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Ing. Büro Dr. Jordan für Akustik
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Wenn die Abklingkurve über einen weiten Bereich linear ist, ist die Messung der Nachhallzeit sehr zuverlässig. Das Verhältnis von T20/T30 sowie der Fehlerindex geben einen Hinweis auf die Linearität der Abklingkurve. Ist die Abklingkurve nicht ausreichend linear, muss man unterscheiden durch simple Fehler im Messaufbau (z.B. Signalpegel zu gering) oder das Schallfeld selber ist nicht diffus.
In einem idealen diffusen Schallfeld ist die Abklingkurve linear. T20 und T30 sind identisch.
Echos, die durch starke Reflektoren auftreten, führen zu einem “krummen” Verlauf der Abklingkurve. Dies ist dann kein Messfehler sondern eine Eigenschaft des Raumes. Ein idealer Verlauf der Abklingkurve wird man nur im Hallraum unter idealisierten Bedingungen erreichen. Unter realen Bedingungen ist das Schallfeld nur eingeschränkt diffus. Dies ist auch ein Grund warum mehrere Gütemaße eingeführt wurden (EDT, T20,T30,C50,D80 etc.) die versuchen die Schallausbreitung in Zahlen zusammenzufassen. Bei einer Messung ist es aber sehr wichtig, Fehler im Messaufbau von einem nicht-diffusen Schallfeld zu unterscheiden.
Bei höheren Frequenzen >200Hz ist das Schallfeld meist diffus. Achtung bei tiefen Frequenzen
In geschlossenen Räumen kommt es durch die Geometrie zu besonderen Resonanzerscheinungen, den Raummoden. Bei bestimmten Frequenzen bilden sich stehende Wellen aus, der Raum „dröhnt“. Dieser Effekt ist besonders ausgeprägt, wenn Wände und Decken jeweils parallel zu einander sind. Die Raummoden sind um so tiefrequenter, je größer der Raum ist. Ein Raum hat eine Grundfrequenz, die tiefste Raummode. Dies ist die tiefste Frequenz bei der sich noch stehende Wellen ausbreiten können. Im allgemeinen wird diese Grundfrequenz durch die längste Achse im Raum bestimmt. Zu höheren Frequenzen hin, sind immer mehr Resonanzfrequenzen möglich. Die Moden verdichten sich mit zunehmender Frequenz. Die höheren Moden sind deutlich bedämpfter und treten akustisch nicht so stark in den Vordergrund. Daher sind Raummoden hauptsächlich in kleineren Räumen problematisch, wo die Grundfrequenz im Hörbereich liegt. Bei großen Räumen liegt die Grundfrequenz schon unterhalb des Hörbereichs, so das nur höhere Moden von akustischer Bedeutung sind.
Bei tieferen Frequenzen wird der Nachhall durch Raummoden bestimmt. Das Schallfeld ist nicht duffus. Der Nachhallzeit schwankt stark von Messposition zu Messposition.
Das Konzept der Nachhallzeit eignet sich nicht für den Frequenzbereich, der durch Raummoden bestimmt wird.
Dieser Frequenzbereich sollte komplett anders ausgewertet werden.
Der Schallpegel des Meßsignals ist zu gering gegenüber dem Störsignal. Dies tritt insbesondere bei niedrigen Frequenzen auf (unter 200Hz), da hier für ausreichende Schallpegel große Lautsprecher benötigt werden (Subwoofer). Grundsätzlich sollten alle störenden Schallquellen abgeschaltet werden. Die Abklingkurve geht früh in die Sättigung, so daß kein ausreichender Bereich erkennbar ist. Für eine sinnvolle Berechnung von T20 sollte der nutzbare Teil der Abklingkurve mindestens 30dB betragen.
Überprüfen Sie daher:
Aber auch bei gutem Störabstand kann der Verlauf der Abklingkurve „krumm“ werden, wenn aufgrund der Kombination Raum, Lautsprecheraufstellung und Mikrofonaufstellung das Schallfeld nicht diffus ist. Ein Mikrofon 10cm vor dem Lautsprecher erreicht zwar einen guten Störabstand, wird daher in den seltensten Fällen geeignet sein die Nachhallzeit sinnvoll zu messen. Als Grundregel sollte das Messmikrofon außerhalb des Hallradiusses der Lautsprecher platziert werden.
Echos machen sich als Knick in der Abklingkurve bemerkbar. In solchen Fällen wird der Fehlerindex stets hoch sein. Dies ist dann aber jedoch keine Fehlmessung sondern eine Eigenschaft des Raumes. In solchen Fällen sollte der Raum auf Reflektoren untersucht werden.
