Aufbau einzelner Messmikrofone

In diesem Beitrag zeigen wir den Aufbau einzelner weit verbreiteter Messmikrofone. Dafür zerlegen wir diese Mikrofone und geben eine Überblick über die Funktionsweise.

Sie finden hier detailierte Informationen für folgende Mikrofone:

1. Behringer ECM8000
2. MiniDSP UMIK-1
3. MiniDSP UMIK-2

Sie finden hier auch einen Vergleích UMIK-1 vs. UMIK-2

Hörbeispiele auch mit dem UMKI-1 finden Sie unserem Grundlagen-Artikel über USB-Messmikrofone.

Behringer ECM8000

Das Behringer ECM8000 ist ein weit verbreitetes Messmikrofon mit 48V Phantomspeisung. Es wird über ein XLR-Anschluss an einen Vorverstärker angeschlossen. Häufig findet man den MPA102 von Monacor. Dieser Vorverstärker liefert auch die Phantomspeisung für das ECM8000. Das ECM800 kann jedoch auch an jede Soundkarte mit 48V Phantomspeisung angeschlossen werden.

Das ECM8000 besteht aus einer kleinen Schaltung zur Signalanpassung und einer preiswerten 1/4" Elektret-Kapsel. Die Schaltung erzeugt aus der Phantomspeisung von 48V die Versorgungsspannung für die Elektretkapsel. Dies ist keine Polarisationspannung, sondern nur die Versorgungsspannung für den FET, der direkt in die Kapsel als Impedanzwandler eingebaut ist. Das Mikrofonsignal wird nicht weiter verstärkt, sondern nur symmetriert.

In unserem Labor verfügen wir über Audioanalyzer APX555 von Audio Precision. Daher haben wir den Vorverstärker vom ECM8000 auch vermessen.

Zunächst der Frequenzgang des ECM8000 ohne Kapsel, der reine Vorverstärker

Der Frequenzgang des Vorverstärkers ist sehr linear bis weit in den Ultraschallbereich hinein. Wohlgemerkt, dies ist der elektrische Frequenzgang ohne Kapsel. Die 1/4" Kapsel (vermutlich ein Klon der WM-61A) ist weit weniger linear. Daher bieten wir komplett vermessene ECM8000 mit Kalibrierdaten an.

Klirrfaktor über dem Eingangspegel bei 1KHz

USB-Messmikrofon MiniDSP UMIK-1

Das Umik-1 von miniDSP ist ein weitverbreitetes und preiswertes USB-Messmikrofon. Stark vereinfacht kann man es als digitalisierte Variante des ECM8000 von Behringer betrachten. Die Bauformen ähneln sich deutlich. Beide Mikrofone verwenden eine günstige 1/4" Kapsel.

Doch wie sieht das UMIK-1 von Innen aus?

Im Gegensatz zu den ganz einfachen USB Mikrofonen, vewendet MiniDSP beim UMIK-1 einen 32Bit Mikrokontroller (PIC) und einen getrennten ADC. Bei den preiswerteren single-Chip Lösungen tritt häufig das Problem von Einstreuungen vom USB-Digitalteil auf. MiniDSP verwendet beim UMIK-1 sogar einen recht hochwertigen Stereo ADC mit 192kHz Abtastrate , 24-Bit und 110dB SNR. Das UMIK-1 stellt aber via USB nur eine Abtastrate von 48kHz zur Verfügung. Interessanterweise auch als Stereo-Gerät. Das UMIK-1 ist daher als Stereo-Gerät sichtbar und es werden beide Signale vom ADC via USB geliefert. Die Verstärkung beider Kanäle ist identisch.  Daher stellt die Stereo-Funktion erstmal keinen Zusatznutzen dar.

