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Neuer Primärmessplatz für Infraschall

Rückführbare Kalibrierung von Mikrofonen bis hinunter zu 0,1 Hz

PTB-News 1.2024
15.01.2024
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Akustik

Energiewende

Für die Messung von Infraschall fehlt bisher eine verlässliche Infrastruktur für die Rückführung von Messgeräten und Sensoren. Als wichtiger Entwicklungsschritt dazu wurde in der PTB ein neuartiger Primärmessplatz für Infraschall aufgebaut, der die Abnahme des Umgebungsluftdrucks mit der Höhe als Anregungssignal nutzt.

Das Kalibrierprinzip ist bestechend einfach: Das zu prüfende Mikrofon wird auf dieser Scheibe montiert. Sie rotiert vertikal und setzt das Mikrofon dadurch einer sinusförmigen Höhenänderung im Raum aus. Die Geschwindigkeit der Scheibe bestimmt die Tonhöhe.

Die zuverlässige Messung und die Beurteilung von Infraschall werden insbesondere im Zusammenhang mit der Energiewende immer wichtiger. Um potenzielle Schallemissionen verlässlich beurteilen zu können, müssen Mikrofone für Schallpegelmessungen verwendet werden, die mithilfe einer primären Methode kalibriert wurden. So ist die Rückführung auf die Schalldruckeinheit Pascal sichergestellt. Doch die etablierten Primärkalibriermethoden sind im Infraschallfrequenzbereich nur eingeschränkt geeignet.

Daher wurde in der PTB im Rahmen des EMPIR-Projekts Infra-AUV ein Infraschall-Kalibrieraufbau entwickelt, der die Abnahme des Umgebungsluftdrucks mit der Höhe zur Erzeugung eines Referenzsignals nutzt. Ein Prüfling wird dazu auf einer vertikal rotierenden Scheibe montiert und durch die Rotation einer sinusförmigen Höhenänderung ausgesetzt. Die Amplitude des daraus resultierenden Wechseldrucks ist analytisch aus einfach messbaren Größen wie Umgebungstemperatur, -feuchte und -luftdruck bestimmbar, die Frequenz des Wechseldrucks ergibt sich aus der Rotationsgeschwindigkeit.

Der neue Aufbau deckt einen Frequenzbereich von 0,1 Hz bis 5 Hz ab, eine Erweiterung bis 10 Hz ist geplant. Damit ist der Anschluss an die etablierte Druckreziprozitätsmethode gegeben, die mit Einschränkungen ab einer Frequenz von 2 Hz aufwärts für die Primärkalibrierung von Mikrofonen einsetzbar ist. Der Frequenzbereich der neuen Methode wird am unteren Ende durch hohe Hintergrundgeräuschpegel begrenzt. Am oberen Ende nimmt das Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch einsetzendes Strömungsrauschen infolge der schnellen Bewegung des Mikrofons ab. Die Messunsicherheit für die Bestimmung der Empfindlichkeit geeigneter Mikrofone ist über den gesamten abgedeckten Frequenzbereich kleiner als 0,1 dB.

Die Kalibrierergebnisse aus diesem neuen Messplatz wurden in einem bilateralen Vergleich mit Ergebnissen des Laser-Pistonphons des französischen Metrologieinstitutes Laboratoire national de métrologie et d`essais (LNE) verglichen. Die Ergebnisse stimmen überein. Eine weitere Validierung erfolgt im Rahmen des Infra-AUV-Projekts in einem internationalen Ringvergleich.

Ansprechpartner

Marvin Rust
Fachbereich 1.6
Schall
Telefon: (0531) 592-1427
marvin.rust(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

Marvin Rust et al.: Primary calibration for airborne infrasound utilizing the vertical gradient of the ambient pressure. Metrologia 60, 045001 (2023)