Entwicklung einer Software zur Messung der Übertragungsfunktion von Lautsprechern mittels Auswertung der Impulsantwort

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Beurteilung und Messung der Qualität eines Lautsprechers
1.2 Meßverfahren zur Messung an Lautsprechern
1.3 Raum-Impulsantwort und Lautsprecher-Impulsantwort

2 Entwicklungssystem Delphi 4 Standard
2.1 Entwicklungsumgebung (IDE)
2.2 Die VCL (Visual Component Library)
2.3 Vorgehensweise bei der Entwicklung von Delphi-Anwendungen

3 Eingesetzte Delphi-Komponenten von Drittanbietern

4 Bestimmung der Übertragungsfunktion eines Lautsprechers
4.1 Meßaufbau
4.2 Meßvorgang
4.3 Setzen der Bewertungsfenster für die Zeitsignale
4.4 Transformation in den Frequenzbereich—FFT (Schnelle Fourier­Transformation)
4.5 System-und signaltheoretische Betrachtungen
4.5.1 Fourier-Transformierte eines zeitlich verschobenen Rechteck-Impulses
4.5.2 Übertragungsfunktion eines LTI-Systems
4.5.3 Fensterung im Zeitbereich
4.5.4 Abtastung und Aliasing

5 Das Windows WAV-Format

6 Software-Realisierung
6.1 Standard-Version
6.2 Spezial-Version
6.3 Zusatz-Software: Signalanalyse im Zeit-und Frequenzbereich .

7 Erstellen von Installationsdisketten

8 Erprobung der entwickelten Anwendungen

9 Erweiterungs- und Verbesserungsmöglichkeiten

10 Anhang
10.1 Literaturverzeichnis
10.2 Hinweis zum Textsatz

Abbildungsverzeichnis

2.1 Entwicklungsumgebung (IDE) von Delphi 4 Standard

4.1 Positionierung des Bewertungsfensters für die Lautsprecher­ Impulsantwort nach der Regel der reflexionsfreien Messung (Die gelbe Kurve zeigt das Rechteck-Fenster.)

4.2 Zeitlich verschobener Rechteck-Impuls

5.1 Struktur einer WAV-Datei

6.1 Visuelle Bedienoberflache der Software (Standard-Version) . .

6.2 Visuelle Bedienoberflache der Software (Spezial-Version)

7.1 Programmoberflache von InstallShield Express fur Delphi 4 .

7.2 Schrittweise Erstellung eines Installationsprogrammes mit In­stallShield Express für Delphi 4

7.3 InstallShield Express fur Delphi 4 erkennt, welche Dateien für die Lauffahigkeit der Software zusatzlich benötigt werden

8.1 Amplitudenfrequenzgang eines Rechteck-Impulses (Impulsdauer: 0,5 ms)

8.2 Amplitudenfrequenzgang eines periodischen Rechteck-Signals tf = lkHz)

8.3 Amplitudenfrequenzgang eines periodischen Sinus-Signals (/ = 1 kHz)

Kapitel 1 Einleitung

1.1 Beurteilung und Messung der Qualität eines Lautsprechers

Um einen realen Lautsprecher hinsichtlich seiner Qualität zu beurteilen, werden in der elektroakustischen Meßtechnik verschiedene Lautsprecher-Kenngrößen ge­messen. Ein idealer Lautsprecher wurde alle ihm vom Verstarker zugeführten Sig­nale direkt in Schall umwandeln, ohne etwas hinzuzufugen oder fortzulassen. Die von den Lautsprechern bewirkten unerwünschten Veränderungen des Originals heißen “Verzerrungen“, wobei zwischen linearen und nichtlinearen unterschie­den werden. Lineare Verzerrungen zeigen sich im Amplitudenfrequenzgang aber auch im Impulsverhalten. Die Membranen idealer Lautsprecher müßten einen zu­gefuhrten elektrischen Impuls ohne Verzogerung in Schall umwandeln und nach dem Abklingen des Signals augenblicklich wieder in ihre Ruhelage zurückkeh­ren. Dieses Verhalten laßt sich in der Praxis allerdings nicht realisieren, da ein Lautsprecher beim Einschwingen zunachst einmal die Masseträgheit der Mem­bran und der ihn umgebenden Luft überwinden muß. Wichtig fur eine ordentliche Impulswiedergabe ist Resonanzarmut. Resonanzen bei der Lautsprecherwiederga­be haben verschiedene Ursachen. Im Baßbereich spielen Horraumresonanzen die maßgebende Rolle. Sie entstehen durch Schallreflexionen an den Wanden, und zwar vor allem bei denjenigen Frequenzen, deren halbe oder ganze Wellenlange dem (kürzesten) Wandabstand entspricht. Sie lassen sich wie folgt errechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

wobei hier c für die Schallgeschwindigkeit (rund 340 y) und s für die Raumlange, -breite oder -hohe steht. Starker ausgeprägt ist meist jV In einem realen, d.h. re­flexionsbehafteten Raum bilden sich also stehende Wellen aus, verursacht durch wiederholte Reflexionen zwischen den Wänden, die sich kaum verhindern lassen. Direkte sowie einfach und mehrfach reflektierte Schallwellen addieren sich. Im Mittel- und Hochtonbereich entscheiden im wesentlichen Eigenresonanzen der beweglichen Einzelteile eines Lautsprechers Uber dessen klangliche Qualitat.

