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Ing. Büro Dr. Jordan für Akustik
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Ein Mikrofon setzt ein Schalldruck in eine elektrische Spannung um.
Wie kann man das Übertragungsverhalten für unterschiedliche Frequenzen messen?
Freifeldbedingungen für Schall bedeutet die freie Ausbreitung als Kugelwelle. Diese theoretischen Bedingungen können in der Praxis nur mit Einschränkungen erreicht werden. Jedes Objekt in der Nähe der Schallquelle oder des Mikrofons führt zu Reflektionen des Schalls. Diese Reflektionen führen zu unerwünschten Absenkungen oder Überhöhungen des Frequenzgangs. Man bemüht sich, alle Wände und andere reflektierende Flächen mit absorbierenden Materialien auszukleiden. Für höhere Frequenzen (>300Hz) gelingt das recht gut mit porösen Materialien (Schaumstoff, Dämmwolle). Bei tiefen Frequenzen wird dies jedoch weitaus schwieriger.
Absorberkammern müssen möglichst groß sein, um einen großen Abstand zu den Wänden zu haben. Insgesamt ist der Aufwand für leistungsfähige Absorberkammern enorm. Daher verfügen nur wenige Labore über solche Räume.
Steht ein solcher Raum jedoch zur Verfügung, so verwendet man die Substitutionsmethode. Eine Schallquelle wird mit einem Referenzmikrofon vermessen. Danach wird an der identischen Position das Testmikrofon vermessen. Die Differenz zum Referenzmikrofon ergibt den gewünschten Frequenzgang des Testmikrofons. Da es nahezu Freifeldbedingungen sind, ist die Position der Mikrofone nicht ganz so kritisch. Entscheidend ist nur der Abstand zur Schallquelle. In realen Räumen sollte die Position jedoch millimetergenau wiederholt werden.
Der Frequenzgang eines Schallpegelmessers hängt nicht nur von dem Mikrofon ab. Beugungseffekte und Reflektionen an anderen Teilen des Schallpegelmessers können den Frequenzgang deutlich verändern. Daher müssen manche Geräte wie der NTI XL2 in der bauartgeprüften Variante mit abgesetztem Mikrofon betrieben werden.
Ein weiteres Beispiel sind falsch dimensionierte Druckausgleichsöffnungen der Mikrofonkapsel.
Solche Effekte können nur unter Freifeld-Bedingungen ermittelt werden, da nur dann alle Komponenten mit dem Schallfeld interagieren.
Eine Freifeldmessung ist für eine Qualitätssicherung während der Produktion viel zu aufwendig. Ähnliches gilt für die laufende Überwachung von Messmitteln in größeren Firmen. Ein Kondensatormikrofon kann nicht nur mit Schall angeregt werden sondern auch durch ein elektrisches Feld. Man schraubt das Schutzgitter ab und ersetzt dies durch ein elektrostatischen Aktuator. Gemessen wird die rein elektrische Übertragungsfunkton zwischen Aktuator und Ausgang des Mikrofons. Für jeweils einen Mikrofontyp muss der Zusammenhang einmalig zwischen Freifeld-Übertragungsfunktion und Aktuator-Übertragungsfunktion gemessen werden. Danach kann durch eine Korrektur der Freifeld-Frequenzgang berechnet werden. Dies funktioniert solange, wie die Grundkonstruktion des Mikrofons nicht verändert wird. Dies Messung ist schnell, unabhängig vom Raum oder anderen akustischen Störquellen. Dieses Messverfahren funktioniert nur mit Kondensatormikrofonen nach DIN/IEC61094 definierten Bauformen. Mikrofone mit fest eingebauten Elektret-Mikrofonen z.B. Behringer ECM8000 oder UMIK-1 können so nicht vermessen werden.
