Was messen Mikrofone und wie messen sie?

Beim Studium von Mikrofonen sind Sie vielleicht schon auf „Messmikrofone“ gestoßen. Alle Mikrofone sind jedoch effektiv Messinstrumente.

Was messen Mikrofone und wie messen sie es? Mikrofone messen im Wesentlichen Schalldruckschwankungen um ihre Membranen herum über einen Bereich von Frequenzen. Da Schallwellen unterschiedliche Drücke um die Mikrofonmembran herum verursachen, erzeugt das Mikrofon ein passendes elektrisches Mikrofonsignal.

In diesem Artikel besprechen wir die Schalldruckvariationen, die Mikrofone messen sollen, und wie sie dies tun.

Mikrofone messen Schwankungen des Schalldrucks

Mikrofone sind Wandler, die Schallwellen(mechanische Wellenenergie) in Audiosignale(elektrische Energie) umwandeln.

Mit anderen Worten, Mikrofone messen Schallwellen(auch bekannt als Schalldruck oder mechanische Wellenenergie). Mikrofone tun dies mit einem Wandlerelement, das mit einer beweglichen Membran arbeitet.

Wenn die Schallwellen auf die Membran treffen und hindurchtreten, verursachen sie unterschiedlichen Druck auf einer oder beiden Seiten des Mikrofons.

Durch den Druckunterschied zwischen Vorder- und Rückseite der Mikrofonmembran wird diese in Bewegung versetzt und das Mikrofon erzeugt ein elektrisches Mikrofonsignal(Wechselspannung).

Wenn sich ein Mikrofon in einem schalltoten Raum(oder einer anderen geräuschlosen Umgebung) befände, würde auf beiden Seiten seiner Membran immer noch Druck vorhanden sein. Dieser Umgebungsdruck wäre jedoch auf beiden Seiten gleich und konstant. Daher würde sich die Membran des Mikrofons nicht bewegen und es gäbe kein Mikrofonsignal.

Als Gedankenexperiment: Wenn sich ein Mikrofon im Vakuum befände, würde auf beiden Seiten der Membran auch der gleiche Druck herrschen(wenn auch ein viel niedrigerer Druck als atmosphärisch). Schall benötigt ein Medium, um sich fortzubewegen, und daher wäre das Mikrofon nicht in der Lage, irgendetwas zu messen.

Daher messen Mikrofone den Schalldruck im Medium um ihre Membran herum.

Was ist Schalldruck?

Der Schalldruck ist, wie bereits erwähnt, eine Abweichung vom Umgebungsdruck.

Der Schalldruck(oder „Schalldruck“) wird durch eine Schallwelle verursacht und verändert den Umgebungsdruck über und unter seinen Sollwert. Die Schwankung des Schalldrucks ist im Vergleich zum Umgebungsdruck normalerweise sehr gering.

Die durch eine Schallwelle verursachte Abweichung des Umgebungsdrucks wird typischerweise in Dezibel Schalldruckpegel(dB SPL) oder Pascal(Pa) gemessen.

Was ist ein Dezibel?

Was ist ein Dezibel(dB) und was ist dB SPL?

Ein Dezibel ist eine relative Maßeinheit entlang einer logarithmischen Skala.

Aus den obigen Gleichungen sehen wir, dass 0 dB SPL die untere Grenze des menschlichen Gehörs ist. Bei 0 dB SPL hören die meisten Menschen nichts.

Die theoretische maximale Grenze des Schalldrucks wäre eine Druckwelle, die den gesamten Umgebungsdruck ablenkt, wodurch ein Vakuum im Tal der Welle und der doppelte Umgebungsdruck an ihrem Höhepunkt entsteht. Bei normalem atmosphärischem Druck(101,325 KPa) würde dies 194 dB SPL entsprechen.

Ein normales Mikrofon kann dem Schalldruckpegel in Dezibel nahekommen.

Was sind Pascal?

Ein Pascal ist eine SI-Einheit für Druck.

1 Pascal entspricht 1 Newton pro Quadratmeter.

Im Gegensatz zu dB SPL sind Pascals linear.

Ein üblicher Schalldruckpegel, der zum Testen von Mikrofonen verwendet wird, ist 1 Pascal oder 94 dB SPL.

1 Pascal = 94 dB SPL

Verwendung der Mikrofonempfindlichkeit zur Schätzung des Schalldrucks

Die Mikrofonempfindlichkeit ist eine Spezifikation, die die Stärke des Mikrofonausgangssignals mit dem dB SPL in Beziehung setzt, dem das Mikrofon ausgesetzt ist.

Typischerweise wird die Empfindlichkeit eines Mikrofons als Signalstärke in Millivolt(mV) oder Dezibel relativ zu 1 Volt(dBV) bei einem 1-kHz-94-dB-SPL-Ton angegeben.

Diese spezifische Messung gibt uns eine gute Vorstellung davon, wie ein Mikrofon auf den Schalldruck reagieren wird, aber sie bietet nicht unbedingt eine ideale Grundlage für die Messung des Schalldrucks.

Zuerst wird ein Mikrofon Tönen aus dem hörbaren Spektrum(20 Hz – 20.000 Hz) zusammen mit Infraschall(< 20 Hz) und Ultraschall(> 20.000 Hz) ausgesetzt. Obwohl wir wissen, wie das Mikrofon auf einen 1-kHz-Ton reagiert, können wir nicht erwarten, dass sich das Mikrofon bei allen anderen Frequenzen gleich verhält.

