Messmikrofone

Was der Selbstbauer über Messmikrofone wissen sollte

Wer einen Lautsprecher selber entwickeln bzw. gezielt modifizieren oder auf den Raum einmessen will braucht ein Mikrofon. Das sollte natürlich:

• einen möglichst linearen Frequenzgang haben
• aus allen Richtungen gleich empfindlich sein
• wenig rauschen
• wenig klirren
• und sich wenig von Temperatur und Luftfeuchte beeinträchtigen lassen,

damit man in allen Lebenslagen "richtig" messen kann.

In diesem Artikel soll geklärt werden, welche Mikrofone mit möglichst überschaubarem finanziellem Aufwand möglichst viele der oben genannten Kriterien unter realitätsnahen Bedingungen erfüllen können.

Mikrofon-Wirrwarr:

Es gibt verschiedene Wandler-Prinzipien um den Schalldruck in ein proportionales Ausgangssignal zu überführen:

• dynamisches Mikrofon (Tauchspulenmikrofon)
• Bändchenmikrofon
• Kondensatormikrofon
• Elektretmikrofon
• MEMS-Mikrofon

Außerdem gibt es Mikrofone mit unterschiedlicher Richtwirkung, z.B.:

Quelle: https://lehre-virtuell.uni-frankfurt.de/knowhow/audiowissen-was-passiert-bei-einer-tonaufnahme-welche-mikrofone-gibt-es-wie-unterscheiden-sie-sich-und-welche-sollte-ich-benutzten/

Mikrofone mit nierenförmiger Richtcharakteristik werden bevorzugt für Musikaufnahmen verwendet um seitliche und rückwärtige Reflexionen zu reduzieren. Sie haben prinzipbedingt einen Frequenzgang, der unter ca. 100 Hz stark vom Messabstand abhängig (Nahbesprechungseffekt), was für Musikaufnahmen oft gewollt, für Messaufgaben aber ungeeignet ist.

Was nehmen die Mess-Profis?

In der professionellen Messtechnik werden heute überwiegend Kondensator-Mikrofone mit einem Membrandurchmesser von 1/2" (= 12.7 mm) und kugelförmiger Richtcharakteristik verwendet. Die Membran ist aus ca. 6um dünner Edelstahlfolie, die per Laser auf das Mikrofongehäuse geschweißt und durch ein speziell geformtes Gitter vor mechanischen Beschädigungen geschützt wird.
Die Edelstahlfolie erlaubt den Betrieb auch unter ungünstigen Bedingungen wie hohe Luftfeuchte und hohe Temperatur (z.B. im Motorraum) und erlaubt im Notfall sogar eine Reinigung der Membran, wenn diese einmal in ölhaltiger Luft betrieben wird oder das Auspuffgeräusch eines Verbrennungsmotors gemessen werden soll.
Die Membrangröße von 1/2" ist ein guter Kompromiss zwischen hoher Empfindlichkeit (Ausgangsspannung pro Schalldruck), wenig Eigenrauschen und ausreichend hoher oberer Grenzfrequenz: eine kleinere Membran wäre weniger empfindlich, könnte daher höhere Schalldrücke messen, würde aber bei kleinen Schalldrücken mehr rauschen. Außerdem wäre die obere Grenzfrequenz höher.

Früher wurde zum Betrieb eines Kondensator-Mikrofons eine externe Vorspannung von z.B. 200 Volt benötigt um die Membran und die Gegenelektrode elektrostatisch "vorzuspannen", heute wird die Membran oder die Gegenelektrode meistens durch eine Beschichtung vorpolarisiert.

Alles in allem sind solche Mikrofone sehr teuer und kosten ab 1500 €‚¬ aufwärts - nur für die Mikrofonkapsel und den Impedanzwandler. Dazu kommt dann noch ein Mikrofonkabel mit LEMO-Steckern (ca. 300 €‚¬ für 5 m) und ggf. noch ein Vorverstärker für mehrere Tausend €‚¬, der die benötigten Versorgungsspannungen zur Verfügung stellt und die geringen Ausgangsspannungen verstärkt.

Geht's auch weniger aufwändig?

Wer die Robustheit und Unempfindlichkeit der Edelstahlmembran nicht benötigt (weil er immer nur im warmen und sauberen Wohnzimmer misst) kann auch mit einem Elektretmikrofon mit einer Membran aus Kunststoff-Folie (meist Teflon) glücklich werden. Da sich die Kunststofffolie nicht so stark spannen lässt ist hier zur Erreichung einer oberen Grenzfrequenz von 20 kHz der Membrandurchmesser von 1/4" (= 6.35 mm) Standard, wodurch man sich eine geringe Empfindlichkeit und höheres Rauschen erkauft (s.o.). Außerdem ist die Kunststoffmembran "wetterfühlig" und lagert bei hoher Luftfeuchtigkeit Wasserdampf an, was die Empfindlichkeit messbar reduziert.

