Lautsprecher messen und Messdaten erklärt

Wie wichtig sind technische Daten und Messwerte? Wenn man das entsprechende Wissen für die Interpretation und Bedeutung der Messwerte hat, lassen Messwerte eine vollständige Bewertung eines Lautsprechers zu − was nicht heißen muss, dass einem damit das Probehören erspart bleibt.

Selbstverständlich darf man beim Lautsprecher messen nicht nur einen Frequenzgang oder nur einen Verzerrungswert betrachten, sondern muss immer die Gesamtheit aller Messwerte interpretieren. Die nächste wichtige Frage ist daher: Welche Messwerte werden benötigt? Das sind der Frequenzgang und daraus abgeleitete Werte wie z. B. ein Spektrogramm, das räumliche Abstrahlverhalten und die Verzerrungswerte bzw. der erreichbare Pegel. Dazu ein kleines Rechenbeispiel: Die Komponenten eines Monitors haben eine typische Sensitivity von 86 dB 1W/1m. Das bedeutet, dass bei einem Watt zugeführter elektrischer Leistung in 1 m Entfernung ein Schalldruck von 86 dB erzielt wird. Möchte man jetzt einen typischen Abhörpegel von 85 dB in 2 m Entfernung erzielen − was 91 dB in 1 m entspricht −, dann wird eine Leistung von 3,16 W benötigt. Der Pegelmesswert ist jedoch ein Mittlungspegel.

Gleiches gilt für den Leistungswert, der hier ein Effektivwert ist. Für typisches Musikmaterial kann der Spitzenpegel in Relation dazu 15 dB oder noch deutlich mehr darüber liegen. Wenn also diese Spitzen unverzerrt vom Verstärker übertragen werden sollen, dann werden nicht 3,16 W, sondern bereits 100 W, zumindest kurzzeitig, benötigt. Für jede 3 dB mehr im Pegel verdoppelt sich die notwendige Verstärkerleistung dann weiter. Dieses kleine Beispiel zeigt, wie schnell man hier an Grenzen stößt. Viele Hersteller geben den erreichbaren Spitzenpegel ihrer Monitore bezogen auf 1 m Entfernung an. Pro Entfernungsverdopplung sind hier 6 dB abzuziehen und für die Abschätzung des Mittlungspegels noch mal ca. 15 dB. Der typische Abhörpegel liegt bei 85 dBA Leq (eq = energieäquivalenter Dauerschallpegel, Mittlungspegel) mit einem Stereo-Set. Die A-Bewertung lässt den Pegelwert im Mittel um weitere 3 dB abfallen, was dann durch zwei anstatt einem Lautsprecher (+3 dB) wieder kompensiert wird. 106 dB Spitzenpegel sollte ein Nahfeldmonitor daher problemlos liefern können.

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Messdaten verstehen

Wichtig ist, dass man stets alle Messergebnisse bei der Bewertung von Monitoren berücksichtigt. Dennoch kann die Messung einem den Hörtest und den Hörvergleich mit anderen Monitoren nicht ersparen

Frequenzgang eines sehr guten Studiomonitors im reflexionsarmen Raum (rot). Dieser Monitor wurde in einem akustisch guten Hörraum an drei Positionen um den Hörplatz (unten in Grün, Gelb und Hellblau) sowie über 30 Positionen gemittelt im Umfeld des Hörplatzes (dunkelblau) gemessen. Rechts: Einzelmessungen am Hörplatz in vergrößerter Darstellung für die 1-kHz-Oktave

Frequenzgänge verschiedener Studiomonitore (links) und Beispiele für Filterfunktionen zur Ortsanpassung (rechts)

Spektrogramme von zwei Studiomonitoren: links mit einigen Resonanzen, rechts mit einem nahezu perfekten Ausschwingverhalten

Vertikale Isobaren mit einer Einschnürung im Übergangsbereich bei 3 kHz (links). Sehr gleichmäßige horizontale Isobaren eines 3-Wege-Monitors mit Waveguides zur Verbesserung des Abstrahlverhaltens (rechts)

Verzerrungsmessung bei 85 dBA Leq in 4 m bzw. 2 m Abstand. Für die Messung wurde ein Signal mit 12 dB Crestfaktor und einer spektralen Verteilung nach EIA-426B verwendet (türkisfarbene Kurve). Der linke Monitor zeigt deutlich mehr Verzerrungsanteile.