Die Abklingkurve wird durch lineare Regression mit einer Geraden angenähert. Je “krummer” jedoch der Verlauf der Abklingkurve ist, desto größer sind die Abweichungen zu einer Geraden. Es ist daher sinnvoll eine mittlere Abweichung der Geraden von dem realen Verlauf zu bestimmen, dem Fehlerindex. Die Berechnung wird durch die DIN3382 definiert. Ein Fehlerindex von 0 entspricht einem idealen Verlauf. Je größer der Fehlerindex ist, desto „krummer“ ist der Verlauf der Abklingkurve und die Berechnung der Nachhallzeit wird ungenauer. Sie finden daher in dem automatischen Bericht zur Messung der Nachhallzeit, stets eine Spalte mit dem Fehlerindex. Größere Werte werden auch farbig markiert, so dass hier die einzelnen Messungen genauer analysiert werden sollten.
Wir empfehlen in solchen Fällen die Abklingkurve pro Terzband zu untersuchen. Wenn schon mit bloßem Auge der lineare Bereich nur 20dB beträgt, kann hier nur eine grobe Abschätzung der Nachhallzeit durchgeführt werden.
Im automatischen Bericht finden Sie auch eine Kurve, die den Ruhepegel und den Pegel des Meßsignals über der Frequenz vergleicht. Hier kann der Signal/Rauschabstand direkt abgelesen werden und so ggf. als Verursacher identifiziert werden. Werte unterhalb von 10 bedeuten einen nahezu idealen Verlauf.
Raummoden führen grundsätzlich zu einem krummen Verlauf der Abklingkurve. Daher sollte unbedingt die Schröderfrequenz beachtet werden.
Im folgenden Beispiel wird im 500Hz Terzband ein Fehlerindex von 50 ermittelt.
Die Abklingkurve ist daher nicht besonders linear, sondern fällt leicht stufig ab. Die Messung selbst ist völlig korrekt, da der nutzbare Dynamikbereich sehr hoch ist. Noch deutlicher sieht man dies im bei dem oben vermessenen Raum im 200Hz Terzband. Der Fehlerindex beträgt hier 80.
Hier ist der stufige Verlauf noch deutlicher zu erkennen. Der nutzbare Dynamikbereich ist hervorragend, daher ist die Messung korrekt. Die Messgenauigkeit ist daher nicht durch Rauschen oder Verzerrungen begrenzt.
Es handelt sich um keinen Fehler im Aufbau oder Messsystem.
In diesem Fall sind es akustische Effekte, wie stehende Wellen, die zu einem nicht-diffusen Schallfeld führen. Solche Effekte treten insbesondere bei schmalbandigen Untersuchungen (Terz-Darstellung) auf. Je kleiner der Raum ist, umso höher ist die Grenzfrequenz, ab der sich ein diffuses Schallfeld einstellt. Unterhalb dieser Grenzfreqenz wird das Schallfeld durch Raummoden geprägt. Eine Beschreibung durch die Nachhallzeit ist in diesem Frequenzbereich nicht sinnvoll.
Diese Grenzfrequenz fs wird auch Schröderfrequenz genannt und kann nach folgender Formel abgeschätzt werden.
V ist das Raummolumen in m³ RT60 ist die Nachhallzeit in s.
Für den zuvor verwendeten Raum mit einem Volumen von 30m³ und einer Nachhallzeit von 0,34s ergibt sich eine Grenzfrequenz von 213Hz.
In einer breitbandigeren Oktav-Darstellung ist das Schallfeld wiederum weitaus diffuser.
| Frequenz [Hz] | 125 | 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| RT60(T20) [s] | 0,33 | 0,34 | 0,34 | 0,33 | 0,34 | 0,35 |
| Fehlerindex | 7 | 16 | 20 | 10 | 1 | 3 |
Im breitbandigeren 500Hz Oktavband beträgt der Fehlerindex nur 20.
Raummoden kann man sehr gut im Wasserfalldiagramm (Cumulative Decay Plot) erkennen.
Hier erkennt man deutlich Resonanzen bei 150Hz und 500-700Hz sowie bei 2500Hz. Dargestellt wurde der Bereich von 0 bis 0,16s im Frequenzbereich von 100 bis 6000Hz.
Echos sind starke Reflektionen von glatten Wänden oder Glasflächen. Die Schallwelle wird nur geringfügig absorbiert und kaum gestreut. In der Abklingkurve erkennt man diese als deutliche Sprünge. Je nach Laufzeit können sich Echos sehr störend auf die subjektive Akustik auswirken.
Wenn zwei Räume mit unterschiedlicher Nachhallzeit durch z.B. eine offene Tür akustisch gekoppelt sind, überlagern sich beide Nachhallkurven.