Die Mikrofonkalibrierung nach dem Reziprozitäts-Verfahren wird verwendet, um den Übertragungsfaktor von Laboratoriums-Normal Mikrofone mit geringstmöglicher Messunsicherheit zu bestimmen. Das Verfahren ist international nach DIN/IEC 61094-2 standardisiert. Diese Kalibrier-Methode basiert darauf, dass Kondensator-Mikrofone reziproke Schallwandler sind. Reziproke Schallwandler können sowohl als Schallempfänger als auch als Schallsender eingesetzt werden. Ein Kondensator-Mikrofon funktioniert auch als Lautsprecher. Diesen Effekt nutzt man auch bei elektrostatischen Kopfhörern. Das entscheidende ist, dass die Übertragungseigenschaften in beiden Richtungen umrechenbar sind. Bei der Reziprozitätsmethode werden 2 von 3 Mikrofonen akustisch miteinander gekoppelt, wobei ein Mikrofon als Schallsender und ein Mikrofon als Schallempfänger fungiert . Dieses Verfahren erreicht höchste Genauigkeit und wird in der Praxis von speziellen Kalibrierlaboren und Forschungseinrichtungen verwendet.
Ein definiertes Schalldruckfeld lässt sich wesentlich einfacher erzeugen als ein Freifeld. Ein kleiner Lautsprecher dient als Schallquelle und erzeugt ein Druckfeld in einem möglichst kleinen Volumen. In diesem Volumen sind zwei Mikrofone - akustisch gekoppelt - eingebaut. Ein Referenzmikrofon und das zu testende Mikrofon. Beide Mikrofone sind möglichst identischen akustischen Bedingungen ausgesetzt. Es handelt sich daher um eine direkte Vergleichsmethode. Der Frequenzgang des Lautsprechers ist unerheblich. Der enorme Vorteil dieser Methode ist, dass sie ähnlich wie die Methode mit elektrostatischem Aktuator unabhängig vom Raum und anderen akustischen Störquellen ist. Die Mikrofone müssen nicht aufwendig wie bei der Freifeld-Methode im Raum positioniert werden. Es können prinzipiell alle Bauformen von Mikrofonen vermessen werden, sofern diese mechanisch in den Kuppler passen und nach hinten geschlossen sind. Der Frequenzbereich reicht von ca. 30Hz bis 16kHz. Gerade höhere Frequenzen sind für solche Messverfahren eine Herausforderung. Umgekehrt können gerade tiefere Frequenzen, die in einem normalen Raum kaum messbar sind, sehr reproduzierbar und genau gemessen werden. Grundsätzlich können nur Mikrofone ähnlicher Bauweise verglichen werden, da sonst das Schallfeld im Kuppler nicht mehr symmetrisch ist. Weiterhin sollten auch nur Mikrofone mit identischer Entzerrung verglichen werden.
Das obige Bild zeigt einen vollständigen akustischen Messplatz
Das Kundt'sche Rohr besteht aus einem Hohlzylinder. In diesem Hohlraum wird ein definiertes Schallfeld erzeugt. Hauptsächlich setzt man diesen Aufbau ein, um Absorptionseigenschaften von Materialien zu vermessen. An einem Ende befindet sich ein Lautsprecher als Schallquelle. Am anderen Ende befindet sich die Materialprobe. An verschiedenen Positionen werden Mikrofone eingebracht, um das Schallfeld zu vermessen. Durch Austausch der Mikrofone, bei sonst gleichen Bedingungen, können Mikrofone verglichen werden.
