[HowTo] Ground Plane, Halbraum, Vollraum, Nahfeld & Messabstand - Erklärt

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#1

Beitrag 1. Okt 2021 18:31

Servus,

kürzlich kam das Thema auf, dass ich "Ripple" im GPM habe.
Das regt mich dazu an ein kleines HowTo und auch Erklärung dazu zu schreiben.
Auch gab's die Diskussion ob GPM nun 4pi oder 2pi entspricht etc. Also versuche ich mal aufzuräumen ;)



Was ist GPM, also eine Ground Plane Messung:
Hierzu wird das Messobjekt als auch das Mikrofon auf den Boden gelegt,
als Abstand wählt man das Fernfeld.
Die Geschichte nennt man Spiegelschallquelle, da das Mikrofon quasi 2 Messobjekte sieht und sich dazwischen befindet.

Somit haben wir (sofern keine Wände vorhanden) eine Messung im Vollraum, völlig Reflexionsfrei,
da der Boden als Spiegel dient und eine 2te, identische Schallquelle abbildet.

Die untere Grenzfrequenz bestimmt, wie immer, der Abstand zur nächsten reflektierenden Fläche, bzw. Objekt, welches mindestens der Größe der Wellenlänge entspricht, eher 1/2.
Sagen wir bis 200Hz sollte nix rumstehen was größer als 80cm ist.



Wozu GPM:
Kurz: Um vernünftig, reflexionsfrei den Bassbereich zu messen.
Steht unser Topteil auf sagen wir 3 Meter Höhe und wir können es in 1m Abstand messen (sofern keine Wand vorhanden),
entspricht die erste reflektierende Fläche dem Boden.
Hierzu können wir der Einfachheit halber meinen Rechner zum Messabstand auspacken:
http://www.jobst-audio.de/tools-akustik/messabstand
Der Schall hat also einen Laufweg von 6,3m (Lautsprecher -> Boden -> Mikrofon), ab hier müssen wir spätestens ein
sogenanntes Gate (Window/ Fenstern genannt) setzen, umgerechnet also circa 12,6ms.

Diese 12,6ms entsprechen einer unteren Frequenz von 80Hz.
In der Praxis (nach meiner Erfahrung) können wir hier aber circa 1/3 draufrechnen um die Messung vernünftig ablesen zu können.
Somit ist die Messung in 3m Höhe gültig ab grob 120Hz.

Jetzt kommt GPM in's Spiel, denn den Bereich unter 120Hz ermitteln wir damit und hängen diesen an die Stativ-Messung mit an.

GPM_Jobst.png


In folgender Abbildung sehen wir 4 Messarten
• Vollraum, völlig relfexionsfrei - Nicht praxisgerechnet, kann man halbwegs in einem RAR nachbilden (fu variiert)
• Halbraum - So zu messen gibt leider keine wirklich guten Ergebnisse, der Bass müsste hierfür bündig im Boden eingebaut werden,
jedoch messen wir dann den Bafflestep nicht mehr und müssen diesen manuell abziehen. Auch hierfür gibt's RAR
• Vollraum 4pi am Stativ - Unsere übliche Messung von Topteilen mit gesetztem Gate
• Groundplane

Für uns sind also die beiden letzteren/unteren Messarten praxisgerecht.



Messabstand & Fernfeld:

Messung am Stativ:

Bei Topteilen ist das erst mal einfach: Wir wählen einen vernünftigen Messabstand damit wir die Einzelschallquellen unter so wenig Winkel wie möglich messen,
aber noch ausreichend tief runter messen können.
Je größer das Topteil und/oder desto weiter die Schallerzeuger auseinander, desto größer muss der Messabstand ausfallen.

Je größer der Messabstand (und/oder geringer die Messhöhe), desto höher liegt fu (unsere untere, aussagekräftige Messfrequenz).
Mal gegenübergestellt, inkl. 1/3 draufgerechnet.
1te Zahl bei 3m Messhöhe / 2te Zahl bei Messhöhe 1,5 Meter

0,5m - 93Hz / 203Hz
1m - 102Hz / 238Hz
2m - 120Hz / 322Hz
4m - 160Hz / 516Hz


Als Beispiel mal das LF-Sa8 und LF-Sat28:

Üblicherweise befindet sich unsere 0° Achse zwischen Hochtöner und Tieftöner, die sogenannte Hörachse (kann man natürlich auch anders auslegen).
Jetzt betrachten wir uns die Messabstände für die 1x8" (Pink) und die 2x8" (Pink+Rot), bzw. unter welchen Winkeln wir bei welcher Entfernung messen.

messabstand-Topteil.png


Wir sehen hier, dass wir schon bei solch einem kleinen Topteil mindestens 1m Abstand nehmen müssen,
bei einem 2x8" sollten wir schon 2 Meter Abstand nehmen.

Nicht aufgelistet habe ich hier die Laufwege, sprich das unterschiedliche Delay je nach Messposition.
Mal zur 50cm Position: HF 51cm, LF1 51cm, LF2 dagegen 59cm. Das entspricht einem Laufzeitversatz von 8cm, also grob 0,23ms

AbstandWinkel HF/LF 1x8Winkel HF/LF 2x8
50cm 9° / 12°9° / 32°
100cm5° / 6°5° / 17°
200cm 2,3° / 3°2,3° / 9°
400cm1,2° / 1,5°1,2° / 4,5°

Je geringer der Abstand, desto größer der Winkelfehler, als auch die Laufzeitdifferenz.
Somit gilt: je höher wir (Tieftöner) messen, oder im Fall Topteil je höher wir die Trennfrequenz setzen, desto größer muss der Messabstand werden.



