Difference between revisions of "What Advantages Does The Oscilloscope Measure Have?"

(Die Sprungantwort)
(Artikel als "Löschkandidat" gekennzeichnet: Kein Artikel bzgl eines konkreten Gerätes)
 
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=== Die Oszilloskop-Messung ===
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=== The oscilloscope measurement ===
Das bestmögliche Zeit- / Signalverhalten ist das alleinige Kriterium für eine korrekte Wiedergabe. Die Untrennbarkeit von Zeit und Amplitude kennzeichnet allein das Hörbare. Damit kann letztlich auch nur dies das Kriterium für die Beurteilung von Lautsprechern sein. Die Visualisierung der Schallwellen erfolgt durch das Oszilloskop.<br />
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The best possible time / signal response is the sole criterion for correct reproduction. The inseparability of time and amplitude alone characterizes the audible. Thus, in the end, only this can be the criterion for the evaluation of loudspeakers. The visualization of the sound waves is done by the oscilloscope.<br />
  
Ein Beispiel: <br />
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An example: <br />
Wir nehmen den Anschlag einer Tom oder einer Klaviersaite mit einem Mikrofon auf. Das Mikrofon wandelt die akustische Schallwellenstruktur in eine elektrische Schwingungsstruktur. Diese elektrische Schwingungsstruktur ist von unseren elektroakustischen Wandlern (Lautsprechern) wieder in die äquivalente Schallwellenstruktur zu wandeln. Das einzige, was dabei zählt, ist, dass die elektrische Eingangsstruktur identisch ist mit der vom Wandler erzeugten akustischen Wellenstruktur. <br />
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We record the attack of a tom or a piano string with a microphone. The microphone converts the acoustic sound wave structure into an electrical oscillation structure. This electrical vibration structure is to be converted back into the equivalent sound wave structure by our electroacoustic transducers (loudspeakers). The only thing that matters is that the electrical input structure is identical to the acoustic wave structure generated by the transducer. <br />
Objektiv überprüfbar ist dies durch den Vergleich der Wellenformen mit Hilfe eines Oszilloskopes. Stimmen die Wellenformen überein, dann stimmen auch alle theoretischen Modellaspekte, wie zum Beispiel Frequenzgang, Phasengang und Klirr. Und auch die Tonhöhen werden dann korrekt wiedergegeben. Beim Lautsprecher kommt es nur darauf an, im zeitlichen Verlauf des Ereignisses, zu jedem Zeitpunkt die richtige Schallamplitude (inklusive der richtigen Polarität) zu erzeugen. Dann, nur dann können wir das aufgenommene Original, den Anschlag der Tom oder der Klaviersaite, originalgetreu hören, weil genau dieser Schalldruckverlauf auf unser Hörorgan wirkt. Wenn es Abweichungen gibt, was bei dem heutigen Stand der Lautsprechertechnik jedoch die Realität ist, dann können uns die theoretischen Modellaspekte behilflich sein, die Gründe dafür zu ermitteln.
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This can be objectively verified by comparing the waveforms using an oscilloscope. If the waveforms match, then all theoretical model aspects, such as frequency response, phase response and distortion are also correct. And also the pitches will be reproduced correctly. In the case of the loudspeaker, it is only important to generate the correct sound amplitude (including the correct polarity) at every point in time during the course of the event. Then, only then, can we hear the recorded original, the strike of the tom or the piano string, true to the original, because it is precisely this sound pressure curve that affects our hearing organ. If there are deviations, which is, however, the reality with the current state of loudspeaker technology, then the theoretical model aspects can help us to determine the reasons for this.
  
Messdiagramme sind dafür da, dem kundigen Experten Hinweise auf Übertragungseigenschaften zu geben und dienen als Werkzeug für die Suche nach Fehlern und deren Ursachen. Eine Anleitung dafür, wie man Fehler vermeidet und wie die Rekonstruktion des Ursprungssignals zu schaffen ist, ist darin nicht enthalten. Nur Oszilloskop-Darstellungen zeigen die komplexe Schwingungsstruktur, die Schalldruckschwankungen, die auch unser Hörorgan anregen. Gleichwohl findet sich ein Phänomen in der Regel in jeder Teilansicht bzw. auf spezifische Art in jeder Messung wieder. Ein Beispiel.
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Measurement diagrams are there to give the knowledgeable expert clues to transmission characteristics and serve as a tool for finding faults and their causes. They do not include instructions on how to avoid errors and how to reconstruct the original signal. Only oscilloscope representations show the complex oscillation structure, the sound pressure fluctuations, which also excite our hearing organ. Nevertheless, a phenomenon is usually found in each partial view or in a specific way in each measurement. Example.
Die Membranresonanz eines Mitteltöners sehen wir:
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We see the diaphragm resonance of a midrange driver:
*im Frequenzgangdiagramm als Pegelüberhöhung
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*in the frequency response diagram as a level rise
*bei der akustischen Phasenmessung als eine Phasendrehung
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*in the acoustic phase measurement as a phase rotation
*im Gruppenlaufzeitdiagramm ebenso als Schwankung auf der Zeitebene
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*in the group delay diagram also as a fluctuation on the time plane
*bei der elektrischen Phasenmessung auch als Phasenschwankung
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*in the electrical phase measurement also as a phase fluctuation
*im Wasserfalldiagramm im Ausschwingen auch als Rippel
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in the waterfall diagram in the decay also as ripple
*in der Impulsantwort als Nachschwinger
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*in the impulse response as a post oscillator
*bei der Sinusmessung als Verformung
+
in the sinusoidal measurement as deformation
*in der Spungantwort als Spitze mit nachfolgendem Einbruch und anschließendem Ringing etc. etc.
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*in the spung response as a peak with subsequent dip and subsequent ringing, etc., etc.
  