Das folgende Bild zeigt einen typischen Verlauf zweier gekoppelter Räume. Zunächst fällt der Schallpegel mit der Nachhallzeit A relativ schnell ab. Später tritt der Nachhall im Bereich B in den Vordergrund.
Es ist offensichtlich, dass sich unter solchen Bedingungen kein gesamtes lineares Abklingen einstellt. Die Situation kann eben auch nicht durch eine Nachhallzeit beschrieben werden. In der Praxis kann eine solche Situation (z.B. Sitzplatz an der offenen Tür zum Treppenhaus) die Sprachverständlichkeit erheblich beinträchtigen.
Eine Fehlmessung liegt meist dann vor, wenn der nutzbare Dynamikbereich zu gering ist.
Dies ist in dem folgenden Beispiel der Fall. Wir betrachten hierfür die breitbandige Abklingkurve.
Die nutzbare Dynamik beträgt hier nur ca. 12dB, so dass lediglich EDT sinnvoll ermittelt werden kann. T20 und T30 sind unsinnig. Ursache hier sind Rauschen und Verzerrungen bei der Messung. Eine normgerechte Messung ist hier nicht mehr möglich, die Nachhallzeit kann hier nur grob geschätzt werden.
Bei tiefen Frequenzen unter 100Hz ist meist nur wenig Dynamik vorhanden. Hier muss man sich vielfach mit einer Abschätzung zufrieden geben.
T20 und T30 können bei dieser Messung im 80Hz Band nicht normgerecht bestimmt werden. Durch Auswertung des linearen Bereichs von –5 bis –19dB kann die Nachhallzeit mit 0,2s abgeschätzt werden.
Im 100Hz Terzband bessert sich die Dynamik
Und bei 125Hz erreicht man bereits eine exzellente Dynamik. Allerdings ist hier die Abklingkurve durch Raummoden geprägt.
Wenn Sie an unterschiedlichen Raumpositionen, starke Abweichungen in der Nachhallzeit feststellen, so deutet dies auf nicht-diffuse Ausbreitungsbedingungen hin. Die Bewertung dieser Abweichungen ist sehr komplex und kann letztlich nur durch die langjährige Erfahrungen des Akustikers gelöst werden. In letzter Zeit werden hier auch Computer-Simulationen des Raumes als Hilfsmittel benutzt. Der Aufwand insbesondere zur Erstellung sinnvoller Parameter (3D-CAD) ist jedoch enorm, so dass diese Techniken nur in speziellen Fällen verwendet werden.
Seit vielen Jahren ist die DIN18041:2004 die Grundlage vieler raumakustischer Planungen.
2016 wurde diese Norm erheblich überarbeitet.
Dies betrifft insbesondere:
Die neue DIN18041:2016 definiert für verschiedene Raumtypen Empfehlungen bezüglich der Raumakustik. Diese Norm löst die alte Version 2004 ab und enthält aktualisierte Anforderungen für Räume der Gruppe A. Die Empfehlungen für Räume der Gruppe B wurden komplett überarbeitet und neu gefasst.
Diese Norm gilt für Räume mit einem Raumvolumen bis etwa 5 000 m3, für Sport- und Schwimmhallen bis 30 000 m3. Sie legt die raumakustischen Anforderungen, Empfehlungen und Planungsrichtlinien zur Sicherung der Hörsamkeit vorrangig für die Sprachkommunikation einschließlich der dazu erforderlichen Maßnahmen fest.
In der Norm werden zwei Anwendungen unterschieden, die der Hörsamkeit über mittlere und größere Entfernungen (Räume der Gruppe A), wie z. B. Unterrichtsräume in Schulen, Gruppenräume in Kindertageseinrichtungen, Konferenzräume, Gerichts- und Ratssäle, Seminarräume, Hörsäle, Tagungsräume, Räume in Seniorentagesstätten, Sport- und Schwimmhallen, und geringe Entfernungen (Räume der Gruppe B), wie z. B. Verkehrsflächen mit Aufenthaltsqualität, Speiseräume, Kantinen, Spielflure und Umkleiden in Schulen und Kindertageseinrichtungen, Ausstellungsräume, Eingangshallen, Schalterhallen, Büros.
Bei der Raumgruppe A handelt es sich um Räume, in denen die Hörsamkeit über mittlere und große Entfernungen durch eine für die Nutzung angepasste Nachhallzeit und Schalllenkung sichergestellt wird. Bei der Raumgruppe B wird die Hörsamkeit über geringe Entfernungen durch Schallabsorption und Störgeräuschminderungen erreicht.
