Robuste Signalstatistik für die Darstellung der Schalldruckeinheit

Durch Anwendung moderner Verfahren der Signalstatistik wurde der Messzeitbedarf bei der Druck-Reziprozitätskalibrierung von Labornormalmikrofonen verringert.

Zur Darstellung der Einheit des Schalldrucks werden in der PTB Labornormalmikrofone in der Druckkammer nach dem Reziprozitätsverfahren kalibriert. Dessen Kernstück ist die genaue Bestimmung des Verhältnisses von Leerlauf-Ausgangsspannung des Empfangsmikrofons zum Strom durch das Sendemikrofon, der so genannten elektrischen Transferimpedanz. Sie wird durch Vergleich mit einem steuerbaren, auf das nationale Normal zurückgeführten Bezugswiderstand ermittelt. Dabei stellt sich die Aufgabe, Wechselspannungen, die durch akustische wie elektrische Störungen und durch Drift- und Ausgleichvorgänge beeinflusst werden, möglichst exakt mit minimalem Zeitaufwand zu messen. Die zuverlässige und robuste Erkennung der Signalstabilität ist dafür eine wichtige Voraussetzung.

Zu diesem Zweck wurden mehrstufige, aus der statistischen Qualitätskontrolle bekannte, "Kontrollkarten" in die Software zur Messplatzsteuerung implementiert (Bild 1).

Bild 1: Kontrollkarte. Auf der linken Seite ist ein Prozess dargestellt, der zunächst in den Kontrollbereich gerät und anschließend zu einem Neustart der Mittelung führt. Auf der rechten Seite kehrt der Prozess, nachdem er in den Kontrollbereich geraten war, in den Akzeptanzbereich zurück.

Mit Hilfe dieser Kontrollkarten werden die Kriterien zur Überwachung der Signalqualität, wie z.B. die kumulierte Mittelwertabweichung (zur Drifterkennung) und der relative Standardfehler der zu mittelnden Spannungswerte überwacht. Ausgehend von einer Minimalzahl wird die notwendige Anzahl der Mittelungen anhand des Einhaltens der Kontrollbereiche bestimmt:

• Innerhalb des Akzeptanzbereiches ist der Prozess stabil und die Mittelung wird abgeschlossen.
• Wird die Warngrenze überschritten, aber nicht die obere Grenze, wird die Mittelung fortgeführt, bis der Prozess wieder im Akzeptanzbereich liegt.
• Bei Überschreiten der oberen Grenze wird die Mittelung neu gestartet.

Durch dieses mehrstufige adaptive Verfahren gelingt es, die erforderliche Anzahl von Mittelungen während der Messung schnell zu bestimmen und mit Störeinflüssen behaftete Messwerte zuverlässig zu unterdrücken.

Ansprechpartner:

Thomas Fedtke, FB 1.6, AG 1.61, Thomas.Fedtke@ptb.de