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Was ist die Empfindlichkeit von Messmikrofonen?
Die Empfindlichkeit von Messmikrofonen wird in der Regel in mV/Pa angegeben. Sie beschreibt die Spannung, die ein Mikrofon für einen gegebenen Schalldruck erzeugt. Die Empfindlichkeit beeinflusst den Ausgang bei schwachen Signalen, die Umrechnung des Schalldrucks und die Anpassung des Mikrofons an den Rest der Messkette, aber ein höherer Wert ist nicht automatisch besser.
Was ist die Empfindlichkeit von Messmikrofonen?
Die Mikrofonempfindlichkeit beschreibt die Fähigkeit eines Mikrofons, Schalldruck in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Für Messmikrofone ist die übliche Einheit mV/Pa: die Anzahl der Millivolt, die erzeugt werden, wenn das Mikrofon einem Schalldruck von 1 Pa ausgesetzt ist.
In der Akustik entspricht 1 Pa ungefähr 94 dB SPL. Ein 10-mV/Pa-Mikrofon erzeugt idealerweise 10 mV bei diesem Pegel, während 50-mV/Pa- und 100-mV/Pa-Mikrofone ungefähr 50 mV bzw. 100 mV liefern.
Eine höhere Empfindlichkeit erzeugt daher aus demselben akustischen Eingang eine größere Spannung. Die Empfindlichkeit allein lässt jedoch keine Rückschlüsse auf einen flacheren Frequenzgang, geringere Verzerrungen, geringeres Eigenrauschen oder eine höhere Messgenauigkeit zu.
Wie beeinflusst die Empfindlichkeit Messungen?
Messungen bei niedrigem SPL: Ausgang bei schwachen Signalen und Systemrauschen
In einer ruhigen Umgebung oder bei einem Test mit schwachen Signalen kann die vom Mikrofon erzeugte Spannung sehr klein sein. Ist der Ausgang zu niedrig, kann das Eingangsrauschen des Vorverstärkers und des Datenerfassungssystems das Ergebnis stärker beeinflussen.
Bei sonst gleichen Bedingungen erzeugt ein Mikrofon mit höherer Empfindlichkeit bei gleichem Schalldruck eine größere Spannung und verringert den relativen Anteil des nachfolgenden Elektronikrauschens. Dies ist ein Grund, warum Messungen mit niedrigem Rauschen oft von einem Mikrofon mit hoher Empfindlichkeit profitieren.
Hohe Empfindlichkeit ist nicht dasselbe wie geringes Eigenrauschen. Der geringste messbare Schall hängt außerdem vom Eigenrauschen des Mikrofons, dem Rauschen des Vorverstärkers, dem Umgebungsgeräusch und der gesamten Messkette ab.
Für Eigenrauschen von Kopfhörern, leise Haushaltsgeräte und andere Tests mit schwachen Signalen kann ein für rauscharme Messungen ausgelegtes Mikrofon geeignet sein. Das CRY3261-S02 hat beispielsweise eine Empfindlichkeit von 450 mV/Pa und ein Eigenrauschen von nur 6,5 dB(A). Der angestrebte SPL-Bereich sollte dennoch überprüft werden.
Messungen bei hohem SPL: Ausgangsspannung und Anpassung an den Eingangsbereich
Vorverstärker und Datenerfassungssysteme haben maximale Eingangsspannungen. Mit steigendem Schalldruck erzeugt ein Mikrofon mit hoher Empfindlichkeit eine größere Ausgangsspannung und kann die nachgeschaltete Eingangsbeschränkung früher erreichen.
Bei ideal linearer Wandlung erzeugt ein 50-mV/Pa-Mikrofon bei 120 dB SPL (etwa 20 Pa) etwa 1 V, während ein 10-mV/Pa-Mikrofon etwa 0,2 V liefert. Bei 140 dB SPL (etwa 200 Pa) liegen die entsprechenden Ausgänge bei etwa 10 V bzw. 2 V. Dieser Unterschied ist wichtig, wenn das Erfassungssystem nur einen begrenzten Eingangsbereich hat.
Der tatsächlich maximal messbare Schalldruckpegel lässt sich nicht allein aus der Empfindlichkeit berechnen. Prüfen Sie immer den maximalen SPL des Mikrofons und die Verzerrungsbedingungen zusammen mit den linearen Eingangsbereichen von Vorverstärker und Datenerfassungssystem.
Für Tests mit extrem hohem SPL kann ein speziell für solche Bedingungen ausgelegtes Mikrofon mit niedriger Empfindlichkeit erforderlich sein. Das CRY3408-S01 hat eine Empfindlichkeit von 0,14 mV/Pa und unterstützt Messungen bis 180 dB SPL, vorbehaltlich der spezifizierten Betriebs- und Verzerrungsbedingungen.