Historisch bedingt definiert die DIN18041 Grenzwerte für den besetzten Raum. In der Praxis werden jedoch Messungen im unbesetzten Raum durchgeführt. Akulap kann sowohl die Grenzwerte für den unbesetzten Fall berechnen, als auch die Messwerte für den besetzten Raum berechnen. Die Grundlage hierfür liefert die neue DIN18041:2016 durch eine detaillierte Berücksichtigung von zusätzlicher Absorptionsfläche durch Personen.
Die folgende Grafik zeigt die empfohlenen Nachhallzeiten (Tsoll) für Räume der Gruppe A in Abhängigkeit vom Raumvolumen
Diese empfohlene Nachhallzeit ist zunächst breitbandig. Die Norm DIN18041:2106 definiert jedoch für einzelne Frequenzbänder unterschiedliche Toleranzen.
Die Anforderungen im Bereich zwischen 250Hz und 2000Hz sind besonders hoch. Hier dürfen die Messwerte von den Empfehlungen nur um +/- 20% abweichen.
Akulap kann die Grenzwerte bei jeder Messung optional einblenden. Sie müssen nur die Raumgruppe, die Nutzungsart und das Raumvolumen eingeben. Sie können zusätzlich eine Absorption durch Personen berücksichtigen, so dass die Messung im unbesetzten Raum erfolgen kann.
Sie können zusätzlich eine Absorption durch Personen berücksichtigen, so dass die Messung im unbesetzten Raum erfolgen kann.
Ein Sinus-Ton ist die „reinste“ Form eines Klanges und das wichtigste Testsignal überhaupt.
Ein Sinus-Signal wird durch die Amplitude und die Frequenz bestimmt
Der Spitzenwert ist bei einem sinusförmigen Signal ist um den Faktor 1.41 größer als der Effektivwert. Ein digitaler Sinus mit Vollaussteuerung hat einen Wertebereich von –1.0 bis +1.0 und ein Effektivwert von 0.7. Dies entspricht –3dB.
Legt man ein Sinus an den Eingang von einem linearen System, so ist das Ausgangssignal auch wieder ein Sinus. Es kann sich die Amplitude und Phase verändert haben. Die Frequenz bleibt stets gleich.
Mit sinusförmigen Signalen werden u.a. folgende Parameter vermessen
In der Raumakustik werden sinusförmige Signale eher selten verwendet, da ein normaler Raum erhebliche Resonanzen aufweist. Diese Resonanzen können bei schmalbandiger Anregung (und genau das ist ein Sinuston) leicht zu Fehlinterpretationen führen.
Möchte man zum Beispiel den Klirrfaktor (THD) über der Frequenz vermessen, so erhöht man die Frequenz schrittweise.
Hinweis: Lautsprecher sind für typische Musik und Sprache ausgelegt und nicht für solche Testsignale und können bei Einzeltönen thermisch und mechanisch überlastet werden.
Nichtlineare Systeme (z.B. Lautsprecher) werden häufig mit einem speziellen Testsignal vermessen, das aus zwei Tönen mit unterschiedlicher Frequenz besteht. Durch nicht-lineare Effekte entstehen Differenztöne. Wir können diesen Effekt leicht demonstrieren. Töne mit 18kHz und 19kHz sind für viele Menschen nicht mehrwahrnehmbar. Spielt man beide Töne jedoch gleichzeitig ab, so erscheint ein deutlich hörbarer Ton bei 1kHz.
Mit Zweiton-Signalen werden Intermodulationen (IM) vermessen.
Weit verbreitet sind auch Mehrtonmessungen. Hier enthält das Anregungssignal mehrere Frequenzen z.B. im Terzabstand. Der Frequenzgang kann daher gleichzeitig an mehreren Punkten gemessen werden. Solche Signale werden häufig in Produktionstests verwendet, da mit kurzer Messzeit viele Parameter gemessen werden können.
Bei einem Gleitsinus wird die Frequenz kontinuierlich und relativ langsam erhöht. Man misst damit automatisiert den Frequenzgang.
Dieses klassische Wobbeln gehört zu den ältesten Verfahren, um den Frequenzgang zu bestimmen. Eine Messung des Frequenzgangs ist relativ langsam, da das System zunächst einschwingen muß. Der enorme Vorteil liegt jedoch darin, daß es sehr unempfindlich ist gegenüber Rauschen oder Verzerrungen. Dies liegt darin begründet, daß die Signalenergie auf einer Frequenz gebündelt wird. Daher ist dieses Verfahren nach wie vor sehr weit verbreitet. Zu Zeiten der analogen Plotter wurden Gleitsinussignale verwendet. Hier wurde die Frequenz kontinuierlich erhöht. Der Plotter zeichnet die Amplitude des Ausgangssignals auf. So erhält man die direkt den Frequenzgang. Die Erhöhung der Frequenz kann linear oder logarithmisch erfolgen Moderne automatisierte Systeme messen schrittweise in einem vorgegebenen Frequenzbereich.
