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Messmikrofone: Grundlagen und allgemeine Hinweise

Ein Mikrofon wandelt allgemein den einfallenden Schall in eine elektrische Spannung. Messmikrofone sind anders als z.B. Gesangsmikrofone für die Messtechnik optimiert.

Allgemeine Anforderungen an Messmikrofone

  • Konstanter Frequenzgang in einem definierten Bereich
  • Definierte Richtcharakteristik, meist Kugel
  • Geringes Rauschen
  • Hoher maximaler Schallpegel
  • Unempfindlich gegen Umwelteinflüsse wie Temperatur und statischem Luftdruck
  • Langzeitstabil

Auswahl nach Anschluss

Messmikrofone werden heutzutage mit verschiedenen Anschlüssen angeboten. Dabei sind nicht nur die Stecker völlig unterschiedlich, sondern die Schaltungsphilosphien sind sehr unterschiedlich. Daher gibt es nur in Ausnahmefällen Adapter z.B. ICP auf P48.

  • Lemo: Dieser Anschluss ist in der professionellen Messtechnik verbreitet und findet sich in den Premium-Geräten mit den höchsten Anforderungen an die Signaldynamik. Dieser Anschluss versorgt die Vorverstärker mit über 100V.  Daher verrbeiten die Lemo Vorverstärker in der Regel sehr hohe Eingangsspannungen. Zusätzlich wird die externe Polarisationsspannung von 200V übertragen. Lemo wird dann verwendet, wenn keinerlei Kompromisse eingegangen werden sollen.

    Vorteile: beste Dynamik Nachteile: hohe Kosten, Kabel und Stecker sind aufwendig

  • ICP/IEPE Konstantstromspeisung Diese Variante ist die häufigste in der professionellen Messtechnik (das "Arbeitspferd") und an dem typischen BNC Anschluss leicht erkennbar. Bei diesem Anschluss wird auf eine Konstantstromquelle mit 24V und 4mA das Mikrofonsignal moduliert. Durch diese besondere Übertragung können über ein normales Koaxialkabel die Versorgung und das Signal gleichzeitig übertragen werden. Durch die Konstantstromeinprägung ist das Nutzsignal relativ unempfindlich gegenüber Einstreuungen und es können problemlos Kabel über 100m verwendet werden. Diese System verarbeiten typischerweise Eingangspannungen von 6V RMS.  Obwohl diese Mikrofone einen BNC Anschluss haben, können Sie nicht direkt an Oszilloskope (auch mit BNC) angeschlossen werden. Es fehlt die spezielle Konstantstromeneinspeisung, die man über Adapterboxen erreicht.

    Vorteile: gute Signaldynamik, günstige und lange Kabel  Nachteile: Spezielle Versorgung, Eingangsspannung auf 6V RMS begrenzt

  • XLR mit P48V  Dieses Verfahren kommt aus der Studiotechnik und verwendet eine symmetrische Signalübertragung mit einer aufgeprägten Versorgungsspannung von 48V. Die 48V waren ursprünglich als externe Polarisationsspannung für Kondensatormikrofone verwendet worden und daher nur für einen sehr geringen Stromverbrauch ausgelegt. Der Anschluss ist 3-polig mit einem XLR-Stecker. Typische XLR Messmikrofone liefern nur ca. 3V RMS und sind damit nicht sehr aussteuerungsfest. Die 48V waren nie für lestungsfähige Vorverstärker augelegt. Diesen Anschlußtyp findet man eher bei den preisbewussten Messgeräten. Gerade durch den NTI XL2 oder den Bedrock SM50 hat dieser Anschluss jedoch breite Akzeptanz für akustische Messtechnik gefunden.

