Ein klassisches akustisches Messystem besteht aus Mikrofonkapsel, Impedanzwandler, Vorverstärker, Spannungsversorgung, AD-Umsetzer. Dieser Aufbau ist aufwendig und anfällig für Fehler.
Seit einiger Zeit sind jedoch leistungsfähige und hochintegrierte USB Messmikrofone verfügbar.
Die Vorteile solcher Lösungen sind:
Aufbau ist wesentlich einfacher:
So sollte Messtechnik mit einem PC sein.
Im allgemeinen funktionieren diese neuen USB Messmikrofone mit allen Mess-Programmen auf dem Markt. Einzig die Pegelkalibrierung bekommt man nur bei speziell abgestimmten Systemen.
Die Leistung reicht dabei von einfachen System bis hin zu Systemen, die höchsten Anforderungen (B&K Kapsel via Gewinde 60 UNS und optional 200V) genügen.
USB Messmikrofone eignen sich für viele akustische Messungen z.B. Überwachungsmessungen nach TA-Lärm, Messungen im Arbeitsschutz , kalibrierte Langzeit-Tonaufzeichnungen, DIN60286-16 (STI-PA), Raumakustik, Bauakustik, NVH, Psycho-Akustik
USB Messmikrofone decken einen weiten Frequenzbereich ab, vom Infraschall (typisch 5Hz) bis in den Ultraschallbereich (ca. 90kHz)
Mittlerweile sind viele Produkte auf dem Markt verfügbar, daher haben wir in einem Artikel die verschiedenen USB Mikrofone - von low-cost bis high-end - übersichtlich zusammen gefasst. Sie finden eine Auswahl bei uns direkt im Webshop.
Ein USB Messmikrofon besteht aus folgenden Komponenten
All diese Komponente sind ein einem Gehäuse integriert, so daß der Aufbau sehr kompakt ist. Die Stromversorgung erfolgt vollständig über USB. Dadurch ist der Verkabelungsaufwand minimal.
Der Schall wird in der Mikrofonkapsel durch die Membran in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses hat einen sehr hohen Ausgangswiderstand. Durch einen Impedanzwandler wird die Impedanz verringert. Dies ist üblicherweise ein Feldeffektransistor, der sich direkt hinter der Mikrofonkapsel befindet. Dadurch werden elektrische Einstreuungen verringert.
In der nächsten Stufe wird das Signal verstärkt. Einfache Systeme verwenden dafür den integrierten Verstärker eines hochintegrierten Audio-ICs. Allerdings reicht die Dynamik für anspruchsvolle Messungen nicht aus. Daher verwenden hochwertige Systeme (z.B. unsere ATD-4 Serie) einen diskreten Vorverstärker, der perfekt abgestimmt ist.
Die Verstärkung kann in weiten Bereich digital gesteuert werden, dadurch können über den PC verschiedene Messbereiche realisiert werden.
Das Signal wird über einen AD-Wandler digitalisiert und über die USB-Schnittstelle zum PC geschickt.
Hochwertige Mikrofonkapseln haben einen enormen Dynamikumfang (z.B. eine 1/2" Kapsel typisch 15-140dB). Dieser Bereich kann durch einen AD-Wandler nur eingeschränkt erfasst werden.
In hochwertigen USB-Messmikrofonen wird das Signal mit einem zweiten Kanal zusätzlich abgetastet. Der zweite Kanal hat einen anderen Pegelbereich. Das Signal wird also gleichzeitig mit einem unempfindlichen und einem empfindlichen AD-Wandler abgetastet. Auf diese Weise kann ein sehr großer Dynamikbereich erfasst werden.
Im allgemeinen wird ein USB-Messmikrofon mit 5V vom USB-Bus versorgt. Einfache USB-Messmikrofone (z.B. das weit verbreitete UMIK-1) versorgen damit den AD-Umsetzer und die Vorverstärker direkt. Damit wird jedoch der maximale messbare Schgallpegel begrenzt, da Mikrofonkapseln enorme Signalspannungen liefern können. Für diesen Hintergrund zur Messung hoher Schallpegel haben wir einen eigenen Artikel verfasst.
Hochwertige USB-Messmikrofone verwenden daher DC/DC-Wandler und können auch Signal-Spannungen von 10V RMS erfassen. Dies sind 28V Spitze/Spitze!. Diese Technik finden Sie im ATD5-T von uns und im Microtech-Gefell MV240.
USB-Messmikrofone sind dafür ausgelegt, in Verbindung mit einem PC akustische Messungen elegant und mit höchster Genauigkeit durchzuführen. Der Ausgang eines USB-Messmikrofons ist digital. Das Mikrofonsignal kann nicht rein analog erfasst werden. Daher können USB Messmikrofone nicht in analoge Messaufbauten integriert werden. USB-Messmikrofone können auch nicht an Schallpegelmesser angeschlossen werden. Einzig die Kapsel kann häufig zwischen beiden System ausgetauscht werden.
Manche USB Mikrofone zeigen in den Aufnahmen deutliche Störungen, die an Vogelgezwitscher erinnern. Wir haben zu diesem Thema -Störungen bei USB Mikrofonen- einen eigenen Beitrag verfasst.
