Mikrofon-Schallfelder: Leitfaden zu Freifeld, Druckfeld & Diffusfeld

Bei akustischen Messungen (SPL, Frequenzgang, Geräusch, Nachhall usw.) stammen große Fehler häufig nicht von der Genauigkeit der Messgeräte, sondern von einer Abweichung zwischen dem angenommenen und dem tatsächlichen Schallfeld. Was ein Mikrofon als Schalldruck erfasst, ist in unterschiedlichen Schallfeldern nicht streng äquivalent - insbesondere im Mittel- und Hochfrequenzbereich, in dem die Mikrofonabmessungen mit der akustischen Wellenlänge vergleichbar werden.

Messmikrofone werden üblicherweise nach dem Schallfeld kategorisiert, für das ihre Kalibrierung/Kompensation definiert ist: Freifeld-, Druckfeld- und Diffusfeld-(Zufallsanregungs-)Mikrofone. Dieser Artikel verwendet ingenieurorientierte Vergleichstabellen und Checklisten zu typischen Stolperfallen, um die Unterschiede zwischen den drei Schallfeldtypen, ihre typischen Anwendungsszenarien und wichtige Nutzungshinweise zu erläutern. Außerdem werden Auswahlregeln bereitgestellt, die direkt in Prüfpläne übernommen werden können und so die Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit von Messungen verbessern.

Anschauliches Verständnis mit einem Bild aufbauen

Die folgenden Diagramme veranschaulichen die drei typischen Schallfeldannahmen, die bei der Kalibrierung und Auswahl von Mikrofonen verwendet werden.

Abbildung 1 Freifeld: Reflexionen vernachlässigbar, Welle trifft hauptsächlich aus einer Richtung ein

Abbildung 2 Druckfeld: Kuppler-/Hohlraummessung mit Fokus auf dem Schalldruck an der Membranoberfläche

Abbildung 3 Diffusfeld (Zufallsanregung): Energie trifft aus vielen Richtungen ein (im statistischen Sinn)

Schnellvergleich für die ingenieurtechnische Auswahl

Freifeld: Den ungestörten Schalldruck abschätzen

Ein Freifeld ist eine Umgebung, in der Reflexionen vernachlässigbar sind und der Schall hauptsächlich aus einer definierten Richtung eintrifft (typischerweise 0° zur Mikrofonachse). Da das Mikrofongehäuse das Schallfeld beeinflusst, verfügt ein Freifeldmikrofon typischerweise über eine Freifeldkompensation, sodass der angezeigte Schalldruck besser den Druck repräsentiert, der ohne das Mikrofon vorhanden wäre.

Typische Anwendungsfälle

• Anechoische oder quasi-freifeldige Schalldruckpegelmessungen
• On-Axis-Lautsprecherfrequenzgang und Quellcharakterisierung
• Tests mit streng definierter Einfallsrichtung

Praktische Hinweise

• 0°-Einfallsrichtung einhalten, wenn vorgegeben; außermittige Winkel können zu erheblichen Hochfrequenzabweichungen führen.
• Streuung durch Halterungen minimieren (Stative, Adapter, Halterung, Kabel, Windschutze).
• Nahegelegene reflektierende Flächen kontrollieren, die die Freifeldannahme verletzen.

Druckfeld: Schalldruck an der Membranoberfläche messen

Ein Druckfeld ist typischerweise mit kleinen, geschlossenen Volumina (Kuppler/Hohlräume) verknüpft. Hier ist die interessierende Größe der tatsächliche Druck an der Membranoberfläche. Das Mikrofon wird dabei häufig Teil der Hohlraumbegrenzung.

Typische Anwendungsfälle

• Pistonphone-/Kupplerkalibrierung und Hohlraummessungen
• IEC-Ohrsimulatoren und Kuppler für Kopfhörer- und In-Ear-Tests
• Bündig-/Grenzflächendruckmessungen

Praktische Hinweise

• Abdichtung und Ankopplung sind kritisch; bereits kleine Leckagen können den Nieder- und Mitteltonbereich stark beeinflussen.
• Hohlraumresonanzen können den Hochfrequenzgang formen; befolgen Sie die einschlägige Norm oder Messmethode.
• Für Wiederholbarkeit eine konstante Anpresskraft und identische Montage sicherstellen.

Diffusfeld: Ein Mittelwert über Richtungen

Ein Diffusfeld (Zufallsanregung) setzt voraus, dass Schallenergie im statistischen Sinn aus allen Richtungen mit gleicher Wahrscheinlichkeit eintrifft. Dies wird in Nachhallräumen oder stark reflektierenden Gehäusen angenähert. Diffusfeldmikrofone sind so ausgelegt, dass ihr Übertragungsverhalten besser dem Mittelwert über viele Einfallswinkel entspricht.

Typische Anwendungsfälle

• Nachhallraummessungen und Raumakustik
• Geräusch- und Schalldruckpegelmessungen in reflektierenden Kabinen (Fahrzeug oder Gehäuse)
• Statistische Messungen, bei denen mehrdirektionale Anregung dominiert

Praktische Hinweise

• Ein normaler Raum ist nicht zwangsläufig diffus; starke Direktschallanteile verletzen die Annahme.
• Eine korrekte Installation und Bedienung bleibt entscheidend: große Halterungen, Montagewinkel und Hindernisse können die Eigenschaften des lokalen Schallfelds verändern.
• Messorte konsequent beibehalten; Positionsänderungen verändern Moden- und Nachhallanteile.

Faustregel: Die Schallfeldannahme in den Prüfplan schreiben

• Quasi-anekoisch, Richtung definiert → Freifeldmikrofon wählen
• Kuppler-/Hohlraum-/Grenzflächendruck → Druckfeldmikrofon wählen
• Stark reflektierend, mehrdirektionale Anregung → Diffusfeldmikrofon wählen

Wenn das Schallfeld unklar ist, definieren Sie zunächst die Geometrie (Direkt-zu-Nachhall-Verhältnis, Einfallsrichtung, Abstand) und wenden Sie dann eine geeignete Kalibrierungs- oder Korrekturstrategie an, um die dominierenden Fehlerquellen zu beherrschen.

Häufige Stolperfallen

• Einsatz eines Freifeldmikrofons in einem Kuppler/Hohlraum: Hochfrequenzabweichungen werden häufig überbetont.
• Freifeldtests ohne Kontrolle des Winkels: Der außermittige Fehler nimmt im Mittel- und Hochfrequenzbereich zu.
• Einen normalen Raum als diffus behandeln: Wenn der Direktschall dominiert, ist die Diffusfeldannahme nicht erfüllt.

Fazit

Freifeld, Druckfeld und Diffusfeld sind keine Marketingbegriffe - sie verknüpfen Mikrofonkonstruktion und Kalibrierungsannahmen mit spezifischen akustischen Modellen. Wenn Sie das angenommene Schallfeld (Geometrie, Winkel, Reflexionen, Kalibrierung und Korrekturen) explizit in Ihrem Prüfplan dokumentieren, können Sie die Wiederholbarkeit und Vergleichbarkeit von Messungen deutlich verbessern.

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