Das höhere Rauschen wäre bei Musikaufnahmen sehr störend, aber bei Messungen in "normalen" Wohnräumen ist bei Frequenzgang- und Nachhallzeitmessungen eher das Hintergrundgeräusch ein Problem und nicht das Eigenrauschen des Mikrofons. Lediglich bei Klirrfaktormessungen könnte das Eigenrauschen stören bzw. den minimal detektierbaren Klirrfaktor begrenzen, aber Klirrfaktormessungen werden ja in der Regel bei hohen Anregungspegeln und in geringem Messabstand < 50 cm gemessen.

Womit wir bei einem weiteren Problem von Elektretmikrofonen wären - dem maximalen Schalldruck, den man mit geringen Verzerrungen (z.B. < 1%) messen kann. Denn wenn man den Klirrfaktor bei 100 dB Schalldruckpegel in 20 cm Abstand messen will, dann herrschen dort bereits 114 dB Schalldruck - und da verzerren die meisten Elektretmikrofone schon 1% (s. hier oder hier (ECM-8000)).

Signalanpassung:

Sowohl das Kondensator-Mikrofon als auch das Elektretmikrofon benötigt einen Impedanzwandler, der wiederum eine Spannungsquelle braucht. Dazu wird bei einem handelsüblichen Audio-Interface die sogenannte Phantomspeisung verwendet, die oft 48 Volt beträgt. Für Recording-Kondensatormikrofone werden diese 48 Volt auch heute noch für die externe Vorpolarisierung benötig. Elektretmikrofone benötigen aber keine externe Polarisationsspannung, sondern nur eine Spannungsquelle für den Impedanzwandler, der üblicherweise nur eine Betriebsspannung von 1 bis 10 Volt "verträgt" (s. z.B. hier), der Rest wird irgendwie "verbraten". Je nachdem wie dies im Mikrofon geschieht (Z-Diode, Vorwiderstand) kann eine niedrigere Phantomspeisung mit 24 V (z.B. IMG STAGELINE MPA-102) oder 12 V (z.B. IMG STAGELINE MPA-202) dann zu einer Änderung der Empfindlichkeit und des maximalen Schalldrucks führen.
Bei professionellen Kondensator-Messmikrofonen beträgt die Versorgungsspannung des Impedanzwandlers teilweise über 30 Volt - entsprechend hohe Schalldruckpegel können ohne Verzerrungen impedanzgewandelt werden . . .

Richtcharakteristik:

Ähnlich wie bei einem Hochtöner (der seitlich weniger Schall abstrahlt als nach vorne) gibt es auch bei einem Mikrofon eine unterschiedliche Empfindlichkeit je nach Schalleinfallsrichtung. Je kleiner die Mikrofonkapsel desto geringer ist dieser Effekt. Es kommt aber nicht nur auf die Mikrofonkapsel selbst sondern auch auf ihre Umgebung an: beim typischen Mikrofonkörper, wie man ihn bei preiswerten Mikrofonen wie BEHRINGER ECM-8000, SUPERLUX ECM-999, the t.Bone MM-1, Sonarworks SoundID Reference, OMNITRONIC Mic MM-1C oder USB-Mikrofone wie OMNITRONIC Mic MM-2USB und miniDSP UMIK-1 findet, sitzt die 1/4" Elektretkapsel in einem 1/2" durchmessenden Gehäuse - da helfen auch die "Schießscharten" nix:

Besser machen es das BEYERDYNAMIK MM-1 oder die Messmikrofone von EARTHWORKS AUDIO, die die Fläche um das Mikrofon herum nur minimal vergrößern.

Prinzipieller Frequenzgang

Im Gegensatz zu einem dynamischen Lautsprecher, der ein Hochpassverhalten hat, zeigt ein Mikrofon ein Tiefpassverhalten - es kann prinzipiell auch Gleichdruck messen, also den Druck bei 0 Hz! Dann wäre es aber sehr empfänglich für Luftdruckschwankungen, daher gibt es in jedem Mikrofon eine kleine, bedämpfte Druckausgleichsöffnung, die die Rückseite der Mikrofonmembran bei sehr tiefen Frequenzen mit dem Außendruck verbindet - quasi wie eine Bassreflexbox, nur anders herum. Je nachdem, wie groß diese Öffnung ist und wie stark sie bedämpft ist ändert diese den Frequenzgang bei tiefen Frequenzen. Und da die Elektretkapseln im Sekundentakt aus der Maschine purzeln ist nicht jede Druckausgleichsöffnung identisch groß und nicht jede Bedämpfung gleich - also variiert der Frequenzgang am unteren Bereichsende.
Diese Druckausgleichsöffnung schützt die Mikrofonmembran übrigens auch beim Einführen des Mikrofons in den Kalibrator (oder die unsägliche dichte Verpackung eines miniDSP UMIK-1 bzw. UMIK-2), denn bei diesem Vorgang entstünden ansonsten hohe Gleichdrücke . . .