Maximalpegel bei höchstens 3% Verzerrungen für zwei Monitormodelle. Der rot dargestellte Monitor ist im Verlauf gleichmäßig und frei von Schwachstellen. Der blaue ist zwar punktuell lauter, weist aber ausgeprägte Schwankungen auf.

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Der Frequenzgang ist die meist beachtete und auch eine der wichtigsten Messgrößen für Lautsprecher.

Abbildung 2 auf zeigt dazu einige Beispiele. Die oberen drei Kurven (blau, rot und grün) zeigen das, was man gemeinhin von einem Monitor erwartet: fast perfekt gerade Frequenzgänge mit nur leichten Schwankungen und einigen kleinen Besonderheiten. Der rote Monitor hilft sich mit einem kleinen Trick: Am oberen und unteren Ende des Frequenzbereiches gibt es eine leichte Pegelanhebung von 2 dB, die bei einem direkten Hörvergleich spontan für etwas mehr Gefälligkeit sorgen könnte. Eine weitere Besonderheit ist der bis 40 kHz makellos arbeitenden Hochtöner.

Vergleicht man das mit der blauen Kurve eines Monitors mit einer Alu-Kalotte, die bis 20 kHz noch perfekter ausfällt, dann wird der Unterschied deutlich. Oberhalb von 20 kHz ist für fast alle Kalotten die Grenze des Machbaren erreicht. Der rote Monitor arbeitet dagegen mit einem Air-Motion-Transformer, der auch die Oktave von 20 bis 40 kHz noch entspannt abzudecken vermag. Ob und wie gewichtig dieser Aspekt ist, muss jeder für sich entscheiden; man könnte aber argumentieren, dass der Hochtöner, der auch bei 40 kHz noch perfekt arbeitet, auch bei 20 kHz der bessere ist.

Die grüne Kurve zeigt ebenfalls einen Monitor mit Kalotte, in diesem Fall jedoch mit einer Gewebemembran, die keine so ausgeprägten Resonanzen aufweist und sich deshalb eher unauffällig oberhalb von 30 kHz verabschiedet.

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Alle drei Monitore (blau, rot und grün) sind unter dem Aspekt des Frequenzganges so gut, dass sich trotz der kleinen Unterschiede daraus kein wichtiges Entscheidungskriterium ergeben würde. Ganz anders sieht es bei den beiden weiteren Monitore mit der orangen und rosa Kurve in Abbildung 2 aus. Hier handelt es sich zum einen um einen kleinen 2-Wege-Monitor mit einer kurzen Transmission-Line für den Tieftöner und zum zweiten um ein Breitbandsystem. Der scharfe Einbruch bei 190 Hz ist für eine Transmission-Line prinzipbedingt und lässt sich nicht vermeiden. Klanglich dürfte das weniger kritisch sein, da der Einbruch sehr schmal ist.

Beim Breitbandsystem wiederum ist der frühe Pegelabfall an beiden Ende des Übertragungsbereiches nicht zu übersehen und auch nicht zu überhören; solche Monitore werden als Abhöre gerne als zweite Instanz genutzt, um den Höreindruck mit einem kleinen Radio oder Autoradio zu simulieren − ob das heute noch sinnvoll ist, lassen wir mal dahingestellt sein, denn insbesondere kleine Gettoblaster oder Autoradios werden heute eher mit einer Bass- und Höhen-Überbetonung eingestellt und werden daher durch den Breitbänder nicht mehr adäquat repräsentiert. Trotzdem kann der Breitbandmonitor als zweite Instanz natürlich eine sinnvolle Ergänzung zu anderen Monitoren sein.

Als wichtige Ergänzung zum Frequenzgang sollte man noch das Spektrogramm studieren. Das Spektrogramm kann zwei- oder dreidimensional (Wasserfalldiagramm) dargestellt werden und zeigt das Ausschwingverhalten des Lautsprechers. Die y-Achse des Diagramms ist die Frequenzachse, die z-Achse − oder wie hier die farbliche Abstufung − stellt den Pegel dar, und zusätzlich kommt noch die x-Achse als zeitlicher Maßstab hinzu. Abbildung 3 zeigt dazu zwei Beispiele. Im Idealfall sollte das Spektrogramm gleichmäßig und schnell abklingen. Gibt es Ausläufer über der Zeitachse, dann sind das Resonanzen des Lautsprechers, die verschiedenste Ursachen haben können und möglichst vermieden werden sollten.

