Schallmessung mit Mikrofonen

Was ist Schalldruck?

Druckschwankungen in der Luft, im Wasser oder in einem anderen Medium, das das menschliche Ohr wahrnehmen kann, werden als Geräusche betrachtet. Das menschliche Trommelfell wandelt Druckschwingungen oder Schall in elektrische Signale um, die unser Gehirn als Musik, Sprache, Geräusch usw. interpretiert. Mikrofone sind darauf ausgelegt, genau dasselbe zu tun. Sie können diese Signale dann aufzeichnen und analysieren, um Informationen über den Weg zu erhalten, den der Ton von der Quelle zum Mikrofon genommen hat. Beispielsweise sind Ingenieure bei Geräusch-, Vibrations- und Härteprüfungen in der Regel daran interessiert, unerwünschte Geräusche zu reduzieren, wie z. B. den Lärm, den Insassen eines Autos beim Fahren hören. Diese Geräusche können Geräusche umfassen, die über oder unter den Frequenzen liegen, die das menschliche Ohr wahrnehmen kann, oder Amplituden bei bestimmten Resonanzfrequenzen. Diese Messungen sind wichtig für Konstrukteure, die Geräusche reduzieren müssen, um Emissionsnormen zu erfüllen oder ein Gerät auf Leistung und Langlebigkeit zu charakterisieren.

Der Schalldruck ist die am häufigsten durchgeführte Messung, da Menschen Schall ausgesetzt sind und Schalldruck erkennen können. Der Schalldruckpegel wird in Pascal (Pa) gemessen und gibt an, wie ein Empfänger Schall wahrnimmt. Sie können auch die Schallleistung einer Quelle bestimmen. Der Schallleistungspegel wird in Watt (W) gemessen und gibt die gesamte Schallenergie an, die in alle Richtungen abgestrahlt wird. Er ist unabhängig von der Umgebung, einschließlich des Raums, der Empfänger oder der Entfernung von der Quelle. Die Leistung ist eine Eigenschaft der Quelle, während der Schalldruck von der Umgebung, reflektierenden Oberflächen, der Entfernung des Empfängers, Umgebungsgeräuschen usw. abhängt.

Schallmessung mit Mikrofonen

Sie können zwischen einigen verschiedenen Entwürfen für Mikrofone wählen, aber die gängigsten Messmikrofone sind extern polarisierte Kondensatormikrofone, vorpolarisierte Elektrokondensatormikrofone und piezoelektrische Mikrofone.

Abbildung 1: Bei einem Mikrofon werden akustische Wellen in elektrische Signale umgewandelt.

Kondensatormikrofon

Ein Kondensatormikrofon arbeitet mit einem kapazitiven Design. Es enthält eine gestreckte Metallmembran, die als eine der Kondensatorplatten fungiert. Eine Metallscheibe, die sich nahe an der Membran befindet, fungiert als zweite Kondensatorplatte. Wenn die Membran durch ein akustisches Feld erregt wird, entsteht zwischen den zwei Platten je nach Stärke des Schalldrucks eine unterschiedliche Kapazität. Die Platten werden über einen hohen Widerstand mit einer stabilen Gleichspannung versorgt, damit die Platten elektrisch geladen bleiben. Durch die wechselnde Kapazität wird ein zum Schalldruck proportionales Wechselspannungssignal erzeugt. Die Ladung dieses Kondensators wird entweder durch eine externe Polarisationsspannung oder durch die Materialeigenschaften selbst erzeugt, wie im Fall vorpolarisierter Mikrofone. Extern polarisierte Mikrofone benötigen 200 V von einer externen Stromversorgung. Vorpolarisierte Mikrofone werden von IEPE-Vorverstärkern betrieben, die eine konstante Stromquelle benötigen.

Abbildung 2: Eines der gängigsten Mikrofone für die Messtechnik ist das Kondensatormikrofon, welches, wie der Name schon sagt, nach dem Kondensatorprinzip funktioniert.