Es ist und bleibt jedoch die Membranresonanz eines Mitteltöners.  
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However, it is and remains the diaphragm resonance of a midrange driver.  
  
Wenn man sich die Schallstuktur eines Musikstücks auf dem Oszilloskop ansieht, kann man erkennen, dass die Musik ganz wesentlich eine Folge von Transienten ist. Das markante an den Transienten ist, dass sie wie Hochhäuser aus dem Klanggemisch hervor ragen. Sie sind die um ein vielfaches lauteren Schallstrukturen, eben genau die Peaks, welche die Verdeckungseffekte in Bezug auf nachfolgende Schallwellen bewirken. Myro macht seit sehr langer Zeit Schallaufnahmen mit dem Oszilloskop und sucht bzw. entwickelt Schallwellenformen, die geeignet sind, bei möglichst eindeutiger Aussagekraft einen Lautsprecher auf dessen Wandlerfähigkeit hin zu überprüfen. Beim Vorschalten verschiedener Filter sieht man bei gleichbleibendem zeitlichen Ursprung z.B. die der Filtersteilheit entsprechende Änderung der zeitlichen Ausdehnung der ersten Halbwelle und die Amplitudenänderungen. Genau genommen kann ein Chassis nur bei exakt einer einzigen Frequenz die erste Halbwelle mit der richtigen Frequenz wiedergeben! Dies ist ganz einfach mit Oszilloskopmessungen nachzuvollziehen.<br />
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If you look at the sound structure of a piece of music on an oscilloscope, you can see that music is essentially a series of transients. The striking thing about transients is that they stick out of the sound mixture like skyscrapers. They are the sound structures that are many times louder, precisely the peaks that cause the masking effects in relation to subsequent sound waves. Myro has been making sound recordings with the oscilloscope for a very long time and has been searching for or developing sound waveforms that are suitable for testing the transducer capability of a loudspeaker while providing the clearest possible information. When switching on different filters, one can see, for example, the change in the temporal expansion of the first half-wave and the amplitude changes corresponding to the filter slope, while the temporal origin remains the same. Strictly speaking, a chassis can only reproduce the first half-wave with the correct frequency at exactly one single frequency! This can be easily verified with oscilloscope measurements.<br />
Oszilloskopmessungen liefern das komplexeste Abbild von Schallereignissen, die Schalldruckschwankungen mit ihrem zeitlichen Verlauf. Sie sind die Basis für mathematisch generierte, komplexitätsreduzierte, theoretische Auswertungsaspekte. Sie sind somit näher an der wirklichen Natur des Schalls als die mathematischen Ableitungen aus ihnen. Mit Oszilloskopemessungen kann man nachweisen und überprüfen, ob Entwicklungen und Einstellungen anhand von mathematisch abgeleiteten Messmodellen in der Komplexität der Wirklichkeit des Schalls funktionieren oder nicht. Es ist kein Zauberwerk, ein einfaches Signal oder eine komplexe Signalstruktur durch eine Übertragungsstrecke zu leiten und sich anzuschauen, was am Ende heraus kommt. Hierbei gibt es ein richtig oder falsch. Richtig könnte man als "neutral" definieren. Bei groben Abweichungen von INPUT = OUTPUT entfällt eigentlich jede weitere Diskussion. Das Problem einer eindeutigen Beurteilung tritt dann auf, wenn die Abweichungen vielschichtig und / oder gering sind. Hier fängt die subjektive Interpretation objektiver Kriterien an. Bei vielen Diskussionen sind wir oft in diesem Bereich.<br />
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Oscilloscope measurements provide the most complex image of sound events, the sound pressure fluctuations with their temporal course. They are the basis for mathematically generated, complexity-reduced, theoretical evaluation aspects. They are thus closer to the real nature of sound than the mathematical derivations from them. Oscilloscope measurements can be used to prove and verify whether or not developments and adjustments work in the complexity of the reality of sound using mathematically derived measurement models. There is no magic in passing a simple signal or complex signal structure through a transmission line and looking at what comes out at the end. In this there is a right or wrong. Right could be defined as "neutral". In the case of gross deviations from INPUT = OUTPUT, there is actually no need for any further discussion. The problem of an unambiguous assessment arises when the deviations are complex and / or small. This is where subjective interpretation of objective criteria begins. In many discussions we are often in this area.<br />
  
Zusammengefasst:<br />
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To summarize:<br />
Die Oszilloskopedarstellungen zeigen uns das Ganze, den Klang. Ein theoretischer Modellaspekt zeigt uns nicht das Ganze, zeigt uns nicht den Klang. Irgendwie definierte (von wem auch immer) Ansprüche an die Erfüllung theoretischer Modellaspekte weisen für die menschliche Vorstellungskraft bezüglich des Klangereignisses keinerlei verwertbaren Bezug auf. Wer kann ernsthaft bei der Betrachtung eines Frequenzgang-, Phasengang-, Klirr K2 K3 K4- und Gruppenlaufzeitdiagramms den darin verborgenen Klangcharakter, das subtile Schwingen eines Instrumentes oder gar den Charakter einer Stimme beschreiben?<br />
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Oscilloscope representations show us the whole, the sound. A theoretical model aspect does not show us the whole, does not show us the sound. Somehow defined (by whomever) claims for the fulfillment of theoretical model aspects have no usable reference whatsoever for the human imagination with regard to the sound event. Who can seriously describe the sound character, the subtle oscillation of an instrument or even the character of a voice hidden in it when looking at a frequency response, phase response, distortion K2 K3 K4 and group delay diagram?<br />
Das Zeit-/Signalverhalten, die Untrennbarkeit von Zeit und Amplitude kennzeichnet allein das Hörbare.
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The time/signal behavior, the inseparability of time and amplitude alone characterizes the audible.
Damit kann letztlich nur dies das Kriterium für die Beurteilung von Lautsprechern sein.
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Thus, in the end, only this can be the criterion for the evaluation of loudspeakers.
  