An den seitlich neben den Spektrogrammen abgebildeten Frequenzgängen sind gut die Zusammenhänge zwischen den dort vorhandenen Welligkeiten und den Resonanzen zu erkennen. In beiden Beispielen ist eine kräftige Resonanz bei den tiefen Frequenzen zu erkennen, die bei Lautsprechern systembedingt ist. Das ist die Grundresonanz des Tieftöners im Gehäuse oder bei Bassreflexboxen die gewollte Abstimmfrequenz des Gehäuseresonators. Darüber hinaus sollten im Idealfall keine weiteren Resonanzen auftreten, wie es zumindest einem der beiden Musterlautsprecher auch in Perfektion gelingt. Gibt es von einem Monitor kein Spektrogramm, dann lassen sich mit etwas Erfahrung die Problemstellen mit Resonanzen auch schon im Frequenzgang erkennen. Schmale Überhöhungen, gefolgt von ebensolchen Einbrüchen, gehen fast immer auf Resonanzeffekte zurück. Die Ursachen dafür liegen meist in Gehäusemoden (Moden = Eigenfrequenzen des Volumens) oder in Partialschwingungen der Membranen.

Ursachenforschung und Vermeidung dieser Problemstellen sind meist aufwendige und langwierige Arbeiten, woran man sehr gut unterscheiden kann, wie viel Mühe sich ein Hersteller mit der Entwicklung seiner Monitore gibt oder eben nicht. In der Tat ist es so, dass man bei einem Blick hinter die Kulissen schnell erkennt, wo ein neuer Monitor in nur wenigen Tagen oder in über Jahre dauernder, penibelster Entwicklungsarbeit entsteht. Die Directivity oder das räumliche Abstrahlverhalten eines Lautsprechers wird ebenfalls über Frequenzgangmessungen ermittelt. Hier werden Frequenzgänge in Abhängigkeit von der Richtung gemessen. Das kann in einer Ebene (horizontal oder vertikal) erfolgen oder sehr aufwendig auch in einem kompletten Kugelrasternetz um den Lautsprecher herum − Letzteres wird auch als Datenbasis für Simulationsprogramme benötigt. In Datenblättern oder auch für Testberichte werden typischerweise Diagramme mit der horizontalen und vertikalen Directivity gezeigt.

Die optimale Darstellungsform für die Directivity sind Isobarendiagramme, wie du sie in Abbildung 4 wiederum anhand von zwei Beispielen siehst. In Abhängigkeit von der Frequenz (x-Achse) kann man hier sehen, wie stark der Pegel gegenüber dem Wert auf der Mittelachse (0°) unter Winkeln von −180° bis +180° abfällt. Ideal wäre speziell für die horizontale Ebene ein relativ breiter und über der Frequenz gleichmäßiger Verlauf der Isobaren. Zu den tiefen Frequenzen hin beginnen alle Lautsprecher, immer breiter bis hin zum kugelförmigen Verhalten abzustrahlen.

In unseren Testberichten wird daher immer der mittlere Öffnungswinkel ab 1 kHz aufwärts angegeben sowie die Standardabweichung für diesen Bereich, die als Anhaltspunkt für die Gleichmäßigkeit dient. Ein Wunschverhalten könnte daher so aussehen, dass der Monitor für viel Bewegungsfreiheit am Arbeitsplatz horizontal breit (100° − 120°) abstrahlt und vertikal eher eng, um unnötige Reflexionen von der Arbeitsfläche zu vermeiden. In den Diagrammen aus Abbildung 4 ist der Übergang von Gelb auf Hellgrün die −6-dB-Isobare, wo der Pegel um 6 dB gegenüber der Mittellinie abgefallen ist. Mithilfe von Waveguides können die Isobaren über weite Frequenzbereiche gleichmäßig gestaltet werden, wie es das rechte Beispiel in Abbildung 4 zeigt.

