Serie: Messtechnik
Die vergleichende Beschreibung von Audio-Equipment erfordert seriöse und reproduzierbare Messungen mit entsprechendem Gerät. Doch die ermittelten Zahlenwerte und Kurven gilt es richtig zu verstehen. Dieser Beitrag beschreibt, wie Professional audio seine Messergebnisse ermittelt und erläutert, wie die Daten zu interpretieren sind: Diesmal geht’s um …
Mikrofone
Von Uli Apel
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.
Messungen mit MLS
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. Professional audio 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.
Die Kunst der Mikrofonaufstellung
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.
Kleinmembran - Großmembran
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.
Messung der Empfindlichkeit und des Rauschabstandes
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.
Abschließend wird noch der Geräuschpegelabstand gemessen. Dazu wird das Mikrofon in ein Prüfrohr gehängt und es wird allein die Spannung gemessen, die das Mikrofon abgibt, wenn es in völlig ruhiger Umgebung ist. Dieser Wert liegt zwischen 70 und 85 dB. Je höher dieser Wert ist, desto „ruhiger“ ist das Mikrofon. Werte unter 70 dB können bei der Aufnahme sehr geringer Schallpegel schon störend sein.
Das Prüfrohr entspricht den Vorgaben des IRT (Institut für Rundfunktechnik) und ist bei Professional audio ein Steinrohr mit schallschluckender Auskleidung. Es besitzt gegenüber dem Umgebungsschall eine Dämpfung von 60 dB. Auch hier wird wieder zur Überprüfung das Messmikrofon herangezogen.
Das Ergebnis der Messung ist der Geräuschpegelabstand, gemessen in dB. Da die ursprünglichen Mikrofonsignale für den AP-Messplatz zu gering sind, wird jedes Signal – auch das des Messmikrofons – verstärkt. Dies übernimmt der LakePeople F 355, ein Mikrofonvorverstärker mit Phantomspeisespannung, die besonders für Messzwecke geeignet ist. Hier werden 48 ±0,1 Volt verlangt.
Die wichtigsten Fachbegriffe der Mikrofontechnik
A-Filter: Filter zur Messung von Rauschabständen. Dieses Filter bildet die Nichtlinearität des menschlichen Gehörs nach. Der ermittelte Wert wird dann auch als Geräuschspannung bezeichnet.
Charakteristik oder Richtcharakteristik: Ausgangsspannungsverlauf eines Mikrofons in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung des Schalles.
Empfindlichkeit: Technisches Datum von Mikrofonen: Ausgangsspannung bei der Beschallung mit 94 Phon.
Frequenzgang: Übliche Darstellung des Pegels in Abhängigkeit von der Frequenz. Hier lässt sich erkennen, ob ein Mikrofon bestimmte Frequenzgebiete bevorzugt oder gemindert wiedergibt.
Geräuschpegelabstand: Bewerteter Rauschabstand. Messung geschieht über das A-Filter. Dieser Wert wird bei Professional audio in der Tabelle angegeben.
Messmikrofon: Speziell aufgebautes Mikrofon, bei dem der Frequenzgang in bestimmten Bereichen sehr (± 0,2 dB) linear ist. Außerdem hat ein Messmikrofon einen bestimmten Durchmesser, mit dessen Hilfe sich bestimmen lässt, wie sich das Mikrofon im Schallfeld verhält. Es gibt Abstufungen von 1“, ½“, und ¼“. Ebenso ist die Ausgangsspannung für 94 Phon genormt: Sie beträgt 50 mV oder 12,5 mV. Millivolt (mV) 1/1000 Volt
Phon: Ist die Bezeichnung von Lautstärkepegel. Dieser ist nicht linear, wie der Schalldruckpegel, sondern hängt von der gekrümmten Kennlinie des Ohres ab. Das menschliche Ohr hat bei rund 5.000 Hz seine größte Empfindlichkeit. Darüber und darunter nimmt diese ab. Bei 1.000 Hz entspricht der Lautstärkepegel dem Schalldruckpegel. Bei Mikrofonmessungen ist alles auf einen Lautstärkepegel von 94 Phon, das entspricht einem Bezugsschalldruck von 20 Pa (Pascal) bezogen.
Rauschabstand: Bei Mikrofonen der Unterschied der Ausgangsspannung zwischen beschallen und unbeschalltem Mikrofon. Ebenfalls bezogen auf 94 Phon. Diese Größe wird im Messrohr ermittelt.
Sampeln: Zur Digitalisierung von Pegelwerten muss ein Signal zeitdiskret zerlegt werden. Diese Zerlegung nennt man Probenentnahme oder Sampeln.
Schallpegel oder Schalldruckpegel: Ist ein Maß für die Stärke des Schalles, angegeben in dB (Dezibel). Es handelt sich um das 20fach logarithmierte Verhältnis zu einem festgelegten Bezug.
Trittschallfilter oder Hochpass: Vorrichtung zur Dämpfung von tieffrequentem (< 160 Hz) Schall zur Vermeidung der Wiedegabe von Popp- und Windgeräuschen