Messmikrofone

INHALTSVERZEICHNIS

1. Technische Daten des Mikrofons
2. Normen
3. Dynamikbereich
4. Magnetfelder
5. Temperatureinflüsse

---

AUSWAHL DES RICHTIGEN MIKROFONS

Die Auswahl des besten Mikrofons für eine bestimmte Anwendung kann aufgrund der vielen verschiedenen Typen, die zur Verfügung stehen, eine überwältigende Aufgabe sein.

Zunächst sind Kondensatormikrofone entweder extern polarisiert oder vorpolarisiert. Es gibt sie in verschiedenen Größen: 1-Zoll, 1/2-Zoll, 1/4-Zoll oder 1/8-Zoll und sie sind für Frei-, Druck- oder Diffusfeld optimiert. Mikrofone, die nicht direkt in eine dieser Klassen fallen, werden als "Spezialmikrofone" bezeichnet. 

Nicht alle Positionen in der Matrix entsprechen einer Art oder Zahl, z. B. sind 1-Zoll-Mikrofone normalerweise extern polarisiert, da sie eingeführt wurden, bevor vorpolarisierte Mikrofone mit ausreichender Stabilität hergestellt werden konnten.

1/8-Zoll-Mikrofone sind für ein Druckfeld optimiert. Aufgrund ihrer geringen Größe weisen sie bis zu recht hohen Frequenzen etwa den gleichen Frequenzgang für Freifeld und Druckfeld auf (z.B. beträgt die Freifeldkorrektur weniger als 1 dB bei 15 kHz).

Diese Matrix bietet einen schnellen Überblick über die Messmikrofone von Brüel & Kjaer:  

MIKROFONANWENDUNG UND TECHNISCHE DATEN

Welche Art von Eingangsmodul – klassisch oder CCLD?

CCLD-Eingangsmodule (einschließlich DeltaTron und IEPE) können nur mit vorpolarisierten Typen und Module mit klassischem Eingang mit vorpolarisierten und extern polarisierten Mikrofonkapseln arbeiten. Bei tragbaren Geräten (z. B. Schallpegelmessern) und bei hoher Luftfeuchtigkeit werden vorpolarisierte Mikrofone bevorzugt. Für eine allgemeinere Anwendung im Labor oder bei hohen Temperaturen wird die Verwendung extern polarisierter Mikrofone empfohlen.

Weitere Informationen zu CCLD- und klassischen Eingangsmodulen finden Sie auf der Seite zu Mikrofonvorverstärkern. 

Muss das Mikrofon eine bestimmte Norm erfüllen?

Wenn dies der Fall ist, lesen Sie bitte den unten aufgeführten Abschnitt über Normen für Mikrofone.

Der Frequenzbereich und der maximale Schalldruckpegel (SPL) bestimmen häufig, welche Mikrofongröße zu verwenden ist. Im Allgemeinen hat ein kleineres Mikrofon einen breiteren Frequenzbereich und eine geringere Messempfindlichkeit. Bitte lesen Sie den Abschnitt über Maximale Grenzwerte und Dynamikbereich unten.

Für welches Schallfeld sollte das Mikrofon optimiert sein?

Für Messungen abseits reflektierender Oberflächen, z.B. bei Messungen im Freien oder in akustisch gut gedämpften Innenräumen, ist ein Freifeldmikrofon am besten geeignet. Für Messungen in kleinen geschlossenen akustischen Kupplern oder in der Nähe von harten Oberflächen hingegen ist ein Druckfeldmikrofon am besten geeignet.

Bei Messungen in geschlossenen Bereichen, in denen Nachhall wahrscheinlich ist, eignen sich Mikrofone mit für ein Diffusfeld optimiertem Frequenzgang (Messungen mit zufälligem Einfallswinkel) am besten. In einigen Fällen kann sich auch der Frequenzgang eines Druckfeldmikrofons bei zufälligem Einfallswinkel als ausreichend flach erweisen.

Dies liegt daran, dass der Frequenzgang eines Druckfeldmikrofons bei zufälligem Einfallswinkel über den Frequenzbereich viel „flacher“ ist als der eines Freifeldmikrofons.

Spezielle Anwendungen

Ein Sonderfall ist die Messung von Oberflächendruck, wofür Oberflächenmikrofone die offensichtliche Wahl wären. Für Anwendungen, die über normale Einsatzfälle hinausgehen, kann ein Spezialmikrofon ausgewählt werden.

Zum Beispiel Labor-Bezugsmikrofone, Außenmikrofone, Array-Mikrofone, Infraschallmikrofone usw.
set

NORMEN FÜR MIKROFONE

Labor-Bezugsmikrofone (Laboratoriums-Normalmikrofone) sind in der internationalen Norm IEC 61094–1:2000 spezifiziert.

Messmikrofone sind in der internationalen Norm IEC 61094–4:1995 spezifiziert.

