Basics akustische Messungen, Teil 2

Messtools bei der Schallpegelmessung

Der klassische Handpegelmesser kann heute wesentlich mehr als nur einen Schallpegelwert anzeigen. Was die kleinen Helfer heute alles können und wie man sie am besten einsetzt, zeigt diese mehrteilige Artikelreihe zum Thema akustische Messungen. Im diesem zweiten Teil befassen wir uns mit dem Aufbau der Geräte, den Messmikrofonen und diversem anderen Zubehör. 

Schallpegelmesser – die Tools
Dr. Anselm Goertz (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Im ersten Teil dieser Artikelserie wurden die Grundlagen zur Schallpegelmessung besprochen. Dazu gehörten die pegelabhängigen Bewertungen im Frequenzbereich (A-, B-, C- und D-Bewertung), die Zeitkonstanten zur Pegelanzeige (Fast, Slow und Impuls) sowie die Definition der wichtigen Größe des Mittlungspegels. In diesem zweiten Teil befassen wir uns mit der für die akustischen Messungen erforderlichen Hardware in Form von Pegelmessern, Mikrofonen, Generatoren und Lautsprechern.

Anzeige

Messgeräte – prinzipieller Aufbau

Das klassische Schallpegelmessgerät ist der so genannte Handpegelmesser. Dieser beinhaltet unabhängig von seiner Bauart mehrere Funktionen in einer bestimmten Abfolge. Zu Beginn der Kette steht bei Schallpegelmessungen das Mikrofon oder alternativ auch ein Beschleunigungsaufnehmer, wenn es z. B. um die Analyse von Schwingungen an Maschinenteilen geht. Daher ist den Mikrofonen sowie den zugehörigen Impedanzwandlern ein eigenes Kapitel gewidmet. Doch zunächst betrachten wir den Aufbau eines Pegelmessers.

FOTO 01: Siemens DIN Lautstärkemesser von 1952 mit Messmikrofon für den „Handbetrieb“ als frühe Version eines Handpegelmessers (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Im Pegelmesser selbst folgt direkt nach dem Signaleingang der Vorverstärker, der den Mikrofonpegel mit einem genau definierten Verstärkungsfaktor an die nachfolgende Schaltung anpasst. Die Einstellung erfolgt meist in Stufen von 10 oder 20 dB über einen Einstellbereich von 40 bis 60 dB bei Handpegelmessern und bis zu 130 dB bei stationären Laborgeräten. Dies ist notwendig, denn die Spanne der zu messenden Schallpegel erstreckt sich über den gesamten wahrnehmbaren Pegelbereich von 0 bis 140 dB und mehr. Ebenfalls recht unterschiedlich sind die Empfindlichkeiten der Mikrofone, die in Größenordnungen von einigen mV/Pa bis zu 100 mV/Pa (1 Pa entspricht 94 dB SPL) liegen können. Nimmt man als Beispiel eine typische ½” Kapsel mit einer Empfindlichkeit von 50 mV/Pa, dann liefert diese bei einer Messung mit 140 dB Schalldruck eine Ausgangsspannung von 10 V und bei 20 dB Schalldruck von 0,01 mV. Aus dieser großen Spanne lässt sich bereits der Anspruch an den Vorverstärker in Schallpegelmessgeräten erkennen.

Das Blockschaltbild des Pegelmessers in ABB. 01 zeigt nach dem Vorverstärker diverse Filter zur Frequenzbewertung sowie zeitliche Bewertungsfunktionen, die entweder in analoger Schaltungstechnik oder auf der digitalen Ebene ausgeführt werden. Die heute übliche digitale Signalverarbeitung erfordert dazu einen AD-Umsetzer (ADC) in der Signalkette nach dem Vorverstärker. Dieser muss sowohl den Anforderungen für den Dynamikumfang wie auch für den Frequenzgang genügen. Neben den schon im ersten Teil angesprochenen Bewertungsfiltern gibt es bei etwas besser ausgestatteten Geräten auch noch Terz- und Oktavbandfilter.

