Magazin

Serie PaM Messtechnik

Serie: Messtechnik

Bei der Messung von Mikrofonen kommt es auf zwei Dinge an: Die umgebende Akustik und die anschließende Verarbeitung des elektrischen Signals, welches aus dem Mikrofon kommt. Beide müssen eine bestimmte maßstäbliche Beziehung zueinander haben. Die Akustik muss maßstabsgerecht gestaltet werden, die Verarbeitung des elektrischen Signals genau festgelegten Bedingungen folgen. Idealerweise misst man Mikrofone in reflexionsarmen Räumen. Das ermöglicht die Beschallung des Mikrofons von einer Quelle (Messschallquelle) aus einer Richtung. Das ist wichtig, denn es nützt nichts, das Mikrofon in einem beliebigen Raum auf ein Stativ zu stellen, und einen Lautsprecher mit einem Gleitsinus (Sweep) davorzusetzen, um einen Frequenzgangverlauf aufzuzeichnen. Das Ergebnis wäre eine Kurve, die mit dem wahren Frequenzgang des Mikros nichts zu tun hat. Denn die verschiedenen Frequenzen, die den Raum im ausfüllen, treffen, da sie von den Wänden verschieden reflektiert werden, zu unterschiedlichen Zeiten am Mikrofon ein. Außerdem hat jeder Lautsprecher, und sei er auch noch so gut, selbst einen nicht idealen Frequenzgang. Außerdem: Einzelne Frequenzen löschen sich aus, da sie gegenphasig an der Membran eintreffen, andere verstärken sich durch Gleichphasigkeit. Abhilfe würde eine Messung im Freien bieten, denn hier gibt es keine Wände. Nachteil: Die zum Messen absolute Stille fehlt. Professional audio misst weder im Freien, noch verfügt die Redaktion über einen reflexionsarmen Raum.

So misst Professional Audio

Abhilfe schafft ein MLS genanntes Messverfahren. Die Buchstaben stehen Maximum Length Sequence und bezeichnen ein Signal, das so kurz ist, dass es schon endet, bevor die ersten Reflexionen von den Wänden zurückgeworfen werden, und das gleichzeitig alle Frequenzen des Hörbereichs (20 Hz – 20kHz) enthält. Es klingt wie ein kurzer Rauschimpuls. Um aus diesem Schallereignis einen Frequenzgang zu erzeugen, muss das Signal gesampelt, und gleichzeitig mit einem Messnormal verglichen werden. Das Sampeln ist kein großes Problem, aber der Vergleich mit einem Messnormal erfordert größeren mechanischen und präzisen Aufwand.

Das MLS-Signal wird in einem speziellen Programm des von der Redaktion verwendeten Audio-Precision 2727 Messcomputers erzeugt und von einem koaxialen Breitbandlautsprecher abgestrahlt. Der Schallpegel dieses Signals ist auf 94 Phon festgelegt, da sich die meisten Messvorgänge in der Audio-Studiotechnik auf diesen Pegel beziehen. Die Messung dieses Pegels geschieht mit einem Präzisionsschallpegelmesser. Um für die Messung sowohl den Frequenzgang des Lautsprechers als auch die Beeinflussung des Signals auf dem Weg vom Lautsprecher zum Mikrofon zu eliminieren, bedarf es eines weiteren Schrittes zur „Normalisierung“ des Signals. Dies muss durch ein Messmikrofon geschehen, von dem bekannt ist, dass sein Frequenzgang über den gesamten geforderten Bereich – hier 20 bis 20.000 Hz – linear ist. verwendet ein phantomgespeistes 1“-Mikrofon von Microtech Gefell. Dieses wird mit dem MLS-Signal über den angeschlossenen Lautsprecher im Raum beschallt und sein Signal wird ebenfalls gesampelt und im Audio-Precision gespeichert. Die Adresse jedes aufgenommenen Samples entspricht genau der eines gesendeten Samples. Sowohl der verwendete Lautsprecher als auch die Messstrecke beeinflussen den Frequenzgang. Als Ergebnis werden die durch das Messmikrofon aufgenommenen Samples im Audio Precision gespeichert. Wenn jetzt noch einmal das Messmikrofon beschallt und der Rechenvorgang – gesendete Samples und empfangene Samples werden miteinander verglichen – aktiviert wird, ergibt sich der tatsächliche Frequenzgang des Messmikrofons.

