10.10.2006
Mit Hilfe einer Finite-Elemente-Methode sind Korrekturwerte zwischen Druck- und Freifeldkalibrierung bestimmt und mit experimentellen Werten verglichen worden. Dabei wurden die geometrischen Verhältnisse einer Freifeldreziprozitätskalibrierung zugrunde gelegt, bei der das Schallfeld von einer als Schallsender verwendeten Mikrofonmembran erzeugt wurde und der Schalldruck vor dem Empfangsmikrofon berechnet wurde.
Die höchste Präzision bei der Kalibrierung von Messmikrofonen lässt sich mit dem Reziprozitätsverfahren in einer kleinen Druckkammer erzielen. Hierbei stehen sich die Membranen zweier gleichartiger Mikrofone im Abstand von wenigen Millimetern gegenüber, wobei diese einmal als Schallsender und einmal als Schallempfänger verwendet werden. Bei Verwendung dreier solcher Mikrofone, die paarweise in der Druckkammer verwendet werden, können die gesuchten Übertragungsfaktoren ermittelt werden, die das Verhältnis von anregendem Schalldruck zur elektrischen Ausgangsspannung beschreiben. Um von diesen Messwerten auf das Verhalten im Freifeld schließen zu können, werden in der Vornorm IEC TS 61094-7 Korrekturwerte angegeben, die den Pegelanstieg mit der Frequenz bei frontaler Beschallung berücksichtigen. Die Werte geben also an, um wie viel höher bei den betreffenden Frequenzen der Schalldruck vor der Mikrofonmembran gegenüber dem ungestörten ebenen Schallfeld ist. Dieser Pegelanstieg, der sich durch die Anwesenheit des Mikrofons ergibt, wurde mit Hilfe eines Finite-Elemente-Programms (FEM) berechnet. Mit diesem Programm wurden die geometrischen Verhältnisse einer Freifeldreziprozitätskalibrierung zugrunde gelegt, bei der das Schallfeld von einer als Schallsender verwendeten Mikrofonmembran erzeugt wurde und der Schalldruck im freien Schallfeld vor dem Empfangsmikrofon in 10 cm Abstand berechnet wurde. Der Vergleich mit dem Schalldruck an derselben Stelle ohne das Empfangsmikrofon liefert die gesuchten Freifeldkorrekturwerte, die in Abbildung 1 dargestellt sind. Zum Vergleich sind die in der IEC Vornorm angegebenen Werte eingezeichnet. In der Praxis ergeben sich relativ große Schwankungen der Korrekturwerte in Abhängigkeit von der Ausführungsform der Mikrofone. So liegen beispielsweise Messwerte bei einem Mikrofon mit einem Schutzgitter, wie es für praktische Messungen verwendet wird, deutlich höher als ohne Schutzgitter (z.B. bei 10 kHz um ca. 2 dB).
Bild 1: FEM-Berechnung der frequenzabhängigen Freifeldkorrekturwerte eines 1"-Mikrofons in 10 cm Abstand vor einem Sendemikrofon, zum Vergleich die in IEC TS 61094-7 angegebenen Werte mit den zugehörigen Unsicherheiten. Die Pegeldifferenz ?L entspricht der Druckerhöhung durch die Anwesenheit des Mikrofonkörpers beim senkrechten Auftreffen einer ebenen Welle auf die Mikrofonmembran, f Frequenz.
Ansprechpartner:
Ingolf Bork, FB 1.7, AG 1.72 ingolf.bork@ptb.de