Diese Normen verwenden die Abkürzung WS für Werksnormal, z. B. Messmikrofone, die bei täglichen Routinemessungen verwendet werden, während die Abkürzung LS Laborstandards bezeichnet.

Die Ziffern nach "WS" geben Folgendes an:

• 1 = 1-Zoll-Mikrofon
• 2 = 1/2-Zoll-Mikrofon
• 3 = 1/4-Zoll-Mikrofon

Der Buchstabe "F" bezeichnet einen Freifeldtyp und "P" einen Druckfeldtyp.

MAXIMALE GRENZEN UND DYNAMIKBEREICH

Eigenrauschen: Selbst wenn ein Mikrofon in einem „völlig ruhigen“ Raum aufgestellt wird, gibt es eine brownsche Molekularbewegung zwischen der Gegenelektrode und der Membran. Diese Bewegungen entsprechen sehr kleinen Druckschwankungen und führen zu Veränderungen der Kapazität der Mikrofonkapsel, die – bei Vorliegen einer Polarisationsspannung – eine Ausgangsspannung des Mikrofons bewirken.

Der dieser Ausgangsspannung entsprechende Schalldruckpegel wird als Eigenrauschen der Mikrofonkapsel definiert.

3%-Verzerrungsgrenze: Obwohl das Kondensatormikrofon hochgradig linear ist, kommt es bei einem bestimmten Druck zu einer gewissen Verzerrung des Ausgangssignals. Bei Brüel & Kjær geben wir die 3%-Verzerrungsgrenze als empfohlene Höchstgrenze für genaue Messungen an.

10%-Verzerrungsgrenze: Eine Erhöhung des Schalldrucks über die 3%-Verzerrungsgrenze hinaus führt zu einer weiteren Erhöhung der Verzerrung. In einigen Fällen ist eine Verzerrungsgrenze von 10 % festgelegt. In vielen praktischen Fällen wird die Verzerrungsgrenze von 10 % durch den Vorverstärker bestimmt.

Maximaler Schalldruckpegel: Durch mechanische Kräfte, die auf die Mikrofonkapsel wirken, kommt es zu einem maximalen Schalldruckpegel, der niemals überschritten werden sollte. Andernfalls kann die Langzeitstabilität beeinflusst werden und/oder es können mechanische Beschädigungen auftreten. Der entsprechende Schalldruckpegel wird als maximaler Schalldruckpegel (SPL) bezeichnet.

Dynamikbereich des Mikrofon-Sets: In einer praktischen Anwendung wird die Untergrenze des Dynamikbereichs durch das kombinierte Rauschen von Mikrofonkapsel und Vorverstärker bestimmt. Die obere SPL-Grenze wird oft durch die Schwankung der Ausgangsspannung des Vorverstärkers bestimmt. Dies ist besonders bei der Verwendung von CCLD (IEPE)-Vorverstärkern wichtig, da hier die maximale Spannung durch die Quellenspannung (Leerlaufspannung) der Eingangsstufe begrenzt wird.

Eine Quellenspannung von beispielsweise 28 V, wie sie in vielen DAQ-Frontends wie unseren LAN-XI-Frontends verwendet wird, begrenzt die maximale Schwankung der Ausgangsspannung auf etwa 20 V_pp. Dies kann die tatsächliche obere Grenze für ein Set aus Mikrofon und Vorverstärker bestimmen.

Brüel & Kjær definiert den Dynamikbereich als den Bereich vom Grundrauschen bis zum Schalldruckpegel, der bei einem gegebenen Mikrofon-Set und gegebenenfalls einer nominalen Quellenspannung zu einer Verzerrungsgrenze von 3% führt.

 

Hinweis: Bei klassischem Eingang und 120-V-Versorgung ist der maximale Schalldruckpegel ca. 12 dB höher

 

MESSUNGEN IN MAGNETFELDERN

Bei Schallmessungen in Magnetfeldern wie an einem Hybrid- oder Elektroauto, in der Nähe von Windkraftanlagen, in der Nähe von großen MR-Scannern oder ähnlichen Geräten kann es von Vorteil sein, die neuesten Brüel & Kjær-Mikrofone aus Titan zu verwenden.

Titan ist viel weniger anfällig für Magnetfelder als die Metalle, die normalerweise in Mikrofonen verwendet werden. Der Magnetfeldeinfluss wird als Rauschen wahrgenommen und erhöht das Grundrauschen des Mikrofons. Ein Beispiel:

• Das 1/4-Zoll-Array-Mikrofon 4958 hat eine Anfälligkeit für Magnetfelder, die einem äquivalenten Schalldruckpegel von 40 dB für ein Feld von 80 A/m (bei 50 Hz) entspricht
• Das 1/2-Zoll-Freifeldmikrofon Typ 4189 hat eine Anfälligkeit für Magnetfelder, die einem äquivalenten Schalldruckpegel von 6 dB für ein Feld mit einer Stärke von 80 A/m (bei 50 Hz) entspricht
• Titanmikrofone der Typen 4955 und 4961 weisen keinen nachweisbaren Einfluss durch ein Magnetfeld von 80 A/m bei 50 Hz auf
  
  

DER EINFLUSS DER TEMPERATUR

Da Temperatur und Luftfeuchte die Leistungsfähigkeit von Kondensatormikrofonen am stärksten gefährden, werden Vorserienmikrofone gründlich auf ihre Beständigkeit gegen diese Einflüsse getestet, typischerweise bei Temperaturen von -20 bis +70 °C und einer Luftfeuchte von bis zu 90 % bei 40 °C.

