Akustische Testdaten optimieren: Verstärkung, Messbereich, Quantisierung

In akustischen Tests, bei der Sensorkalibrierung, in der Elektroakustik und im NVH-Bereich bestimmen Verstärkung, Eingangsbereich und Quantisierung direkt die Qualität der erfassten Daten. Dieser Artikel erläutert diese drei Faktoren aus ingenieurwissenschaftlicher Perspektive. Anhand typischer CRYSOUND-Setups - Messmikrofone, Vorverstärker, akustische Bildgebungssysteme und DAQ-Systeme wie SonoDAQ Pro mit OpenTest - wird gezeigt, wie diese in der Praxis korrekt konfiguriert werden.

Von der Testlinie: Wenn "seltsame Wellenformen" durch Quantisierung verursacht werden

In realen akustischen Prüfumgebungen stoßen Ingenieure häufig auf Situationen wie diese:

• Auf einer Produktionslinie sehen die Wellenformen einer Charge von MEMS-Mikrofonen plötzlich treppenförmig aus, und das Spektrum wirkt rau.
• Bei NVH- oder Lüftergeräuschtests erscheinen niederpegelige Abschnitte der Wellenform körnig, Details sind kaum erkennbar.
• In akustischen Bildgebungssystemen sind Signale von weiter entfernten Leckstellen zwar hörbar, aber instabil, mit zittrigen Bildrändern.

Abbildung 1: Daten mit schlechter Quantisierungsqualität erscheinen häufig verrauscht oder unscharf.

Viele Ingenieure führen diese Probleme zunächst auf übermäßiges Rauschen zurück. In der Praxis resultiert ein großer Teil davon jedoch aus Signalen, die im Verhältnis zu einem zu großen Eingangsbereich zu klein sind, sodass die meisten Quantisierungsstufen ungenutzt bleiben.

Wenn ein Signal den Dynamikbereich des Systems nicht ausreichend ausnutzt, kann selbst ein hochauflösender ADC keine sinnvolle Datenqualität liefern.

Drei Kernkonzepte in technischen Begriffen erläutert

Verstärkung: Das Signal in den richtigen Bereich bringen

In akustischen Messketten von CRYSOUND wird die Verstärkung typischerweise in den folgenden Stufen eingesetzt:

• Messmikrofon- und Vorverstärkerstufen
• Elektroakustische Analysatoren oder DAQ-Frontends wie SonoDAQ Pro

Abbildung 2: Links: ein 5-V-Signal. Rechts: Anwendung einer Verstärkung von 2 auf das 5-V-Signal, was zu einem 10-V-Signal führt.

Der Zweck der Verstärkung ist einfach: Signale, die nur einige Dutzend oder einige Hundert Millivolt betragen, so zu verstärken, dass sie sich dem Vollaussteuerungspegel des DAQ nähern und vom ADC korrekt digitalisiert werden können.

Messbereich: Das Fenster, durch das das System das Signal sieht

Der Eingangsbereich definiert sowohl die maximale Signalamplitude, die ein System verarbeiten kann, als auch die zu jedem Quantisierungsbit gehörende Spannungsschrittweite bei einer gegebenen ADC-Auflösung.

Für hochpräzise Geräte wie CRYSOUND-Messmikrofone und Schallpegelmesser wie CRY2851 ist die Auswahl eines geeigneten Bereichs, der das Signal im linearen Arbeitsbereich hält, entscheidend für stabile Messungen.

Abbildung 3: Links: Eingangsbereich auf 10 V eingestellt. Rechts: Eingangsbereich auf 0,01 V eingestellt.

Abbildung 4: Anzahl verfügbarer Bins, die für die Signalquantisierung genutzt werden.

Quantisierung ist der Prozess, mit dem ein ADC kontinuierliche analoge Signale in diskrete digitale Werte umwandelt. Werden mehr Quantisierungsstufen effektiv genutzt, bildet das digitale Signal die analoge Wellenform genauer ab. Werden weniger Stufen genutzt, treten treppenförmige Wellenformen und niederpegeliges Jittern deutlich hervor.

Abbildung 5: Während der Quantisierung wird die Signalamplitude in diskrete Stufen unterteilt.

Wie Verstärkung und Messbereich in CRYSOUND-Systemen zusammenwirken

Die Wechselwirkung zwischen Verstärkung, Bereich und Quantisierung wird anschaulicher, wenn man sie anhand realer CRYSOUND-Anwendungsszenarien betrachtet.

1. Sensoren und elektroakustische Prüfungen

CRYSOUND-Messmikrofone, Vorverstärker und elektroakustische Analysatoren (z. B. CRY6151B) werden üblicherweise eingesetzt für:

• Prüfung von Mikrofonkapseln;
• Produktions- und Laborprüfungen von Kopfhörern, Lautsprechern und anderen elektroakustischen Komponenten.

In diesen Systemen sieht die typische Best Practice wie folgt aus:

• Den Signalpegel auf Basis der Empfindlichkeit des Prüflings (DUT) und des erwarteten Schalldruckpegels (SPL) abschätzen;
• Eine geeignete Verstärkung am Frontend-Verstärker oder Analysator einstellen, sodass das Signal etwa 60-80 % der Vollaussteuerung erreicht;
• Einen passenden Eingangsbereich wählen, um Übersteuerung zu vermeiden und gleichzeitig möglichst viel Dynamikbereich zu erhalten.