Neben einem ungleichmaßigen Amplitudenfrequenzgang und langen Ein- und Ausschwingzeiten zahlen auch Phasenverschiebungen zu den linearen Verzer­rungen eines Lautsprechers. Dabei handelt es sich um minimale Zeitverschie­bungen zwischen einzelnen Frequenzen, die zu hörbaren Verschlechterungen des Klangbildes fuhren konnen. Bei Lautsprechersystemen werden Phasenver­schiebungen sowohl durch die Frequenzweiche als auch durch unterschiedli­che Wegstrecken zwischen dem Horer oder Mikrofon und den einzelnen Chas­sis verursacht. Wahrend also lineare Verzerrungen fur die Klangqualitat eines Lautsprechers grundsatzlich entscheidend sind, kommen nichtlineare Verzerrun­gen (Klirrverzerrungen und Intermodulationsverzerrungen) meist erst bei hohen Lautstarken ins Spiel.

Um also die Klangqualitat eines Lautsprechers zu beurteilen, müssen folg­lich Lautsprecher-Kenngrößen gemessen werden, die Aufschluß uber die linearen Verzerrungen geben konnen. Daher mißt man haufig zur Beurteilung der Qualitat eines Lautsprechers:

- Amplitudenfrequenzgang (Schalldruck aufgetragen über der Frequenz)
- Phasenfrequenzgang (Phasenverschiebung aufgetragen über der Frequenz)

Mit Hilfe des Amplitudenfrequenzganges lassen sich Rückschlüsse auf die frequenzselektiven Eigenschaften des Lautsprechers ziehen. Hierdurch kann man erkennen, bei welchen Frequenzen dieser einen erhöhten Schalldruck von sich gibt und bei welchen Frequenzen dieser einen verminderten Schalldruck von sich gibt. Im Idealfall sollte sich der Lautsprecher im gesamten fur den Horbereich relevanten Frequenzbereich (maximal: 20...20000ЯУ) neutral verhalten, d.h. die Kurve des Amplitudenfrequenzganges ware dann exakt eine horizontale Linie. Dieses Verhalten laßt sich allerdings aufgrund von nicht vermeidbaren Nichtidea- litaten der einzelnen Lautsprecher-Elemente (z.B.: Schwingspule, Schwingspu­lenmagnet, Lautsprechermembran, Eigenresonanz des Lautsprechers, bei Laut­sprechersystemen mit Gehause auch die Frequenzweiche) im realen Fall nicht er­reichen; man erhalt daher dann eine Kurve mit lokalen Maxima (“Peaks“) und Minima (“Einbrüche“) fur den Amplitudenfrequenzgang. Der Phasenfrequenz­gang demgegenüber sollte im Idealfall ebenfalls durch eine exakt horizontale Kur­ve beschreibbar sein; die im realen Fall vorhandene Abweichung hiervon ist auf dieselben Gründe zurückzuführen wie bereits beim Amplitudenfrequenzgang be­schrieben.

Um nun die Qualität eines Lautsprechers beurteilen zu können, werden in der Elektroakustik Meßsysteme (entweder rein hardwaremäßig, rein software­mäßig öder kombiniert) mit unterschiedlichen Meßverfahren eingesetzt, die ei­ne möglichst präzise Messung des Amplituden- bzw. Phasenfrequenzganges ermöglichen sollen.

1.2 Meßverfahren zur Messung an Lautsprechern

Fur die meisten Lautsprecher ist eine Messung im Lautsprecher-Nahfeld ausrei­chend. Das Nahfeld eines Lautsprechers ist ein Bereich, bei dem man sich in un­mittelbarer Nahe zum Lautsprecher befindet. Diesem Abstand entspricht etwa ei­ne halbe Wellenlange des Schallsignales. Bei Lautsprechermessungen mit Hilfe eines Mikrofons wahlt man haufig einen Abstand von ca. Im, wobei das Mikro­fon sich exakt auf der Höhe des zu messenden Lautsprechers befinden sollte. Dies ist wichtig, da das Abstrahlverhalten eines Lautsprechers richtungsabhängig ist, d.h. die Meßergebnisse hangen stark von der relativen Position von Lautsprecher und Mikrofon ab. Eine der wichtigsten Vorteile der Nahfeldmessung ist, dass der Einfluß von Raumreflexionen dann fast vernachlassigt werden kann. (Dies hangt von der Raumakustik ab.) Die Übertragungsfunktion eines Lautsprechers kann mit Hilfe von Sinus-, Rausch- und Impulssignalen gemessen werden. In der elektro- akustischen Meßtechnik setzt man haufig Rauschen oder impulsförmige Signale ein.