Was passiert bei hohen Temperaturen (über +80 °C)?

• Elektronikbauteile können ihren maximale Sperrschichttemperatur überschreiten. Dies stellt ein ernstzunehmendes Problem dar und sollte vermieden werden.
• Die Elektretspannung von vorpolarisierten Mikrofonen kann abnehmen. Dies führt zu einem dauerhaften Messempfindlichkeitsverlust, weshalb bei längerfristigen Hochtemperaturtests immer extern polarisierte Mikrofone verwendet werden sollten.
• Die Membranspannung nimmt ab. Dies bedeutet eine erhöhte Messempfindlichkeit und Veränderungen im Frequenzgang.
• Der Kabelmantel und andere Isolatoren können schmelzen. Das ist zwar nicht schön, aber nicht immer katastrophal.
• In praktisch allen Fällen muss mit einem exponentiellen Anstieg des inhärenten elektronischen Rauschens gerechnet werden. Die grundlegende Faustregel: Viele temperaturabhängige Faktoren verdoppeln sich pro 10 Grad Temperaturerhöhung (Arrhenius-Gesetz).

Auf 23 °C spezifizierte Mikrofone haben einen Temperaturkoeffizienten, der angibt, wie sich das Mikrofon bei veränderter Temperatur verhält. Dieser Parameter sagt etwas über die Stabilität und Qualität des Mikrofons aus. Unsere Datenblätter enthalten Informationen zum Temperaturkoeffizienten.

Universalmikrofone wie das Mikrofon Typ 4189 zeigen innerhalb ihrer Spezifikationen im Temperaturbereich von –30 bis +150 °C ein gutes Verhalten. Universalvorverstärker haben bis etwa 80 °C ein relativ stabiles DC-Bias. Sie sind von –20 bis +60 °C spezifiziert, funktionieren aber bei Temperaturen bis +80 °C sehr gut, mit etwas höherem Rauschen.

Der Hochtemperaturvorverstärker Typ 1706 ist für den Einsatz bis 125 °C ausgelegt. Bei hohen Temperaturen zeigt er einen stabileren DC-Bias-Punkt und keine Reduzierung der maximalen SPL-Grenze. Das elektrische Rauschen nimmt bei hohen Temperaturen zu, was sich auf die Untergrenze des Dynamikbereichs des Mikrofon-Sets, bestehend aus einer Mikrofonkapsel und einem Vorverstärker, auswirkt und seine Fähigkeit zur Messung sehr niedriger Schalldruckpegel einschränkt.

Im Hinblick auf die Verwendung von Mikrofonkabeln bei hohen Temperaturen wird von PUR-Kabeln abgeraten. Stattdessen sind Silikonkabel für 150 °C ausgelegt und PFA-Kabel liefern zuverlässige Messungen von –75 bis +250 °C, wie das Kabel AO‐0406.

Was ist, wenn es richtig heiß wird (+125 °C)?

• Sie müssen den Vorverstärker von der Stelle entfernen, an der es am heißesten ist
• Für diesen Zweck sind die Montagesets für den wandbündigen Einbau UA-0122 und UA-0123 oder der Schwanenhals UA-0196 hervorragend geeignet
• Manchmal kann das Sondenmikrofon Typ 4182 für diese Aufgabe eingesetzt werden

Typ 4182 ermöglicht Schalldruckmessungen in kleinen oder ungünstigen Räumen oder in rauen Umgebungen mit hohen Temperaturen (bis 700 °C). Das Sondenmikrofon hat einen glatten Frequenzgang von 1 Hz bis 20 kHz mit einem sehr sanften Hochfrequenzabfall.

Aufgrund der geringen Größe können Messungen sehr nah an der Schallquelle durchgeführt werden. Wenn eine hohe räumliche Auflösung erforderlich ist, können Messpunkte in engen Abständen angeordnet werden. 

Messen bei extrem kalten Temperaturen (–160 °C)

Typ 4944-W-005 ist ein Spezialmikrofon für Messungen bis
–80 °C, ideal für den Einsatz in kryogenen Windkanälen.

 

MÖCHTEN SIE MEHR ERFAHREN?

Für weitere Details zu Sortiment, Verfügbarkeit und Preis wenden Sie sich bitte über den untenstehenden Link an Ihre Brüel & Kjær-Vertretung vor Ort.