Vereinfachtes Blockschaltbild eines Schallpegelmessers
ABB. 01: Vereinfachtes Blockschaltbild eines Schallpegelmessers (Bild: Dr. Anselm Goertz)

In analoger Schaltungstechnik bedeuteten sieben oder neun Oktavbandfilter oder sogar 31 Terzbandfilter einen erheblichen technischen Aufwand, der die Geräte teuer und groß machte. Moderne Pegelmesser mit digitaler Signalverarbeitung sind da klar im Vorteil. Einen leistungsfähigen Prozessor vorausgesetzt können alle Filterfunktion in höchster Präzision und Konstanz in der Software umgesetzt werden. Wie die Frequenzbandfilter ausgelegt werden müssen, beschreibt die Norm IEC 61260 in der aktuellen Version von 2014. Präzision und ein einheitliches Verhalten sind an dieser Stelle gefragt, da sonst die Messwerte verschiedener Geräte untereinander nicht vergleichbar wären.

Im Blockschaltbild aus ABB. 01 teilt sich der Signalpfad nach den Filtern zur Frequenzbewertung zur direkten Anzeige eines Pegelwerts mit verschiedenen Zeitkonstanten für die Anzeige oder zu einer integrierenden bzw. Mittelwert bildenden Messung. Bis 2003 gab es dazu sogar zwei separate Normen, für konventionelle Schallpegelmesser und für integrierende Schallpegelmesser. In analoger Schaltungstechnik bedeutete die Zusatzfunktion der präzisen Langzeitintegration einen erheblichen Mehraufwand, so dass der integrierende Schallpegelmesser als eine eigene gehobene Geräteklasse betrachtet wurde. Mit der zunehmenden Verbreitung der digitalen Geräte wurden alle Funktionen in einem Gerät zusammengefasst. Auch die Normen passten sich an. 2003 kam die DIN EN 61672 heraus, die beide Gerätetypen umfasst und die alten Normen DIN EN 60651 und DIN EN 61252 ersetzt. Die aktuelle Version der DIN EN 61672 stammt aus dem Jahre 2013 und beschreibt neben den konventionellen Pegelmessern auch die integrierenden Pegelmesser und Lärmdosimeter, wie sie zur personenbezogenen Messung im Arbeitsschutz eingesetzt werden.

Der letzte Funktionsblock in ABB. 01 stellt die Anzeige dar. Wo früher ein Zeigerinstrument eingesetzt wurde, hielt später das klassische segmentierte Display mit Zahlenwerten Einzug. Heute ist das farbige grafische Display mit Touchfunktion Standard. Zur Anzeigefunktion kommt bei aktuellen Geräten noch die Speicherfunktion hinzu, in der die Messwerte und das eigentliche Audiosignal auf einer Speicherkarte festgehalten werden. Etwas ältere digitale Geräte benötigen dazu teilweise noch einen Anschluss an einem PC zur Datenspeicherung. Gespeichert werden meist alle nur erdenklichen Pegelwerte mit allen verfügbaren Zeitkonstanten und Frequenzbewertungen inklusive aller Oktav- und Terzbandwerte.

Vergleicht man hier den Funktionsumfang und den Bedienungskomfort, dann hat beides in den letzten Jahren signifikant zugenommen. Es ergeben sich gewisse Parallelen zu anderen technischen Geräten wie Fotokameras oder Audioprozessoren, bei denen man, kaum dass man ein neues Gerät einmal genutzt hat, das alte nicht mehr möchte. Das spricht einerseits für die moderne Technik, sorgt aber andererseits auch für einen schnellen Werteverfall der teuren Messgeräte.

Messmikrofone – der Aufbau

Bleiben wir noch kurz bei dem Vergleich zur Fotografie oder Studiotechnik. Hier gibt es noch Teilbereiche, die nicht so sehr dem schnellen Wandel der Zeit unterworfen sind. Bei den Kameras sind das die Objektive und in der Studiotechnik wie auch in der akustischen Messtechnik sind es die Mikrofone. Was vor 30 Jahren ein gutes und teures Messmikrofon war, das ist es zum Glück auch heute noch und wird es voraussichtlich auch noch lange sein. Umso wichtiger ist es die richtige Wahl für das Messmikrofon zu treffen. Bei der Auswahl gilt es zunächst einmal festzustellen, was wo und wie gemessen werden soll – welcher Frequenzbereich, welche Pegel und unter welchen Randbedingungen? Dabei ist zu bedenken, dass Mikrofone ein Eigenrauschen erzeugen, das sehr leise Signal störend überlagern kann. Zudem beginnen Mikrofone bei hohen Pegeln Verzerrungen zu generieren, welche die Messungen verfälschen können. Weiterhin haben Mikrofone auch einen Frequenzgang, der zwar nicht so problematisch ist wie der von Lautsprechern, aber auch nicht vernachlässigt werden darf.