Zweitens werden Mikrofone normalerweise an einen Mikrofonvorverstärker angeschlossen, der unser Mikrofonsignal verstärkt, um es auf Line-Pegel zu bringen. Vorverstärker teilen uns jedoch nicht explizit die Spannung des Mikrofonsignals an ihren Eingängen mit.

Daher ist es nicht wirklich einfach, mit einem Mikrofon eine genaue Schalldruckmessung zu erhalten.

Um also dB SPL mit einem Mikrofon zu messen, bräuchten wir ein Voltmeter am Mikrofonausgang. Aber wir hätten immer noch das Problem, uns bei einer bestimmten Frequenz auf einen Sensitivitätsindex zu verlassen.

Obwohl also Mikrofone den Schalldruck messen, sind sie nicht die besten Instrumente zum Messen von dB SPL. Dies lässt sich auf den Oberbegriff „Färbung“ reduzieren.

Mikrofonfarbe

Mikrofonfärbung ist ein weit gefasster Begriff, der die Unterschiede zwischen den Schallwellen an der Mikrofonmembran und der Art und Weise beschreibt, wie das Mikrofon diese Schallwellen in elektrische Signale umwandelt.

Mit anderen Worten, die Mikrofonfärbung beeinflusst, wie ein Mikrofon den Schalldruck um es herum misst. Je «farbiger» ein Mikrofon ist, desto ungenauer ist es bei der Messung der wahren Schallwellen um es herum.

Ein perfekt farbloses Mikrofon würde eine Schallwelle perfekt in ein elektrisches Signal umwandeln. Ein perfekt farbloser Lautsprecher könnte dieses elektrische Signal als perfekte Nachbildung der ursprünglichen Schallwelle nachbilden. Natürlich sind dies Idealitäten, die in der realen Welt nie vorkommen.

Ein farbloses Mikrofon muss mindestens Folgendes haben:

• Flacher Frequenzgang(gleiche Empfindlichkeit im gesamten hörbaren Frequenzspektrum).
• Omnidirektionale Richtcharakteristik(gleiche Empfindlichkeit gegenüber Geräuschen aus allen Richtungen).

Auch das sind Idealvorstellungen, die in der realen Welt nicht zu erreichen sind.

Es gibt viele Faktoren, die die Färbung eines Mikrofons beeinflussen. Zu den wichtigsten Faktoren gehören:

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• Physische Komponenten(,, Körper usw.).
• Interner Schaltkreis.

Was ist mit Messmikrofonen?

Neben der Messung des Schalldrucks werden Messmikrofone zur Messung von Umgebungsgeräuschen und der allgemeinen akustischen Eigenschaften eines Raums verwendet.

Kalibrierte Messmikrofone werden auch zum Testen von Lautsprechern verwendet.

Messmikrofone arbeiten nach den gleichen Prinzipien wie andere Mikrofone. Die überwiegende Mehrheit der Messmikrofone sind Kondensatormikrofone. Messmikrofone sind jedoch viel genauer mit flachen Frequenzgängen und kalibrierter Empfindlichkeit.

Um Messmikrofone richtig zu verwenden, müssen sie richtig kalibriert werden. Bei richtiger Kalibrierung kennen wir die Empfindlichkeit des Mikrofons(in Volt pro Pascal) über seinen gesamten Frequenzgang.

Bei bekannter Empfindlichkeit werden Messmikrofonsignale durch Audioanalysesysteme geschickt, die es uns ermöglichen, Schalldruck und Raumakustik zu messen.

dB SPL-Messung mit einem Dezibelmeter

Wenn wir dB SPL wirklich einfach und genau messen wollen, könnten wir ein kompaktes Dezibelmessgerät verwenden.

Ein Dezibelmeter(auch Schalldruckmesser genannt) misst den Schalldruckpegel an Ihrer Position. Er macht es mit einem Mikrofon!

Das Mikrofon eines Dezibelmessers hat wie jedes andere Mikrofon eine Membran, die sich entsprechend dem variierenden Schalldruck um sie herum bewegt. Diese Bewegung der Membran verursacht ein elektrisches Wechselstromsignal.

Anstatt dieses Signal jedoch auszugeben(wie ein normales Mikrofon), wandelt der Dezibelmesser das elektrische Signal präzise zurück in einen Schalldruckpegelwert, der dann in dB SPL angezeigt wird.

Es gibt viele Dezibelmessgeräte auf dem Markt. Amazon hat eine große Auswahl, von günstigen bis hin zu High-End-Dezibelmessgeräten. Ich werde Links teilen, um die Preise der oben gezeigten 4-Dezibel-Messgeräte zu überprüfen:

• BAFX BAFX3370.
• VLIKE VL6708F2.
• SCHILD R8050.
• TES 1151.

Verwandte Fragen

Was ist ein Messmikrofon? Ein Messmikrofon ist speziell mit einer flachen, farblosen Reaktion auf Schallwellen konzipiert. Diese Mikrofone sind meist omnidirektional und wurden für die Verwendung mit Audioanalysesystemen entwickelt, um die akustischen Eigenschaften eines Raums zu messen.

Wie werden Mikrofone kalibriert? Mikrofone werden typischerweise durch gegenseitige Kalibrierung kalibriert, wobei drei unkalibrierte Mikrofone verwendet werden, um sich gegenseitig zu kalibrieren. Ein sekundäres Verfahren umfasst das Abgleichen eines unkalibrierten Mikrofons mit einem kalibrierten. Änderungen werden hauptsächlich an der Kapsel und der Schaltung vorgenommen, um eine Kalibrierung zu erreichen.