| [[Datei:Kleiner Erlkönig 02.jpg]]<br />
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''[[File:Kleiner Erlkönig 02.jpg]]<br />
''[[Myro Kleiner Erlkönig]]''
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''[[Myro Small Erlking]]''
 
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| [[Datei:Slimline .jpg]]<br />
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| [[File:Slimline .jpg]]<br />
''[[Myro Slimline]]''
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''[[Myro Slimline]]'''
 
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=== Die Sprungantwort ===
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=== The jump response ===
Eine Sprungantwort erhält man nur als Antwort auf einen Sprung. Nur ein Sprung regt einen Wandler so an wie ein Sprung. Und nur wenn ein Wandler mit einem Sprung angeregt wurde, kann er eine Sprungantwort geben. Sobald man eine Anregung verwendet, die den Wandler in einen eingeschwungenen Zustand versetzt, enthält die daraus ermittelte "rechnerische Sprungantwort" nicht die identische Information. Aus Einschwingvorgängen periodisch wiederkehrende Signale zu machen, führt in die falsche Richtung. Einschwingvorgänge, wie alles in der Musik, wiederholen sich nicht in identischer Form und eingeschwungene Zustände sind in der Musik nur elektronisch erzeugt möglich. Musik ist grundsätzlich eine Folge wechselnder Einschwingvorgänge. Eingeschwungene Zustände kommen nur näherungsweise und eher leise vor.<br />
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You only get a jump response in response to a jump. Only a jump excites a transducer the way a jump does. And only when a transducer has been excited with a step can it give a step response. As soon as one uses an excitation which puts the transducer into a transient state, the "calculated step response" determined from this does not contain the identical information. Turning transients into periodically recurring signals leads in the wrong direction. Transients, like everything else in music, do not repeat in identical form and transient states in music can only be generated electronically. Music is basically a sequence of changing transients. Transient states occur only approximately and rather quietly.<br />
Die Sprungantwort ist die direkte Analyse der Wellenform im Zeitbereich. Sie ist ein Messsignal mit einem nicht unbedeutendem Unterschied zum Impuls: Die Sprungantwort unterscheidet sich messtechnisch von der Impulsantwort durch ihren Energiegehalt und liefert im Verhältnis zum Impuls jene Energie, die notwendig ist, um das gesamte System vollständig anzuregen. Durch die Ableitungen von Sprungantworten oder Impulsantworten werden hingegen nur Teilaspekte berechnet. Die Information über die vollständige ursprüngliche Signalform ist dann nicht mehr zu sehen. Interpretationen können sich aber immer nur auf die in der Ableitung enthaltenen Parameter (unter den Annahmen, Ausschlüsse und Bedingungen des Messmodells und des angewendeten mathematischen Modells) beziehen. Messungen und deren mathematische Ableitungen, die aus Signalformen resultieren, die die Lautsprecherchassis während des Messvorganges im schwingenden Zustand halten, sind für die Beurteilung der Einschwingvorgänge und somit des Gesamtverhaltens nicht geeignet. Lautsprecher sind komplexe Wandler, elektro-mechanisch-thermisch-akustisch, und lassen sich nicht mit einem elektrischen Ersatzschaltbild vollständig beschreiben. Es gibt eine ganze Reihe von Faktoren, die eine richtige Sprungantwort, die richtige Wandlung, ausschließen. Alle sind einzeln Ausschlusskriterien!<br />
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The step response is the direct analysis of the waveform in the time domain. It is a measurement signal with a not insignificant difference to the impulse: The step response differs metrologically from the impulse response by its energy content and supplies in relation to the impulse that energy which is necessary to excite the entire system completely. By contrast, only partial aspects are calculated by the derivatives of step responses or impulse responses. The information about the complete original signal form can then no longer be seen. Interpretations, however, can always refer only to the parameters contained in the derivation (under the assumptions, exclusions and conditions of the measurement model and the applied mathematical model). Measurements and their mathematical derivations that result from waveforms that keep the loudspeaker drivers in an oscillating state during the measurement process are not suitable for assessing transient response and thus overall behavior. Loudspeakers are complex transducers, electro-mechanical-thermal-acoustic, and cannot be fully described by an electrical equivalent circuit. There are a whole host of factors that preclude proper step response, proper transduction. All of them are individually exclusion criteria!<br />
Die Sprungantwort korreliert mit allen anderen Oszilloskopmessungen. Ein Lautsprecher mit deformierter Sprungantwort deformiert auch andere Signalformen entsprechend. Mit den oszilloskopgestützten Messverfahren gibt es die derzeit eindeutigsten Bildgebungsverfahren, die das "richtige Wandeln" von Schallstrukturen aufzeigen und beweisen können. Somit fallen alle Lautsprecher heraus, die keine saubere Sprungantwort zeigen.<br />
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Step response correlates with all other oscilloscope measurements. A speaker with a deformed step response will also deform other waveforms accordingly. With the oscilloscope-based measurement methods, there are currently the clearest imaging methods that can show and prove the "correct transformation" of sound structures. Thus all loudspeakers that do not show a clean step response are eliminated.<br />
Die richtige Wahl der Messbedingungen ist dafür von großer Bedeutung. Eine per Sprungsignal erzeugte Sprungantwort gilt eigentlich nur als Einzelereignis zum momentanen Messzeitpunkt, denn das Ergebnis kann vom Zeitpunkt der Messung, von der Sprunghöhe, vom Wärmezustand des Chassis und weiteren Faktoren variieren. Das gilt auch für andere Messverfahren (wie Rechteck, MLS, Chirp, Halbsinus ...) Man erhält also eigentlich nur die Sprungantwort für genau den eingestellten Betriebsfall.  
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The correct choice of measurement conditions is of great importance. A step response generated by a step signal is actually only valid as a single event at the moment of measurement, because the result can vary depending on the time of measurement, the step height, the thermal condition of the chassis and other factors. This also applies to other measuring methods (like square wave, MLS, chirp, half sine ...) So you actually only get the step response for exactly the set operating case.  
Man sollte daher Messungen bei verschiedenen Pegeln durchführen (vom Kleinstsignal, um z.B. Hystereseeffekte durch Reibung zu sehen - bis zur Vollaussteuerung), denn man braucht zur vollständigen Erfassung des Verhaltens diverse Messungen auf verschiedenen Arbeitspunkten, um bestimmte lineare und nicht-lineare Verzerrungen zu erkennen.<br />
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You should therefore perform measurements at different levels (from the smallest signal to see e.g. hysteresis effects due to friction - up to full scale), because you need various measurements at different operating points to fully capture the behavior, in order to detect certain linear and non-linear distortions.<br />
Zudem sollte man den Messverstärker sorgfältig aussuchen und prüfen. Eine sehr große Zahl von Verstärkern ist nicht in der Lage, tieffrequente Rechtecksignale oder gar einen reinen DC-Sprung zu liefern. Auch eine saubere Anstiegsflanke stellt für Verstärker in der Regel ein Problem dar.
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In addition, one should carefully select and test the measurement amplifier. A very large number of amplifiers are not capable of delivering low-frequency square-wave signals or even a pure DC step. Also a clean rising edge is usually a problem for amplifiers.
  