Chirps sind relativ moderne Signale. Sie sind eine spezielle Form des Gleitsinus. Amplitude und Frequenz werden hier nach einem besonderen Verfahren erhöht. Chirps haben besondere Eigenschaften, die man am besten in der Autokorrelation sieht. In Chirp Signal ist zu jeder verschobenen Variante orthogonal.
Chirp-Sequenzen haben immer eine Länge, die einer Zweierpotenz entspricht.
Chirps werden häufig in der Raum- und Bauakustik zur Messung der Raumimpulsantwort eingesetzt. Hier werden relativ lange Sequenzen bis 60s eingesetzt. Mit kürzeren Sequenzen werden rein elektrische Messungen (Frequenzgang) durchgeführt. Mit diesen Verfahren kann man Störsignale sehr effizient unterdrücken.
Der Begriff Rauschen ist mehrdeutig. In Aufnahmen soll einerseits das Rauschen möglichst gering sein. Anderseits ist das Rauschen neben den Sinussignalen die wichtigsten Testsignale in der Elektroakustik. Ein ideales Rauschsignal kann als Multiton-Signal interpretiert werden mit unendlich vielen Frequenzen und jeweils zufälliger Phase.
Eine sehr bekannte Rauschquelle ist das thermische Rauschen, das durch die zufällige Bewegung von Elektronen entsteht. Bestimmt man die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (Histogramm) so erhält man die berühmte Gaußkurve. Betrachtet man ein solches Signal im Frequenzbereich mit einem Spektralanalysator, so ist das Spektrum konstant. Genau genommen ist dies die spektrale Leistungsdichte, also der Signalanteil pro Herz. Der Name “weiß” kommt aus der Analogie zum Licht. Elektromagnetische Strahlung, die im Bereich zwischen 400nm und 630nm konstant ist, nimmt unser Auge als weißes Licht war.
Hinweis: Weisses Rauschen enthält sehr viel Energie bei hohen Frequenzen und ist daher für Lautsprecher (insbesondere der Hochtöner) potenziell gefährlich. Lautsprecher sind für typische Musik und Sprache ausgelegt und nicht für solche Testsignale und können bei weissem Rauschen thermisch überlastet werden.
Das menschliche Ohr nimmt Frequenzen nicht linear wahr sondern logarithmisch. Daher teilt man den Hörbereich in Bänder ein. Die Breite dieser Bänder nimmt mit steigender Frequenz zu. In der Psycho-Akustik wird hierfür auch die Barkskala verwendet. Zur Vereinfachung wird im Allgemeinen eine einfache logarithmische Einteilung eingesetzt, deren Frequenzen nach DIN/ISO normiert sind. Ein Meßgerät, das den Signalanteil in diesen Bändern mißt, wird vielfach als RTA (Real-Time-Analyzer) bezeichnet. Üblich sind Oktav bzw. 1/3 Oktav Auflösungen.
Betrachtet man weißes Rauschen mit einem RTA so nimmt der Pegel mit zunehmender Frequenz zu. Die Bänder bei hohen Frequenzen sind breiter und erhalten dann mehr Signalanteile. Im Band von 10-20kHz sind bereits 50% des Gesamtsignals enthalten. Im Band zwischen 1-2kHz nur 1/10. Die Kurve steigt mit 3dB pro Oktave an. Im unteren Frequenzbereich ist daher kaum ein Anteil vorhanden. Daher ist weißes Rauschen für Messungen im Baßbereich ungeeignet. Man erhält das scheinbare Paradoxon, daß das gleichverteilte weiße Rauschen die Höhen betont. Daher wird das Rosa Rauschen bei vielen Messungen bevorzugt. Auf einem RTA erhält man einen flachen Verlauf. Daher muß die spektrale Leistungsdichte mit 3dB/Oktave abnehmen.
Rosa Rauschen enthält wesentlich geringere Signalanteile im Hochtonbereich, und ist daher für die meist empfindlichen Hochtöner nicht gefährlich.
Rosa Rauschen entspricht im Mittel auch eher Musik bzw. Sprache als weißes Rauschen. Messungen mit rosa Rauschen sollten typischerweise mit einem RTA durchgeführt werden. Entsprechend verwendet man bei weißem Rauschen eine normale Spektralanalyse.