Es ist sehr schwierig die Übertragungsfunktion eines Mikrofon in einem normalen Raum zu messen. Die Effekte durch Reflektionen überlagern alles. Gerade bei höheren Frequenzen (>300Hz) kann man aber einen Raum effizient mit Absorbern auskleiden. Hier erreicht man mit vertretbarem Aufwand nahezu Freifeld-Bedingungen. Man hilft sich auch, indem man im Nahfeld eines Lautsprechers misst und Reflektionen durch die Auswertung zeitlich wegfiltert. Eine Wellenfront benötigt auch einige Zeit, um beginnend vom Lautsprecher, dann über das Mikrofon, die erste Wand zu erreichen. Man wertet daher nur die erste Wellenfront aus. Das funktioniert aber auch nur bei höheren Frequenzen. Problematisch ist immer die Positionierung der Mikrofone, da das Schallfeld extrem ortsabhängig ist. Es ist zunächst naheliegend die beiden Mikrofone gleichzeitig zu messen. Hier kommt es aber zu unerwünschten Reflektionen zwischen den Mikrofonen, die das Messergebnis erheblich verfälschen können.
Im allgemeinen ist es ungünstig, extrem schmalbandige Signale, wie einzelne Frequenzen mit einem Sinus-Signal zu verwenden. Hier machen sich Raum-Resonanzen besonders stark bemerkbar. Es ist günstiger, schmalbandiges Rauschen (z.B. in Terzbändern) zu verwenden. Dadurch findet schon eine gewisse Mittelung im Frequenzbereich statt.
Druckkammerverfahren eignen sich gut für tiefere Frequenzen. Der konstruktive Aufwand für eine Messbox ist sehr gering. Umgekehrt können höhere Frequenzen in normalen Räumen halbwegs sinnvoll gemessen werden. Die Idee ist, man misst zunächst tiefere Frequenzen im Druckfeld in einer kleinen Messbox und im zweiten Schritt unter quasi-Freifeld Bedingungen in einem akustisch nur grob behandeltem Raum. Die unterschiedlichen Frequenzbereiche werden in der Auswertung kombiniert. Dieses Verfahren findet sich gelegentlich im DIY-Bereich. Im professionellen Bereich verwendet man eher eine Präzionsdruckkammer, die reproduzierbar bis 16kHz einsetzbar ist und in der Serienmessung wesentlich wirtschaftlicher ist. Insbesondere ist der zeitliche Aufwand wesentlich geringer.
Der Schallpegelkalibrator AZ8930 ist ein relativ neuer Schallpegelkalibrator (Auf dem Markt seit ca. 2020) im günstigsten Preissegment
Technische Daten (laut Hersteller)
Es gibt sogar eine Baumusterprüfung eines zertifizierten Labors. Grundsätzlich weckt ein solches Zertifikat natürlich Vertrauen, aber in dem Dokument wurde der Kalibrator mit einem festen Mikrofontyp (B+K 4134) vermessen. Aufgrund leicht unterschiedlicher Geometrie anderer Mikrofone ändert sich das Kammervolumen. Da der Kalibrator ungeregelt ist, ändert sich damit auch der Schallpegel. Für der Baumusterprüfung des AZ8930 wurden die beiden Testkandidaten vom Hersteller exakt justiert und erreichen dort natürlich gute Werte. In der Praxis sieht das allerdings anders aus.
Vorteile:
Nachteile
Schauen wir uns das Gerät im Detail an:
Das AZ8930 ist vollständig digital mit Mikroprozessor aufgebaut. Dadurch wird es kaum Abweichungen bei der Signalfrequenz geben. Durch den digitalen Aufbau konnte auch der ungewöhliche Pegel von 104dB ohne grossen Aufwand eingebaut werden.
Die Schallquelle ist ein relativ großer dynamischer Lautsprecher.
Ein Referenzmikrofon ist nicht verbaut. Dadurch ist der Kalibrator ungeregelt. Undichtigkeiten oder ein verändertes Kammervolumen (Mikrofon steckt nicht richtig drin oder anderer Mikrofontyp) wirken sich direkt auf den Schallpegel aus.
Es ist kein Einstellpotentiometer vorhanden. Dadurch kann das Gerät nach Jahren der Nutzung nicht ganz so einfach justiert werden. Das Geräte kann jedoch vom Hersteller und zugelassenen Laboren (wir gehören dazu) justiert werden. Eine einfache Justage über eine Potientiometer, wie bei jedem anderen Kalibrator, ist nicht möglich.