Das zweite Beispiel zeigt ein für Mehrwege-System unvermeidliches Problem in der Vertikalen, wo die Wege übereinander liegen. Dort, wo beide Wege an der Schallabstrahlung beteiligt sind −nämlich im Übergangsbereich bei der Trennfrequenz − kommt es durch winkelabhängige Laufzeitunterschiede zu sogenannten „Interferenz-Effekten“ mit wechselnden Auslöschung und Überhöhungen. Würde man die Box um 90° drehen, wäre das Problem zwar für die Vertikale behoben, aber nun hätte man es in die Horizontale verlagert, wo es noch kritischer wäre. Genau deshalb sollten 2-Wege-Monitore immer so aufgestellt werden, dass sich Tieftöner und Hochtöner übereinander befinden. Bei 3-WegeSystem sollten dann entsprechend der Mittel- und Hochtöner übereinander liegen, denn für den Übergang vom Tief- zum Mitteltöner ist das Problem weniger dramatisch, da bei einer tieferen Trennfrequenz die Wellenlänge bereits so groß ist, dass die kleinen Lautzeitunterschiede schon keine signifikante Auswirkung mehr zeigen.

Alle bisher besprochenen Messungen betreffen das lineare Übertragungsverhalten von Lautsprechern. Darüber hinaus gibt es auch noch nicht-lineare Effekte, gemeinhin auch als Verzerrungen bezeichnet, die ebenfalls sehr wichtig für die Qualität eines Lautsprechers sind. „Nicht-lineare Verzerrungen“ bedeutet, dass der Lautsprecher ein Signal mit einer bestimmten spektralen Verteilung bekommt, diese wiedergibt und dabei dem Signal weitere spektrale Anteile hinzufügt, die als Verzerrungen bezeichnet werden − was man nun wirklich nicht haben möchte.

Schickt man z. B. einen reinen Sinuston über den Lautsprecher, dann finden sich danach im Spektrum neben der reinen Grundwelle des Originals noch diverse Oberwellen, die harmonischen Verzerrungen (THD). Lautsprecher erzeugen wesentlich mehr harmonische Verzerrungen als alle anderen Geräte in der Signalkette. Während die Elektronik meist bei Verzerrungswerten von 0,01% (= −80 dB) oder noch weniger liegt, sind bei Lautsprechern Werte von 3% (= −30 dB) bereits sehr gut. Viele Hersteller schweigen da – her wohl wissentlich über die Verzerrungswerte ihrer Lautsprecher. Hinzu kommt, dass es nicht gerade einfach ist, dies zu messen, weil die Art und Weise der Messung nicht eindeutig definiert ist.

Für unsere Monitor-Tests in SOUND & RECORDING werden zwei Messverfahren verwendet. Dazu siehst du dir am besten zunächst die beiden Messreihen in Abbildung 6 an, bei der zunächst ein Verzerrungsgrenzwert von 3% vorgegeben wurde; danach haben wir ermittelt, welchen maximalen Schalldruck der Lautsprecher dabei bezogen auf 1 m Entfernung unter Freifeldbedingungen erreicht. Für passive Lautsprecher gibt es in diesem Mess-Algorithmus zusätzlich noch eine Leistungsbegrenzung, um wenig verzerrende Lautsprecher nicht irgendwann durch eine Überlastung zu zerstören − bei aktiven Systemen gehen wir davon aus, dass die interne Elektronik entsprechende Schutzfunktionen enthält.

Die Messung erfolgt mit 185 ms langen Sinusburst-Signalen. Die beiden Kurven zeigen zwei vom Konzept völlig unterschiedliche Monitore. Die rote Kurve verläuft dabei sehr schön gleichmäßig ohne Einbrüche, also ohne Schwachstellen. Die blaue Kurve verhält sich dagegen eher unruhig. In einigen Frequenzbereichen erreicht der Lautsprecher sehr hohe Pegel bei 3% Verzerrungen, in anderen Bereichen dagegen bricht die Kurve völlig ein. Für den Monitor mit der roten Kurve kann man aus dieser Messung folgern, dass man bei allen Arten von Signalen und auch bei tiefen Frequenzen für Schalldrücke bis zu 103 dB in 1 m Abstand immer recht sicher sein kann, dass er nicht mehr als 3% Verzerrungen produziert.

