Produkt: Professional System 1/2019
Professional System 1/2019
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Laut und deutlich

Lautsprecher messen: Der Pegel & das Sprachsignal

Welchen Pegel erreicht man mit einem Sprachsignal in einer bestimmten Entfernung? Unser Autor und Beschallungs-Experte Anselm Goertz hat nachgemessen! 

Eine typische Maximalpegelangabe für einen Lautsprecher ist ein dBA-Wert in einer bestimmten Entfernung meist mit Peak-Bewertung. Man benutzt hier als Anregungssignal z. B. ein Pink-Noise mit einem Crestfaktor von 6 dB zusammen mit sinnvoll gesetzten Hoch- und Tiefpassfiltern für den typischen Arbeitsbereich des Lautsprechers, steuert den Lautsprecher damit bis an die Clipgrenze aus und misst dann in der entsprechenden Entfernung den Pegel.

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Das Ganze sollte im Freien stattfinden, da ansonsten der Raum durch sein Diffusfeld einen mehr oder weniger großen Anteil noch hinzufügt. Der Crestfaktor eines Signals ist das Verhältnis zwischen dem Spitzenwert und RMS-(Mittel)Wert des Signals. Steuert man eine Beschallungsanlage mit diesem Pinknoise voll aus, dann liegt der gemessene Mittelwert 6 dB unter dem Spitzenwert.

In der Realität einer Sprachbeschallung zählt jedoch eher der mit einem Sprachsignal oder einem Sprachersatzsignal erreichbare Wert im Sinne einer Nutzsignalpegelmessung nach VDE 0833-4 und EN 60268-16. Messtechnisch wird der Wert so bestimmt, dass auch wieder ein Rauschen, jetzt jedoch mit einer spektralen Verteilung ähnlich einem Sprachsignal und 12–14 dB Crestfaktor, auf den Lautsprecher gegeben wird.

 

Sprachsignal-Messung
Maximalpegelberechnung mit EASE Speaker-Lab für eine Evolutone 3000. Pegelverlauf jeweils in 40 m Entfernung berechnet für 1/24 Oktaven. Oben: bei Anregung mit einem Pinknoise ohne EQs (Summenpegel 82,5 dB) Mitte: bei Anregung mit einem Pinknoise mit HPF und EQs (Summenpegel 88,6 dB) Unten: bei Anregung mit einem Sprachsignal mit HPF und EQs (Summenpegel 92,9 dB) *der Summenpegel wird aus allen 1/24 Oktavbändern gebildet (Bild: Anselm Goertz)

Mit 14 dB fällt der Crestfaktor recht groß aus, sodass man hohe Peak- und niedrige Mittelwerte hat. Gemessen wird anschließend der äquivalente Dauerschallpegel über einen längeren Zeitraum. Würde man die Anlage mit den Peakwerten bis zur Clipgrenze aussteuern, dann läge der zu messende äquivalente Dauerschallpegel 8 dB unter dem Wert mit dem Pinknoise. Sinnvollerweise wird daher für den Sprachkanal ein Kompressor eingesetzt, der den Crestfaktor auch auf Werte in der Größenordnung von 6 dB reduziert, wenn die Anlage im Notfall voll ausgesteuert werden muss. D. h., es interessiert der Pegelwert, den eine Lautsprecheranlage mit einem Sprachersatzrauschen mit Sprachspektrum und ca. 6 dB Crestfaktor als äquivalenten Dauerschallpegel erreicht.

Dieser Wert soll aber nicht nur bei einer schon installierten Anlage zu messen sein, sondern möglichst genau auch schon durch eine Simulation vorhergesagt werden können. Falsche Prognosen können hier entweder zur Unterdimensionierung mit der Folge einer verweigerten Abnahme durch den Prüfer sein oder bei Überdimensionierung zu hohe Kosten für den Betreiber. 3 dB mehr Maximalpegel bedeuten in ungefähr auch 3 dB (sprich doppelte) Kosten für Verstärker und Lautsprecher.

Wie geht man nun vor, um über eine Simulation den möglichen Maximalpegel einer Beschallung zu bestimmen?

Am Beispiel der Evolutone-Lautsprecher aus dem Test in dieser Ausgabe wird das Vorgehen in drei Schritten erläutert. Zunächst wird ein Pinknoise mit gleicher Energieverteilung über alle Frequenzbänder als Anregungssignal vorgegeben. Daraus berechnet die Simulation bei voller Auslastung des Lautsprechers entsprechend den Angaben des Herstellers über die Sensitivity und Verstärkerleistung sowie Filtereinstellung den erreichbaren Maximalpegel (Abb. oben).