Ein idealer Schallpegelmesser erfasst zunächst alle Frequenzen gleichmäßig. Diese Bewertung wird als "Z" (zero) oder flat bezeichnet.
Die Empfindlichkeit des menschlichen Ohres variiert jedoch stark im Frequenzbereich von 20Hz bis20kHz. Ein Ton bei 2kHz erscheint erheblich lauter als 15kHz. Dieser Effekt wird bei akustischen Messungen berücksichtigt, indem die niedrigen und hohen Frequenzen gedämpft werden. Am weitesten verbreitet ist die DIN „A“-Kurve. Messungen, die auf einer solchen Bewertung basieren, werden mit dB(A) bezeichnet.
Unsere Frequenzwahrnehmung ist jedoch zusätzlich pegelabhängig. Bei höheren Pegeln nehmen wir tiefe und höhere Frequenzen im Verhältnis besser wahr. Hier verwendet man häufig die "C"-Kurve.
Die Bewertungsfilter sind so normiert, daß die Dämpfung bei 1kHz exakt 0dB beträgt.
Man müsste eigentlich für jeden Pegel unterschiedliche Frequenzbewertungen verwenden. Genau dies macht man den komplexeren psycho-akustischen Messungen, die unser Hörvermögen weitaus besser abbilden. Historisch bedingt, hat sich jedoch die A-Kurve weitestgehend durchgesetzt.
Einfache Schallpegelmesser besitzen keine Oktav oder Terzanalyse, um einzelne Frequenzbereiche gezielt auszuwerten. Mit einem einfachen Trick kann man jedoch auch mit einem solchen Gerät erkennen, ob deutliche Anteile bei tieferen Frequenzen vorhanden sind. Man misst den Schallpegel A bewertet und zusätzlich C bewertet. Ist die Differenz größer als 20dB, so ist dies ein deutlicher Hinweis auf tiefe Frequenzen.
In der DIN61672-1 sind die A,C,Z Kurven definiert. Die A und C Kurven sind in nahezu jedem Schallpegelmesser integriert. Die Z Kurve findetg man nur in höherwertigen Geräten.
In der Audiotechnik gibt es jedoch viele weitere Bewertungsfilter
Die A-Kurve wird sehr häufig verwendet. Selbst einfache Handschallpegelmesser verfügen über diese Bewertung. Sie basiert auf den Arbeiten von Fletcher–Munson und entspricht dem typischen Hörvermögen bei 40phon. Allerdings bildet diese Kurve das Hörvermögen bei Rauschen nur unzureichend wieder. Die nach A gemessenen Rauschabstände spiegeln nicht ausreichend den subjektiven Höreindruck wieder. Gerade bei Verfahren zur Rauschunterdrückung wie Pre-Emphase oder die bekannten Dolby Verfahren (Tape-Rekorder) ist die A-Kurve ungeeignet.
Daher haben sich mittlerweile andere Bewertungskennlinien durchgesetzt. Von besonderer Bedeutung ist die CCIR/ITU-R 468 Kurve. Sie fällt bei hohen Frequenzen stark ab und betont den Bereich um 5kHz. In diesem Frequenzbereich ist das menschliche Ohr sehr empfindlich gegenüber Rauschen. Nimmt man an, dass die Rauschquelle weiß ist, so liegen die A-Werte ca 10dB unterhalb den CCIR/ITU-R 468 Werten bei einer Bandbreite von 20-20kHz.
Dies mag aus Marketingsicht ein Grund sein eher A-Filter zu verwenden, da die Werte im allgemeinen „besser“ sind. Dieses Beispiel zeigt aber auch, daß bei seriösen und belastbaren Messungen immer die Bewertungsfilter mit angegeben werden müssen, da die Ergebnisse sonst nicht vergleichbar sind.