 
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==== Kann die Fourier-Transformation (FFT) die Oszilloskopmessung ersetzen? ====
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==== Can the Fourier transform (FFT) replace oscilloscope measurements? ====
Es wird oft argumentiert, dass man die direkte Messung der Sprungantwort auch durch die mathematische Simulation mittels Fourier-Transformation ersetzen könne. Auf der einen Seite haben wir bei der Sprungmessung den realen Stimulus "Spannungssprung" von Null zur vorgegebenen Gleichspannung. Dieser Stimulus - und nur dieser Stimulus - regt die Chassis an. Auf der anderen Seite haben wir das Modell "Fourieranalyse", eine theoretische Methode, mit der unter bestimmten Modellannahmen ermittelt wird, aus welchen Schallwellen man den realen Stimulus bilden könnte, wenn man sie in Betrag und Zeit kumulieren würde. Das Ergebnis der Fourieranalyse ist ein theoretisches Konstrukt, kein realer Stimulus, regt daher auch kein Chassis an.
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It is often argued that direct measurement of the step response can be replaced by mathematical simulation using the Fourier transform. On the one hand, in the step measurement we have the real stimulus "voltage step" from zero to the given DC voltage. This stimulus - and only this stimulus - excites the chassis. On the other side we have the model "Fourier analysis", a theoretical method to determine, under certain model assumptions, from which sound waves the real stimulus could be formed if they were cumulated in magnitude and time. The result of the Fourier analysis is a theoretical construct, not a real stimulus, therefore it does not excite a chassis.
  
Wenn man aus der Sprungantwort durch Differenzieren die Pulsantwort berechnet (andersherum ist die Sprungantwort das Integral der Pulsantwort über die Zeit), dann kann man auch die Pulsantwort mit einem Sprung oder einem Rechtecksignal falten. Insofern lassen sich bei einem LTI-System aus der Pulsantwort die Ergebnisse berechnen, egal ob es nun ein Sprung, ein Rechtecksignal, ein Halbsinus, ein Cosinusburst usw. sind, mit dem der Puls gefaltet wird. Das ist eindeutig, aber beschränkt gültig auf lineare und zeitinvariante Systeme.   
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If one calculates the impulse response from the step response by differentiation (the other way round, the step response is the integral of the impulse response over time), then one can also convolve the impulse response with a step or a square wave signal. In this respect, for an LTI system, the results can be calculated from the impulse response, whether it is a step, a square wave, a half sine, a cosine burst, etc. that is used to convolve the impulse. This is clearly, but limited valid to ''linear and time invariant'' systems.   
  