    Vorteile: vielfach ausreichende Signaldynamik, sehr günstige und relativ lange Kabel (50m)  Nachteile: Eingangsspannung auf 3V RMS begrenzt
  • USB-Messmikrofone   Dieser relativ neue Anschluß ist von vornherein darauf ausgelegt, daß diese Messmikrofone direkt an einem Computer angeschlossen werden. Mikrofon, Vorverstärker, Spannungsversorgung und direkte Digitalisierung sind in einem Gerät integriert. Diese einzelnen Komponenten sind optimal aufeinander abgestimmt. Hochwertige USB-Messmikrofone erzeuge verschiedene Hilfsspannungen selbst aus der 5V USB-Versorgung durch DC/DC Wandler. Dadurch ist die Signaldynamik - insbesondere die Pegelfestigkeit - enorm und beträgt bis ca 10V RMS. Dies sind 28V Spitze/Spitze! High-End USB-Mikrofone erzeugen auch die externe Polarisationsspannung von 200V für nicht-vorpolarisierte Mikrofon-Kapseln.

    Vorteile: Sehr einfacher Anschluß an Computer-gestützte PC Messysteme wie Akulap. Sehr hohe Signaldynamik möglich. Nachteile: Kabel sind auf ca. 20m begrenzt. Durch direkte Digitalisierung, können USB-Messmikrofone nicht an analoge Eingänge angeschlosssen werden.

 

 

Wandlerprinzip

Wie wird der einfallende Schall in eine Spannung umgesetzt?

Es gibt im wesentlichen folgende Typen von Mikrofonen mit unterschiedlichem Wandlerprinzip

  • Kondensator-Mikrofone
  • dynamische Mikrofone
  • MEMS-Mikrofone
  • Sonderlösungen wie optische Mikrofone

 

Kondensator-Mikrofone

Ein Kondensator-Mikrofon besteht aus einer Gegenelektrode und einer Membran, die vor der Gegenelektrode in einem sehr geringen Abstand gespannt ist. Durch den Schall wird die Membran bewegt und dadurch ändert sich die Kapazität des Kondensators. Diese Kapazitätsänderung wird in ein elektrisches Signal umgesetzt.

 

Dynamische-Mikrofone

Dynamische Mikrofone spielen im Bereich der Messtechnik keine Rolle. Sie bestehen aus einer Membran, die eine Spule in einem Magnetfeld bewegt und dadurch eine Spannung erzeugt. Solche Mikrofone finden sich hauptsächlich in Aufnahme und Studiomikrofonen. Dynamische Mikrofone zeigen häufig einen ausgeprägten „krummen“ Frequenzgang mit ausgeprägten Resonanzen. Dieser Typ besitzt auch eine geringe Empfindlichkeit und rauscht daher deutlich stärker.

 

MEMS Mikrofone

Eine relativ neue Kategorie sind die MEMS Mikrofone. Dies sind spezielle mikromechanische Bauelemente, die mit den Technologien der Chipfertigung kostengünstig hergestellt werden können. In nahezu allen Smartphones finden Sie MEMS-Mikrofone.

In den letzten Jahren haben sich diese Mikrofone auch für Messzwecke bewährt. Ein besonderer Vorteil diese Mikrofone ist ihr geringer Preis und eine hohe Stabilität. Dadurch eignen sich diese Mikrofone insbesondere für Array-Mikrofone, wo eine große Anzahl von Mikrofonen verwendet wird. Ein aktueller Nachteil von MEMS Mikrofon ist ihr hohes Eigenrauschen, das aktuell noch nicht an klassische1/2-Zoll Mikrofonkapseln heranlangt.

 

Details der Kondensator-Mikrofone

Für Messzwecke werden heutzutage hauptsächlich Kondensator-Mikrofone verwendet. Diese Mikrofone haben standardisierte  Bauformen, deren Größe in Zoll (“) angegeben wird.

Die ½“ Kondensator-Mikrofone sind die Arbeitspferde der akustischen Messtechnik.