Groundplane-Messung:

gpm_messabstand.png


Bei der GP-Messung erkennen wir, dass wir die entsprechende Box je nach Messabstand anwinkeln müssen.
Je geringer der Messabstand, desto steiler muss die Box gewinkelt werden, jedoch wird auch die Winkeldifferenz zwischen beiden (Box und Spiegelschallquelle) größer.
Sehr gut erkennen wir auch, dass der Winkel am Mikrofon zunimmt, hier kommt es also drauf an, dass man ein Mikrofon mit Kugelcharakteristik nutzt, welche auch möglichst gut eingehalten wird!

Je größer der Messabstand, desto geringer der Messfehler.
Je geringer der Messabstand desto tiefer liegt die obere, aussagekräftige Messfrequenz.*
(*Zu nah befinden wir uns im Nahfeld, Bafflestep nimmt ab, ergo wird auch der tiefe Frequenzbereich ungenauer, samt Pegelabweichung. Hierzu später mehr)

Abstand GewinkeltWinkel MOWinkel SSDifferenzWinkel Mikro
0,5m0,0°1,2°1,2°20,5°
1,0m0,0°0,6°0,6°11,1°
2,0m0,0°0,3°0,3°
Abstand UngewinkeltWinkel MOWinkel SSDifferenzWinkel Mikro
0,5m19,3°20,3°1,0°19,3°
1,0m9,9°10,5°0,6°9,9°
2,0m5,0°5,3°0,3°

MO: Messobjekt
SS: Spiegelschallquelle
Werte leicht gerundet



Nahfeld & Fernfeld:
Wir wissen, dass wir pro Entfernungsverdopplung jeweils -6dB Pegel messen, dies gilt jedoch nur für das Fernfeld (und nicht kohärente Wellenfronten, Bsp. LA).
Im Nahfeld verlieren wir allerdings nur -3dB pro Entfernungsverdoppelung (LA erweitern also das Nahfeld, weiter hinten fallen diese auch mit -6dB ab)
Auch haben wir im Nahfeld das Problem, dass wir uns immer weiter dem Halbraum nähern, die Schallwand hat dann also immer weniger bis keinen Einfluss mehr.
Wir befinden uns nicht ab einem festen Abstand im Nahfeld und "zack" verlieren wir nur noch 3dB statt 6dB, der Übergang ist langsam steigend.


Über den Daumen kann man sagen:
Fernfeld - Messabstand sollte 3x größer als die größte Abmessung der Quelle sein (Diagonale 68cm = 204cm Messabstand)
Nahfeld - Hier ist der Abstand entsprechend geringer
Nahfeld direkt an der Membran/Port - Messabstand kleiner als 0,11 x Größte Abmessung der Quelle. (Pegelfehler entspricht dann unter 1dB)


Ein Topteil spielt auf einem Stativ immer im Halbraum und im Vollraum, bei welcher Frequenz der Übergang vom Halbraum zum Vollraum stattfindet
ist abhängig von der Schallwandgröße.
Bei dieser Frequenz erhalten wir auch den Pegelzuwachs von allen anderen Raumwinkeln, z.B. Boden- Wand- oder Eckaufstellung. (2pi 1pi 0,5pi),
also immer +6dB dazu.


Das ganze schaut dann z.B. so aus:

raumwinkel.png

Hier sehen wir eine Box im Vollraum, im Halbraum und im Viertelraum (leicht unsauber gemessen, aber zur Veranschaulichung tut's das).
Wir erkennen ab wann es die +6dB gibt und bis zu welcher Frequenz hin wir Pegelzuwachs erhalten.
Die Schallwand entspricht hier 35x50cm.
Der Rechner spuckt aus, dass wir bei 1m Messabstand ab genau 200Hz im Fernfeld sind.
rechnen wir in ARTA den BF raus, beginnt dies ganz leicht ab 300-400Hz, minimal höher (circa eine Oktave) als in der Messung, passt aber ziemlich.
Circa -3dB bei 100Hz und -6dB bei 50Hz. Bei 300Hz knapp unter 1dB.



Noch mal zu den Begrifflichkeiten:
Freifeld - Direktschall ohne Reflexionen
Hallfeld - Dies stellt das Feld nach dem Freifeld dar, Reflexionen & Direktschall vermischen sich (also das Diffusfeld)
Hallradius - Dies stellt die Grenze zwischen Frei- und Hallfeld dar
Fernfeld - Wellenlänge größer als Abmessung der Quelle, Pegel nimmt mit 6dB Pro Entfernungsverdoppung ab
Nahfeld - Messabstand kleiner als die gemessene Wellenlänge, Pegel nimmt mit 3dB Pro Entfernungsverdoppung ab
Dies stellt die Schallfelder dar

Direktfeld - Der direkt eintreffende Schall - Wir messen die Schallquelle direkt
Diffusfeld - Direkter Schall samt Reflexionen - Wir messen Schallquelle und z.B. den Raum zusammen

Vollraum - Eigentlich wie Freifeld, wir haben keinen Raumwinkel
Halbraum - Es gibt einen Raumwinkel (z.B. der Boden), die Kugel (Abstrahlung vom Bass) wird zur Halbkugel
Viertelraum - 2 Raumwinkel, z.B. steht die Box am Boden und an einer Wand dran, die Kugel wird zu Viertelkugel.
Dies sind die Raumwinkel, je Raumwinkel erhalten wir +6dB Pegel.



GPM versus Nahfeldmessung:
Diese Nahfeldmessungen werden direkt an der Pappe und dem Port gemacht, in nur nur einigen mm Abstand.
Hierzu nehmen wir uns einen 212er Sub mit Eckports.