Das klingt zwar wenig spektakulär, ist aber für einen Lautsprecher bereits außerordentlich gut, wie sich auch im Vergleich zu dem Modell mit der blauen Kurve ersehen lässt. Die zweite Messreihe zum Thema Verzerrung arbeitet mit einem Multi-Sinussignal, das einem realen Musiksignal sehr ähnlich ist und eine komplette Erfassung aller harmonischen und Intermodulationsverzerrungen möglich macht. Das Messsignal setzt sich aus 60 einzelnen Sinussignalen zusammen, die in ihrer spektralen Verteilung vergleichbar einem mittleren Musiksignal gewichtet sind.

Die Phasenlage der 60 Sinussignale wird ähnlich wie bei einem Rauschen nach einem Zufallsprinzip zueinander verwürfelt, sodass eine Art Rauschen mit einem Crestfaktor von ca. 12 dB entsteht, was ebenfalls einem natürlichen Musiksignal recht nahe kommt − der Crestfaktor beschreibt das Verhältnis vom Spitzenwert in einem Signal zum Effektivwert; für ein reines Sinussignal sind das 3 dB. Das Multisinus-Testsignal betreibt den Lautsprecher unter sehr realistischen Bedingungen. Für die Messung wird mit diesem Signal ein typischer Abhörpegel von 85 dBA in einer üblichen Abhörentfernung − für Nahfeldmonitore sind das 2 m und für größere Midfield-Systeme 4 m − eingestellt. Der Pegel wird als A-bewerteter äquivalenter Dauerschallpegel LAeq gemessen. Der Spitzenwert Lpk liegt entsprechend ca. 15 dB höher. Auch die Auswertung dieser Messung gestaltet sich angenehm einfach. Die 60 Anregungsfrequenzen des Messsignals sind bekannt, sodass man zur Auswertung die zusätzlich in Form von Verzerrungen hinzugekommenen spektralen Anteile analysiert.

Der große Vorteil dieses Messverfahrens ist neben der realistischen Belastungssituation des Lautsprechers die Erfassung aller Verzerrungskomponenten. Im Gegensatz zur klassischen Messung der harmonischen Verzerrungen mit einzelnen Sinussignalen, werden hier auch die wichtigen Intermodulationsverzerrungen (IMD) erfasst. Intermodulationsverzerrungen entstehen z. B. dann, wenn tiefe Frequenzen eine große Membranauslenkung bewirken und dadurch gleichzeitig abgestrahlte höherfrequente Anteile ebenfalls verzerrt werden, weil der Lautsprecher dadurch schon in seinen nicht-linearen Arbeitsbereich kommt.

Umgekehrt können hochfrequente Signalanteile eine Membran zu Partialschwingungen anregen, die sich dann in tieferen Frequenzbereichen als Verzerrungen bemerkbar machen. Die dadurch entstehenden Intermodulationsverzerrungen wurden bislang bei Lautsprechermessungen weitgehend vernachlässigt und finden sich nur in den wenigsten Datenblättern. SOUND & RECORDING wendet dieses Messverfahren seit ca. 1,5 Jahren für alle Monitortests an. Details zu diesem Thema findest du auch in einem Beitrag zur 27. Tonmeistertagung 2012 in Köln unter dem Titel „Maximalpegel- und Verzerrungsmessungen bei Lautsprechern“

Wiederum zwei Beispiele für diese Art Verzerrungsmessungen finden sich in Abbildung 5. Die Grafiken zeigen zum einen das Spektrum des Anregungssignals (türkise obere Kurve) und das Spektrum des vom Lautsprecher wiedergegeben Signals in Rot. Die blaue Kurve stellt die Verzerrungskomponenten dar, die nicht im ursprünglichen Signal enthalten waren. Die Summe aller Verzerrungsanteile kann anhand dieser beiden Kurven in Relation zum Gesamtsignal als Verzerrungswert in dB oder Prozent berechnet werden. Für die beiden Musterlautsprecher liegen die Werte bei −24,9 dB (= 5,7%) bzw. −41,9 dB (= 0,8%). Die Prozentangaben stellen den Unterschied recht deutlich dar. Für die Berechnung der Verzerrungswerte wurde der Gesamtpegel linear bewertet in Relation zu den A-bew. Verzerrungskomponenten gesetzt. Letzteres macht insofern Sinn, als dass sich die Verzerrungsanteile in einem absoluten Pegelbereich befinden, wo die A-Bewertung am besten der tatsächlichen Wahrnehmung entspricht.