'''Die Grenzen der Theorie'''<br />
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'''The limits of the theory'''<br />
An dieser Stelle müssen wir bereits die erste Einschränkung vornehmen. Zwar ist ein Lautsprecher zeitinvariant, sonst könnte man keine Filter setzen. Aber linear ist er bei genauer Betrachtung nicht. Wir haben das Problem der Nichtlinearitäten im Antrieb und im gesamten Bewegungsablauf und zusätzlich das des Hublimits und der thermischen Kompression. Nahezu jedes Teil eines Chassis ist nichtlinear. Die Aufhängungen haben eine Nachgiebigkeit, die einer gewissen Funktion entspricht, zumindest theoretisch. Sie haben aber auch ein Resonanzverhalten. Sie erzeugen Eigenschwingungen, die sich als Körperschall im Material, in damit verbundene Materialien und in der Umgebung in Form von Schallwellen ausbreiten, die reflektiert werden usw. Die Wechselwirkung mit den anderen Bestandteilen des Chassis sind vielfältig, komplex, chaotisch! Auch die Membran und das Gehäuse fügen Nichtlinearitäten hinzu.  
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At this point we already have to make the first restriction. It is true that a loudspeaker is time-invariant, otherwise one could not set filters. But linear it is not on close inspection. We have the problem of non-linearities in the drive and in the whole movement process and additionally that of the stroke limit and the thermal compression. Almost every part of a chassis is nonlinear. The suspensions have compliance that corresponds to some function, at least in theory. But they also have resonant behavior. They generate natural vibrations that propagate as structure-borne sound in the material, in materials connected to it, and in the environment in the form of sound waves that are reflected, and so on. The interaction with the other components of the chassis are manifold, complex, chaotic! The diaphragm and enclosure also add nonlinearities.  
Hier kann die Annahme eines linearen Systems höchstens näherungsweise erfolgen und dies führt zu Abweichungen der Simulation von einer realen Messung mit echter Sprunganregung.
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Here the assumption of a linear system can be approximate at best and this leads to deviations of the simulation from a real measurement with real bounce excitation.
  
'''Möglichkeiten und Grenzen der Fourier-Transformation'''<br />
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'''Possibilities and limitations of the Fourier transform'''<br />
Die Fouriertransformation selbst ist im Prinzip ein Rechenvorgang, der die Pulsantwort mit theoretisch ''unendlich langen'' (praktisch geht es auch kürzer) Sinusfrequenzen faltet. Daraus ergeben sich für jede Frequenz ''eingeschwungene'' Zustände mit einer jeweiligen Amplitude und Phasenlage. Und daraus lassen sich Frequenz- und Phasengang zeichnen. Mit den Methoden einer Fast Fouriertransformation muss man nicht mehr mühsam die Testsignale erzeugen und messen, es geht mathematisch unkomplizierter.<br />
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The Fourier transform itself is basically a computational process that convolves the pulse response with theoretically ''infinitely long'' (in practice it works shorter) sinusoidal frequencies. This results in ''steady-state'' states for each frequency with a respective amplitude and phase. And from this, frequency- and phase-response can be drawn. With the methods of a Fast Fourier Transformation, one no longer has to laboriously generate and measure the test signals, it is mathematically more straightforward.<br />
Damit ist auch klar, dass die FFT ''keine'' Aussagen über Einschwingzustände zulässt. Sie ist nur ein Hilfsmittel, mehr nicht, eine weitere Art der Darstellungsmöglichkeit bei der Systemanalyse. Nun ist Musik kein eingeschwungener Zustand. Eine FFT ist hier das falsche Analysewerkzeug, weil die Prämisse der "Periodizität" nicht erfüllt ist und nicht erfüllt werden kann, da man eine einmalige Zustandsänderung, den Einschwingvorgang, betrachten möchte. Insofern macht die FFT nur Sinn, wenn man ein Spektrum bezüglich der Transienten im Frequenzgang (quasi mit Hüllkurve) betrachten will. Man erkennt also mit der FFT nur einen Teilausschnitt von dem, was man wirklich hört. <br />
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With this it is also clear that the FFT ''does not'' allow statements about transient states. It is only a tool, nothing more, another way of displaying the system analysis. Now music is not a steady state. An FFT is the wrong analysis tool here, because the premise of 'periodicity' is not and cannot be fulfilled, since one wants to look at a one-time change of state, the transient. In this respect, the FFT only makes sense if you want to look at a spectrum with respect to the transients in the frequency response (with envelope, so to speak). So with the FFT you can only recognize a partial section of what you really hear. <br />
  
Der Stimulus kennt nur einen (bzw. beim Rechteck zwei) Spannungswechsel, nämlich den Spannungssprung am Anfang und den Spannungsabfall am Ende. Dazwischen liegt Gleichspannung! Der Gleichspannungszustand ist aber kein Stimulus für einen elektrodynamischen Wandler, nur der Spannungswechsel kann dies sein.<br />
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The stimulus only knows one (or in the case of a rectangle two) voltage changes, namely the voltage jump at the beginning and the voltage drop at the end. In between there is DC voltage! However, the DC voltage state is not a stimulus for an electrodynamic transducer, only the voltage change can be.<br />
Nur weil eine Fourieranalyse ein bestimmtes Ergebnis in Form von Wellen (Wechselspannung) ausgibt, bedeutet das nicht, dass die Gleichspannung zu einer Wechselspannung wird. Hier wird aus zwei völlig unterschiedlichen getrennten Modell-Ebenen ein unzulässiger Umkehrschluss gebildet. ''Theoretisch'' kann der Stimulus aus einem Konglomerat von bestimmten Wechselspannungen / Frequenzen gebildet werden. Der reale Stimulus wird dadurch aber nicht zu einer Wechselspannung (Ein/Aus ausgenommen). Die reale Messung in dem folgenden Beispiel ist der Beweis. Es gibt keinen Unterschied in der Schallantwort der Chassis, wenn man mit Sprung oder 30 Hz-Rechteck misst.
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Just because a Fourier analysis outputs a certain result in the form of waves (alternating voltage) does not mean that the DC voltage becomes an AC voltage. Here, an invalid inverse is formed from two completely different separate model levels. ''Theoretically'' the stimulus can be formed from a conglomerate of certain AC voltages / frequencies. However, this does not make the real stimulus an AC voltage (on/off excluded). The real measurement in the following example is the proof. There is no difference in the sound response of the drivers when measured with step or 30 Hz rectangle.
| [[Datei:RSD-1 70.jpg]]<br />
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''[[File:RSD-1 70.jpg]]<br />
 