Oktavbandfilter von 62,5 Hz bis 16 kHz
ABB. 02: Oktavbandfilter von 62,5 Hz bis 16 kHz. Für viele Schallpegelmessungen werden nur die Frequenzbänder von 125 Hz bis 8 kHz genutzt. (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Messmikrofone werden grundsätzlich mit Kondensatorkapseln aufgebaut, die gegenüber anderen Funktionsprinzipien die Anforderungen am besten erfüllen. Der Aufbau und die Funktionsweise einer Kondensatorkapsel ist recht schnell beschrieben: Über eine Metallröhre wird ähnlich einer Trommel eine hauchdünne Metallfolie aus besonders reißfestem Material (üblich sind Nickel, Titan oder rostfreier Stahl) oder eine metallisierte Plastikfolie aufgespannt.

B&K 2231 Handpegelmesser aus dem Jahre 1983
FOTO 02: B&K 2231 Handpegelmesser aus dem Jahre 1983. Das noch analog arbeitende Gerät verfügte bereits über digitale Anzeigen. Optional konnte ein Terzund Oktavband Filtermodul vom Typ 1652 unten am Gerät angedockt werden. (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Darunter befindet sich in geringem Abstand eine scheibenförmige Gegenelektrode, die entweder über einen extrem hohen Vorwiderstand an eine Polarisationsspannungsquelle angeschlossen ist oder aber mit einer Schicht eines vorpolarisierten Polymers überzogen ist. Die Polarisierung dieses piezoelektrischen Kunststoffs wird erzielt, indem er in heißem Zustand einem starken elektrischen Feld ausgesetzt wird. Die durch das Feld bewirkte Ausrichtung der Moleküle, die elektrische Dipole darstellen, wird beim Abkühlen unter die ferroelektrische Curie-Temperatur „eingefroren“ und bleibt dann permanent erhalten.

 Terzbandfilter von 50 Hz bis 20 kHz
ABB. 03: Terzbandfilter von 50 Hz bis 20 kHz. Die Terzbandfilter werden u. a. zur genauen Störpegelanalyse und zur frequenzabhängigen Auswertung von Nachhallzeiten eingesetzt. (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Alternativ kann aber auch die Membran selber aus einer vorpolarisierten und metallisierten Kunststofffolie wie PVDF bestehen. Das ist das Bauprinzip vieler Miniatur-Elektret- Mikrofone, die millionenfach in Telefonen, Laptops, Headsets und eben auch in preiswerten Messmikrofonen eingebaut sind. Daraus darf man jedoch nicht pauschal folgern, dass gute Messmikrofone keine Elektret-Kapseln enthalten dürften. Gute und teilweise auch selektierte Exemplare bieten speziell unter dem Aspekt der Frequenzgangs sehr gute und mit teuren Kondensatorkapseln vergleichbare Ergebnisse.

NTI AL1, ein Norsonic 116 und der populäre NTI XL2
FOTO 03: Weit verbreitete aktuelle Modelle von Handpegelmessern: Der schon etwas in die Jahre gekommene NTI AL1, ein Norsonic 116 und der populäre NTI XL2 (v.l.n.r.) (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Im Weiteren sind auch noch die grundsätzlichen Mikrofontypen mit Freifeldentzerrung und Diffusfeldentzerrung zu unterscheiden. Zur Erläuterung widmen wir uns zunächst kurz dem Thema Richtverhalten. Auf dem Papier werden die meisten Messmikrofone als omnidirektional dargestellt, d. h. mit einer kugelförmigen Richtcharakteristik. Das trifft aber nur so lange zu, wie die Wellenlänge des zu messenden Schalls deutlich größer als der Membrandurchmesser des Mikrofons ist. Für ein typisches Messmikrofon mit ½” Durchmesser setzt ein signifikantes Richtverhalten bereits ab einigen kHz ein. Betrachten wir dazu die Messergebnisse einer ½” Kapsel als Frequenzgänge unter verschiedenen Winkeln (ABB. 04) und in der Isobarenform (ABB. 05), dann ist die Richtwirkung bei hohen Frequenzen gut zu erkennen.

