Elko - Mittwoch 22 Oktober 2021

Verwendung von Messmikrofonen, Ein grundlegender Leitfaden zur Messung Ihres (selbstgebauten) Audiosystems

Sie haben gerade ein Messmikrofon gekauft, sind sich aber nicht sicher, wie Sie es benutzen sollen? Oder Sie fragen sich, ob Sie eines brauchen und benötigen weitere Informationen? In diesem Blog wird erklärt, was ein Messmikrofon ist, und es gibt auch zwei kleine Anleitungen. Einen zum Einrichten einer akustischen Messung und einen weiteren über ein nettes Messbeispiel: die gefensterte Messung.

Teil 1: Was ist ein Messmikrofon?

Beginnen wir mit den Grundlagen. Ein Messmikrofon ist ein Mikrofon zur Aufnahme von Signalen, die analysiert werden sollen. Im Allgemeinen hat es einen einfachen Zweck und unterscheidet sich nicht so sehr von anderen Mikrofonen. Ein Messmikrofon misst von sich aus nichts. Es fängt lediglich ein akustisches Signal auf und wandelt es in ein elektronisches Signal um.

Ja, das ist richtig! Auch ein Mikrofon ist ein Schallwandler, genau wie Ihr Lautsprecher. Es überträgt nur andersherum.

Wenn Sie hier aufhören würden zu lesen, scheint ein Messmikrofon nichts Besonderes zu sein und Sie könnten das Karaoke-Mikrofon Ihrer Lieblingsbar auch für akustische Messungen halten. Aber halt: Ein Mikrofon wird zum Messmikrofon, wenn es diese besonderen Eigenschaften hat:

Flacher Frequenzgang über einen weiten Frequenzbereich
Die meisten Messmikrofone sind Elektret-Kondensator-Mikrofone. Dabei wird eine sehr dünne Folie (Membran) verwendet, die in der Nähe einer permanent geladenen Platine, dem Elektret, angeordnet ist. Die Folie und die geladene Platine bilden einen Kondensator. Wenn die Folie durch Schallwellen (oder andere Änderungen des Luftdrucks) in Bewegung gesetzt wird, erzeugt sie nacheinander eine Kapazität und ein Signal. Ein Kondensatormikrofon kann auf statische Luftdruckänderungen reagieren und eignet sich daher sehr gut für die Aufnahme von niedrigen Frequenzen. Die hohen Frequenzen des Spektrums lassen sich dank der geringen bewegten Masse des dünnen Films leicht erfassen.

Omnidirektionales Aufnahmemuster
Der kleine Durchmesser der Kapsel ermöglicht eine gleichmäßige Empfindlichkeit in verschiedenen Winkeln über einen großen Frequenzbereich. Das ist praktisch, denn es gibt viele Situationen, in denen man von mehreren Winkeln gleichzeitig aufnehmen muss. Sogar bei der Messung eines einzelnen Lautsprechers unter einem einzigen Winkel kann das omnidirektionale Muster verwendet werden, um in Ihrem Wohnzimmer schalltote Ergebnisse zu erzielen.

Umgang mit hohen Schalldruckpegeln
Wenn Sie sich nicht sicher sind, wie hoch die Ausgangsleistung Ihres Systems ist und mit hohen Schalldruckpegeln umgehen können, würde ich nicht empfehlen, den maximalen Schalldruckpegel Ihres Mikrofons zu testen. Die Fähigkeit, hohe Pegel zu verarbeiten, ist nützlich, weil die Verzerrung bei den üblichen Messamplituden sehr gering ist. Ein höherer maximaler Schalldruckpegel geht auf Kosten der Empfindlichkeit. Im Falle von Lautsprechermessungen ist dies kein Problem, da das Mikrofon dadurch weniger anfällig für die Aufnahme von Hintergrundgeräuschen ist.

Kalibrierung
Die Kalibrierung gewährleistet einen ebenen Frequenzgang. Ein kalibriertes Mikrofon wird mit einer Kalibrierungsdatei geliefert. Diese Datei enthält Informationen zur Korrektur der Unzulänglichkeiten der Kapsel. Die Messsoftware wendet die Korrektur bei der Messung an. Wenn Sie sehen möchten, wie viel Korrektur Ihr Mikrofon benötigt, können Sie die Datei einfach in einem Texteditor öffnen. Sie werden eine Empfindlichkeitskorrektur und eine zweispaltige Liste sehen. In der einen Spalte steht die Frequenz, die korrigiert werden muss, in der anderen der Betrag (in Dezibel) der Korrektur für diese Frequenz.

Konnektivität

Wie oben beschrieben, nimmt das Mikrofon selbst nur die Signale auf. Die eigentliche Messung erfordert einen Analysator. Heutzutage ist dies ein Computer. Aber wie kommt das aufgezeichnete Signal zum Computer?