''[[Myro Amur RSD]]''
 
''[[Myro Amur RSD]]''
 
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| [[Datei:Vergleich Step zu Rechteck (30 Hz).jpg]]
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| [[File:Vergleich Step zu Rechteck (30 Hz).jpg]]
 
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''Beispiel:<br />
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''Example:<br />
''Der Vergleich von Sprungantworten mit Original DC-Sprung-Messung und mit mathematischer Ableitung aus Messsignalen, die den Lautsprecher im quasi-eingeschwungenen Verhalten messen.<br />
+
''Comparing step responses with original DC step measurement and with mathematical derivation from measurement signals measuring the loudspeaker in quasi-square response.<br />
  
''Im folgenden Diagramm sehen wir den Vergleich zwischen einer Step-Messung (Blau) und einer Rechteckmessung (Schwarz / Frequenz = 30 Hz). Beide Signale regen den Lautsprecher gleichermaßen sprunghaft an. Wir sehen deutlich den Unterschied zwischen einer Sprungantwort aus der Nullstellung heraus gegenüber der aus dem schwingenden Verhalten. Bei der ersten Sprunganregung starten die Chassis mit einer Anfangsgeschwindigkeit v = 0. Bei der zweiten, invertierten Sprunganregung starten die Chassis von der Vornestellung (+DC mit der Anfangsgeschwindigkeit v = 0) hin zur Nulllinie und darüber hinaus zur rückwärtigen Stellung (-DC) und erreichen im Bereich der Nulllinie die maximale Geschwindigkeit der Membranbewegung. Die Startgeschwindigkeiten der beiden Sprungantworten sind demzufolge:
+
''In the following diagram we see the comparison between a step measurement (blue) and a square wave measurement (black / frequency = 30 Hz). Both signals excite the loudspeaker equally jumpy. We can clearly see the difference between a step response from the zero position compared to the one from the oscillating behaviour. In the first step response excitation the drivers start with an initial velocity v = 0. In the second, inverted step response excitation the drivers start from the forward position (+DC with initial velocity v = 0) towards the zero position and beyond to the backward position (-DC) and reach the maximum velocity of the diaphragm movement in the area of the zero position. Consequently, the initial velocities of the two step responses are:
*''Bei der ersten Sprungantwort v = 0
+
*''For the first step response v = 0.
* ''Bei der zweiten Sprungantwort v = max.
+
* ''At the second step response v = max.
  
''Und genau darin ist der Unterschied zu verstehen zwischen Sprungantwortmessungen mit einem echten Oszilloskopsprung und der Ableitung aus einem Messsignal, bei dem der Lautsprecher aus dem schwingenden Zustand heraus gemessen wird.'' <br />
+
''And therein is precisely the difference to be understood between step response measurements with a real oscilloscope step and the derivation from a measurement signal where the loudspeaker is measured from the oscillating state.'' <br />
  
''Die zweite Sprungantwort des Lautsprechers bei der Rechteckmessung kurz vor 24 ms zeigt uns, im Unterschied zur ersten Sprungantwort am Anfang, folgendes:
+
''The second step response of the loudspeaker in the square wave measurement just before 24 ms shows us, in contrast to the first step response at the beginning, the following:
  
''1. Eine deutlich höhere Amplitude, die jedoch nicht daraus resultiert, dass die invertierte Ansteuerung des Lautsprechers grundsätzlich anders aussieht. <br />
+
''1. A significantly higher amplitude, but this does not result from the fact that the inverted drive of the loudspeaker is fundamentally different. <br />
  
''2. Eine deutliche Zunahme der Amplitude der Anstiegsflanke, der höheren Frequenzen und eine relativ geringe bei tieferen Frequenzen.
+
''2. a clear increase in the amplitude of the rising edge, the higher frequencies and a relatively small one at lower frequencies.
 
<br />
 
<br />
 
<br />
 
<br />
  
*Blau: Anregung mit Sprungfunktion<br />
+
*Blue: Excitation with step function<br />
*Schwarz: Anregung mit Rechteck f = 30 Hz  
+
*Black: excitation with square wave f = 30 Hz  
  
Da es in dem für die Darstellung und Bewertung der Sprungantwort passenden Zeitfenster (ca. 2 - 5 ms) und darüber hinaus keinen Unterschied macht, sind Messungen mit tieffrequenten Rechtecken in Ordnung.  
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Since it makes no difference in the time window suitable for displaying and evaluating the step response (approx. 2 - 5 ms) and beyond, measurements with low-frequency rectangles are fine.  
 
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Latest revision as of 12:59, 31 October 2020

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The oscilloscope measurement[edit]

The best possible time / signal response is the sole criterion for correct reproduction. The inseparability of time and amplitude alone characterizes the audible. Thus, in the end, only this can be the criterion for the evaluation of loudspeakers. The visualization of the sound waves is done by the oscilloscope.