Piezoelektrische Mikrofone

Piezoelektrische Mikrofone nutzen anstelle einer Metallplatte eine Piezokeramik, um elektrische Spannungen auszugeben. Viele piezoelektrische Mikrofone verwenden die gleiche Signalaufbereitung wie Beschleunigungsmesser und können die IEPE-Signalaufbereitung verwenden, um die Polarisationsspannung bereitzustellen. Obwohl diese Sensormikrofone eine geringe Empfindlichkeit aufweisen, sind sie langlebig und in der Lage, Druckbereiche mit hoher Amplitude zu messen. Umgekehrt ist der Grundrauschpegel bei diesem Mikrofontyp im Allgemeinen hoch. Dieses Design eignet sich für Messanwendungen zur Stoß- und Explosionsdruckmessung.

Die Auswahl des richtigen Mikrofons

Bei der Auswahl des optimalen Mikrofons sollten Sie die Art des Reaktionsfelds, die dynamische Reaktion, die Frequenzantwort, die Art der Polarisierung, die erforderliche Empfindlichkeit und den Temperaturbereich berücksichtigen. Es gibt auch eine Vielzahl von Spezialmikrofonen für bestimmte Anwendungen. Um ein Mikrofon auszuwählen und anzugeben, muss zuerst auf die Anwendung und das, was der Schall und die Umgebung darstellen, geachtet werden.

Weitere Informationen zu den Bauelementen und der Bauart von Mikrofonen finden Sie im Mikrofonhandbuch.

Betrachten Sie das Mikrofon-Antwortfeld

Sie müssen das Mikrofon auswählen, das für die Art des Feldes, in dem Sie es bedienen möchten, am besten geeignet ist. Die drei Arten von Messmikrofonen sind Freifeld, Druckfeld und Zufallsinzidenz. Diese Mikrofone funktionieren ähnlich bei niedrigeren Frequenzen, aber jeweils anders bei höheren Frequenzen.

Das gängigste Mikrofon ist ein Freifeldmikrofon. Es misst den Schalldruck einer einzelnen Quelle direkt an der Mikrofonmembran. Es misst den Schalldruck so, wie er vor dem Einbringen des Mikrofons in das Schallfeld vorlag. Diese Mikrofone funktionieren am besten in offenen Bereichen, die frei von harten oder reflektierenden Oberflächen sind. Für Freifeldmikrofone sind Absorberkammern oder größere offene Bereiche ideal.

Abbildung 3. Freifeldmikrofon

Ein Druckfeldmikrofon misst den Schalldruck vor der Membran. Es hat den gleichen Amplitude und die gleiche Phase an jeder beliebigen Position im Feld. Es befindet sich in der Regel in einem Gehäuse oder Hohlraum, der im Vergleich zur Wellenlänge klein ist. Anwendungsbeispiele für Druckfeldmikrofone sind das Testen des Drucks, der auf Wände, Flugzeugflügel oder das Innere von Strukturen wie Rohren, Gehäusen oder Hohlräumen ausgeübt wird.

Abbildung 4: Druckfeldmikrofon

In vielen Situationen wird der Schall nicht von einer einzigen Quelle ausgegeben. Zufalls- oder Diffusfeldmikrofone reagieren gleichmäßig auf Geräusche, die gleichzeitig aus allen Richtungen eintreffen. Sie verwenden diesen Mikrofontyp etwa für Schallmessungen in einer Kirche oder an Orten mit harten, reflektierenden Wänden. Bei den meisten Mikrofonen sind jedoch das Druck- und das Diffusschalleinfallsverhalten ähnlich. Daher werden häufig Druckfeldmikrofone für Diffusschalleinfallsmessungen verwendet.

Abbildung 5. Mikrofon für Diffusschalleinfall

Den richtigen Dynamikbereich auswählen

Das Hauptkriterium für die Beschreibung von Schall ist die Amplitude der Schalldruckschwankungen. Die kleinste Amplitude, die ein gesundes menschliches Ohr erkennen kann, beträgt 20 Millionstel Pascal (20 μPa). Da die in Pascal angegebenen Druckwerte im Allgemeinen niedrig und nicht leicht zu handhaben sind, wurde eine andere häufiger verwendete Skala entwickelt, die Dezibel-(dB-)Skala. Diese logarithmische Skala entspricht eher der Reaktion des menschlichen Ohrs auf Druckschwankungen. Hier einige Beispiele für typische Schalldruckpegel als Referenz:

Die Hersteller geben den maximalen Dezibelpegel basierend auf dem Design und den physikalischen Eigenschaften des Mikrofons an. Der angegebene maximale dB-Pegel bezieht sich auf den Punkt, an dem sich die Membran der Rückplatte nähert oder an dem die Gesamtklirrfaktor (THD) einen bestimmten Wert erreicht, normalerweise 3 Prozent THD. Der maximale Dezibelpegel, den ein Mikrofon in einer bestimmten Anwendung erzeugt, hängt von der angelegten Spannung und der Empfindlichkeit des jeweiligen Mikrofons ab. Bevor Sie die maximale Ausgangsleistung für ein Mikrofon mit einem bestimmten Vorverstärker und die dazugehörige Spitzenspannung berechnen können, müssen Sie zunächst den Druck in Pascal berechnen, den das Mikrofon aufnehmen kann. Der Druck kann nach folgender Formel berechnet werden:

Wobei P = Pascal (Pa) und Spannung die Spitzenspannung am Vorverstärker ist.

Nachdem Sie den maximalen Druckpegel bestimmt haben, den das Mikrofon bei Spitzenspannung wahrnehmen kann, können Sie diesen Wert mit Hilfe der folgenden logarithmischen Skala in Dezibel (dB) umrechnen:

wobei P = Druck in Pascal

P_o = Referenz-Pascal (Konstante = 0,00002 Pa)

Diese Formel gibt den maximalen Wert an, den ein Mikrofon in Kombination mit einem bestimmten Vorverstärker messen kann. Für den Rauschpegel am unteren Ende oder den erforderlichen Mindestdruck müssen Sie den CTN-Wert des Mikrofons überprüfen. Die CTN-Spezifikation gibt den niedrigsten messbaren Schalldruckpegel an, der über dem im Mikrofon immer befindlichen elektrischen Rauschen gemessen werden kann. Abbildung 6 zeigt die typische Darstellung des Rauschpegels bei verschiedenen Frequenzen für ein Mikrofon in Verbindung mit einem Vorverstärker.

Abbildung 6. Der mikrofoneigene Rauschpegel ist bei den oberen und unteren Enden der Fähigkeitsbandbreite des Mikrofons am größten. 

Bei der Auswahl eines Mikrofons müssen Sie sicherstellen, dass der Druckpegel zwischen dem CTN-Wert des Mikrofons und dem maximalen Dezibel-Nennpegel des Mikrofons liegt. Im Allgemeinen gilt: Je kleiner der Mikrofondurchmesser, desto höher ist der Dezibelpegel im oberen Bereich. Mikrofone mit größerem Durchmesser haben normalerweise einen niedrigeren CTN-Wert und werden daher für Dezibel-Messungen im unteren Bereich empfohlen.

Spezifikationen zur Bewertung des Frequenzgangs überprüfen

 

Nachdem Sie die Art des Mikrofontyps und den erforderlichen Dynamikbereich ermittelt haben, lesen Sie das Datenblatt des Mikrofons, um den verwendbaren Frequenzbereich (Hz) zu ermitteln. Mikrofone mit einem kleineren Durchmesser haben in der Regel einen höheren oberen Frequenzpegel. Umgekehrt sind Mikrofone mit größerem Durchmesser empfindlicher und eignen sich besser für die Erkennung niedrigerer Frequenzen.

 

Die Hersteller legen für die Frequenzangaben eine typische Toleranz von ± 2 dB fest. Prüfen Sie beim Vergleich von Mikrofonen den Frequenzbereich und die Toleranz, die mit dem jeweiligen Frequenzbereich verbunden ist. Wenn eine Anwendung nicht kritisch ist, können Sie den verwendbaren Frequenzbereich für das Mikrofon verbessern, wenn Sie bereit sind, die zulässige Dezibel-Toleranz zu erhöhen. Den tatsächlich nutzbaren Frequenzbereich für bestimmte Dezibel-Toleranzen können Sie beim Hersteller erfragen oder das Kalibrierungsblatt für ein bestimmtes Mikrofon einsehen.

 

 

Polarisationstyp auswählen

 

Herkömmliche extern polarisierte und moderne vorpolarisierte Mikrofone eignen sich für die meisten Anwendungen, weisen jedoch einige Unterschiede auf. Für hohe Temperaturen (120 °C bis 150 °C) werden extern polarisierte Mikrofone empfohlen, da die Empfindlichkeit in diesem Bereich konstanter ist. Vorpolarisierte Mikrofone geben in der Regel unter feuchten Bedingungen beständigere Ergebnisse. Plötzliche Temperaturänderungen, die zu Kondensation an internen Komponenten führen, können zu einem Kurzschluss bei extern polarisierten Mikrofonen führen.