Als freifeldentzerrt wird ein Mikrofon dann bezeichnet, wenn es konstruktiv so gestaltet ist, dass im Freifeld gemessen der Frequenzgang auf Achse möglichst linear ist. Diffusfeldentzerrt ist ein Mikrofon dann, wenn der Frequenzgang im diffusen Schallfeld mit gleichmäßigem Schalleinfall aus allen Richtungen linear ist. Für ein ideales Mikrofon mit perfekter Kugelcharakteristik für alle Frequenzen, gäbe es diese Unterscheidung nicht. Als Messmikrofone auf Pegelmessern oder auch im reflexionsarmen Raum werden freifeldentzerrte Mikrofone genutzt. Unabhängig davon ist weiterhin das Richtverhalten des Mikrofons zu beachten, das primär durch die Membrangröße bestimmt wird. Eine ¼” Kapsel schneidet unter dem Aspekt eines möglichst omnidirektionalen Verhaltens besser ab als eine ½” Kapsel, die wiederum andere Vorzüge hat.

Mikrofonkapseln in vier Standardgrößen mit 1/8", 1/4", 1/2" und 1" Durchmesser
FOTO 04: Mikrofonkapseln in vier Standardgrößen mit 1/8″, 1/4″, 1/2″ und 1″ Durchmesser (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Der typische Aufbau eines Messmikrofons besteht aus der Mikrofonkapsel und dem zugehörigen Impedanzwandler. Der Impedanzwandler wird typischerweise mit einer nicht verstärkenden FET-Transistorstufe aufgebaut, die sich direkt hinter der Kapsel befindet. Bei einfachen Messmikrofonen mit Elektretkapsel stellen Kapsel und Impedanzwandler meist eine Einheit dar. Teure Kapseln mit Kondensatormikrofonen werden separat gefertigt und werden dann auf den Impedanzwandler aufgeschraubt (siehe Foto 05 mit Beispielen gängiger Messmikrofone).

Beyerdynamic MM1 NTI Mini SPL, ISEMcon EMX-7150 und NTI M2210
FOTO 05: Häufig verwendete Messmikrofone v.l.n.r. Beyerdynamic MM1 NTI Mini SPL, ISEMcon EMX-7150 und NTI M2210. Das M2210 ist ein „echtes“ Kondensatormikrofon mit aufgeschraubter Kapsel. Die drei anderen Modelle sind mit Elektretkapseln bestückt. (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Messmikrofone – Frequenzgang, Eigenrauschen, Verzerrungen

Kommen wir zu den angesprochenen Eckdaten des Frequenzgangs, des Eigenrauschens und der Verzerrungen. Ernsthafte Messmikrofone werden mit einem individuellen Frequenzgangschrieb und gelegentlich auch mit einer entsprechenden Datei für die nachfolgende Messtechnik zur Auswertung geliefert. Foto 06 zeigt eine ¼” Kapsel mit Impedanzwandler von Microtech Gefell. Im Datenblatt finden sich die individuellen Frequenzgänge im Freifeld auf Achse und der mit einem Actuator gemessene sowie die Empfindlichkeit in mV/Pa und noch einige weitere Daten. Zu beachten ist die Anmerkung im Calibration Chart der Messung ohne Schutzgitter.

Microtech Gefell 1/4" Kondensatormikrofon vom Typ MK301 mit Impedanzwandler MV302
FOTO 06: Microtech Gefell 1/4″ Kondensatormikrofon vom Typ MK301 mit Impedanzwandler MV302. Der Anschluss zu den nachfolgenden Geräten erfolgt mit einem filigranen Lemo Stecker. Beiliegend das Calibration Chart mit allen wichtigen Daten und dem individuellen Frequenzgang. (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Mit Schutzgitter, das sich eigentlich immer zum Schutz der sensiblen Membran auf dem Mikrofon befinden sollte, wird dieser schöne Frequenzgang bei hohen Frequenzen nicht mehr erreicht. Die Kurve steigt dann bei 20 kHz um 2–3 dB an, was sich aber auch wieder bei der nachfolgenden Auswertung in der Messkette kompensieren lässt.