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Filter

Komplexere Monitor-Controller bieten Funktionen, die über die reine Lautstärkeeinstellung hinausgehen, wie Bassmanagement für Subwoofer oder Filterfunktionen zur Ortsanpassung. Letzteres findet sich auch schon in vielen Monitoren, wo über Schalter oder Trimm-Potis Filter zur Bassabsenkung oder Hochtonanpassung eingestellt werden können. Steht ein Monitor nahe einer Grenzfläche an einer Wand oder sogar in einer Ecke, dann kommt es zu einer Verstärkung der Basswiedergabe, die über die Filter kompensiert werden kann. Hier wären Low-Shelf Filter ideal, die Absenkungen in 3 dB Stufen bis −12 dB zulassen.

Manche Hersteller verwenden auch Bell-Filter mit einer tiefen Mittenfrequenz von 40−50 Hz und einer geringen Güte. Filter zur Anhebung oder Absenkung des Hochtonbereiches sind eher als Geschmackskorrekturen zu sehen und bieten daher auch eher einen kleinen Einstellbereich von ±2 dB in feineren Schritten. Abbildung 2 rechts zeigt dazu einige Bespiele (rote und hellblaue Kurven). Zusätzlich findet sich hier auch noch ein sogenanntes „Meter Bridge Filter“, mit dem sich die typische Überhöhung durch die Reflexionen an der Arbeitsfläche oder Pultoberfläche kompensieren lassen, wenn der Monitor auf der Meter Bridge steht.

Wie solche Filter am besten einzustellen sind, lässt sich am besten mit einem PC-Messsystem (siehe IK Multimedias ARC 2 auf Seite 99) oder mit einem gut ausgestatteten Pegelmesser mit Terzbandanalyse prüfen. Auch muss man ein Rosa Rauschen als Messsignal verwenden, mit dem sich dann ein weitgehend konstanter Pegel am Hörplatz für alle Terzbänder von 50 Hz bis 10 kHz ergeben sollte. Detailliertere Eingriffe lassen Monitor Controller oder Monitore mit digitalen Filterbänken zu.

Auch dazu zeigt Abbildung 2 rechts eine Beispielkurve in Dunkelblau. Schmalbandige Sperrfilter lassen sich auch zur Korrektur von Pegelspitzen durch Raummoden einsetzen. Die zugehörigen Messmöglichkeiten sind bei einigen Monitoren und Controllern auch schon als automatisierte Abläufe integriert. Wie schon zu Beginn gesagt, gilt aber hier immer, dass man mit elektrischen Filtern nur Symptome korrigiert. Richtiger, aber leider nicht immer möglich, wäre es, an der Raumakustik als Basis für eine gute Abhörmöglichkeit zu arbeiten.

Wir testen in SOUND & RECORDING regelmäßig Monitorboxen und können feststellen, dass es in unserem Labor, in dem schon über hundert Studiomonitore und insgesamt tausende Lautsprecher gemessen wurden, noch nie einen Lautsprecher gab, der umfassend gute Messwerte lieferte, aber klanglich enttäuschte oder umgekehrt.

Mess-Anordnung in reflexionsfreier Umgebung. Der Klasse-1-Messraum erlaubt Mess-Entfernung bis zu 8 m und bietet Freifeldbedingungen ab 100 Hz aufwärts. Alle Messungen erfolgen mit einem B&K 1/4″-4939-Messmikrofon bei 96 kHz Abtastrate und 24 Bit Auflösung mit dem Monkey-Forest-Audio-Messsystem. Messungen unterhalb von 100 Hz erfolgen als kombinierte Nahfeld-Fernfeldmessungen.

Neben den Messungen gehört natürlich auch ein ausführlicher Hörvergleich zum Test, wobei stets auf die typische Anwendung Wert gelegt wird, die dem Einsatz der Monitore im Studio gerecht wird. Hier der Testaufbau zum Vergleich von Auratones und den Behritones von Behringer.