An example:
We record the attack of a tom or a piano string with a microphone. The microphone converts the acoustic sound wave structure into an electrical oscillation structure. This electrical vibration structure is to be converted back into the equivalent sound wave structure by our electroacoustic transducers (loudspeakers). The only thing that matters is that the electrical input structure is identical to the acoustic wave structure generated by the transducer.
This can be objectively verified by comparing the waveforms using an oscilloscope. If the waveforms match, then all theoretical model aspects, such as frequency response, phase response and distortion are also correct. And also the pitches will be reproduced correctly. In the case of the loudspeaker, it is only important to generate the correct sound amplitude (including the correct polarity) at every point in time during the course of the event. Then, only then, can we hear the recorded original, the strike of the tom or the piano string, true to the original, because it is precisely this sound pressure curve that affects our hearing organ. If there are deviations, which is, however, the reality with the current state of loudspeaker technology, then the theoretical model aspects can help us to determine the reasons for this.

Measurement diagrams are there to give the knowledgeable expert clues to transmission characteristics and serve as a tool for finding faults and their causes. They do not include instructions on how to avoid errors and how to reconstruct the original signal. Only oscilloscope representations show the complex oscillation structure, the sound pressure fluctuations, which also excite our hearing organ. Nevertheless, a phenomenon is usually found in each partial view or in a specific way in each measurement. Example. We see the diaphragm resonance of a midrange driver:

  • in the frequency response diagram as a level rise
  • in the acoustic phase measurement as a phase rotation
  • in the group delay diagram also as a fluctuation on the time plane
  • in the electrical phase measurement also as a phase fluctuation

in the waterfall diagram in the decay also as ripple

  • in the impulse response as a post oscillator

in the sinusoidal measurement as deformation

  • in the spung response as a peak with subsequent dip and subsequent ringing, etc., etc.

However, it is and remains the diaphragm resonance of a midrange driver.

If you look at the sound structure of a piece of music on an oscilloscope, you can see that music is essentially a series of transients. The striking thing about transients is that they stick out of the sound mixture like skyscrapers. They are the sound structures that are many times louder, precisely the peaks that cause the masking effects in relation to subsequent sound waves. Myro has been making sound recordings with the oscilloscope for a very long time and has been searching for or developing sound waveforms that are suitable for testing the transducer capability of a loudspeaker while providing the clearest possible information. When switching on different filters, one can see, for example, the change in the temporal expansion of the first half-wave and the amplitude changes corresponding to the filter slope, while the temporal origin remains the same. Strictly speaking, a chassis can only reproduce the first half-wave with the correct frequency at exactly one single frequency! This can be easily verified with oscilloscope measurements.
Oscilloscope measurements provide the most complex image of sound events, the sound pressure fluctuations with their temporal course. They are the basis for mathematically generated, complexity-reduced, theoretical evaluation aspects. They are thus closer to the real nature of sound than the mathematical derivations from them. Oscilloscope measurements can be used to prove and verify whether or not developments and adjustments work in the complexity of the reality of sound using mathematically derived measurement models. There is no magic in passing a simple signal or complex signal structure through a transmission line and looking at what comes out at the end. In this there is a right or wrong. Right could be defined as "neutral". In the case of gross deviations from INPUT = OUTPUT, there is actually no need for any further discussion. The problem of an unambiguous assessment arises when the deviations are complex and / or small. This is where subjective interpretation of objective criteria begins. In many discussions we are often in this area.

To summarize:
Oscilloscope representations show us the whole, the sound. A theoretical model aspect does not show us the whole, does not show us the sound. Somehow defined (by whomever) claims for the fulfillment of theoretical model aspects have no usable reference whatsoever for the human imagination with regard to the sound event. Who can seriously describe the sound character, the subtle oscillation of an instrument or even the character of a voice hidden in it when looking at a frequency response, phase response, distortion K2 K3 K4 and group delay diagram?
The time/signal behavior, the inseparability of time and amplitude alone characterizes the audible. Thus, in the end, only this can be the criterion for the evaluation of loudspeakers.

Kleiner Erlkönig 02.jpg
Myro Small Erlking

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Myro Slimline'

The jump response[edit]

You only get a jump response in response to a jump. Only a jump excites a transducer the way a jump does. And only when a transducer has been excited with a step can it give a step response. As soon as one uses an excitation which puts the transducer into a transient state, the "calculated step response" determined from this does not contain the identical information. Turning transients into periodically recurring signals leads in the wrong direction. Transients, like everything else in music, do not repeat in identical form and transient states in music can only be generated electronically. Music is basically a sequence of changing transients. Transient states occur only approximately and rather quietly.
The step response is the direct analysis of the waveform in the time domain. It is a measurement signal with a not insignificant difference to the impulse: The step response differs metrologically from the impulse response by its energy content and supplies in relation to the impulse that energy which is necessary to excite the entire system completely. By contrast, only partial aspects are calculated by the derivatives of step responses or impulse responses. The information about the complete original signal form can then no longer be seen. Interpretations, however, can always refer only to the parameters contained in the derivation (under the assumptions, exclusions and conditions of the measurement model and the applied mathematical model). Measurements and their mathematical derivations that result from waveforms that keep the loudspeaker drivers in an oscillating state during the measurement process are not suitable for assessing transient response and thus overall behavior. Loudspeakers are complex transducers, electro-mechanical-thermal-acoustic, and cannot be fully described by an electrical equivalent circuit. There are a whole host of factors that preclude proper step response, proper transduction. All of them are individually exclusion criteria!
Step response correlates with all other oscilloscope measurements. A speaker with a deformed step response will also deform other waveforms accordingly. With the oscilloscope-based measurement methods, there are currently the clearest imaging methods that can show and prove the "correct transformation" of sound structures. Thus all loudspeakers that do not show a clean step response are eliminated.
The correct choice of measurement conditions is of great importance. A step response generated by a step signal is actually only valid as a single event at the moment of measurement, because the result can vary depending on the time of measurement, the step height, the thermal condition of the chassis and other factors. This also applies to other measuring methods (like square wave, MLS, chirp, half sine ...) So you actually only get the step response for exactly the set operating case. You should therefore perform measurements at different levels (from the smallest signal to see e.g. hysteresis effects due to friction - up to full scale), because you need various measurements at different operating points to fully capture the behavior, in order to detect certain linear and non-linear distortions.
In addition, one should carefully select and test the measurement amplifier. A very large number of amplifiers are not capable of delivering low-frequency square-wave signals or even a pure DC step. Also a clean rising edge is usually a problem for amplifiers.