NF-Messungen_roh.png

Orange: Nahfeld Pappe
Grün: Nahfeld Eckport in der Ecke
Blau: Dreieckport Mittig



Wir summieren beide Ports, haben dann 81cm² + 162cm² = 243cm²,
wir summieren dazu noch einen weiteren Eckport, damit wir auf die 324cm² Portfläche pro Chassis kommen.

Dies skalieren wir uns auf's Fernfeld
Portfläche: 324cm²
Membranfläche: 545cm²

Wir haben 3 Ports summiert, also ziehen wir entsprechend 9dB Pegel ab und skalieren uns den Pegel gemäß
(Port / Sd)^0.5 auf den Nahfeldpegel der Pappe.
Danach summieren wir die beiden Nahfeldmessungen

NF-Messungen_summiert.png

Wir korrigieren jetzt noch den Bafflestep anhand der 36x68cm großen Schallwand.

NF-Messungen_Bafflestep.png


Nun skalieren wir auf den Fernfeldpegel in 4pi in 1m Abstand und vergleichen dies mit unserer GPM auf 2 Meter.
Wir bedenken:
Spiegelschallquelle entspricht +6dB,
Entfernungsverdopplung entspricht -6dB
Eine GPM in 2m entspricht also dem Pegel auf 1m.

NF-vs_GPM.png

Grau: Zusammengefügte Nahfeld im Pegel skaliert.
Hellblau: Mit Bafflestep-Korrektur
Grün: +6dB im Pegel angehoben
Rot: GPM 2m zum Vergleich.


Oh, erst mal 6dB zu wenig Pegel..... Wieso?
Da wir Nahfeld nur den halben Bass (halbe Ports, und nur ein Chassis) betrachtet haben, Bafflestep aber den kompletten Bass.
GPM haben wir allerdings den 2x12" gemessen mit 2W (2,83V/4 Ohm), wie wir wissen entspricht dies dann +6dB. (Doppeltes SD + Doppelte W)
Also heben wir unsere Nahfeldmessung einfach um +6dB an um mit der GPM zu vergleichen.

Doch Vorsicht: Eine solche Nahfeldmessung ist nicht bis weit rauf gültig, weniger weit rauf als eine GPM.
Die obere Frequenz bestimmt die größte Abmessung der Quelle, wir haben ein 32cm Chassis, aber eine Schallwanddiagonale von 77cm.
Das entspricht in der Theorie einer oberen Frequenz von grob 100Hz.
Das sehen wir auch im Vergleich zur GPM, die Unterschiede treten ab grob 120Hz auf.




Untersuchung vom Nahfeld
Wir untersuchen mal, ab wann wir kein Bafflestep mehr messen, als auch ab wann wir mit 6dB Pegelverlust zu rechnen haben,
im Vergleich zu den Theoretischen Rechnungen.

Dazu habe ich den Tieftöner der LF-Sat8 V4 vermessen, Box am Stativ in 3,2 Meter Höhe,
Als Abstand wurde immer die halbe Verdopplung genutzt.
Pro Messung also -3dB im Fernfeld und -1,5dB im Nahfeld, von 1mm bis 128cm.

Die Theorie spuckt uns folgendes dazu aus:
Chassisgröße 21cm
Membrandurchmesser: 16cm
Schallwand 25x41,5cm (inkl. seitlicher Überstände)
Diagonale 48,5cm
Abstand per Diagonale*3 entspricht 145,5cm
Obere gültige Grenzfrequenz im Nahfeld für das 8" Chassis: 290Hz (Quelle: Diagramm ARTA Handbuch)
Obere gültige Grenzfrequenz im Nahfeld in Bezug auf die Schallwand: 130Hz
Fehler <1dB max 2,3cm

Rechner:
Fernfeld 450Hz ab 37 cm
Fernfeld 250Hz ab 67 cm
Fernfeld 100Hz ab 167 cm
Nahfeld 450Hz <7,6 cm
Nahfeld 250Hz <13,8 cm
Nahfeld 100Hz <34 cm

Für uns ist nun der Bereich von 130Hz interessant, da ab hier der Bafflestep beginnt.
Im Nahfeld bewegen wir uns dann im Bereich <30cm
Wichtig: Auf Grund der mini Schallwand und unserem zu betrachtenden Bereich von >100Hz beträgt der Bafflestep hier noch keine 6dB,
sondern als Maximum in unserem Bereich nur circa 3dB.



Bafflestep und obere Grenzfrequenz:

Nahfeld_untersuchung_01.png
Untersuchung obere Grenzfrequenz und Bafflestep


Hier wurde der Übersicht halber nur die Verdopplung der Entfernung genutzt und alle Pegel bei 451Hz auf 0dB normiert.
Blau stellt die Referenz dar, Messung auf 1 Meter inkl. Reflexionsfreier Bass im Vollraum (4pi) es wurde jeweils ein Gate gesetzt.
Rot 125cm
Orange 64cm
Pink 32cm
Grün 16cm
Hellblau 8cm
Blau Referenz im Vollraum


Wir erkennen nun folgendes:
• Der Bafflestep beginnt ab grob <64cm (orange zu grün und blau)
• Die Nahfeldmessung <2cm (als 2pi) ist gültig bis grob 300Hz
• Vernünftige Ergebnisse oberhalb 1000Hz gibt's erst oberhalb 64cm Messabstand (Orange). (Nicht eingeblendet: 96cm, entspricht 1:1 der Messung auf 128cm)
• Ab circa 64cm sind wir im Bereich 150Hz im Vollraum und messen keinen Bafflestep mehr
• Unser Fernfeldrechner kann hier also ebenfalls genutzt werden.