Als weiteres Beispiel für den Frequenzgang eines Messmikrofons findet sich in ABB. 06 noch eine Messung eines preiswerten Modells mit Elektretkapsel. Der Verlauf ist exzellent und bewegt sich innerhalb eines Toleranzbereichs von ±0,7 dB zwischen 20 Hz und 30 kHz. Selektierte Kapseln und eine passend darauf abgestimmte nachfolgende Elektronik machen einiges möglich. Es entfällt sogar das Problem des Schutzgitters, da die Elektretkapsel durch einen dünnen Stoff bereits hinreichend geschützt ist.

Gemessener Frequenzgang eines ISEMcon EMX-7150
ABB. 06: Gemessener Frequenzgang eines ISEMcon EMX-7150. Die Abweichungen zwischen 20 Hz und 30 kHz belaufen sich auf ±0,7 dB. Das mit einer 1/4″ Elektretkapsel von Panasonic bestückte Messmikro empfiehlt sich damit trotz seinen günstigen Preises auch für anspruchsvolle Aufgaben. (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Maximalpegel und Eigenrauschen betreffend lässt sich das eine gegen das andere abwägen. Kleine ¼” Kapseln rauschen mehr, vertragen aber auch entsprechend mehr Schalldruck. So liegt das Eigenrauschen typischer ¼” Kapseln bei 30 dBA und der maximale Schalldruck für höchstens 3 % Verzerrungen bei 150 bis über 160 dB. Die ½” Modelle rauschen mit 15 dBA deutlich weniger, vertragen dann aber auch entsprechend weniger maximalen Schalldruck. Für hoch sensible Messungen, z. B. von Störgeräuschen in Tonstudios oder Theater eignet sich daher eine ¼” Kapsel nicht, da ihr Eigenrauschen schon in oder über der Größenordnung des zu messenden Wertes liegt. Möchte man als anderes Extrem in Horntreibern großer Lautsprecher oder an Turbinen und Ähnlichem messen, dann empfiehlt sich aufgrund der zu erwartenden Schalldrücke die ¼” Kapsel. Es bleibt als Fazit zum Thema Messmikrofone, dass man für den ernsthaften Einsatz selektierte Elektretkapseln oder echte Kondensatormikrofone mit Metallmembran einsetzen sollte. Richtig gemacht, bieten die preiswerteren Elektretmikrofone durchaus vergleichbare Ergebnisse zu den typischen Labormikrofonen der renommierten Hersteller.

Unterschiede gibt es eventuell bei extremen Schalldrücken und in der Langzeitstabilität, wo Kondensatormikrofone mit Metallmembran immer die erste Wahl sind. Details und noch viel mehr Informationen zu diesem Thema finden sich einem großen Messmikrofon Vergleichstest von Swen Müller in unserer Schwesterzeitschrift PRODUCTION PARTNER verteilt über die Ausgaben des Jahres 2012.

Funktionstests für Mikrofone

Vom Thema Langzeitstabilität kommt man schnell zur Frage eines Funktionstests für Mikrofone. Sei es zur Prüfung der Empfindlichkeit oder für eine wichtige Messung zum Nachweis der korrekten Funktion der Messtechnik. Für den schnellen Funktionstest gibt es Kalibratoren und Pistonfone. Das Pistonfon ist ein zylinderförmiges Instrument (siehe Foto 07) mit zwei quer angeordneten gegenläufigen kleinen Kolben, die über einen batteriebetriebenen Elektromotor von einer Nockenwelle angetrieben werden und auf ein zylinderförmiges Innenvolumen arbeiten. An der Stirnfläche dieses Zylinders befindet sich eine kreisrunde Öffnung, in die ein Einzoll-Mikrofon bündig bis zu einem Anschlag eingeschoben werden kann. Für Halb-, Viertel- und Achtelzoll-Mikrofone gibt es passende Reduzierstücke aus Plastik.