Der Pegel berechnet sich aus der Summe aller Frequenzbänder, die hier eine Auflösung von 1/24 Oktave haben. Im nächsten Schritt wird der EQ für diese Konstellation eingestellt, sodass der Lautsprecher einen weitgehend linearen Frequenzgang erreicht mit sinnvollen Bandbegrenzungen am oberen und unteren Ende durch Hoch- und Tiefpassfilter.

Die mittlere Abb. zeigt die eingestellte EQ-Filterkurve und eine erneute Berechnung des Maximalpegels. Damit wäre die Anlage korrekt eingestellt, sodass jetzt im letzten Schritt noch zu ermitteln wäre, welcher Pegel mit einem Sprachsignal zu erreichen ist. Das Ergebnis ist in der Abb. oben dargestellt: Der Lautsprecher wird jetzt mit einem Sprachersatzrauschen nach EN 60268-16 betrieben anstatt des vorher genutzten Pinknoise. Auch hier ist wieder ein Maximalpegel abzulesen, der allerdings von einem Crestfaktor des Signals in der Simulation von nur 3 dB (Sinussignal) ausgeht. D. h., der in der Realität messbare Wert mit einem 6 dB Crestfaktor-Signal wird 3 dB geringer ausfallen.

Würde man keine Kompression des Sprachsignals zulassen und von 14 dB Crestfaktor ausgehen, dann wären hier nicht 3 sondern 11(!) dB abzuziehen. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch, dass die Zeilen mit einem Sprachersatzrauschen höhere Maximalpegel erzielen als mit einem Pink noise. Bei „normalen“ Lautsprechern verhält sich das eher umgekehrt. In der Zeile arbeiten bei tieferen Frequenzen alle Treiber, wo auch das Sprachsignal sein Schwergewicht hat. Zu den höheren Frequenzen hin wird die Anzahl der beteiligten Treiber immer geringer und damit sinkt auch der erzielbare Maximalpegel.

Beides kommt dem Sprachspektrum entgegen, sorgt aber bei einem Pinknoise mit Gleichverteilung über alle Frequenzbänder zu einer frühzeitigen Limitierung durch die höheren Frequenzbänder. Die nächste Abbildung zeigt ein exemplarisches Direktschallmapping aus EASE, das nach dieser Vorgehensweise für die Evolutone-Modelle EVO 1000, 2000 und 3000 erstellt wurde. Gegenüber den Summenpegeln aus der vorherigen Abbildung sind die Pegel hier A-bewertet und somit etwas geringer.

Messwerte
Simulation des erreichbaren Maximalpegels mit einem Sprachsignal nach 60268-16 mit der spektralen Verteilung eines männlichen Sprechers. Die Simulation zeigt den SPL als LAeq und geht dabei von einem Crestfaktor des Signals von 3 dB aus. Für eine realistische Kalkulation, die auch messtechnisch mit einem typischen Testsignal nachzuvollziehen ist, ist ein Wert in der Größenordnung des tatsächlichen Crestfaktors im Testsignal abzüglich 3 dB von den berechneten Werte abzuziehen. (Bild: Anselm Goertz)

Für eine Zielsetzung von 87 dB LAeq mit einem Sprachsignal könnte man jetzt für die gegebene Konstellation die Reichweiten der drei Evolutones am Übergang von grün auf blau ablesen. Zwei weitere Aspekte sind hier zu beachten: Für eine Berechnung der Sprachverständlichkeit mit einem STI in Abhängigkeit vom Signal/ Noise reicht nicht der A-bew. Summenpegel, sondern es werden die linear bewerteten Oktavbandpegel von 125 Hz bis 8 kHz benötigt, ebenso wie für den Störpegel. Die Nutzsignalpegel in Oktavbändern werden durch die Simulation ebenfalls ermittelt, die Störpegel sind mit Hilfe einer Messung zu ermitteln und für die Simulation vorzugeben. In beiden Fällen wurde hier nur der Direktschallpegel berechnet.

In Räumen kommt bei der Beschallung ein nicht unerheblicher Anteil früher Reflexionen und aus dem Diffusfeldes des Raumes hinzu, sodass die erzielbaren Maximalpegel als Gesamtschallpegel in einer Größenordnung von 3–6 dB je nach Raumform und Nachhallzeit höher liegen.

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