Fehler <1dB im Nahfeld:
Wir messen in 1mm, 2,5mm, 5mm, 10mm, 20mm, 30mm, 40mm
Die Verdopplung der Entfernung wurde in jeweils Rot dargestellt "bunt" entspricht jeweils der Hälfte.


Nahfeld_untersuchung_03.png



Zwischen 10mm und 20mm haben wir recht genau 0,85dB Pegeldifferenz, zwischen 5mm und 10mm weniger als 0,43dB
Zwischen 1mm und 10mm sind es 1,2dB. Bei 1mm zu 20mm beträgt die Differenz recht genau 2,1dB.

Wir haben errechnet, dass der Fehler erst unterhalb 23mm bei unter 1dB liegt für ein 8" Chassis.
Was ist falsch gelaufen? Wir geben nun rein den Membrandurchmesser von 16cm an,
nun erhalten wir als Ergebnis 17,6mm.
Das kommt schon eher hin, aber auch erst bei 800Hz.

Wir gehen aber mal davon aus, dass die 1mm Messung nicht 100% genau ist, da dies wirklich schon extrem nah ist und bei bissel Hub
das Chassis schon an das Mikrofon stoßen könnte, nehmen wir als Referenz nun also die Messung in 2,5mm Abstand.
Pegeldifferenz zur 2,5mm Messabstand bei 106Hz abgelesen:
5mm - 0,15dB
10mm - 0,55dB
20mm - 1,5dB

Kommt also auch nicht ganz hin.
Lösung:
Wir nutzen den Chassisdurchmesser und teilen das Ergebnis vom Rechner durch 2,
was dann 11,5mm entspricht, dieses Ergebnis kommt auch gut mit unseren Messungen hin.

Merke: Für Nahfeldmessungen so nah ran wie möglich, aber den Hub beachten,
als Faustregel würde ich sagen: 5-10mm Abstand



Pegelverlust Nah- und Fernfeld:

Wir messen in 1mm, 2,5mm, 5mm, 10mm, 20mm, 30mm, 40mm, 60mm, 80mm, 120mm, 160mm, 240mm, 320mm
Die Verdopplung der Entfernung wurde in jeweils Rot dargestellt "bunt" entspricht jeweils der Hälfte.
Also Rot zu rot oder bunt zu bunt entspricht jeweils eine Verdopplung der Entfernung.


Nahfeld_untersuchung_02.png
Untersuchung Schalldruckpegelverlust

Hier erkennen wir auch noch mal gut den Bafflestep, wir vergleichen je Kurve 300Hz mit 100Hz.
Während wir bei <20mm Messabstand noch eine Differenz von fast 3dB haben, haben wir bei 16-24cm nur noch knapp 1dB.

Laut Theorie müssen die Abstände hier immer 3dB Abstand haben, alle in Rot sogar jeweils 6dB.
Die beiden unteren (rot+blau) müssen wir uns circa 0,4dB nach oben denken, denn hier habe ich auf Grund des
Messabstandes den Messpegel eine ganze Ecke erhöht, was diesen Pegelverlust ergeben hat.

Bei 106Hz abgelesen:
Abstand. 6cm zu 12cm entspricht +5dB, 12cm ist also im Übergang zum Nahfeld.
Abstand. 8cm zu 16cm entspricht +6dB, 16cm könnte man meinen, wäre schon im Fernfeld

Wir erinnern uns aber, dass wir jetzt langsam aus dem Bereich des Bafflestep herauskommen, sprich der Übergang von 2pi zu 4pi.
Also lesen wir nun im noch gültigen Bereich (wo fast kein Bafflestep mehr messbar ist) von 300Hz den Pegel ab:

Abstand. 6cm zu 12cm entspricht +4,5dB, 6cm ist also im Übergang zum Nahfeld.
Abstand. 8cm zu 16cm entspricht +5,5dB, 8cm ist also immer noch im Übergang zum Nahfeld.
Abstand. 12cm zu 24cm entspricht +6dB, ab grob 12cm hier sind wir ab 300Hz aufwärts im Fernfeld
Der Nahfeldrechner @300Hz spuckt dazu aus: <11,5cm = Nahfeld
Der Fernfeldrechner bezogen auf die Schallwandgröße @300Hz sagt: 56,6cm



Jetzt haben wir ein Problem:
Die Nahfeldmessungen sind nur bis 300Hz gültig und entsprechen 2pi, also ohne Schallwandeinfluss,
das ist genau der Bereich vom Bafflestep.
Eigentlich wollen wir aber den Pegelverlust im Bass vergleichen, jedoch haben wir im
interessanten Messabstand von ~30cm schon Verlust vom Bafflestep.
Dies macht ein Ablesen schon schwierig

Wir gehen also davon aus, dass wir bei 106Hz @ 32cm schon grob 2dB weniger durch den Bafflestep haben, und bei 24cm -1,5dB.
Rechnen wir das also einfach mal drauf, ergibt sich folgendes:

Abstand. 16cm zu 32cm entspricht +5dB, 16cm ist also noch im Übergang zum Nahfeld.
Abstand. 24cm zu 32cm entspricht +5,5dB, 24cm ist also noch knapp im Übergang zum Nahfeld und 32cm sollte schon knapp Fernfeld darstellen.