 

Da für extern polarisierte Mikrofone eine separate 200-V-Spannungsquelle erforderlich ist, sind Sie in diesem Setup auf 7-adrige Kabel mit LEMO-Anschlüssen beschränkt. Die neue Generation vorpolarisierter Mikrofone wird immer beliebter, da diese von einer benutzerfreundlichen konstanten Stromquelle mit 2–20 mA gespeist werden. Bei dieser Ausführung können Sie Standard-Koaxialkabel mit BNC- oder 10-32-Koaxialstecker sowohl für die Stromversorgung als auch für das Signal zum Auslesegerät verwenden.

 

 

Ihren Temperaturbereich kennenlernen

Die Empfindlichkeit des Mikrofons nimmt ab, wenn sich die Temperatur den maximalen Spezifikationen des Mikrofons nähert. Sie müssen sich nicht nur der Betriebstemperatur, sondern auch der Lagertemperatur des Mikrofons bewusst sein. Der Betrieb und/oder die Lagerung eines Mikrofons unter extremen Bedingungen kann sich negativ auf das Mikrofon auswirken und den Kalibrierungsbedarf erhöhen. In vielen Fällen kann der erforderliche Vorverstärker der begrenzende Faktor für den Betriebstemperaturbereich darstellen. Obwohl die meisten Mikrofone ohne Empfindlichkeitsverlust bis 120 °C betrieben werden können, arbeiten die für diese Mikrofone erforderlichen Vorverstärker normalerweise im Bereich von 60 °C bis 80 °C.

Verwenden eines Spezialmikrofons für bestimmte Anwendungen

Wenn es um die Temperatur geht, stellt etwa ein Sondenmikrofon eine alternative Lösung dar. Das Sondenmikrofon wurde für Schalldruckmessungen in rauen Umgebungen entwickelt. Es kombiniert ein Mikrofon mit einem Sondenverlängerungsrohr. Auf diese Weise kann der Benutzer sehr nahe an Schallquellen herankommen. Die Sondenspitze sendet das akustische Signal an das Mikrofon im Sondengehäuse. Da einige der kritischen Komponenten in einem separaten Gehäuse untergebracht sind, kann dieser Mikrofontyp bei extrem hohen Temperaturen oder dort eingesetzt werden, wo der Zugang zur Schallquelle für ein typisches Kondensatormikrofon zu gering ist.

Anwendungen, bei denen ein Mikrofon vollständig in eine Flüssigkeit eingetaucht werden können muss, stellen wiederum ihre eigenen Herausforderungen. Hydrophone wurden entwickelt, um Schalldrucksignale unter Wasser zu erfassen. Mit diesem korrosionsfesten Design können industrielle und wissenschaftliche Unterwassertests, -überwachungen und -messungen durchgeführt werden. Es stehen unterschiedliche Modelle für unterschiedliche Empfindlichkeiten, Frequenz-Dezibelpegel und Betriebstiefen zur Verfügung.

Lautstärkemesser wurden von Herstellern entwickelt, um eine schnelle und bequeme Möglichkeit zur Messung des Schalldruckpegels zu bieten. Dieses Design enthält alle Komponenten, die für die Messung des Schalldrucks erforderlich sind. Das kleine Gerät, das in der Hand gehalten werden kann, enthält Mikrofon, Vorverstärker, Stromquelle, Software und Display. Es ist eine ausgezeichnete Wahl für dB-Messungen in Industrieumgebungen, für Lärmmessungen in der Öffentlichkeit, Lärmbelastungsmessungen, Artilleriefeuermessungen und viele andere Anwendungen. Der Schallpegelmesser kann mit einer Reihe von Optionen geliefert werden, darunter die A-Gewichtung, Echtzeit-Analyseprogramme und Software-Optionen.

Wenn Messungen zum Betrag und zur Richtung des Schallvektors erforderlich sind, ist eine Intensitätssonde eine ausgezeichnete Wahl. Durch das Anbringen eines Abstandshalters zwischen zwei phasenangepassten Mikrofonen kann der Benutzer nicht nur den Druckpegel, sondern auch die Geschwindigkeit und Richtung der sich ausbreitenden Schallwellen bestimmen. Zur Messung der Partikelgeschwindigkeit bei unterschiedlichen Frequenzen stehen Abstandshalter unterschiedlicher Größe zur Verfügung. Höhere Frequenzen erfordern in der Regel einen kleineren Abstandhalter. Größere Abstände eignen sich für niedrigere Frequenzen und für Situationen, in denen ein Nachhall vorliegt.