Pistonfon von B&K mit Barometer
FOTO 07: Die große Variante fürs Labor: Das Pistonfon von B&K mit Barometer zur präzisen Bestimmung des Pegelwerts in Abhängigkeit vom aktuellen Luftdruck (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Wenn der Motor eingeschaltet wird und die Kolben sich in Bewegung setzen, verdichten sie periodisch ein durch Hub und Kolbendurchmesser genau definiertes Luftvolumen, aus dem sich zusammen mit dem Restvolumen der zum atmosphärischen Druck proportionale Wechseldruck ausrechnen lässt. Die Messung im Pistonfon ist somit eine absolute Messmethode. Der üblicherweise bei 250 Hz erzeugte Schalldruck im Innern von 124 dB muss dann noch um den Quotienten des gerade herrschenden atmosphärischen Drucks zum Referenzdruck (1013 mBar) korrigiert werden. Zu diesem Zweck liegt dem Pistonfon ein großes Barometer mit dB-Korrekturskala bei, wo sich der entsprechende Wert direkt ablesen lässt.

Taschenkalibrator vom Typ 4231 von B&K
FOTO 08: Ein einfacher Taschenkalibrator vom Typ 4231 von B&K. Der Kalibrator liefert 94 dB bei 1 kHz. Im Vordergrund die Adapter für 1/2″ und 1/4″ Mikrofone. (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Ein Pistonfon ist ein mechanisches Präzisionsinstrument und daher entsprechend teuer, sensibel und schwer. Für den Einsatz unterwegs bieten sich die im Aufbau deutlich einfacheren Kalibratoren an, die statt mechanisch angetriebener Kolben einen kleinen Lautsprecher zur Schallerzeugung (mit 1 kHz) nutzen. Dessen Pegel (94 oder 114 dB) wird über ein in der Druckkammer eingebautes Mikrofon erfasst und elektronisch korrigiert, womit das Barometer überflüssig wird. Kalibratoren und Pistonfone müssen je nach Messaufgabe ihrerseits in einem dafür zugelassenen Labor kalibriert werden. Details dazu beschreibt die Norm DIN EN 61672.

Messmikrofon im Kalibrator
FOTO 09: 1/4″ Messmikrofon im Kalibrator. Wichtig ist der absolut passgenaue und dichte Sitz des Mikrofons im Kalibrator. (Bild: Dr. Anselm Goertz)

In der Praxis ist es wichtig zu beachten, dass das zu prüfende Mikrofon exakt in die Öffnung des Kalibrators passt. Schon kleine Undichtigkeiten erzeugen eine Abweichung in der Messung. Passende Adapter für die Standardmaße ½” und ¼” liegen meist bei. Schwierig wird es, wenn die Mikrofone nicht diesen Standards entsprechen. Dann muss ein passender Adapter gefertigt oder das Mikrofon im Notfall temporär mit Isolierband umwickelt werden, was natürlich keine sonderlich elegante Methode ist. Für häufig eingesetzte Messmikrofone, die nicht den Standards entsprechen, wie z. B. das Beyerdynamik MM1, gibt es passende Adapter auf die ½” Öffnung für kleines Geld.

Möchte man für eine Messreihe den sicheren Nachweis einer korrekt funktionierenden Messeinrichtung erbringen, dann ist die Kalibrierung vor und nach der Messreihe durchzuführen und schriftlich zu dokumentieren. Die Prüfung vor der Messung stellt zwar sicher, dass zu Beginn noch alles in Ordnung ist, schützt aber nicht vor möglichen Defekten während einer Messreihe. Der Klassiker bei einer Außenmessung ist ein umstürzendes Mikrofonstativ und die damit ziemlich sicher einhergehende teilweise oder totale Beschädigung der Mikrofonkapsel. Leider gibt es dabei auch noch den Zusammenhang, dass je teurer und hochwertiger ein Mikrofon ist, umso empfindlicher es für Schäden durch äußere Einflüsse wird.