1.3 Raum-Impulsantwort und Lautsprecher­Impulsantwort

Die Raumimpulsantwort zwischen zwei Punkten innerhalb eines Raumes laßt sich in Direktsignal, erste Reflexionen von Wanden und diffusen Nachhall aufspalten. Bei der in dieser Diplomarbeit durchgefuhrten Messung wird in einem realen, d.h. reflexionsbehafteten Raum gemessen. Um nun trotzdem eine exakte Messung zu gewahrleisten, werden sowohl die ersten Reflexionen von Wanden als auch der diffuse Nachhall von der entwickelten Software unterdrückt. Auf diese Weise erhalt man praktisch dieselben Meßergebnisse als wenn man in einem idealen (d.h. reflexionsfreien) Raum messen würde.

Kapitel 2
Entwicklungssystem Delphi 4 Standard

Delphi ist ein grafisches Entwicklungstool, mit dem man schnell und komfortabel leistungsfähige Windows-Anwendungen erstellen kann. Besonders hervorzuhe­ben sind die durchdachte Entwicklungsoberflache und vor allem der leistungsfahi- ge und schnelle Compiler. Seit der Version 2 hat Delphi den Schritt von der 16- bit-Version für Windows 3.x zur 32-bit-Version für Windows 95/98 und NT ge­macht. Der Begriff“ Entwicklungssystem“ bedeutet, dass sich die komplette Soft­wareerstellung innerhalb eines einzigen Programms, der Entwicklungsumgebung (IDE, Integrated Development Environment), abspielt. Auch anspruchsvolle Da­tenbankanwendungen sind mit Delphi möglich. Als Programmiersprache verwen­det Delphi Object Pascal. Es handelt sich hierbei um eine Erweiterung von Pas­cal um viele objektorientierte Eigenschaften, so dass man mit Delphi alle neuen Features von Windows nutzen kann. Damit ist es zulassig, alle Standardproze­duren, -funktionen, -schleifen etc. von Pascal im Quellcode zu verwenden. Del­phi reicht an die Leistungsfahigkeit einer C++-Entwicklungsumgebung heran und bietet dennoch eine relativ leicht zu erlernende Sprache und eine angenehm zu bedienende Oberflache. Delphi 4 gibt es in den folgenden drei Versionen:

- Delphi 4 Standard
- Delphi 4 Professional
- Delphi 4 Client/Server

Für kleinere Softwareprojekte ist Delphi 4 Standard meist völlig ausreichend. Da­her wurde in dieser Diplomarbeit diese Version auch eingesetzt, da nahezu alle ^[1] für die Softwareentwicklung benotigten Komponenten^[2] vorhanden sind.

2.1 Entwicklungsumgebung (IDE)

Die Entwicklungsumgebung oder IDE (Integrated Development Environment) be­steht aus mehreren einzelnen Fenstern (Abbildung 2.1). Die einzelnen Elemente

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Entwicklungsumgebung (IDE) von Delphi 4 Standard der IDE haben folgende Funktion:

- Symbolleiste: Hier findet man die wesentlichen Funktionen von Delphi 4 Standard, d.h. Symbole, mit denen man beispielsweise ein Projekt verwal­ten, neue Formulare hinzufUgen oder das Programm starten kann.
- Komponentenpalette: Enthalt die Bausteine, aus denen Sie Ihr Programm zusammensetzen können. Eine Komponente kann zum Beispiel ein einfa­ches Textfeld sein oder ein komplexes Gebilde wie beispielsweise ein Ka­lender.
- Objektinspektor: Hier konnen sowohl die Eigenschaften als auch die Er­eignisse der im Formular ausgewahlten Komponenten definiert werden. Bei den Eigenschaften kann der Anwender entweder einen Wert aus einer Drop­down-Liste auswahlen oder er muß einen Wert explizit mit der Tastatur ein­geben. Ein Doppelklick auf ein Feld der rechten Spalte unter “Ereignisse“ offnet automatisch den Quelltexteditor, in der die entsprechende Ereignis­behandlungsroutine eingegeben werden kann.
- Quelltext-Editor: Hier findet man die Quelltexte (Units) zum momentan geoffneten Projekt wieder. Welche Units angezeigt werden sollen, kann der Anwender einstellen.
- Projektverwaltung: Hier erhalt man eine Übersicht uber die zum Projekt gehorigen Dateien.
- Formular: Bereits unmittelbar nach Programmstart wird ein leeres Formular angezeigt, welches als Oberflache fur die hierauf zu plazierenden Kompo­nenten dient.
- Titelleiste: Die Titelleiste zeigt den Projektnamen und den Programmmodus an.
- Menüleiste: Hier findet man alle Funktionen, die Delphi 4 Standard anzu­bieten hat.