Diese Bewertungskennlinie eignet sich insbesondere für Messungen an Mikrofonen (Rauschbewertung) und bei Klirranalysen.
Die CCIR/ITU-R 468 Kurve hat ihr Maximum bei ca. 6.3kHz mit 12.2dB. Bei 1kHz liegt sie wie üblich bei 0dB.
Wir werden häufig gefragt: Ist denn das Messgerät geeicht?
Meist wird Eichung mit Kalibrierung verwechselt. Oder Eichung wird als bestmögliches Gütesiegel gedeutet.
Die Kurzfassung: Eine Eichung ist ein hoheitlicher Vorgang, bei dem das Eichamt nach genau definiertem Prozess eine Eichplakette vergibt.
Das grundsätzliche Ziel ist es, für Schallpegelmesser bestimmte Qualitätsmerkmale zu definieren, um Messungen mit einer definierten Genauigkeit durchzuführen.
Die Grundlage hierfür ist die internationale Norm DIN/IEC6162-1. Diese Norm definiert für Schallpegelmesser bestimmte Anforderungen und teilt die Geräte in Klasse 1 und 2 ein. In dieser Norm finden sich Anforderungen an den Frequenzgang, die Temperaturabhängigkeit usw.
Jeder Hersteller kann zunächst seine Geräte eigenständig nach Klasse 1 und Klasse 2 definieren.
Unternehmen müssen im Zuge ihrer Qualitätssicherung ihre Messmittel regelmässig überprüfen, ob sie die Anforderungen des Herstellers noch erfüllen.
Ein Prüflabor, z.B. nach DAkkS akkreditiert, überprüft bestimmte Parameter wie den Frequenzgang.
Einige Größen und Einheiten unterliegen in Deutschland dem Eichgesetz. Dazu gehören Gewichte, Mengen (Tankstelle) aber historisch bedingt auch der Schallpegel. Andere Größen wie Spannung oder Frequenzen jedoch nicht.
Das Eichamt überprüft bei einem Schallpegelmessgerät bestimmte Kenngrößen und vergibt bei Einhaltung eine gültige Eichplakette.
Voraussetzung für eine Eichung ist eine Baumusterprüfung nach DIN61672-2. Bei dieser Baumusterprüfung im englischen "type approval TA" wird eine Geräte-Serie von der PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt) in genau definiertem Umfang geprüft. Der Hersteller darf dies Geräte dann nicht mehr verändern. Auch eine geänderte Firmware-Version ist nicht zulässig.
In der Praxis mussten bauart-geprüfte Geräte im Rahmen des Qualitätsmanagments durch ein DAkkS Labor vermessen werden. Für die Eichung wurde das Gerät erneut (nach identischen Verfahren) durch das Eichamt vermessen, da dies ein hoheitlicher Vorgang ist. Mittlerweile können auch DAkkS-Labore Eichsiegel vergeben.
Geeichte Geräte werden nur von Stellen benötigt, die hoheitliche Vorgänge durchführen. Dies sind vereidigte Sachverständige, Polizei usw.
Eine Schall-Messung, die von Laien mit einem geeichten Gerät durchgeführt werden, hat keine höhere Beweiskraft als mit einem ungeeichten Gerät. Die ist auch plausibel, da durch Fehlbedienungen aufgrund von mangelnder Sachkunde völlig falsche Messungen erzielt werden können.
Schallpegelmesser, die zur Verwendung im amtlichen Verkehr bestimmt sind, unterliegen dem MessEG und der MessEV. Schallpegelmesser, die von Verwaltungs und Vollzugsbehörden entsprechend verwendet werden, sind folglich eichpflichtig. Die im Gesetz vorgesehenen Ausnahmen, bei denen MessEG und MessEV im amtlichen Verkehr nicht anzuwenden sind, sind in diesen Fällen nicht einschlägig.