Die Empfindlichkeit beeinflusst auch die Umrechnung des Schalldrucks
Messsoftware verwendet die Mikrofonempfindlichkeit, um die erfasste Spannung in Schalldruck in Pascal umzuwandeln und dann den Schalldruckpegel relativ zu 20 µPa zu berechnen.
Der in der Software eingegebene Empfindlichkeitswert muss daher mit der tatsächlichen Mikrofonempfindlichkeit übereinstimmen. Ein falscher Wert führt dazu, dass der berechnete SPL systematisch zu hoch oder zu niedrig ist, selbst wenn die Signalerfassung ansonsten korrekt ist.
Ist eine höhere Mikrofonempfindlichkeit immer besser?
Nr. Hohe und niedrige Empfindlichkeiten eignen sich für unterschiedliche Anwendungen. Wichtig ist die Frage, ob die Empfindlichkeit zum erwarteten SPL-Bereich und zum Eingangsbereich des Messsystems passt.
Häufige Missverständnisse sind die Annahmen, dass eine höhere Empfindlichkeit einen flacheren Frequenzgang, geringeres Eigenrauschen oder höhere Genauigkeit garantiert. Die Empfindlichkeit allein kann weder den maximalen SPL noch den Dynamikbereich bestimmen.
Wie sollte die Empfindlichkeit für einen Test interpretiert werden?
Mindest- und Höchstwert des SPL abschätzen
Beginnen Sie damit, die niedrigsten und höchsten zu erwartenden Schalldruckpegel abzuschätzen. Ruhige Umgebungen und schwache Schallquellen erfordern besondere Aufmerksamkeit für Empfindlichkeit und Eigenrauschen. Schallquellen mit hohem Pegel erfordern besondere Aufmerksamkeit für maximalen SPL, Linearität und den Eingangsbereich des gesamten Systems.
Mikrofon und Erfassungssystem gemeinsam betrachten
Nachdem die Mikrofonempfindlichkeit bestätigt wurde, prüfen Sie das Rauschen des Vorverstärkers, die Verstärkungseinstellungen und den Eingangsbereich des Datenerfassungssystems. Für allgemeine Laboranwendungen und routinemäßige akustische Messungen bietet das 50-mV/Pa-Mikrofon CRY3203-S01 einen praxisgerechten Kompromiss für eine breite Palette typischer Aufgaben.
Weitere Spezifikationen berücksichtigen
Die Empfindlichkeit ist nur ein Teil der Mikrofonleistung. Eigenrauschen, maximaler SPL, Dynamikbereich, Frequenzgang, Frequenzbereich und Umgebungsbeständigkeit sollten ebenfalls berücksichtigt werden.
Zusammenfassung
Die Empfindlichkeit von Messmikrofonen bestimmt die Ausgangsspannung, die bei einem gegebenen Schalldruck erzeugt wird. Eine höhere Empfindlichkeit hilft, aus schwachen Schallereignissen ein größeres Signal zu erzeugen, während eine geringere Empfindlichkeit bei hohem SPL weniger Spannung liefert und oft besser zu einem begrenzten Eingangsbereich des Datenerfassungssystems passt.
Zuverlässige Messungen erfordern, dass Mikrofon, Vorverstärker und Datenerfassungssystem als eine Kette bewertet werden. Definieren Sie zuerst den erwarteten SPL-Bereich und prüfen Sie dann die Empfindlichkeit zusammen mit Eigenrauschen, maximalem SPL und Eingangsbereich.
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen 50 mV/Pa und 10 mV/Pa?
Bei gleichem Schalldruck erzeugt ein 50-mV/Pa-Mikrofon die fünffache Spannung eines 10-mV/Pa-Mikrofons. Die praktische Auswahl hängt außerdem vom Eigenrauschen, dem maximalen SPL und dem Eingangsbereich des Datenerfassungssystems ab.
Bedeutet hohe Empfindlichkeit ein geringeres Eigenrauschen des Mikrofons?
Nicht unbedingt. Die Empfindlichkeit beschreibt die Umwandlung von Schalldruck in Spannung, während das Eigenrauschen vom Mikrofon und dem Rest der Messkette bestimmt wird.
Warum muss die Empfindlichkeitseinstellung in der Software genau sein?
Die Software nutzt die Empfindlichkeit, um die Spannung in Schalldruck umzuwandeln. Wenn der eingegebene Wert nicht zum Mikrofon passt, ist der berechnete SPL systematisch zu hoch oder zu niedrig.
Wenn Sie Unterstützung bei der Anpassung der Empfindlichkeit von Messmikrofonen an ein akustisches Prüfsystem benötigen, wenden Sie sich an das technische Team von CRYSOUND.
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