Defekte 1/2" Kapsel
FOTO 10: Eine defekte 1/2″ Kapsel. Oben links ist deutlich die geknitterte Membran zu erkennen. Die Ursache war ein Sturz des Stativs mit dem Mikrofon. (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Der Test mit dem Kalibrator oder Pistonfon bietet aber noch keine absolute Funktionsgarantie, da die Messung immer nur bei einer Frequenz erfolgt. Es kann durchaus passieren, dass ein Mikrofon bei der Messfrequenz von 250 Hz oder 1 kHz noch korrekt arbeitet, bei höheren Frequenzen jedoch erhebliche Abweichungen zeigt. Der tragische Fall aus Foto 10 stellte sich genau so dar. Nachdem man begann den Messergebnissen zu misstrauen, wurde zuerst ein Kalibrator eingesetzt, der noch nichts Auffälliges zu Tage förderte. Dann wurde das Gitter abgeschraubt und schon zeigte sich die Ursache. Knittrige Bereiche, Risse oder manchmal auch nur Verfärbungen der Membran sind in so einem Fall eindeutige Zeichen für einen Defekt.

Normen und Geräteklassen

Handpegelmesser und die zugehörigen Messmikrofone werden in den Normen aus der Elektroakustik zum Thema Schallpegelmesser DIN EN 61672 von 2013 behandelt. Von dieser Norm gibt es drei Teile zu folgenden Themen:

– Teil 1: Anforderungen

– Teil 2: Baumusterprüfung

– Teil 3: Periodische Einzelprüfung

Teil 2 befasst sich mit der Prüfung der Geräte für eine erste generelle Zulassung, die typischerweise in der PTB in Braunschweig durchgeführt wird. Die Prüfung ist für die Hersteller aufwendig und teuer und gilt als hohes Qualitätskriterium. Teil 3 beschreibt die sich regelmäßig wiederholenden Prüfungen für Pegelmesser der Klasse 1 oder 2, die dem Anwender die weitgehende Sicherheit gibt, dass das Gerät auch im täglichen Einsatz den Anforderungen nach Teil 1 genügt. Teil 1 beschreibt konkrete Details zur Funktion und Genauigkeit der Handpegelmesser, zur Anzeige der Werte, zur Störanfälligkeit durch elektrische Felder und sogar zum Thema Bedienungsanleitungen. Zu den wichtigsten Anforderungen dürften die Akzeptanzgrenzen für Messfehler gehören. Diese sind in Teil 1 der Norm als Kurven für den Pegelmesser zusammen mit dem zugehörigem Mikrofon für Klasse-1- und Klasse-2- Geräte definiert.

Toleranzbänder für Pegelmesser der Klasse 1 und Klasse 2
ABB. 07: Toleranzbänder für Pegelmesser der Klasse 1 und Klasse 2 (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Generatoren

Ein weiteres Hilfsmittel zu den Handpegelmessern sind kleine Signalgeneratoren. Möchte man z. B. mit dem Handpegelmesser eine Sprachverständlichkeitsmessung oder eine Maximalpegelmessung einer Lautsprecheranlage durchführen, dann wird eine Quelle für die entsprechenden Testsignale benötigt. NTI bietet dazu im Set mit dem Pegelmesser XL2 auch direkt einen kleinen Generator in ähnlicher Bauform an. Typische Testsignale sind bereits auf dem Gerät gespeichert; der Anwender kann aber auch eigene Signale im 48 kHz WAV-Format nachladen. Alternativ lassen sich entsprechende Files vom Rechner via Soundkarte abspielen. Dabei gibt es dann aber häufig Unklarheiten über die eingestellten Pegel, die Qualität der Wiedergabe und die Form des Ausgangssignals.

NTI Signalgenerator MR-Pro
FOTO 11: Der NTI Signalgenerator MR-Pro. Auf dem Gerät können viele Testsignale und auch Samples für Hörtests abgelegt werden. (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Messlautsprecher

Für spezielle Messung zur Raum- oder Bauakustik und auch zur Sprachverständlichkeit werden Schallquellen als Sender benötigt. Für eine der wichtigsten Messungen in der Raumakustik, der Nachhallzeitmessung, bedarf es einer möglichst rundum gleichmäßig abstrahlenden Quelle und das, soweit möglich, auch noch für einen weiten Frequenzbereich. Typische Lautsprecher für solche Aufgaben sind Dodekaeder-Lautsprecher. Wie der Name es schon sagt, haben wir es mit einem Lautsprecher mit einem zwölfflächigen Gehäuse zu tun. Auf allen zwölf gleichmäßig angeordneten Flächen befinden sich Lautsprecher. Der einfache Dodekaeder eignet sich je nach Ausdehnung für Frequenzen bis ca. 3 kHz und damit für Standardmessungen der Raumakustik.