Hinweis: Rosa Rauschen enthält unter Umständen hohe Pegel bei tiefen Frequenzen und ist daher für Lautsprecher (insbesondere der Tieftöner) potenziell gefährlich. Lautsprecher sind für typische Musik und Sprache ausgelegt und nicht für solche Testsignale. Rosa Rauschen kann zu einer Überschreitung der maximalen Auslenkung der Membran führen.
Rauschsignale sind breitbandig. Man kann nach ausreichender Mittelung den Frequenzgang in einem Durchgang bestimmen. Rosa Rauschen ist in der Raum- und Bauakustik ein wichtiges Testsignal. In der Raumakustik kann mit der Methode des abgeschaltetem Rauschens die Nachhallzeit bestimmt werden. In der Bauakustik misst man damit den Luftschallübertragungsfaktor zwischen zwei Räumen.
Häufig wird auch bandbegrenztes bzw. Schmalbandrauschen eingesetzt.
Das STIPA Testsignal wird zur Messung der Sprachverständlichkeit nach DIN60268-16 verwendet. Es besteht aus 8 Oktavbändern mit bandbegrenztem rosa Rauschen. Jedes Oktavband wird mit zwei relativ niedrigen Frequenzen amplitudenmoduliert. Die Frequenzbänder sind 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Hz.
Das Signal ist so dimensioniert, das es im spektralen Mittel menschlicher Sprache entspricht.
Weisses und rosa Rauschen sind für Tests an Lautsprechern nur bedingt geeignet. Die spektrale Verteilung weicht zu stark von der typischen Nutzung eines Lautsprechers ab. Diese sind ja letztlich für Sprache und Musik ausgelegt. Gerade für die Messung der Dauerbelastbarkeit oder des maximalen Pegels benötigt man ein Signal, das spektral der typischen Nutzung entspricht. Daher wurde das „Programm-Rauschen“ entwickelt und in der IEC60268-1 definiert. Es basiert letztlich auf einer speziellen Frequenzbewertung von rosa Rauschen. Zusätzlich wird in der Norm BS EN 50332 noch der Crest-Faktor angepasst (1.8 bis 2.2), um für Musik oder Sprache untypische Spitzenpegel zu entfernen.
Sie können alle diese Signale mit unserem Signalgenerator erzeugen, direkt abhören und bei Bedarf als .wav Datei speichern.
Unser Ohr hat einen typischen Dynamikumfang von ca. 0dB bis 120dB. Dieser große Bereich stellt auch heutige Messtechnik vor große Herausforderungen.
Für hohe Schallpegel und die Herausforderungen, die damit verbunden sind, haben wir einen eigenen Beitrag verfasst.
In diesem Betrag beschäftigen wir uns mit Messungen von niedrigen Schallpegeln im Bereich der Hörschwelle.
Im Bereich der professionellen akustischen Messtechnik haben sich seit vielen Jahrzehnten 1/2" Kondensator-Mikrofonkapseln als "Arbeitspferde" etabliert. Diese haben eine Empfindlichkeit von 50mV/Pa. Das Eigenrauschen dieser Kapseln liegt bei ca. 15dB(A). Bei einem Schallpegelmesser kommen noch Rauschen durch die Vorverstärker hinzu. Daher zeigt auch ein hochwertiger Schallpegelmesser bei völliger Ruhe einen Pegel von 15-20dB(A) an.
In ruhiger Umgebung können wir auch Schallpegel in der Größenordnung von 20dB hören und wir nehmen diese auch als störend war. Typisches Beispiel sind Beamer in Heimkinosystemen. Aber auch Lüftungsanlagen, die auch nachts in Schlafzimmern in Betrieb sind.
Um einen Schallpegel zuverlässig zu erfassen, muss das Eigenrauschen des Meßsystems ca. 6 bis 10dB unterhalb des Pegels der zu messenden Schallquelle sein. In der Praxis kann ein leiser Lüfter mit 18dB(A) nicht mit einem typischen Schallpegelmesser vermessen werden.
Die Größe der Membran der Kondensatorkapsel hat direkt Einfluss auf das Eigenrauschen. Eine größere Kapsel "fängt" mehr Schallenergie ein. Grundsätzlich sind kleine 1/4" Kapseln wie das ECM8000 von Behringer oder Beyerdynamic MM1 für rauscharme Messungen ungeeignet.
Große 1" Kapseln verringern zwar das Eigenrauschen um 3dB, allerdings haben diese großen Kapseln bei hohen Frequenzen ein ausgeprägtes Eigenleben mit ausgeprägten Resonanzen. Daher verwendet man heutzutage 1"-Kapseln nur in Ausnahmefällen. Großmembrankapseln mit mehr als 1" aus der Studiotechnik, sind zwar rauscharm, aber für Messzwecke ungeeignet.