Unsere beliebtesten Messmikrofone sind mit einer USB-Schnittstelle ausgestattet. Die USB-Schnittstelle überträgt das Signal an Ihren Computer und liefert die 5 VDC-Spannung zur Versorgung der internen Schaltkreise des Mikrofons. Ein USB-Mikrofon ist nicht nur einfach zu bedienen, sondern hat noch weitere Vorteile. Die internen Schaltkreise ermöglichen ein geringes Rauschen, eine optimale Hardwaresteuerung und minimale Verluste durch die stabile digitale Signalübertragung. Mit einem USB-Mikrofon müssen Sie sich keine Gedanken über die Kompatibilität und Qualität eines Vorverstärkers oder einer Soundkarte machen.

USB-Messmikrofone

miniDSP UMIK-1 oder UMIK-2
Dayton Audio UMM-6

Wir bieten auch Messmikrofone mit analogem Ausgang an. Diese sind genau so genau, benötigen aber einen Vorverstärker und eine Anschlussschnittstelle. Es ist üblich, dass der Verstärker und die Schnittstelle in einem Gerät kombiniert sind, z. B. in einem USB-Audio-Interface oder einer Soundkarte.

Analoge Messmikrofone:

Dayton Audio EMM-6
IMG Stageline ECM-40
Dayton Audio iMM-6

Wenn Sie durch unsere Test- und Messprodukte stöbern, sind Ihnen vielleicht die Audiomatica-Produkte aufgefallen. Das CLIO pocket und CLIO 12 sind die Schweizer Taschenmesser für Lautsprechermessungen. Sie können sowohl akustische als auch elektrische Signale messen. Das Audiomatica-Mikrofon ist kein USB-Gerät, dafür aber das mitgelieferte Interface. Die CLIO-Software ermöglicht es Ihnen, die Hardware zu steuern und sowohl akustische als auch elektrische Messungen in derselben Softwareumgebung zu analysieren.

Was brauche ich außer einem Messmikrofon noch?

Da das Mikrofon nur das Signal aufnimmt und selbst keine Messungen durchführt, benötigen Sie einige zusätzliche Hilfsmittel:

Was	Warum
Computer und software	Der Computer erledigt die ganze schwierige Arbeit: Er erzeugt das Prüfsignal, führt Berechnungen durch und zeichnet die Diagramme auf. Stellen Sie sich vor, wie schwierig es ohne einen Computer wäre! Die Software ist bei einigen Mikrofonen im Lieferumfang enthalten. Falls nicht, empfehlen wir REW - Room Eq Wizard.
Verstärker	Zur Verstärkung des Testsignals. Jeder moderne Audioverstärker, der mit dem Ausgang Ihres Computers kompatibel ist und der leistungsstark und stabil genug ist, um den angeschlossenen Lautsprecher zu betreiben, ist genau das, was Sie brauchen.
D.U.T.	(Device Under Test) Zu prüfendes Gerät. In der Regel ein Lautsprecher oder ein Soundsystem/Lautsprecher.
Mikrofonstativ	Die meisten Mikrofone werden mit einem dreibeinigen Tischstativ geliefert. Dies ist ideal für die Messung der Raumakustik. Wenn Sie jedoch Ihre Lautsprecher messen möchten, ist ein größeres Stativ ein Muss.
(Schnittstelle oder Soundkarte)	Nur bei analogen (nicht USB) Mikrofonen erforderlich

Teil 2: Wie man ein Messmikrofon benutzt

Haben Sie alles, was Sie brauchen? Eine Messung ist nur wenige Schritte entfernt. Lesen Sie weiter für eine Anleitung zur Einrichtung mit REW - Room EQ Wizard

Stecken Sie Ihr Mikrofon in das Stativ und bringen Sie das Stativ in eine für Ihre Messung geeignete Position.
Schließen Sie Ihr Mikrofon an den Computer an. Bei einem USB-Mikrofon ist dies eine direkte Verbindung vom Mikrofon zu Ihrem Computer. Analoge Mikrofone benötigen eine Schnittstelle oder eine Verbindung zu einer Soundkarte dazwischen.
Stellen Sie sicher, dass der Audioausgang des Computers mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist und die Lautstärke auf ein Minimum eingestellt ist. Dies kann entweder der Lautstärkeregler Ihres Verstärkers oder der Lautstärkeregler Ihres Betriebssystems sein.
Starten Sie die Messanwendung (in diesem Beispiel REW) und laden Sie die Kalibrierungsdatei. REW sollte das Mikrofon automatisch erkennen und die Software wird Sie auffordern, eine Kalibrierungsdatei zu laden. Die meisten Mikrofone werden mit einer Kalibrierungsdatei geliefert und es wird empfohlen, diese zu laden.
Stellen Sie Ihre Pegel ein.
Dazu erzeugen Sie ein Testsignal mit dem Generator

-20 dB ist ein geeigneter Anfangspegel. Klicken Sie auf Abspielen. Erhöhen Sie die Lautstärke, bis Sie das Signal gut hören können.

