Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur Primärkalibrierung von Mikrofonen, bei dem die reziproken Eigenschaften elektroakustischer Wandler ausgenutzt werden. Dabei wird ein Mikrofon nicht nur als Schallempfänger, sondern auch als Sender verwendet. Das Prinzip der Umwandlung von elektrischen Spannungen in Schwingungen einer dem Schallfeld ausgesetzten Membran in beiden Übertragungsrichtungen (Schall-Spannung bzw. Spannung-Schall) bleibt erhalten. Die entsprechenden Übertragungsfaktoren sind für beide Übertragungsrichtungen identisch (Reziprozitätsprinzip).
Unter Freifeldbedingungen (reflexionsarmer Raum) wird ein Kondensatormikrofon mit einem definierten Wechselstrom gespeist und damit zu Schwingungen angeregt, die als Schall abgestrahlt werden. Ein zweites Kondensatormikrofon wird in verschiedenen Abständen dem Sendemikrofon gegenübergestellt, um den dort erzeugten Schalldruck zu messen. Das frequenzabhängig ermittelte Verhältnis von Schalldruck zu Sendestrom dient zur Bestimmung der gesuchten Mikrofonempfindlichkeit, dem Verhältnis Mikrofonausgangsspannung zu anregendem Schalldruck vor der Mikrofonmembran. Zur Berechnung ist es erforderlich, dass die Messung mit drei verschiedenen Mikrofonen durchgeführt wird, die dabei zyklisch in ihrer Funktion vertauscht werden. Durch Lösung eines Gleichungssystems von drei Gleichungen mit drei Mikrofonempfindlichkeiten können alle drei Mikrofonempfindlichkeiten bestimmt werden.
Die Messgenauigkeit dieses Verfahrens ist von verschiedenen Einflussgrößen abhängig. Zu deren Untersuchung wurde mit einem Berechnungsprogramm (COMSOL Multiphysics) mit der Methode der finiten Elemente (FEM/BEM) das von einer schwingenden Mikrofonmembran erzeugte Schallfeld berechnet (vgl. Bild unten). Die Farben entsprechen der angegebenen Schalldruckpegelskala (hoher Pegel rot, am Sendemikrofon).
Schalldruckverteilung in einer Ebene durch die beiden 1/2 " Mikrofone bei einer Frequenz von 10 000 Hz.
Schalldruckverlauf zwischen den beiden Mikrofonen (links am Sendemikrofon, rechts am Empfänger) bei drei Frequenzen (100 Hz, 10000 Hz und 20000 Hz) bei gleicher Bewegungsgeschwindigkeit der Membran (Schnelle).
Für tiefe Frequenzen nimmt der Schalldruck zwischen dem Sende- und dem Empfangsmikrofon wie bei einem Kugelstrahler umgekehrt proportional zum Abstand der Quelle ab (untere Kurve -6 dB/Abstandverdopplung). Das Empfangsmikrofon behindert erst bei höheren Frequenzen die freie Schallausbreitung, was dann zu einer Reflexion vor der Membran führt. Die reflektierte Welle überlagert sich dem Direktschall und führt zu Interferenzen wie in den oberen Kurven. Vor der Mikrofonmembran ergibt sich hierdurch eine Schalldruckerhöhung bei höheren Frequenzen. Daher misst ein Mikrofon mit frequenzunabhängigem Übertragungsfaktor bei senkrechtem Schalleinfall nicht den tatsächlichen ohne Mikrofon vorhandenen Schalldruck, sondern das durch das Mikrofon gestörte Schallfeld. Dieser Effekt kann durch gezielte Kompensation im Frequenzgang ausgeglichen werden (Freifeldkorrektur).
Schwingt die Mikrofonmembran mit konstanter Schnelle sinusförmig, so ergibt sich mit wachsender Frequenz (100 Hz bis 20 000 Hz) vor dem Sendemikrofon ein Frequenzgang entsprechend der oben dargestellten blauen Kurve. Die grüne Kurve zeigt den Schalldruck vor einem Empfangsmikrofon in 10 cm Abstand, während die rote Kurve in 20 cm Abstand unmittelbar neben dem Mikrofonkörper berechnet wurde. Man erkennt hier, dass durch den Druckstau vor dem Mikrofone der Pegelanstieg stärker ist als bei nahezu ungestörter Schallausbreitung (rote Kurve).
© Physikalisch-Technische Bundesanstalt, letzte Änderung: 2011-10-31, Andreas Schmidt
Druckansicht, 
PDF