 

Bei den Kondensator Mikrofonen gibt es zwei Grund-Typen:

  1. Mikrofone mit externer Polarisationsspannung. Dies ist in der Regel 200Volt. Diese Mikrofone sind für den professionellen Einsatz vorbehalten, da sie eine spezielle Versorgungsspannung benötigen. Dafür sind diese Mikrofone aber extrem langzeitstabil.
  2. Hauptsächlich werden heutzutage aber sogenannte Elektretmikrofone verwendet Diese Elektretmikrofone verwenden eine spezielle Membran, die bereits elektrisch vorgeladen ist. Daher benötigen diese Mikrofone keine aufwendige Spannungsversorgung. Heutzutage sind diese Mikrofone aber auch sehr langzeitstabil und werden daher in den meisten Schallpegelmessern eingesetzt.

 

Größe der Membran eines Kondesatormikrofons

Kondensator-Mikrofone werden anhand des Membran-Durchmessers in Kategorien eingeteilt. Die häufigste Größe ist 0.5Zoll (1/2“).

Daneben gibt es noch die 1- Zoll Mikrofone mit einer sehr großen Membranfläche. Diese Mikrofone haben dadurch ein geringeres Eigenrauschen und eine höhere Empfindlichkeit. Allerdings erkauft man sich diesen Vorteilen mit einem sehr mit starken akustischen Effekten bei höheren Frequenzen auch schon ab 3kHz.

Daher findet man diese Messmikrofone nur noch selten. Sie eignen sich aber hervorragend für tiefe Frequenzen bis in den Infraschall-Bereich.

Wesentlich häufiger findet man jedoch ein ¼“ Zoll Mikrofonkapseln. Diese Kapseln eignen sich für höhere Frequenzen bis hin zu 70 bis 100 kHz, aber eben auch für hohe Schallpegel. Andererseits haben diese Mikrofone eine geringere Empfindlichkeit und können dadurch eben wesentlich höhere Schallpegel aufnehmen das geht hin bis zu etwa 170 Dezibel. Auf der anderen Seite haben diese Mikrofone ein höheres Eigenrauschen. Typischerweise liegt dies bei etwa 35dB(A). Daher werden diese Mikrofone nicht für rauscharme Messung eingesetzt.

 

Grundregel:

Große Membranfläche: geringes Rauschen aber geringe maximale Frequenz und geringerer maximaler Schallpegel

 

Empfindlichkeit eines Messmikrofons

Die Empfindlichkeit eines Messmikrofons ist der Übertragungsfaktor zwischen einfallendem Schall und der erzeugten elektrischen Spannung. Dieser Faktor wird in mV pro Pascal angegeben.

Ein häufiges ½“ Kondensator-Mikrofon hat eine Empfindlichkeit von 50mV/Pa. Bei einem Schallpegel von 1Pa liegt am Mikrofon eine Spannung von 50mV an. Der Schalldruck von 1Pa entsprcht genau 94dB. Dies ist genau der Schalldruckpegel eines typischen Schallpegelkalibrators. 
Die deutlich kleineren 1/4" Kapseln haben eine Empfindlichkeit von 5mV/Pa.

 

Richtcharakteristik

In der akustischen Messtechnik werden meist Mikrofone ohne Richtwirkung eingesetzt (Kugel-Charakteristik).

Studio-Mikrofone haben in der Regel eine ausgeprägte Richtwirkung, um z.B. Signale hinter dem Sprecher zu dämpfen.  

 

Messung von niedrigen Schallpegeln

Seit einigen Jahren sind die Anforderungen im Bereich der akustischen Messtechnik deutlich gestiegen. Ein Kühlscharank oder eine Klimaanlage im Wohnbereich soll möglichst leise sein. Viele dieser Geräte können selbst mit hochwertigen Schallpegelmessern nicht mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden. Wir haben zu dem Thema rauscharme Messmikrofone einen eigenen Artikel verfasst.

Maximaler Schallpegel

Typische Messmikrofone können problemlos Pegel unterhalb von 120dB erfassen. Sollen jedoch höhere Pegel gemessen werden, so müssen viele Faktoren berücksichtigt werden. Wir haben diese Informationen in einem eigenen Artikel zusammengefasst.