Am oberen Bereichsende gibt es zunächst die Membranresonanz, bestimmt durch die Nachgiebigkeit der (am Rand fest eingespannten aber eben nicht unendlich steifen) Mikrofonmembran (= Feder) und der Masse der Mikrofonmembran. Weitere Einflussparameter sind die Form der Gegenelektrode (z.B. Lochanteil) und der Strömungswiderstand der Filzabdeckung (Dust cover).

Quelle: https://elektro.turanis.de/html/prj142/index.html

Und dann gibt es da noch den Druckstau vor der Membran, der abhängig vom Durchmesser und der Form die Mikrofon-Frontfläche ist. Denn alleine durch die Anwesenheit des Mikrofons im Schallfeld erhöht sich bei hohen Frequenzen der Schalldruck vor der Mikrofonmembran, da er dem - im Vergleich zur Schallwellenlänge (Lambda [m] = 343 [m/s] / Frequenz [Hz]) - nicht mehr kleinen Frontdurchmesser des Mikrofons nicht mehr ausweichen kann:

Quelle: https://www.dpamicrophones.com/de/mic-university/technology/microphone-technology-the-essentials/

Diesen Frequenzgang MUSS ein Messmikrofon bei Beschallung von vorne (= senkrecht zur Mikrofonmembran) zeigen, wenn keine speziellen "internen" Maßnahmen getroffen wurden (z.B. Gestaltung des Schutzgitters und der Gegenelektrode, interne Strömungsverluste etc.) - und da hat man bei dem für die Massenproduktion optimierten, recht einfachen, internen Aufbau von Elektretmikrofonen kaum Gestaltungsspielraum - und daher zeigen ihn auch fast alle von uns bisher kalibrierten Elektretmikrofone (s. 1000 Mikrofonkalibrierungen - eine Übersicht) je nach Frontdurchmesser und Strömungswiderstand der Filzabdeckung mehr oder weniger stark.

Bei den teuren Kondensator-Messmikrofonen gibt es spezielle Varianten, die den durch den Druckstau bedingten Frequenzganganstieg durch "interne" Maßnahmen so kompensieren, dass sich bei Beschallung von vorne trotzdem ein weitgehend linearer Frequenzgang ergibt. Diese Mikrofone heißen dann "free-field (compensated)" oder kurz Freifeld-Mikrofone.

Der oben gezeigte Druckstau ist maximal bei Beschallung von vorne und tritt bei Beschallung von der Seite nicht mehr auf. Bei Beschallung von hinten misst das Mikrofon bei hohen Frequenzen zu wenig, weil es sich selbst "abschottet". Man kann nun ein Mikrofon so auslegen, dass es bei gleichmäßiger Beschallung von allen Seiten - also im diffusen Schallfeld wie z.B. im Hallraum - einen linearen Frequenzgang zeigt. Ein solches Mikrofon wird als Diffusfeld-Mikrofon bezeichnet.

Der auf den Verpackungen der Mikrofone oft aufgedruckte, linealglatte Frequenzgang ergäbe sich übrigens nur bei bündigem Einbau der Kapsel in eine große Schallwand . . .

Mikrofon-Kalibrierung:

Jedes Mikrofon macht Fehler - manche mehr, manche weniger. Bei einem B&K-Mikrofon für 1500 €‚¬ darf man erwarten, dass der Freifeld- bzw. Diffusfeld-Frequenzgang weitgehend linear und die Exemplarstreuung gering ist. Solche Mikrofone erfüllen die Anforderungen gemäß IEC 61672-1:2013 class 1:

Dort sind Abweichungen von +2 bzw. -3 dB bei 10 kHz erlaubt, Mikrofone mit größerer Abweichung dürfen nicht als Class-1 verkauft werden. Allerdings halten solche Mikrofone diese Toleranzen auch nicht nur unter Laborbedingungen ein, sondern auch im mitunter rauen Messalltag.

Wenn man sich den Frequenzgang von Elektretmikrofonen unter 200 €‚¬ anguckt (z.B. 1000 Mikrofonkalibrierungen - eine Übersicht) sind die Toleranzen deutlich größer, und auch die Streuungen der einzelnen Mikrofone gleichen Typs sind so groß, dass es keine Korrekturdatei gibt, die für alle Mikrofone gleichen Typs gelten kann (hier als Beispiel das BEHRINGER ECM-8000):

-> bei 30 Hz streuen die vermeintlich gleichen Mikros um +1/-3 dB
-> bei 10 kHz streuen die vermeintlich gleichen Mikros um +9/-3 dB

Wir haben auch einige wenige "Beipack-Mikrofone" von AV-Receivern kalibriert - da sieht die Streuung vergleichbar aus . . .