Seit einigen Jahren bieten verschiedene namhafte Hersteller auch spezielle 1/2" Messmikrofone an, die ein Eigenrauschen von 5-6dB(A) haben. Diese Kapseln werden zusammen mit einem passenden Vorverstärker verkauft und bilden eine Einheit. Wir verfügen in unserem Labor über solche Meßsysteme (z.B. GRAS 40HL) und bieten damit auch Messungen an.
Das folgende Bild zeigt ein GRAS40HL mit LEMO Anschluß.
Zu einem Gesamtsystem gehört eine Versorgungseinheit z.B. 12AD
Diese Technik wird mittlerweile auch etwas günstiger als ICP/IEPE System angeboten, hier finden sich die üblichen Hersteller B&K, GRAS, PCB und MTG.
Das folgende Bild zeigt ein MM214 von Microtech Gefell
Allen gemeinsam ist die Bauform 1/2". Damit sind diese Systeme im Gegensatz zu 1" Mikrofonen auch für höhere Frequenzen geeignet.
Wie kann es jedoch sein, dass diese System 10dB rauschärmer sind als normale 1/2" Mikrofone?
Dei Grundidee ist, die Membran wird lockerer aufghängt, die Dämpfung wid angepasst. Dadurch wird das Mikrofon erheblich empfindlicher. allerdings wird der Frequenzgang krumm. Es bildet sich eine ausgeprägte Resonanz bei 8-10kHz. Dieser Frequenzgang wird im Vorverstärker korrigiert, so dass die Anforderungen der IEC61672-1 Klasse 1 erfüllt wird.
Daher bilden bei diesen Systemen Kapsel und Vorverstärker eine Einheit und können nicht getrennt werden.
Zusätzlich wird die A-Kurve intensiv ausgenutzt, da dadurch besonders viel Rauschen entfernt wird.
Zu beachten ist, dass diese Mikrofone bei 1Khz mit einem normalen Schallpegelkalibrator bei 94dB kalibriert werden können. Bei höheren Frequenzen sinkt aufgrund der ausgeprägten Resonanz der maximale Schallpegel. Letzlich sind diese Mikrofone für ein Spezialgebiet optimiert. Sie sind keinesfalls als generelle Messmikrofone einsetzbar.
Messaufbau: Wir verwendeten eine mechanische Uhr, die 50cm vor dem Mikrofon aufgestellt wurde. Die Pegel der einzelnen Aufnahmen sind sorgfältig aufeinander abgeglichen.
Bei vielen Mess-Aufgaben steht der maximal messbare Schalldruck im Vordergrund. In diesem Dokument fassen wir die wichtigsten Einflussgrößen zusammen.
Pegel bis 120dB können mit den meisten System gemessen werden. Je kleiner die Membranfläche, desto größer der maximale Pegel. Daher sind 1/4" oder 1/8" Mikrofone in der Regel besser geeignet als 1/2" Mikrofone.
Es ist jedoch wichtig, auch darauf zu achten, dass der Vorverstärker bzw. ADC nicht übersteuert und den Pegel des Mikrofons begrenzt.
Der Schall wirkt auf die Membran der Mikrofons und erzeigt ein Spannungsgröße. Ein zu hoher Schalldruck kann die empfindliche Membran einfach mechanisch zerstören. Diesem Schallpegel dürfen die Mikrofone niemals ausgesetzt werden. Solch hohe Schallpegel entstehen nicht nur bei Düsentriebwerken oder Explosionen, sondern beim schnellen Einführen eines Mikrofons in einen Schallpegelkalibrator, können enorme Drücke auftreten.
Der sinnvolle Pegelbereich ist jedoch wesentlich kleiner, da die Membranbewegung bei hohen Pegeln nicht-linear wird. Es treten Verzerrungen auf, die das Messergebnis verfälschen. Dieser Grenzschallpegel, bei dem der Klirrfaktor noch unter 3% (bei 1kHz) liegt, wird meist im Datenblatt angegeben.
Bei einem typischen 1/2" Klasse 1 Mikrofon (mit 50mV/Pa) (dem "Arbeitspferd" in der Messtechnik) liegt dieser Wert bei 146dB RMS bzw. 149dB Peak (Microtech Gefell MK250).