Wir erkennen nun Folgendes:
• Der Übergang vom Nah- in's Fernfeld ist fließend, sowohl vom Pegel als auch Bafflestep
• Das Fernfeld beginnt in unserem Fall ab grob 12cm @300Hz
• Das Fernfeld beginnt ab grob 32cm @100Hz
• Unser Nahfeldrechner kann also genutzt werden
• Der Bafflestep nimmt ab 4-6cm Messabstand langsam ab
• Ab circa 64cm sind wir im Bereich 150Hz im Vollraum und messen keinen Bafflestep mehr (oder nur noch sehr wenig)
• Unser Fernfeldrechner kann hier also ebenfalls genutzt werden (Zeigt aber leicht mehr an, er geht eben auf Nummer-Sicher)


Fazit:
Wir müssen unterscheiden zwischen Pegel und Bafflestep im Nah- und Fernfeld.
Gerade im Fernfeld wollen wir aus beiden Bereichen raus sein, sprich den korrekten Pegel messen, als auch keinen Einfluss mehr vom Bafflestep.
Wenn wir sicher sein wollen, können wir uns auf den Nahfeld- und Fernfeld-Rechner definitiv verlassen.
Nur das Ergebnis des "Nahfeld-Fehler <1dB" Rechner sollte zur Sicherheit halbiert werden.
Für genauere Untersuchungen, müssten wir in allen Abständen sauber bis mindestens 50Hz runter messen, was auf Grund eines fehlenden RAR bei mir nicht möglich ist,
eine Kombination aus Nahfeld und GPM finde ich persönlich zu Fehleranfällig für solch einen Vergleich.
Somit bestätigen wir hier die Theorie, bzw. Rechnungen im oberen Frequenzbereich und verlassen uns für den Unteren auf die theoretischen Rechnungen.

Für Nahfeldmessungen an Pappe oder Port sollten wir einen maximalen Abstand von 4cm einhalten,
für Pegelgenaue Nahfeldmessungen maximal 1,2cm.
Vom Frequenzverlauf nach oben hin beträgt unser Mindestabstand 64cm.
Vom Pegelverlust bei 300Hz betrachtet, sind wir bereits ab 32cm im Fernfeld,
vom Bafflestep her, müssen wir mindestens 64cm Abstand halten.
Messen wir den Bereich <300Hz per GPM oder Nahfeld, beträgt unser Mindest-Messabstand 64cm für "ok" Ergebnisse
und 96cm für für genaue Ergebnisse.


Kurzum:
• Für GPM Vollraummessungen, die bis in den tiefen Frequenzbereich genau werden müssen, sollten wir uns an den Fernfeld-Rechner halten,
für "noch genau genug" können wir hier von der echten Schallwand ausgehen und müssen nicht Echte + Spiegelschallquelle zusammenrechnen.
• Für Pegelgenaue Nahfeldmessungen sollten wir so nah dran wie möglich, bzw. wie es der Hub des Chassis zulässt.
• Den Mindest-Messabstand für Pegelgenaue Nahfeld-Messungen können wir vom Nahfeldrechner (Fehler <1dB) ablesen und durch 2 teilen.
• Den Mindest-Messabstand für Pegelgenaue Messungen können wir aus dem Nahfeldrechner (mit Membrangröße) ableiten
• Den Messabstand ohne Schallwandeinfluss können wir aus dem Fernfeldrechner ableiten, samt Eingabe von Frequenz und Schallwandgröße



Wie weit ist die GPM gültig?
Das kann man immer nur grob abschätzen.
Haben wir einen schallharten Boden, dann natürlich höher als z.B. auf einer Wiese.
Je größer der Messabstand ist, desto weniger ist man unter Winkel, desto höher ist die Messung genau,
deswegen macht es auch Sinn die Box leicht anzuwinkeln, dass sie auf das Mikrofon zeigt, also weniger Winkeleinfluss in der Messung.
Über den Daumen bewegen wir uns von der Gültigkeit her, bei einer 12-15" Box, im Bereich 300-600Hz.




GPM in der Praxis:

Hier habe ich einen Bass in verschiedenen Entfernungen per GP gemessen.

gpm_entf.png


Messabstand:
0,25m - Lila
0,5m - Hellblau
1m - Orange
2m - Grün
4m - Rot

Der Bass wurde je Messabstand passend angewinkelt.

Wir sehen, je größer der Abstand, desto identischer werden die Messungen, trotz des Mini Subs (36x68cm).
An Hellblau, vor allem aber Lila erkennen wir gut, dass wir uns einer Halbraum-Messung nähern, bzw. der Bafflestep weniger Einfluss nimmt.
An Lila sehen wir, dass die Skalierung nun nicht mehr passt, wir haben weniger als 6dB Pegelverlust auf Entfernung.

Der Fernfeld-Rechner spuckt uns dazu aus, dass wir erst ab über 2,6m (inkl. Spiegelschallquelle 3,4m) im Fernfeld für unter 100Hz sind.
Die Pi*Daumen-Rechnung sagt: 3x Diagonale (77cm) entspricht 2,3 Meter (inkl. Spiegelschallquelle 3m)
Die Wahrheit liegt irgendwo dazwischen und in diesem Fall stellen die 2 Meter ein aussagekräftiges Ergebnis dar, mit einem Auge zu sogar ab bereits 1m.

Ich betone: Je größer der Bass/Schallwand, desto ausgeprägter sind diese Effekte.