der Audio-Precision 2727 Messcomputer

Wenn nun an die Stelle des Messmikrofons das zu messende Mikrofon platziert wird, ergibt sich dessen Frequenzgang. Und genau an dieser Stelle ist absolute Präzision gefragt: Die Membran des zu messenden Mikrofons muss exakt an der Stelle platziert werden, an welcher die des Messmikrofons bei der Referenzaufnahme war. Denn nur hier herrscht absolute Frequenzlinearität. Wenn man bedenkt, dass die Schallschwingungen im oberen Frequenzbereich eine Länge von zwei Zentimeter und kleiner haben, sind Abweichungen der Position im Millimeterbereich schon ausschlaggebend für Abweichungen im Frequenzgang. Die Positionierung des zu messenden Mikros geschieht mit Hilfe der Laufzeit eines akustischen Impulses, ebenfalls erzeugt im Audio-Precision, ausgesendet durch den Messlautsprecher. Es wird eine Halbwelle eines 10kHz-Impulses benutzt. Die Ausrichtung des Mikrofons ist millimetergenau möglich, da die Laufzeit des Impulses von der Membran des Lautsprechers zur Membran des Mikrofons im Audio-Precision berechnet wird. Jetzt muss nur noch dafür gesorgt werden, dass das zu messende Mikrofon genau auf die Mitte des Lautsprechers zeigt, und einer Messung steht nichts mehr im Wege.

Die Schritte: Abstandsmessung Membran zu Membran, Messung der Bezugssamples durch das Messmikrofon und anschließend Messung des unbekannten Mikrofons sind fest im Audio-Precision gespeicherte Abläufe – sogenannte Makros. Mike Kahsnitz von RTW, der deutschen Vertretung von AP, hat uns diese programmiert. Während einer solchen Messung darf sich im Raum nichts bewegen oder verändert werden, da sämtliche Raumparameter durch die Beschallung des Messmikrofons in den Samples des Audio-Precision gespeichert sind. Das Ergebnis des gemessenen Mikrofons sind die für Professional audio typischen Frequenzgangkurven, die etwas von den Kurven der Hersteller abweichen können, weil meist die Auflösung der Diagramme in Professional audio größer ist.

Relativ einfach sind Messungen an Kleinmembranmikrofonen, da diese meist axial beschallt werden. Bei Grossmembranmikros sind die Erkennbarkeit der Membranfläche und deren Ausrichtung zum Messlautsprecher oft sehr schwierig. Außerdem haben manche Mikrofone herstellerseitig nur die Möglichkeit, in der mitgelieferten Spinne befestigt zu werden. Diese erzeugt manchmal im Bereich höherer Frequenzen Interferenzen und daraus ergeben sich dann unruhige Frequenzgänge. Bei Charakteristik-umschaltbaren Mikrofonen werden die Frequenzgänge der einzelnen Charakteristiken gemessen, außerdem lässt sich hiermit auch die Wirksamkeit der – meist zuschaltbaren – Trittschallfilter dokumentieren.

Eine weitere Messung an Mikrofonen ist die der Empfindlichkeit und des Rauschabstandes. Diese beiden Werte sind immer bezogen auf den Schallpegel von 94 Phon. Jedes Mikrofon gibt bei Beschallung mit 94 Phon seinen ihm eigenen Pegel ab. Dieser wird nicht in Dezibel sondern in Millivolt ausgedrückt. Dynamische Mikrofone liegen im Bereich von circa 2 Millivolt (mV), Kondensatormikrofone dagegen im Bereich von 20 mV. Unser Messlautsprecher gibt für diese Messung einen Pegel von 94 Phon bei einer Frequenz von 250 Hz ab.Das zu untersuchende Mikrofon wird damit beschallt und die Ausgangsspannung gemessen. Diese wird dann in Millivolt (mV) in der Tabelle unter Empfindlichkeit eingetragen. Je höher die Empfindlichkeit eines Mikrofons ist, desto höher ist die abgegebene Spannung bei Beschallung. Dies kommt dem Benutzer zugute, wenn der Mikrofonvorverstärker nur eine geringe Empfindlichkeit hat.

Der Frequenzgang des Microtech Gefell M 930, Editors Choice von Professional audio, ist im Rahmen des technisch Machbaren perfekt und in puncto Linearität ein Musterbeispielfür ein Großmembran-Kondensatormikrofon Die Messkurve zeigt am Beispiels des Röhren-Großmembranmikrofons Brauner VM1 einen typischen, im Professional audio-Messlabor ermittelten Frequenzgang: Die Kurve verläuft unter Berücksichtigung der feinen Skalierung linear, kleinere Welligkeiten im mittleren Frequenzbereich rühren von Refl exionen am Stativ und dem etwas steifen Vovox-Kabel her.

Die wichtigsten Fachbegriffe der Mikrofontechnik

Kommentare