Für Anwendungen der akustischen Nahfeld-Holographie (NAH), bei denen dreidimensionale Feldwerte untersucht werden sollen, wird die Verwendung eines Array-Mikrofons empfohlen. Indem eine Reihe von Array-Mikrofonen in einem vorgegebenen Muster angeordnet und mit der entsprechenden Software verbunden werden, wird die räumliche Transformation eines komplexen Schalldruckfelds projiziert, um den akustischen Energiefluss effektiv abzubilden. Array-Mikrofone eignen sich hervorragend für akustische Tests mit großer Kanalanzahl. TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) sind eine empfohlene Option für Arrays, da sie dem Benutzer ermöglichen, ein bestimmtes Mikrofon schnell und einfach zu identifizieren. Mit diesen TEDS-Chips und der dazugehörigen Software kann der Benutzer Informationen zu Mikrofonmodell, der Seriennummer , dem Datum der Kalibrierung sowie Spezifikationen zu Empfindlichkeit, Kapazität, Impedanz usw. des Mikrofons speichern. Diese können heruntergeladen werden und helfen dabei, genaue Testergebnisse sicherzustellen.

Mikrofone für den Außenbereich wurden so entwickelt, dass sie den harten Umwelteinflüssen standhalten, denen diese Mikrofone ausgesetzt sind. Flughafenlärm oder Straßenverkehrslärm wird immer öfter für Tests und Messungen herangezogen, um so die Sicherheit von Menschen zu erhöhen. Umgebungsmikrofone und Outdoor-Mikrofone bieten unterschiedliche Schutzstufen für die internen Komponenten und behalten dabei dennoch ihre hochgenauen Spezifikationen bei.

Signalaufbereitung für Mikrofone

Wenn Sie ein Mikrofon für die korrekte Messung durch ein DAQ-Gerät vorbereiten, müssen Sie Folgendes beachten, um sicherzustellen, dass alle Anforderungen an die Signalaufbereitung erfüllt werden:

• Verstärkung zur Erhöhung der Messauflösung und Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses
• Erregerstrom zur Versorgung der Vorverstärker in IEPE-Sensoren
• AC-Kopplung zum Entfernen des Gleichspannungsanteils, um die Auflösung zu erhöhen und den vollen Bereich des Eingangsgeräts auszunutzen
• Filterung zum Entfernen externer Hochfrequenzrauschen
• Korrekte Erdung zur Eliminierung von Störungen durch den Stromfluss zwischen verschiedenen Massepotentialen
• Dynamikbereich zur Messung des gesamten Amplitudenbereichs des Mikrofons

Laden Sie den Ingenieursleitfaden zu genauen Sensormessungenherunter, um sich mit der für Mikrofonmessungen erforderlichen Hardware und Software vertraut zu machen.

Anschließen von Mikrofonen an Hardware von NI

Nachdem Sie Ihre Sensor- oder Testanforderungen kennen, ist die Entscheidung für die Hardware, mit der diese Daten erfasst werden, der nächste wichtige Schritt. Die Qualität der Erfassungshardware bestimmt die Qualität der erfassten Daten. 

NI bietet verschiedene Hardware zur Erfassung von Daten rund um Schall und Schwingung an, die mit einer Vielzahl von IEPE-Sensoren kompatibel ist.  

Informationen zur Kompatibilität von Schall- und Schwingungsgeräten von NI mit IEPE-Sensoren, -Mikrofonen usw. finden Sie im Handbuch Erregung und Quellenspannung für IEPE-Sensoren. Wenn ein Vorverstärker verwendet wird, funktioniert die Schall- und Schwingungshardware von NI zwar weiterhin, aber die Signaleigenschaften können sich ändern. Vergewissern Sie sich, dass der Ausgang des Vorverstärkers innerhalb des Eingangsbereichs der Schall- und Schwingungshardware liegt. Bei Nicht-IEPE-Sensoren müssen Sie sicherstellen, dass der Sensorausgang mit den Eingangsfunktionen des Geräts kompatibel ist.