Can the Fourier transform (FFT) replace oscilloscope measurements?[edit]

It is often argued that direct measurement of the step response can be replaced by mathematical simulation using the Fourier transform. On the one hand, in the step measurement we have the real stimulus "voltage step" from zero to the given DC voltage. This stimulus - and only this stimulus - excites the chassis. On the other side we have the model "Fourier analysis", a theoretical method to determine, under certain model assumptions, from which sound waves the real stimulus could be formed if they were cumulated in magnitude and time. The result of the Fourier analysis is a theoretical construct, not a real stimulus, therefore it does not excite a chassis.

If one calculates the impulse response from the step response by differentiation (the other way round, the step response is the integral of the impulse response over time), then one can also convolve the impulse response with a step or a square wave signal. In this respect, for an LTI system, the results can be calculated from the impulse response, whether it is a step, a square wave, a half sine, a cosine burst, etc. that is used to convolve the impulse. This is clearly, but limited valid to linear and time invariant systems.

The limits of the theory
At this point we already have to make the first restriction. It is true that a loudspeaker is time-invariant, otherwise one could not set filters. But linear it is not on close inspection. We have the problem of non-linearities in the drive and in the whole movement process and additionally that of the stroke limit and the thermal compression. Almost every part of a chassis is nonlinear. The suspensions have compliance that corresponds to some function, at least in theory. But they also have resonant behavior. They generate natural vibrations that propagate as structure-borne sound in the material, in materials connected to it, and in the environment in the form of sound waves that are reflected, and so on. The interaction with the other components of the chassis are manifold, complex, chaotic! The diaphragm and enclosure also add nonlinearities. Here the assumption of a linear system can be approximate at best and this leads to deviations of the simulation from a real measurement with real bounce excitation.

Possibilities and limitations of the Fourier transform
The Fourier transform itself is basically a computational process that convolves the pulse response with theoretically infinitely long (in practice it works shorter) sinusoidal frequencies. This results in steady-state states for each frequency with a respective amplitude and phase. And from this, frequency- and phase-response can be drawn. With the methods of a Fast Fourier Transformation, one no longer has to laboriously generate and measure the test signals, it is mathematically more straightforward.
With this it is also clear that the FFT does not allow statements about transient states. It is only a tool, nothing more, another way of displaying the system analysis. Now music is not a steady state. An FFT is the wrong analysis tool here, because the premise of 'periodicity' is not and cannot be fulfilled, since one wants to look at a one-time change of state, the transient. In this respect, the FFT only makes sense if you want to look at a spectrum with respect to the transients in the frequency response (with envelope, so to speak). So with the FFT you can only recognize a partial section of what you really hear.

The stimulus only knows one (or in the case of a rectangle two) voltage changes, namely the voltage jump at the beginning and the voltage drop at the end. In between there is DC voltage! However, the DC voltage state is not a stimulus for an electrodynamic transducer, only the voltage change can be.
Just because a Fourier analysis outputs a certain result in the form of waves (alternating voltage) does not mean that the DC voltage becomes an AC voltage. Here, an invalid inverse is formed from two completely different separate model levels. Theoretically the stimulus can be formed from a conglomerate of certain AC voltages / frequencies. However, this does not make the real stimulus an AC voltage (on/off excluded). The real measurement in the following example is the proof. There is no difference in the sound response of the drivers when measured with step or 30 Hz rectangle. RSD-1 70.jpg
Myro Amur RSD

Vergleich Step zu Rechteck (30 Hz).jpg

Example:
Comparing step responses with original DC step measurement and with mathematical derivation from measurement signals measuring the loudspeaker in quasi-square response.

In the following diagram we see the comparison between a step measurement (blue) and a square wave measurement (black / frequency = 30 Hz). Both signals excite the loudspeaker equally jumpy. We can clearly see the difference between a step response from the zero position compared to the one from the oscillating behaviour. In the first step response excitation the drivers start with an initial velocity v = 0. In the second, inverted step response excitation the drivers start from the forward position (+DC with initial velocity v = 0) towards the zero position and beyond to the backward position (-DC) and reach the maximum velocity of the diaphragm movement in the area of the zero position. Consequently, the initial velocities of the two step responses are:

  • For the first step response v = 0.
  • At the second step response v = max.

And therein is precisely the difference to be understood between step response measurements with a real oscilloscope step and the derivation from a measurement signal where the loudspeaker is measured from the oscillating state.

The second step response of the loudspeaker in the square wave measurement just before 24 ms shows us, in contrast to the first step response at the beginning, the following:

1. A significantly higher amplitude, but this does not result from the fact that the inverted drive of the loudspeaker is fundamentally different.

2. a clear increase in the amplitude of the rising edge, the higher frequencies and a relatively small one at lower frequencies.

  • Blue: Excitation with step function
  • Black: excitation with square wave f = 30 Hz

Since it makes no difference in the time window suitable for displaying and evaluating the step response (approx. 2 - 5 ms) and beyond, measurements with low-frequency rectangles are fine.


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