Bei einem 1/4" Mikrofon mit 5mV/Pa liegt der maximale Schallpegel bei 155dB RMS und 158dB Peak (Microtech Gefell MK301E)
Es sehr wichtig, in den den Datenblättern den maximalen Pegel, der zur Zerstörung führt, und den Grenzschallpegel zu unterscheiden. Weiterhin muss klar zwischen Peak und RMS unterschieden werden. In jedem Fall sollte man Reserven einplanen und die Kapseln nicht an den Grenzbereichen betreiben
Eine typische 1/2" Mikrofonkapsel mit 50m/Pa liefert bei 145dB Schalldruck (RMS) eine Spannung von 17,7V RMS also +/-25V. Diese hohe Spannung muss vom Vorverstärker auch verarbeitet werden, sonst übersteuert er.
50V sind für Transistorschaltungen eigentlich kein Problem, aber die Vorverstärker sind in der Regel auf hohe Empfindlichkeit und niedriges Eigenrauschen ausgelegt.
Daher wird der maximale Schallpegel der Kapsel wird weiter durch die elektrische Verstärkerkette verringert. Hierbei ist die maximale Ausgangsspannung bzw. Eingangsspannung der Vorverstärker von zentraler Bedeutung.
Systeme, die mit Konstantstrom betrieben werden (ICP/IEPE) liefern eine maximale Ausgangsspannung von 3-6,5V RMS (Microtech Gefell MV210 6,5V).
Systeme, die mit 48V Phantomspannung betrieben werden liefern ca. 3V RMS. Diese Vorverstärker kommen aus der Studiotechnik und werden u.a. auch beim NTI AL1, NTI XL2, NTI XL3 verwendet.
In der professionellen akustischen Messtechnik werden Vorverstärker mit einem LEMO Anschluss verwendet. Diese werden mit einer Versorgungspannung von 120V betrieben und liefern Ausgangsspannungen bis 33V RMS (Microtech Gefell MV203)
|
Anschluss |
maximale Spannung RMS |
|
LEMO |
33V |
|
ICP/IEPE |
6V |
|
XLR P48 |
3V |
Ein typisches Mess-Mikrofon hat eine Empfindlichkeit von 50mV/Pa. Bei einem Schallpegel von 94dB RMS beträgt die Ausgangspannung daher 50mV RMS
Die folgende Tabelle zeigt die Ausgangspannung für verschiedene Schallpegel
|
120dB |
1.0V |
|
125dB |
1.7V |
|
130dB |
3.1V |
|
135dB |
5.6V |
|
140dB |
9.9V |
|
145dB |
17.7V |
Ein Vorverstärker mit 3V Ausgangsspannung erreicht daher schon eher die Begrenzung als die Kapsel selbst. Bei digitalen System muss auch der maximale Eingangsbereich des AD-Wandlers berücksichtigt werden.
Im allgemeinen wird das Signal aus dem Vorverstärker durch einen ADC digitalisiert. Diese Module haben jedoch auch nur einen beschränkten Spannungsbereich. Entweder ist der ADC für niedriges Rauschen ausgelegt, dann übersteuert er jedoch bei höheren Pegeln. Oder der ADC ist für hohe Pegel ausgelegt, dann steigt das Eigenrauschen.
Heutige ADCs haben mit sehr hohem Schaltungsaufwand einen Dynamikbereich von 120dB. Hochwertige Geräte nutzen typischerweise 100dB. Daher verwenden die meisten Schallpegelmesser verschiedene Messbereiche, um einen weiten Pegelbereich abzudecken.
MEMS Mikrofone haben als mikromechanische System einen völlig anderen Aufbau als klassische Kondensator Mikrofone. Man findet Sie heute in allen Smartphones und ähnlichen Geräten. Typische MEMS Mikrofone hatten eineb relativ geringen maximalen Pegel von 110dB und ein hohes Eigenrauschen. Mittlerweile sind jedoch auch MEMS Mikrofone mit einem Pegel von 138dB verfügbar.
Einsatz einer unempfindlicheren Kapsel.
Bei 1/2" Systemen mit Gewinde 60UNS sind (elektrische) Dämpfungsglieder (5,10,20dB) verfügbar, die die Ausgangsspannung der Kapsel verringern.
Akustische Dämpfer. Der Schallpegel an der Mikrofonmembran wird durch Dämpfungsmassnahmen verringert, z.B. Gehäuse oder absorbierende Materialien. Hierbei ist problematisch, dass sich die Richtcharakteristik verändert. Zudem kann ein Schallpegelkalibrator nicht einfach angesteckt werden.
Grundsätzlich können hohe Schallpegel sinnvoller mit kleineren Mikrofonkapseln (1/4") gemessen werden, da diese einen höheren Grenzschallpegel haben und durch die geringere Empfindlichkeit (typisch 1-5mV) die nachfolgenden Verstärker nicht so schnell übersteuern.