Der PCM1863 verfügt über eine einstellbare Verstärkung (PGA programamble gain amplifier). Diese Funktion ist beim UMIK-1 via DIP Schalter einstellbar im Bereich von 0-36dB. Der Standardwert ist 18dB. Dieser Wert wird auch im USB Descriptor angezeigt. Das UMIK-1 erscheint auch als Audiogerät mit dem Namen "UMIK1 gain 18dB". Die DIP-Schalter werden beim Booten ausgelesen und stellen die Verstärkung ein. MiniDSP hat es beim UMIK-1 versäumt, die Verstärkung dynamisch auszulesen und in den USB-Descriptor einzubauen. Das wäre für Messprogramme hilfreich, die so die eingestellte Verstärkung auslesen könnten. Beim PCM1863 wird die Verstärkung per Software eingestellt. Daher hätte man auch während der Laufzeit via USB-HID Kommandos oder Gain-Kommandos (USB audio) verwenden können, um die Verstärkung einzustellen. Mit solchen Funktionen kann man die Dynamik erheblich verbessern, da gerade die Verstärkung der 1. Stufe grossen Einfluss auf das Rauschen hat.

Hier ist das Blockschaltbild vom PCM1863

Datenblatt zum PCM1863 von TI

Datenblatt zum PIC32MX controller

Viele der oben beschriebenen Funktionen hat MiniDSP in das UMIK-2 integriert, das dadurch eine wesentlich bessere Dynamik erreicht. Daher ist das UMIK-1 für Messungen der Raumakustik und Messungen an Lautsprechern gut geeignet, für rauscharme Messungen oder Aufnahmen jedoch nicht.

Hörbeispiele auch mit dem UMKI-1 finden Sie unserem Grundlagen-Artikel über USB-Messmikrofone.

USB Messmikrofon MiniDSP UMiK-2

Das UMIK-2 ist eine erheblich erweitertes USB-Messmikrofon. Auf den ersten Blick ähnelt es dem UMIK-1. Zumindest die Bauform entspricht in etwa dem UMIK-1. Das UMIK-2 ist allerdings eine vollständig eigene Entwicklung.

Wo liegen die Unterschiede zum UMIK-1 (UMIK-1 vs. UMIK-2)?

• Das UMIK-2 verwendet eine wesentlich größere Kapsel (1/2" statt 1/4") und ist damit wesentlich rauschärmer.
• Die Kapsel ist austauschbar durch ein Standardgewinde (60UNS), dadurch können auch Kapseln von Bruel&Kjaer, GRAS, MTG etc. verwendet werden (nur pre-polarisierte, keine 200V Modelle)
• Aufwendigerer Impedanzwandler
• Abtastraten 192kHz statt 48kHz
• 32-bit Datentransfers statt 16bit
• Firmware kann via USB aktualisiert werden.
• Das UMIK-1 hat einen Durchmesser von ca 12mm und ist damit für übliche Schallpegelkalibratoren deutlich zu dünn. Sie benötigen einen speziellen Kalibrier-Adapter für das UMIK-1. Das UMIK-2 entspricht der standardisierten Bauform und kann ohne Adapter eingesetzt werden.

Unser Fazit: Für raumakustische Messungen reicht das UMIK-1. Für hochwertige Aufnahmen oder Pegelmessungen ist das UMIk-2 die bessere Wahl. Für Pegelmessungen benötigen Sie meist ein Schallpegelkalibrator. Das UMIK-1 benötigt hierfür einen speziellen Adapter, das UMIk-2 hingegen nicht. Diesen Adapter sollten Sie bei der Planung des Gesamtbudges berücksichtigen. Der scheinbar güstige Preis vom UMIk-1 wird schnell relativiert wird, insbesondere wenn Ihre Anforderungen steigen.

Wie sieht das UMIK-2 von innen aus?

Die Platine im Detail

Der Controller ist von XMOS vom Typ XUF208-128-QF48

Der ADC ist ein tlv320adc5140 von TI

Hervorzuheben ist, dass die Platine von vornherein auch als 4-Kanal System konzipiert ist.

Der Impedanzwandler im Kopf direkt hinter der Kapsel

Der Impedanzwandler wird mit 5V versorgt.

Das UMIK-2 arbeitet genau wie das UMIK-1 ausschliesslich mit der 5V Versorgung vom USB Anschluss. Aufgrund dieser relativ geringen Spannung ist die maximale Aussteuerung begrenzt. USB Mess-Mikrofone in einer Klasse höher (z.B. ATD5-T) verwenden DC/DC Wandler und können so Eingangsspannungen von 28V (Spitze Spitze) verarbeiten, ohne zu übersteuern.