Da hilft dann nur eine individuelle Kalibrierung um die individuellen Fehler zu korrigieren. Zum Glück bieten die meisten Messprogramme das Laden von ASCII-Korrekturdateien an, so dass man auch mit individuell kalibrierten, preiswerten Elektretmikrofonen sehr genau den Frequenzgang messen kann.

Mittlerweile gibt es auch einige Anbieter von preiswerten Messmikrofonen, die serienmäßig Korrekturdateien für ihre Mikrofone anbieten. Vorreiter war dabei sicher das weit verbreitete miniDSP UMIK-1, von dem mittlerweile über 160.000 Stück weltweit verkauft worden sein dürften. Wir haben mittlerweile ca. 700 davon nachkalibriert, weil sich herumgesprochen hat, dass die Korrekturdateien von miniDSP nicht immer ganz optimal sind. In Kürze werden wir eine statistische Auswertung der Differenzen zwischen unserer Korrekturdatei und der von miniDSP veröffentlichen.

Allein aufgrund der Tatsache, dass miniDSP und wir unterschiedliche Referenzmikrofone verwenden (mit denen wir die jeweiligen UMIK-1 vergleichen) ist eine Differenz unserer beider Korrekturdateien zu erwarten (wobei diese Differenz natürlich nicht allzu groß sein sollte). Allerdings sollte diese Differenz bei demselben Mikrofon im Idealfall immer gleich sein, wenn die Reproduzierbarkeit der Messungen gewährleistet ist und die Referenzmikrofone nicht altern oder ausgetauscht werden - soweit die Theorie, denn die statistische Auswertung der Differenzen zeigt, dass die Standardabweichung (= Streubreite) der Differenzen teilweise größer ist als der Mittelwert der Differenzen . . .

Fazit:

Wer einen Lautsprecher selber entwickeln bzw. gezielt modifizieren oder auf den Raum einmessen will braucht ein Mikrofon. Ein typischer Selbstbauer hat keinen reflexionsarmen Messraum mit niedrigem Grundgeräusch, sondern misst in weitgehend normalen Wohnräumen. Dort lassen sich die Vorteile von professionellen Messmikrofonen wie Rauscharmut, Klirrarmut und Unempfindlichkeit gegenüber Lufttemperatur und -feuchte kaum ausnutzen, da das Grundgeräusch zu hoch ist und die Bude geheizt ist.

Ein kugelförmiges Rundstrahlverhalten haben auch preiswerte Elektretmikrofone, während MEMS-Mikrofone wegen ihrer oft unsymmetrischen Form in punkto Richtcharakteristik mit Vorsicht zu genießen sind (z.B. IK Multimedia MEMS Microphone for ARC System).

Ein nicht linealglatter Frequenzgang lässt sich durch eine individuelle Kalibrierung weitgehend kompensieren, sodass selbst mit preiswerten Elektretmikrofonen unter 100 €‚¬ dank leistungsfähiger Software (z.B. der Freeware Room EQ Wizzard) und Hardware (z.B. USB-Audio-Interface) genaue Messungen gemacht werden können. Teurere Mikrofone können dann oft nur noch in punkto Maximalschalldruck punkten . . .

Besonders praktisch in der Anwendung sind dabei USB-Mikrofone, die ihre aufnahmeseitige Soundkarte gleich mit an Bord haben. Da aber die Anregung (= Wiedergabe) mit einer anderen Soundkarte erfolgt und beide Soundkarten nicht miteinander gekoppelt sind (ggf. leicht unterschiedliche Abtastfrequenzen und Latenzen) sind Messungen mit Zeitbezug mit einem solchen Mikrofon nicht ohne weiteres möglich.
Wenn man nur eine Soundkarte verwendet, die sowohl die Wiedergabe des Anregungssignals als auch die Aufnahme des Antwortsignals übernimmt ist gewährleistet, dass die Abtastfrequenz identisch ist. Durch zusätzliche, gleichzeitige Messung des Anregungssignals in einem 2. Kanal heben sich auch eventuelle Latenzunterschiede auf und es gibt einen absoluten Zeitbezug und damit eine reproduzierbare Phase. Dies ist bei der Entwicklung von Mehrwege-Systemen und der "Synchronisierung" von Multi-Sub-Anordnungen äußerst hilfreich.

Weiterführende Literatur:

Wer noch mehr zum Thema Messmikrofone wissen will wird hier fündig:

• Mikrofon (Wikipedia)
• Mikrofontechnologie €€“ die Grundlagen
• Grundlagen Messmikrofone
• BRÜEL & KJAER Microphone Handbook (Vol. 1)
• BRÜEL & KJAER Microphone Handbook (Falcon)