Watt?

Dieser Artikel soll dazu dienen, Klarheit in die Welt der Leistungsangaben bei Verstärkern und self-powered Lautsprechersystemen zu bringen.

Immer mehr Hersteller folgen dem, 1995 von Meyer Sound inizierten Trend self-powered Lautsprecher anzubieten. Das Thema Leistungsangaben für Verstärker sorgt allerdings sehr für Konfusion, ja sogar zu Desinformation der Kunden. Um dem Anwender eine Vorstellung zu geben, wie es um das Leistungsvermögen seiner self-powered Lautsprecher denn nun wirklich bestellt ist, muss diese Thematik einmal geklärt werden. Dieser Artikel soll klare und fundierte Informationen in die Diskussion einbringen, so dass der Anwender ein besseres Verständnis für Verstärker bekommt und somit Produktangaben besser bewerten kann. Der wahrscheinlich gebräuchlichste Begriff, Verstärkerleistung auszudrücken, und der einer näheren Betrachtung bedarf, ist „peak Watt“.

In der Industrie ist es eine allgemein akzeptierte Methode, eine Leistungsangabe für einen Verstärker zu ermitteln, indem man am den Ausgang des Verstärkers eine bekannte Last anschließt, eine gleichmäßige Sinusschwingung auf den Eingang gibt und das Verhalten des Verstärkerausgangs messtechnisch überwacht. Dies ist wichtig zu wissen, wenn wir den Begriff und die Messung von „Leistung“ näher betrachten.

Die einfachste Definition der elektrischen Leistung bei Gleichstrom lautet: P = U * I, wobei P für die Leistung (in Watt), U für die Spannung (in Volt) und I für den Strom (in Ampere) steht. Diese Definition ist für Audioanwendungen jedoch nur von minimaler Bedeutung, da wir es hier weder mit Gleichstrom, noch mit ohmschen Lasten zu tun haben.

Sinuswellen sind die Bausteine, aus denen Audiosignale bestehen, weswegen wir diese als ein geeignetes Eingangssignal für die Messungen von Audiosystemen verwenden. Für eine sinusförmige Spannungsquelle wird die abgegebene Leistung als Effektivleistung („average power“) definiert. RMS (root mean square) ist eine Methode, Strom und Spannung zu berechnen, um daraus die Effektivleistung zu ermitteln. Wenn wir uns eine Sinusspannung z.B. am Ausgang eines Verstärkers ansehen, dann ist die effektive Spannung (=RMS Spannung) gleich dem Spitzenwert der Spannung geteilt durch ¯2 . Gleiches gilt für den Strom. Hier ist der Effektivwert des Stroms gleich dem Spitzenwert geteilt durch ¯2.

Wenn wir diese beiden Werte miteinander multiplizieren, erhalten wir:

(Upeak / ¯2) * (Ipeak / ¯2) = (Upeak * Ipeak) / 2

Diese ist der Effektivwert der Leistung (average power) einer Sinusschwingung

Wenn für einen Verstärker eine Leistungsangabe in „Watt RMS“ gegeben wird, so ist dies eine Kurzform der Aussage: „effektive Leistung in Watt, ermittelt mit Hilfe der RMS Methode“. Benutzt man irgend ein anderes Signal, als eine reine Sinuswelle braucht man ein Messgerät, welches die tatsächliche effektive Spannung messen kann, um so die tatsächliche effektive Leistung ermitteln zu können.

Und genau hier ist eine Schlüsselstelle, die der Klärung bedarf. Ein elektrisches Signal hat eine Wellenform, welche die Spannungsveränderung darstellt, eine Wellenform, die den Stromfluß darstellt, und eine Wellenform der abgegebenen Leistung. Die abgegebene Leistung ist dann einfach zu berechnen, wenn wir vereinfacht annehmen, dass wir es mit einer reinen ohmschen Last zu tun haben, bei der Strom und Spannung exakt in gleicher Phase sind. Komplexe Lasten erzeugen jedoch eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom, was jedoch an dieser Stelle nicht weiter betrachtet werden soll, da dies sonst den Umfang dieses Artikels sprengen würde. Wenn wir also von der „RMS Methode“ zur Ermittlung der effektiven Leistung sprechen, dann meinen wir damit, dass wir den RMS Wert (=Effektivwert) der Spannung ermitteln und daraus den Effektivwert der Leistung errechnen. Die tatsächliche effektive Leistung wird oftmals als „RMS power“ oder „Watt RMS“ angegeben, was zu Verwirrungen führen kann.

Dies wird dann problematisch, wenn der Begriff so interpretiert wird, als würde das bedeuten, dass der RMS Wert der Leistung selbst berechnet werden soll, anstatt dass die gemessene RMS Spannung zur Berechnung der effektiven Leistung herangezogen wird. Ein solcher berechneter, theoretischer Wert würde eine viel höhere Leistungsangabe ergeben und hätte für das Leistungsvermögen eines Verstärkers im tatsächlichen Gebrauch keine Aussagekraft.

Nachdem wir nun den Begriff der RMS Leistungsangabe besprochen haben, wie sieht es denn nun mit der Spitzenleistung aus? Spitzenleistung ist ein Sonderfall, für den gilt:

Ppeak = Upeak * Ipeak

Für eine Sinuswelle ist dieser Wert immer das doppelte des Effektivwertes. Ein großes Problem bei der Angabe dieses Wertes ist, dass die meisten Verstärker diese Spitzenleistung nur für wenige Millisekunden zur Verfügung stellen können.