Lassen Sie den Generator laufen und öffnen Sie das SPL-Meter
Erhöhen Sie die Lautstärke, bis ein Pegel von etwa 75 dB erreicht ist. Sie können auch den Pegel des Signalgenerators von REW erhöhen, bis dieser ungefähre Pegel erreicht ist.
Messen! Öffnen Sie die Registerkarte Messung. Stellen Sie den gleichen Pegel ein wie den des Signalgenerators in unserem vorherigen Schritt. Wählen Sie je nach Ihrem Lautsprecher eine geeignete Start- und Stoppfrequenz. Vergewissern Sie sich, dass der Eingang auf das Mikrofon und der Ausgang auf den Lautsprecher, den Sie messen möchten, eingestellt ist.
Klicken Sie auf Pegel prüfen. REW prüft automatisch, ob Sie Ihre Pegel richtig eingestellt haben. Wenn kein Fehler angezeigt wird, können Sie fortfahren und auf „Messen“ klicken!

Das erste Diagramm ist nicht sehr hübsch; es sieht eher wie ein seismographisches Ereignis aus als ein Lautsprechersystem. Das liegt daran, dass das Mikrofon die direkte Ausgabe erfasst, aber auch die Reflexionen des Signals, die im Raum herumspringen und die direkte Messung verfälschen.

Eine gängige Methode zur Verbesserung des Ergebnisses ist die Anwendung einer Glättung. Sie können die Glättung über das Menü „Grafik“ in REW anwenden. Eine geringe Glättung ist nicht schlecht, aber eine zu starke Glättung kann die tatsächlichen Ergebnisse verfälschen. Eine gefensterte Messung ist eine viel bessere Methode, um ein genaues, aber sauber aussehendes Diagramm zu erhalten.

Gefensterte Messung

Eine gefensterte Messung ist ein raffinierter Signalverarbeitungstrick, um schalltote Messungen in einer normalen Umgebung durchzuführen. Mit dieser Technik können Sie ein Zeittor (oder -fenster) erstellen und die Software zwingen, nur das direkte Signal zu berücksichtigen. Alles, was Sie dazu brauchen, sind die oben beschriebenen Werkzeuge und eine angemessene Menge an Platz. Die meisten Messsoftwares verfügen über Funktionen für "gated-" oder "windowed-" Messungen. Da jede Software einzigartig ist, empfehlen wir Ihnen, im Handbuch nachzuschauen, wie diese Funktionen genau funktionieren. Die Handbücher sind auf unseren Produktseiten verfügbar.

Mit einer gefensterten Messung schaffen Sie ein Zeitfenster und nutzen die Ausbreitungseigenschaften von Schallwellen, die omnidirektionale Eigenschaft des Mikrofons und die leistungsstarke Signalverarbeitung in der Messsoftware. Die Tatsache, dass sich Schallwellen ausbreiten, ermöglicht es Ihnen, zwischen dem direkten Signal und seinen reflektierten Gegenstücken zu unterscheiden. Dies ist wichtig, da sich die Reflexionen zum Direktsignal addieren oder von ihm abziehen können, was zu einer Kammfilterung führt. Das Direktsignal wird immer die kürzeste Strecke zum Mikrofon zurücklegen. Die Länge des Messtors ist die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen des Direktsignals und dem Eintreffen der ersten Reflexion. Da sich Schall mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet, können Sie die zusätzliche Zeit, die die reflektierten Signale benötigen, um das Mikrofon zu erreichen, leicht berechnen. Eine andere einfache und genauere Methode ist die Betrachtung der Impulsantwortkurve, um festzustellen, wie viel später die erste Reflexion eintrifft. Das Bild unten zeigt das direkte Signal in orange und das reflektierte Signal in blau:

Impulsantwort-Diagramm

Direktes Signal
Reflektiertes Signal
Messfenster

Es gibt jedoch einen Haken: Ein kleineres Messfenster führt zu einer geringeren Auflösung und begrenzt die niedrigste Frequenz, die Sie messen können. Sie können die untere Frequenzgrenze wie folgt bestimmen: Fmin = 1/Fensterlänge. Um eine Antwort auf ein breiteres Frequenzspektrum zu erhalten, können Sie verschiedene Messverfahren kombinieren - oder zusammenführen. Eine Nahfeldmessung ist eine perfekte Ergänzung, um die untere Frequenzgrenze Ihrer Messung zu erweitern.

Die gefensterte Messung ist sehr nützlich, aber nur ein Beispiel von vielen, die Sie mit Ihrem Messmikrofon machen können. Ich hoffe, dass dieser Blog Ihre akustischen Messabenteuer in Gang bringt!