Dieser Ansatz ermöglicht geringe Verzerrungen bei gleichzeitiger maximaler Ausnutzung der effektiven Bits des ADC und reduziert so das Quantisierungsrauschen.

2. Akustische Bildgebung und Array-Messungen

In akustischen Bildgebungsprodukten von CRYSOUND (z. B. akustische Kameras auf Basis leistungsstarker Mikrofonarrays) verarbeitet das System häufig breitbandige Signale aus vielen synchronisierten Kanälen und wendet anschließend Lokalisierungs- und Bildgebungsalgorithmen an.

In diesem Szenario gilt:

• Liegt der Signalpegel aus einer bestimmten Richtung weit unterhalb der Untergrenze des Gesamtbereichs, kann dieser Bereich unter unzureichender Quantisierungsauflösung leiden, was zu stärkerem Bildrauschen/"Speckle" führt;
• Durch korrektes Einstellen der Gesamt-Array-Verstärkung und des Eingangsbereichs jedes Frontend-Moduls lassen sich schwache Fernfeldsignale gegenüber starken Nahfeldsignalen ausbalancieren.

Daher hängt ein zuverlässiges akustisches Bildgebungssystem für Gaslecksuche, Teilentladungsdetektion oder Überwachung mechanischer Degradation nicht nur von den Algorithmen ab, sondern ebenso von der zugrunde liegenden Quantisierungsqualität.

3. DAQ-Systeme und reproduzierbare Workflows

Für die Erfassung von Akustik- und Schwingungsdaten bietet CRYSOUND modulare DAQ-Hardware (z. B. die SonoDAQ-Serie) und die OpenTest-Softwareplattform, die durchgängige Workflows von Messung und Analyse bis hin zu automatisierten Testsequenzen ermöglicht.

Auf diesen Plattformen können Ingenieure:

• Sensorbezogen pro Kanal Verstärkung, Bereich und Abtastrate direkt in den Kanaleinstellungen konfigurieren;
• Eine validierte Konfiguration als Vorlage speichern und für verschiedene Produkte oder Projekte wiederverwenden;
• Assistenten-basierte Benutzeroberflächen in Anwendungen wie Schallleistung, Geräusch und Schwingung nutzen, um sicherzustellen, dass die Parametereinstellungen mit den relevanten Normen im Einklang bleiben.

Mit anderen Worten:
Verstärkung, Bereich und Quantisierung - diese "Low-Level-Details" - lassen sich in Softwareszenario-Vorlagen abbilden und in gemeinsam genutzte, prüfbare Test-Assets für das Team verwandeln, anstatt nur in der Erfahrung eines einzelnen Ingenieurs zu existieren.

Ein schneller Spickzettel für CRYSOUND-Anwender

Egal, ob Sie CRYSOUND-Messmikrofone, Schallpegelmesser, elektroakustische Prüfsysteme oder eine DAQ- + OpenTest-Plattform einsetzen - die folgende Checkliste kann im Arbeitsalltag als schnelle Vorab-Prüfung vor dem Test dienen.

• Erwarteten Signalbereich bestätigen: Die maximale Signalamplitude anhand von Erfahrung oder einer kurzen Probemessung abschätzen.
• Geeignete Frontend-Verstärkung einstellen: Ziel ist, dass unter typischen Betriebsbedingungen die Spitzen der Wellenform etwa 60-80 % des Vollaussteuerungseingangs erreichen.
• Passenden Eingangsbereich wählen: Vermeiden Sie es, standardmäßig ±10 V zu verwenden; ist das Signalniveau deutlich niedriger, sollte ein kleinerer Bereich in Betracht gezogen werden.
• Auf Übersteuerung prüfen: Abgeflachte Wellenformspitzen oder ungewöhnlich stark erhöhte Spektrallinien weisen in der Regel auf Überlast hin.
• Konfigurationen speichern und wiederverwenden: Speichern Sie in CRYSOUND-Plattformen Kanal-, Verstärkungs- und Bereichseinstellungen als Projektvorlagen, um Bedienfehler zu reduzieren.

Abschluss: Genauigkeit entsteht aus dem Gesamtsystem

In realen akustischen Messsystemen wird die Datenqualität niemals nur von einem einzelnen ADC bestimmt. Sie ist vielmehr das Ergebnis des Zusammenspiels der gesamten Signalkette:

Sensoren → Verstärkung → Bereich → Quantisierung → Software-Algorithmen

Als Spezialist für akustische Prüfungen möchte CRYSOUND Ingenieure dabei unterstützen, diese grundlegenden Themen - Verstärkung, Bereich und Quantisierung - durch ein umfassendes Produktportfolio zu adressieren, von Sensoren und Frontend-Hardware über akustische Bildgebung und elektroakustische Prüfungen bis hin zu Datenerfassung und Softwareplattformen. Dies schafft eine verlässliche Datengrundlage für nachfolgende Analysen und Entscheidungen.

Wenn Sie Unterstützung bei der Auswahl des richtigen Setups oder bei der Validierung Ihrer Konfiguration wünschen, füllen Sie bitte das Formular Kontakt aufnehmen aus, und wir setzen uns mit Ihnen in Verbindung.