2.2 Die VCL (Visual Component Library)

Delphi wird als Werkzeug zur visuellen Entwicklung von Windows­Anwendungen angeboten, womit gemeint ist, dass die Programme zunachst aus fertigen Bausteinen aufgebaut werden. Diese Bausteine nennt man auch Komponenten. Mit Delphi 4 Standard wird eine Bibliothek fertiger Standardkom­ponenten geliefert, welche die wichtigsten Grundelemente von Anwendungen beinhaltet. Diese Bibliothek ist beliebig erweiterbar (d.h. es konnen sowohl eigene Komponenten entwickelt als auch Komponenten von Drittanbietern installiert werden) und heißt VCL (Visual Component Library). Jede dieser Komponenten besitzt einen gewissen Funktionsinhalt, der dem Entwickler mit einer ubersichtlichen Schnittstelle zuganglich gemacht wird, ohne daß die interne Realisierung der Komponenten detailliert bekannt sein muß. Aus der Sicht des Entwicklers kann daher jede VCL-Komponente als “Black Box“ betrachtet werden.

2.3 Vorgehensweise bei der Entwicklung von Delphi-Anwendungen

Um mit Hilfe von Delphi eine Anwendung zu entwickeln, sind grob die folgenden Schritte erforderlich:

1. Anlegen eines neuen Projektes (Hierdurch wird in erster Linie der Anwen- dungsŕyp bestimmt, also ob es sich beispielsweise um eine ausführbare Da­tei oder eine DLL handelt.)
2. Erstellung der Oberflache (d.h. Anlegen der erforderlichen Formulare, Einfügen der gewünschten Komponenten und Einstellen der Komponenten­Eigenschaften (sog. “Properties“) im Objektinspektor)
3 Programmierung der Ereignisbehandlungen (d.h. Programmierung von Routinen, welche die Reaktionen von Komponenten auf bestimmte Ereig­nisse bestimmen. Ein typisches Ereignis ist das OnClick-Ereignis eines But­tons: Wenn auf diesen Button einmal mit der Maus geklickt wird, so wird die zugehörige (Ereignisbehandlungs-) Routine ausgefuhrt.)

Zunachst hat der Entwickler also nichts weiter zu tun, als die Benutzeroberflache gemaß seinen Vorstellungen aus Komponenten der VCL zusammenzusetzen. Man bezeichnet diesen Teil der Anwendungsentwicklung auch als Visuelle Program­mierung. Der ganz entscheidene Vorteil dieser Programmiertechnik ist, dass sich das endgültige Aussehen der Fenster (im Zusammenhang mit Delphi spricht man von sog. Formularen) bereits zur Entwicklungszeit zeigt. Dadurch ist der Ent­wickler in der Lage, bereits zur Entwicklungszeit abzuschatzen, wie das fertige Programm zur Lauf zeit, d.h. nach fehlerfrei abgelaufener Compilation, in etwa aussehen wird. Es muß nun ein Formular zum sog. Hauptformular erklart werden; dieses Formular wird bei Applikationsstart immer zuerst angezeigt. Anschließend konnen weitere Formulare dem Projekt hinzugefugt werden. Um die Oberflache zu gestalten, werden im nachsten Schritt die benotigten Komponenten auf die ein­zelnen Formulare plaziert und die einzelnen Properties der Komponenten im Ob­jektinspektor nach den Wünschen des Entwicklers eingestellt. Schließlich müssen

für die einzelnen Komponenten und auch für die Formulare passende Routinen geschrieben werden, die angeben, wie sich das Programm verhalten soll, falls be­stimmte Ereignisse eintreffen. Allerdings existieren auch einige Properties, fur die eine Wertzuweisung erst zur Lauf zeit sinnvoll ist^[3].

[...]

^[1] Es fehlten noch Komponenten fur die Signalverarbeitung und fur die Diagrammdarstellung; hierfur wurden spezielle Komponenten von Drittanbietern eingesetzt.

^[2] Zum Begriff der Komponente siehe Kapitel 2.2.

^[3] Ein Beispiel hierfur ist die Property “Text“ der Delphi-Standardkomponente “Edit“.