Noch mal zum Nahfeld-Fernfeld-Rechner:
Wir erinnern uns: Nahfeld entspricht Messabstand < Wellenlänge / Fernfeld: Wellenlänge > Abmessung der Quelle
Meine Erfahrung ist, dass man die echte Schallwandgröße als Berechnungsgrundlage nehmen kann und nicht die Doppelte (da Spiegelschallquelle),
so kommt beim Rechner 2,6m @100Hz heraus.
Der Rechner geht immer auf "Nummer-Sicher" bei der Berechnung des Fernfeldes, ab wann der Fehler 0dB entspricht.
Der Nahfeldrechner gibt an, ab wann die Pegelabweichung <1dB entspricht für "direkte" Nahfeldmessungen,
oder den maximalen Abstand, in welchem wir uns zu 100% im Nahfeld befinden, ab wann auch langsam der Bafflestep nicht mehr gemessen wird.
Wäre in diesem Fall: 69cm @50Hz

Also mein Tipp, nach meiner Erfahrung:
• Absoluter Mindestabstand mit noch leichten Fehlern -> (Fernfeldrechner @100Hz - Nahfeldrecher @50Hz) / 2
Beispiel: (2,6m - 0,69m) = 0,95 Meter
• Optimaler Mindest-Abstand -> 1x Fernfeldrechner @100Hz (Schallwand ohne Spiegelschallquelle)
• Optimaler Mindest-Abstand -> Faustformel: Schallwanddiagonale x3
Link zum Rechner
Mit Vorbehalt, wenn wieder richtig große Bässe zum messen da sind, werde ich dies noch mal nachprüfen.


Und was is nu mit dem Ripple?
Haben wir einige Objekte in der nahen Messumgebung, oder Wände kommen nahe,
dann haben wir natürlich Reflexionen.
Der Abstand zum nächste Hindernis sollte mindestens dem 5-fachen Messabstand betragen,
damit die Reflexionen um mindestens 20dB abgeschwächt sind. Somit tragen Reflexionen unter 1dB zum Gesamtergebnis mit bei.

Heißt: Wir messen mit 2m Abstand, dann sollte das nächste Hindernis mindestens 10 Meter entfernt sein, in 4 Meter 20m und in 1m Messabstand 5 Meter.
Je größer die Quelle, desto größer muss der Messabstand gewählt werden, desto größer muss die Fläche zum messen sein.


GPM212.png


Hier mal eine GPM am Schallharten Boden (30cm starker Beton), mitten aus meinem Hof.
Erstes Gate (Orange) gesetzt vor dem ersten Objekt von 12,5m Entfernung (25m Gatelänge)
2tes Gate nach völlig übertriebenen 470 Meter (Blau), hier haben wir auch 3 große Wände, nach 13m, 16,3m und 21 Meter, samt viel Zeug was rumsteht (Maschinen, Bank, Blumen, Autos etc.).

Wir bekommen "Ripple" in die Messungen mit rein, diese sind aber so klein, dass sie zu vernachlässigen sind, wir können noch super ablesen,
aber es schaut halt nicht mega hübsch aus.


Das gleiche noch mal mit Zoom und völlig ohne Glättung (DFT)

gpm212zoom.png




Zusammenfassung:

- GPM entspricht einer Vollraum-Messung, jedoch mit einem um +6dB höherem Pegel. Lösung: Messung auf 2 Meter statt 1 Meter.
- Bei Halbraum spricht man immer von +6dB im Pegel, diesen erhalten wir, jedoch in Abhängigkeit der Schallwandgröße, nur bis zu einer gewissen Frequenz,
darüber spielt ein Chassis oder Box immer im Halbraum.
Eine "echte" Halbraum-Messung wäre in einer unendlichen Schallwand, also z.B. dem Chassis bündig im Boden verbaut.
Zum Vergleich schaut euch die Nahfeldmessung oben an, die noch keine Bafflestep-Korrektur erhalten hat.
- Eine GPM ist vom Frequenzverlauf nach oben hin höher gültig als eine Nahfeldmessung, über den Daumen 3-5mal höher.
- Ripple ist nicht schlimm, sofern es keine wirklich großen Reflexionen sind.

Da wohl der ein oder andere mit den "rippeligen" Messungen nicht klar kommt,
werde ich künftige GPM 100% sauber ausführen, auch wenn's mich etwas mehr Aufwand kostet



Hier noch mal grob zusammengefasst

gpm-raumwinkel.png
GP / Freifeld / Halbraum auf 1 Meter


messarten-fg.png





Ich hoffe ich konnte damit einigen Einsteigern (und vielleicht auch Fortgeschrittenen) eine kleine Hilfe bieten.
Feedback, Kritik und weitere Fragen sind hier gerne willkommen.


Changelog:
04.10.2021
- Infos zu Nah-und Fernfeld (Rechner) hinzugefügt. "Noch mal zum Nahfeld-Fernfeld-Rechner" unter Punkt "GPM in der Praxis"
- Kleinen Fehler korrigiert, Fernfeldrechner-Abstand von "5m" auf " 2,6m (inkl. Spiegelschallquelle 3,4m)"

05.10.2021
- Neuen Absatz (Bild und Text ) "Messabstand Groundplane" zu Punkt "Messabstand & Fernfeld" hinzugefügt
- Bild "Messabstand LF-Sat8 / LF-Sat28" aktualisiert und unterhalb Tabelle 2 Sätze hinzugefügt.
- Bild "GP / Freifeld / Halbraum auf 1 Meter" am Ende unter "Zusammengefasst" hinzugefügt


06.10.2021
Großes Update:
- Abschnitt "Untersuchung vom Nahfeld" eingefügt.


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#2

Beitrag 2. Okt 2021 09:01

Hallo Jobsti,

danke für deine sehr praxisnahen Erklärungen!
Wie würdest du Monitorboxen messen?

LG
Thomas

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Azrael
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#3

Beitrag 2. Okt 2021 09:38

Jobsti hat geschrieben:
1. Okt 2021 18:31
Als Beispiel mal das LF-Sa8 und LF-Sat28:

Üblicherweise befindet sich unsere 0° Achse zwischen Hochtöner und Tieftöner, die sogenannte Hörachse (kann man natürlich auch anders auslegen).
Jetzt betrachten wir uns die Messabstande für die 1x8" und die 2x8", bzw. unter welchen Winkeln wir bei welcher Entfernung messen.


