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Entwicklung eines Messplatzes zur Kalibrierung von Mikrofonen nach der Reziprozitätsmethode

Kurt Thaller

Kurt Thaller
Abbildung 1: Diese Abbildung zeigt die Verbindung von Schallsender und Empfänger in einem luftdichten Kuppler.

Abbildung 1: Diese Abbildung zeigt die Verbindung von Schallsender und Empfänger in einem luftdichten Kuppler.

Akustische Untersuchungen sind zur Analyse verschiedenster Problemstellungen geeignet. Damit die Messergebnisse mit der gewünschten Genauigkeit den auftretenden akustischen Parametern entsprechen, müssen kalibrierte Messmikrofone verwendet werden. Das Reziprozitätsverfahren besitzt im Vergleich zu anderen Kalibrierungsmethoden die geringste Unsicherheit. Es beruht auf der Reziprozität von Kondenstormikrofonen und benötigt kein Referenz--Mikrofon, jedoch sind drei Mikrofone notwendig, wobei zwei als Sender sowie Empfänger betrieben werden, d.h. ein reziproker Betrieb möglich sein muss. Das zu kalibrierende Mikrofon muss nicht zwingend reziprok sein.

Die vorliegende Arbeit beschreibt Entwurf, Aufbau und Test eines Messplatzes für eine Reziprozitätskalibrierung, wobei eine handelsübliche Soundkarte als Signalquelle und Messgerät dient. Die automatisierte Messung und Auswertung erfolgt mit der Software MATLAB.

Beim aufgebautem Messstand werden drei baugleiche Elektret-Mikrofone verwendet, welche ursprünglich nicht für einen reziproken Betrieb hergestellt wurden. Dabei entstehende etwaige Probleme werden aufgrund der vorgegebenen Mikrofone in Kauf genommen. Beispielsweise verursacht der zu den Mikrofonen gehörende Verstärker starke nichtlineare Verzerrungen, welche den nutzbaren Frequenzbereich der Kalibrierung nach unten deutlich begrenzen. Die Ermittlung des Betragsganges der Empfindlichkeit ist daher im Bereich von 700Hz bis 20kHz möglich. Da Kondensatormikrofone geringe Kapazitäten in Bereich von Pikofarad besitzen, gestaltet sich die Messung der benötigten elektrischen Größen als aufwendig.

Das Messverfahren erfordert eine Verbindung von Schallsender und Empfänger in einem luftdichten Kuppler, welcher in Anlehnung an die IEC 61094-2:2009 entworfen wurde. Eine Messung von drei unabhängigen Sender- und Empfängerkombinationen im Kuppler liefert ausreichend Information um daraus die Empfindlichkeit aller Mikrofone zu ermitteln. Die dafür notwendige Messdatenauswertung erfordert eine Berechnung der Schallausbreitung im Kuppler. Bei dieser sind die Steifigkeiten der Mikrofonmembranen zu berücksichtigen, zu deren Bestimmung ein Messverfahren mit iterativer Auswertung implementiert wurde.

Keywords: Mikrofonkalibrierung, Reziprozitätsverfahren, reziproke Mikrofonkalibrierung, kalibrierung Messmikrofone, akustische Transferimpedanz, Mikrofon Äquivalentvolumen

09. August 2015