In einem idealen Hallraum, mit seinem diffusen Schallfeld, fällt der logarithmische Schallpegel linear mit der Zeit ab. Daher ist es sinnvoll, die akustischen Eigenschaften eines solchen Raumes durch einen Parameter zu beschreiben: der Nachhallzeit
Unter realen Bedingungen ist nur ein Teil der Abklingkurve linear. Daher kann ein solcher Verlauf nur schwer mit nur einem Parameter beschrieben werden. Die Abklingzeit im frühen Bereich kann erheblich vom diffusen Teil abweichen.
Man versucht durch lineare Ausgleichsrechnung (Regression) eine optimale Grade zu bestimmen, die den Verlauf der Kurve am besten beschreibt. Je besser die Abklingkurve durch eine Gerade angenähert werden kann, desto mehr entspricht die Schallausbreitung einem diffusen Schallfeld.
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.
Typische Fehlerquellen sind:
Der Signal/Störabstand ist zu gering. 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.
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 des Lautsprechers platziert werden.
An der folgenden Messung zeigen wir, wie fehlerhafte Messungen erkannt werden können. In diesem Beispiel wurde das Messmikrofon direkt vor dem Lautsprecher platziert. Zusätzlich waren laute Lüfter vorhanden.
Die Kurve zeigt die Nachhallzeit über der Frequenz
Die Tabelle zeigt die Nachhallzeit in 1/3 Oktavbändern mit dem Fehlerindex.
Frequenz [Hz] | 125 | 160 | 200 | 250 | 315 | 400 | 500 | 630 | 800 | 1000 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
RT60 [ms] | 10746 | 395 | 209 | 171 | 116 | 258 | 108 | 75 | 138 | 25 |
Fehlerindex | 535 | 117 | 193 | 38 | 58 | 43 | 50 | 94 | 155 | 27 |
Frequenz [Hz] | 1000 | 1250 | 1600 | 2000 | 2500 | 3150 | 4000 | 5000 | 6300 | 8000 | 10000 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
RT60 [ms] | 25 | 74 | 140 | 162 | 169 | 167 | 131 | 135 | 165 | 160 | 161 |
Fehlerindex | 27 | 248 | 262 | 32 | 93 | 35 | 127 | 7 | 8 | 11 | 6 |
Es ist offensichtlich, dass im Band 125Hz keine sinnvollen Messergebnisse enthalten sind.
Es ist daher sinnvoll, die einzelnen Abklingkurven in Terzbändern zu betrachten. Dies können Sie mit Akulap sowohl per Hand als auch automatisch für alle Bänder machen.
Mit der Funktion Module->Nachhallzeit->Abklingkurven als Bericht werden automatisch alle Abklingkurven in Terzauflösung dargestellt.
Aus diesem Bericht haben wir das 125Hz Band und das 6000Hz Band ausgewählt als Beispiele für eine extrem ungünstige und eine durchaus vertretbare Messung.
Band 125Hz Nachhallzeit RT60=10012ms Fehlerindex=449.5
Band 6300Hz Nachhallzeit RT60=170ms Fehlerindex=8.4
Der nutzbare Bereich der Abklingkurve ist bei 125Hz viel zu gering.
Durch eine manuelle Analyse kann zumindest dieser geringe Bereich ausgenutzt werden. Daher wird die Bandbegrenzung auf das Band 125Hz eingestellt.
Der nutzbare Bereich der Abklingkurve ist mit 7dB viel zu gering für eine zuverlässige Messung nach DIN3382. Der Wert von 270ms kann lediglich als grober Anhaltspunkt betrachtet werden.
Hilfreich ist grundsätzlich die Analyse des Störabstandes. Hierfür ist im automatischen Bericht eine Kurve enthalten mit der die Ursache für eine fehlerhafte Messung schnell erkannt werden kann.
Man kann das Störsignal bei 125Hz, das von einer Lüftungsanlage kommt leicht erkennen. Hier ist praktisch kein Störabstand vorhanden. Aber auch in den anderen Frequenzbereichen ist der Abstand knapp.
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 in der Audiotechnik mehrdeutig. In Aufnahmen soll einerseits das Rauschen möglichst gering sein. Anderseits ist das Rauschen neben den Sinussignalen das wichtigste Testsignal 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.
Das folgende Bild zeigt das Spektrum von weissem Rauschen. Die blaue Kurve ist der Momentanwert. Die rote Kurve ist der Mittelwert über 20s. Weisses Rauschen hat eine konstante mittlere spektrale Leistungsdichte
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.
Die Energieverteilung sieht man am besten in Oktav-Bändern. Pro Oktave nimmt der Pegel um 3dB zu.
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.
Das folgende Bild zeigt das Spektrum von rosa Rauschen. Die blaue Kurve ist der Momentanwert. Die rote Kurve ist der Mittelwert über 20s. Rosa Rauschen hat eine fallende spektrale Leistungsdichte. Das Signal klingt auch im direktem Vergleich mit weissem Rauschen deutlich dumpfer und erinnert an einen Wasserfall.
Bei einer Oktavanalyse ist der Pegel pro Band konstant.
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.Eine thermische Überlastung ist weniger das Problem. In der Praxis wird rosa Rauschen zu unteren Frequenzen bandbegrenzt und damit wird die maximale Amplitude begrenzt.
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, dass 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.