Top-messabstand01.png


AbstandWinkel HF/LF 1x8Winkel HF/LF 2x8
50cm 9° / 12°9° / 32°
100cm5° / 6°5° / 17°
200cm 2,3° / 3°2,3° / 9°
400cm1,2° / 1,5°1,2° / 4,5°

Wir sehen hier, dass wir schon bei solch einem kleinen Topteil mindestens 1m Abstand nehmen müssen,
bei einem 2x8" sollten wir schon 2 Meter Abstand nehmen.

Nicht aufgelistet habe ich hier die Laufwege, sprich das unterschiedliche Delay je nach Messposition.
Mal zur 50cm Position: HF 51cm, LF1 51cm, LF2 dagegen 59cm. Das entspricht einem Laufzeitversatz von 8cm, also grob 0,23ms
Einen anderen Grund, Abstand vom Messobjekt zu halten, hast du ja schon genannt: es werden sonst die Schallwandeinflüsse nicht mit erfasst, Stichwort Bafflestep.

Das Problem, das du hier beschreibst, kann man aber auch anders lösen (wobei ein zur Erfassung der Schallwandeinflüsse ausreichender Abstand natürlich weiter Voraussetzung bleibt):

Für die Entwicklung einer Weiche verwende ich VituixCAD. Das Vorgehen wäre dann so:
  1. Es wird nicht die ganze Box aus einer bestimmten Abhörachse heraus (Mitte zwischen MT und HT z.B. oder auch auf Achse des HTs) gemessen, sondern jeder einzelne Treiber auf seiner eigenen Achse. Dazu muss natürlich dann und wann entweder die Höhe der Box oder die des Mikros verändert werden.
  2. Jeder Treiber wird auch unter Winkel gemessen, Treiber, deren Abstrahlverhalten nicht rotationssymmetrisch ist, auch vertikal.
  3. Die Messungen werden nach VituixCAD überführt. Jedem einzelnen Treiber kann man dann in den Treibereigenschaften auch eine physische Position in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem (X,Y,Z) zuweisen. Da kann man sich z.B. schön am Bauplan orientieren oder man hat sich die Höhenveränderungen aus Punkt 1 notiert.
  4. Wenn man das alles so gemacht hat, kann VituixCAD den Frequenzgang aus jeder beliebigen Entfernung und jedem beliebigen Abhörwinkel berechnen, im Grunde also das komplette Abstrahlverhalten, und das aus jeder beliebigen Abhörachse heraus.
So in der Art ist das auch im Dokument "Response measurements for crossover simulation with VituixCAD" beschrieben, dass es in Versionen für REW, für ARTA und für SoundEasy gibt.

Ich muss aber zugeben, dass ich das so konsequent auch noch nicht gemacht habe, weil mir z.B. noch eine zündende Idee fehlt, wie ich diese Höhenänderungen aus Punkt 1 möglichst präzise durchführen kann, und das ohne etwas an der sonstigen Messanordnung zu ändern. So ein Mikroständer z.B. ist halt was labbelig. Ändere ich da die Höhe, weiß ich nicht wirklich, ob sich die Position des Mikros nicht vielleicht auch bzgl. einer anderen Ordinate verändert hat.

Irgendeine Hubvorrichtung an meinem Drehtürmchen wäre eine Möglichkeit, aber ich habe noch nichts Geeignetes gefunden. Ich gehe bis jetzt also im Grunde noch so wie du vor. 8-)

Zu Punkt 2 würde ich vermuten, dass es Sinn machen könnte, auch Treiber unter vertikalen Winkeln zu messen, die an sich ein rotationssymmetrisches Abstrahlverhalten aufweisen, und zwar, weil ja auch die Schallwand Einfluss darauf nimmt, die ja in den meisten Fällen eben nicht rotationssymmetrisch sein dürfte. Aber so weit scheint noch nicht mal Kimmo Saunisto zu gehen..... :D

Viele Grüße,
Azrael

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#4

Beitrag 2. Okt 2021 10:19

Jau, genau so kann man das machen. Kostet halt echt Zeit, dafür kann man in der Simu völlig tun und lassen was man möchte.
Am sinnvollsten finde ich das ehrlich gesagt, wenn man ein ISO-Baffle nutzt, dann kann man sich alle Chassis als Datenbank anlegen.**

Ich selbst bin da mehr der Praktiker, weniger in der Simu, dafür mehr am echten Objekt messen,
zumal ich zwischendurch auch mal Änderungen am Proto mache und die Geschichte so schneller vonstatten geht.

Ich hatte sogar schon leichte Diskrepanzen zwischen Vcad und Messung, ein und die gleiche Simu, 3 Versionen der Weiche
und eine davon ist messtechnisch völlig abgewichen, während die anderen 2 super gepasst haben.
Zur Untersuchung habe ich peinlich genau alle Bauteilwerte genau eingegeben, keine Ahnung woran das lag.
Das Spielchen hatte ich jetzt schon 2 3 mal.
Azrael hat geschrieben:
2. Okt 2021 09:38
. Ändere ich da die Höhe, weiß ich nicht wirklich, ob sich die Position des Mikros nicht vielleicht auch bzgl. einer anderen Ordinate verändert hat.
Da ist wieder der Vorteil: Je weiter weg man misst, desto weniger macht das was aus.
Aber mit nem stabilen Stativ ist das kein Problem, einfach oben anfangen und dann ablassen, wenn sich das Mikro minimal nach L/R dreht, ist das kein Problem,
da Messmikros idR. Kugelcharakterisitik haben, "bissel" macht da also eher nix aus.


