigt man ein Signal, das spektral der typischen Nutzung entspricht. Daher wurde das „Programm-Rauschen“ entwickelt und in der IEC60268-1 definiert. Es basiert letztlich auf einer speziellen Frequenzbewertung von rosa Rauschen. Zusätzlich wird in der Norm BS EN 50332 noch der Crest-Faktor angepasst (1.8 bis 2.2), um für Musik oder Sprache untypische Spitzenpegel zu entfernen.

Wie können Sie diese Testsignale erzeugen?

Sie können alle diese Signale mit unserem Signalgenerator erzeugen, direkt abhören und bei Bedarf als .wav Datei speichern.

signalgenerator de IEC602681 1 program noise