Amtlicher Verkehr ist jede von einer Behörde oder in ihrem Auftrag zu öffentlichen Zwecken vorgenommene Handlung, die auf eine Rechtswirkung nach außen gerichtet ist. Der amtliche Verkehr umfasst auch die Erstattung von Gutachten für staatsanwaltschaftliche oder gerichtliche Verfahren oder in Schiedsverfahren. Soll also beispielsweise die Messung Grundlage im Verwaltungsverfahren sein, muss ein geeichtes Gerät verwendet werden. Der Einsatz nicht geeichter Schallpegelmesser bei „orientierenden“ Messungen ist folglich nur insoweit möglich, als auf die Ergebnisse keine Maßnahmen oder Entscheidungen gestützt werden.
Geeichte Schallpegelmesser müssen auch bei Messungen im öffentlichen Interesse eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um Messvorgänge außerhalb des geschäftlichen und amtlichen Verkehrs, bei denen die Verwendung eines dem MessEG und der MessEV entsprechenden Messgeräts durch Rechtsvorschrift angeordnet ist.
Auch in Vorschriften wie beispielsweise der TA Lärm oder der 18. BImSchV ist der Einsatz geeichter Schallpegelmesser ausdrücklich vorgesehen. Auch hier sind Messergebnisse Grundlage für amtliche Entscheidungen.
Nein, eine Eichung bedeutet nur, dass staatlich abgesichert die Herstellerangaben überprüft wurden. Da eine Eichung aber relativ teuer ist ca. 1500 Euro für zwei Jahre, werden in der Regel nur sehr hochwertige Geräte auch geeicht.
Umgangssprachlich werden Eichen und Kalibrieren gelegentlich synonym verwendet. Kalibrieren ist im wesentlich eine Überprüfung und ggf. eine Justage. Eichen ist ein hoheitlicher und streng spezifizierter Vorgang, der auch eine Messung und Justage beeinhaltet, und am Ende mit einem Eichzertifikat und einer Eichmarke besiegelt wird.
In unserem Labor verfügen wir über eine Vielzahl von hochwertigen Prüfmitteln.
Wie können Ihre Geräte Mikrofone, Schallpegelmesseren, Kalibratoren etc. vermessen und Sie erhalten ein Werkskalibrierschein.
Diese Messungen finden Sie bei uns im Webshop Rubrik Dienstleistungen.
Der Schallpegelkalibrator 4231 von Bruel und Kjaer ist seit Jahren die anerkannte Referenz für Schallpegelkalibratoren
Daher lohnt es sich, das Innenleben genauer anzuschauen.
ERFÜLLTE NORMEN: EN/IEC 60942 (2017), Klasse 1, Schallkalibratoren / ANSI S1.40-2006, Specification for Acoustic Calibrators, Klasse 1
SCHALLDRUCKPEGEL 94,0 dB ±0,2 dB (Hauptwert) oder 114,0 dB ±0,2 dB re 2
FREQUENZ 1 kHz ±0,1%
NOMINELLES ERSATZVOLUMEN DES KUPPLERS >200 cm3 bei Bezugsbedingungen
HARMONISCHE GESAMTVERZERRUNG <1%
PEGELSTABILITÄT
Kurzzeit: Besser als 0,02 dB (gemäß IEC 60942)
Ein Jahr: Besser als 0,05 dB
EINFLUSS DER UMGEBUNGSBEDINGUNGEN (typisch)
Temperaturkoeffizient: ±0,0015 dB/°C
Druckkoeffizient: +8 10–4 dB/kPa
Feuchtigkeitskoeffizient: 0,001 dB/% rF
Unten ist der Lautsprecher (elektro-dynamisch). Links ist das Refernzmikrofon. Rechts wird das Testmikrofon eingeführt
Es handelt sich hierbei um ein sehr hochwertiges 1/2" Messmikrofon mit externer 200V Polarisationspannung. Letzlich wird die gesamte Genauigkeit und langzeitstabilität über dieses Mikrofon erreicht.