Die Standartmethode, einen Verstärker zu testen, um festzustellen, ob dessen Netzteil genug Leistung bereitstellt, dass dieser seine Spitzenleistung erreicht, ist, an alle Ausgänge Lastwiderstände anzuschließen, eine Rechteckwelle auf die Eingänge zu geben und zu messen, welcher Spitzenwert am Ausgang tatsächlich anliegt. Bei nahezu allen Verstärkern wird die Versorgungsspannung unter diesen Bedingungen deutlich einbrechen.

Nun ist es in der Regel für die Widergabe von Musik nicht zwingend erforderlich, einen Verstärker zu haben, der in der Lage ist eine Spitzenleistung zu erzeugen, die zweimal so hoch ist wie seine Effektivleistung, aber manchmal kommen in der Musik sehr kurze Wellenformen vor, die einer Rechteckwelle sehr ähnlich sind. Wie lange also sollte ein Verstärker in der Lage sein, eine Rechteckwelle oder eine Sinuswelle mit voller Amplitude widerzugeben?

Vor kurzem wurde bei Meyer Sound ein in der Branche bestens bekannter Subwoofer (2x 18“) mitsamt dazugehöriger Endstufe gemessen. Die Versorgungsspannung betrug im Leerlauf 160 Volt, woraus man eine Leistung an 4 Ohm berechnen könnte:


P = E2 / R = 1602 / 4 = 6400 Watt (pro Kanal)

Daraus könnte man annehmen, dass dieser Verstärker über 12.000 Watt an Spitzenleistung abgibt. Dies ist eine sehr eindrucksvolle Zahl, um damit Werbung zu betreiben, aber hat diese Zahl irgendeine Bedeutung? Die Ingenieure von Meyer Sound betrieben diesen Verstärker mit einem einzelnen aufgenommenen Trommelschlag mit einer Länge von 40 Millisekunden. Die Versorgungsspannung im Verstärker brach dabei von 160 Volt auf ca. 80 Volt ein. Dieser Verlust von ca. der Hälfte der Spannung macht sich als Kompression des Audiosignals bemerkbar. Die im Subwoofer verbauten Lautsprecher waren sehr unlinear und produzierten daher ein hohes Maß an harmonischen Verzerrungen.

Diese Kombination aus Kompression durch zusammenbrechende Versorgungsspannung und nichtlinearen Lautsprechern sorgen für den typischen Sound, für den diese Box bekannt ist, und verhindert aber andererseits, dass manche Signale naturgetreu wiedergegeben werden können. Hieraus ergibt sich eine Beschränkung für den Anwender, da dieser Lautsprecher nur dann gut klingen kann, wenn das wiedergegebene Material dem Klangcharacter dieses Lautsprechers entgegen kommt, wie z.B. eine stark bedämpfte Kickdrum.

Bei der heutigen Technologie sollte es nicht mehr notwendig sein, die Qualität eines Produktes zu beschränken, um so zum gewünschten Sound zu gelangen. Die beste Art, irgend einen bestimmten Sound zu erzeugen, kann doch nur sein, nicht den Lautsprecher als kreativen Soundprozessor zu benutzen, sondern einen linearen Lautsprecher zu haben, der in der Lage ist, jede Art von Signal akkurat zu reproduzieren, und dann Kompression, Verzerrungen oder jede andere Art von gewünschtem Effekt digital zu erzeugen.

Das gleiche Schlagzeugsignal wurde von einem Meyer Sound 700-HP Subwoofer lauter und als unverfärbte Reproduktion des aufgenommenen Tons wiedergegeben.

Bei Meyer Sound kam man zu dem Ergebnis, dass wenn man ein Signal ohne Kompression wiedergeben möchte, muss der Verstärker in der Lage sein, die Spitzenleistung einer Sinusschwingung bevor Clipping für mindestens 500 Millisekunden zur Verfügung zu stellen. Meyer Sound bezeichnet die Effektivleistung während dieser 500 Millisekunden als „true burst power“. Die Spitzenleistung muss mindestens 100 Millisekunden zur Verfügung stehen, um für die Widergabe von Musik brauchbar zu sein.

All dies führt uns zu der Frage, wie ein self-powered Lautsprecher gemessen werden soll, so dass sinnvolle, aussagekräftige Werte ermittelt werden. Meyer Sound plant die Veröffentlichung von Soundfiles in Standardformaten mit speziellen Burst-Signalen, die es dem Anwender erlauben, mit einem normalen Schallpegelmessgerät Lautsprecher zu testen. Diese Dateien werden zum downloaden auf der Homepage von Meyer Sound veröffentlicht. Die Signale werden so beschaffen sein, dass man mittels der „fast“ (schnell) Gewichtung eines Schallpegelmessers sehr genau den tatsächlichen erzeugten Schalldruckpegel ermitteln kann.

Dieser Artikel soll dazu dienen, Klarheit in die Welt der Leistungsangaben bei Verstärkern und self-powered Lautsprechersystemen zu bringen. Standardisierte Verfahren zur Ermittlung von Leistungsangaben wären erstrebenswert. Denn schließlich ist guter Sound das Ergebnis von gekonnter Anwendung von hochqualitativen Produkten, was jedoch nur möglich ist, wenn es zu diesen Produkten faktisch richtige und aussagekräftige Informationen gibt, die dann auch richtig verstanden werden.

By John Meyer, April 2005

Quelle: meyersound.de

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