Probleme gibt es bei hohen Frequenzen, bei denen sich durch das Bündelungsverhalten der einzelnen Chassis das Abstrahlverhalten des Dodekaeders von einer Kugel zu einer Art Morgenstern wandelt. Bei tiefen Frequenzen kommt es mangels Pegel gelegentlich zu mangelnden Störabständen. Beides lässt sich durch aufwändigere Mehrwege-Konstruktion wie in Foto 12 gezeigt verbessern. Der zusätzliche Tieftöner im unteren Gehäuse sorgt für mehr Pegel und der zweite kleine Hochton- Dodekaeder dehnt den Frequenzbereich für ein kugelförmiges Abstrahlhalten weiter zu hohen Frequenzen hin aus.

Dodekaeder Messlautsprecher in einer 3-Wege Ausführung
FOTO 12: Dodekaeder Messlautsprecher in einer 3-Wege Ausführung Quelle: ITA RWTH Aachen (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Neben dieser recht komplexen Konstruktion aus dem Institut für Technische Akustik der RWTH Aachen gibt es auch noch andere Spezialitäten wie Ultraschall-Dodekaeder für die Modellmesstechnik oder halbe Dodekaeder für Messungen auf Grenzflächen. Ein weiteres Gebiet für Messlautsprecher als Signalquelle im Zusammenhang mit Handpegelmessern ist die Messung der Sprachverständlichkeit von Beschallungsanlagen mit Sprechstellen oder anderen Mikrofonen. Um den Einfluss der Sprechstelle auf die Messung zu erfassen, muss das Messsignal akustisch eingespeist werden. An die Quelle wird dabei der Anspruch gestellt, im Sprachfrequenzbereich ein dem menschlichen Sprecher vergleichbares Abstrahlverhalten zu zeigen.

Das typische Signalspektrum von Sprache wird bereits im Messsignal (STIPA Signal) berücksichtigt. Der Pegel ist bezogen auf 1 m in einer Norm mit 60 dBA vorgegeben und das Richtverhalten ist für tiefe Frequenzen omnidirektional mit zunehmender Bündelung zu höheren Frequenzen hin. Letzteres kann durch den Einsatz eines 4″ großen Breitbandlautsprechers hinreichend gut nachgebildet werden. Der Lichtensteiner Messtechnikhersteller NTI bietet als Zubehör einen genau auf diese Aufgabe zugeschnittenen Lautsprecher unter der Bezeichnung Talkbox (siehe Foto 13) an. Für einen perfekt geraden Frequenzgang der Talkbox sorgt ein Digitalfilter. Der Wiedergabepegel ist auf bestimmte Werte festgelegt und kann nicht verstellt werden. Ähnlich wie auch beim Signalgenerator befinden sich diverse Testsignale auf einer Speicherkarte oder können von extern eingespielt werden.

NTI Talkbox als normgerechter Sprecherersatz für Messungen der Sprachverständlichkeit über eine Sprechstelle
FOTO 13: Die NTI Talkbox als normgerechter Sprecherersatz für Messungen der Sprachverständlichkeit über eine Sprechstelle. Hier im Einsatz für das Mikrofon am Priestersitz des Limburger Doms. (Bild: Dr. Anselm Goertz)

Ausblick

Im dritten Teil dieser Artikelreihe werden wir uns mit konkreten Messungen häufig benötigter Größen befassen. Dazu gehören der Beurteilungspegel, der Sprachsignalpegel, der Störpegel, die Sprachverständlichkeit und die wichtige raumakustische Größe der Nachhallzeit. Bestellen Sie ein Abonnement von Professional System und verpassen Sie keine Folge!

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Kommentar zu diesem Artikel

  1. Falls Sie auf der Suche nach einem innovativen Schallpegelmessgerät sein sollten, dürfte in diesem Artikel ebenfalls nicht die Schallpegelmessgeräte von 01dB vergessen werden: 01db.com

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