**
Eine Normschallwand will ich eh noch irgendwann in ordentlich groß bauen,
Für Winkelmessungen würde man einfach vorne einen Aufsatz für das Mikrofon machen, das schiebt man dann im Halbkreis.
Bzw. im Viertelkreis, da der Kram ja idR. symmetrisch ist.
Nachteil ist nur, dass man dann die vollen 180° nicht erreicht, sind meiner Erachtens aber auch nicht nötig, das kann man dann an der fertigen Box komplett machen.

TSSound hat geschrieben:
2. Okt 2021 09:01
Wie würdest du Monitorboxen messen?
Ganz normal am Stativ und dann GPM.
Will man den 2pi Verlauf haben, muss man die Box eben bündig in den Boden/Wand verbauen, oder die Nahfeldmethode benutzen.

Ich mache das aber mehr Pi*Daumen und nutze entweder GPM mit Wand im Rücken,
oder messe halt am Stativ, während die Box am Boden liegt.
Das wird beides nicht mega sauber, tut's aber wie ich finde ausreichend und entspricht auch grob der Praxis im Einsatz.

PS: Ich habe mir für ARTA schon die LF-Diffraction als quasi "Addition" gewünscht, damit man die Schallwand wieder draufrechnen kann,
wenn das kommen sollte, hat sich das Problem gelöst ;)
Mit freundlichen Grüßen
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#5

Beitrag 2. Okt 2021 10:49

Jobsti hat geschrieben:
2. Okt 2021 10:19
Ich hatte sogar schon leichte Diskrepanzen zwischen Vcad und Messung, ein und die gleiche Simu, 3 Versionen der Weiche
und eine davon ist messtechnisch völlig abgewichen, während die anderen 2 super gepasst haben.
Zur Untersuchung habe ich peinlich genau alle Bauteilwerte genau eingegeben, keine Ahnung woran das lag.
Das Spielchen hatte ich jetzt schon 2 3 mal.
Das ist mir auch schon passiert, vor allem in der Anfangsphase. Praktisch immer waren bei mir Timing-Probleme die Ursache: ich hatte aus welchen Gründen auch immer trotz semi-zweikanaliger Messung das Phasenverhältnis der Treiber zueinander versemmelt.
Jobsti hat geschrieben:
2. Okt 2021 10:19
PS: Ich habe mir für ARTA schon die LF-Diffraction als quasi "Addition" gewünscht, damit man die Schallwand wieder draufrechnen kann,
wenn das kommen sollte, hat sich das Problem gelöst ;)
Ich weiß nicht, ob ich das richtig verstehe. Wenn ja, kann man das doch auch in VituixCAD erledigen: man kann im Diffraction-Tool auch gemessene Frequenzgänge importieren und darauf eine Schallwand-Simulation anwenden.

Viele Grüße,
Azrael

*edit*: Vielleicht sollte ich noch erwähnen, dass ich (noch?) nicht mit ARTA, sondern mit REW messe. Ich kenne also die Möglichkeiten von ARTA noch nicht so recht.

Die oben erwähnten Timingprobleme kamen vor allem wegen des Umgangs mit REW zustande. In erster Linie habe ich im Fenster "IR-Window" (dort wird das zeitliche Messfenster erstellt) erst nicht verstanden, was der Unterschied zwischen den beiden Buttons "Apply Windows To All" und "Apply Windows To All, Keep Ref Time" ist und habe dann mitunter prompt den falschen hergenommen. Wirklich herausgefunden, was welcher Button macht, habe ich erst hier.

Also: don't touch the "Apply Windows To All, Keep Reference Time"-Button..... ;)

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#6

Beitrag 2. Okt 2021 17:25

Ich importiere die IR per Vcad, Mikroposition für beide Chassis identisch, alle Maker beim Import identisch, da gibt's also eigentlich keinerlei Probleme.
Per ARTA kann ich das auch exportieren, aber das is wesentlich Fehleranfälliger und man muss mehr beachten.
Aber das war auch nicht oft, also wenn ich 100 Simus mache, dann haben vielleicht 5 nicht gepasst ;-)

Ich schiebe das Problem eher auf die Weichenbauteile, die in der Realität von den Werten her anders ausfallen können,
siehe z.B. meine Kondensatormessung, da Weicht der Wert je nach Frequenz und/oder auch Spannung ab.
Oder diverse Sorten Kernspulen, die sich alle leicht anders verhalten.
Bei LU genauso, da kann der Wert identisch sein, aber ne eng und hoch gewickelte verhält sich anders als ne breitgewickelte und von Bandspulen fangen wir erst gar nicht an ;)
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#7

Beitrag 4. Okt 2021 13:03

Update Artikel:
- Infos zu Nah-und Fernfeld (Rechner) hinzugefügt. "Noch mal zum Nahfeld-Fernfeld-Rechner" unter Punkt "GPM in der Praxis"
- Kleinen Fehler gefixt, Fernfeldrechner-Abstand von "5m" auf " 2,6m (inkl. Spiegelschallquelle 3,4m)" korrigiert
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#8

Beitrag 5. Okt 2021 13:06

Update:
- Neuen Absatz (Bild und Text ) "Messabstand Groundplane" zu Punkt "Messabstand & Fernfeld" hinzugefügt
- Bild "Messabstand LF-Sat8 / LF-Sat28" aktualisiert und unterhalb Tabelle 2 Sätze hinzugefügt.
- Bild "GP / Freifeld / Halbraum auf 1 Meter" am Ende unter "Zusammengefasst" hinzugefügt
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#9

Beitrag 6. Okt 2021 19:36

Großes Update:

- Abschnitt "Untersuchung vom Nahfeld" eingefügt.
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