01.11.15

SO LIEST MAN TECHNISCHE DATEN VON MIKROFONEN

Er behandelt die wichtigsten Mikrofonspezifikationen und erklärt ihre Bedeutung und Ermittlung.
Stichwörter: dB-Skala, Frequenzgang, Frequenzbereich, Frequenzgang auf Achse, Frequenzgang im diffusen Schallfeld, Richtcharakteristik, Ersatzgeräuschpegel, Empfindlichkeit, maximaler SPL, Total Harmonic Distortion (THD).
Was lernen Sie? Sie erhalten alle notwendigen Informationen zum Verstehen der technischen Daten einzelner Mikrofonmodelle.

Wenn Sie technische Daten von Mikrofonen vor sich haben, ist es entscheidend, dass Sie diese richtig verstehen und interpretieren. In den meisten Fällen können die technischen Daten auf viele verschiedene Arten gemessen oder berechnet werden. Dies erfolgt jedoch immer auf der Grundlage der Norm IEC 60.268-4.

Der vorliegende Artikel hilft Ihnen, technische Daten auf sinnvolle Weise für sich zu nutzen.
 

 

Was Sie technischen Daten nicht entnehmen können

Technische Daten von Mikrofonen informieren über ihre elektro-akustischen Eigenschaften/Leistungen, vermitteln jedoch kein umfassendes Bild darüber, welche Klangqualität erzielt werden kann. Technische Daten bestehen aus objektiven Angaben. Sie sind jedoch nicht aussagekräftig in Bezug auf subjektive Klangerlebnisse oder -präferenzen. Beispiel: Eine Frequenzgangkurve zeigt, mit welcher Genauigkeit das Mikrofon eingehende reine Sinusfrequenzen reproduziert, aber nicht, wie detailliert, gut aufgelöst oder transparent das letztendliche Klangerlebnis ist.

 

Die Dezibel-Skala (dB)

Die Grundlage für die meisten technischen Daten von Mikrofonen ist die Dezibel-Skala. Sie ist logarithmisch und wird wegen ihrer Äquivalenz zum menschlichen Empfinden von Schalldruckänderungen verwendet. Darüber hinaus sind Änderungen in dB besser verständlich abgestuft als die sehr großen Zahlen, die sich bei (linearen) Druckskalen in Pascal, Newton oder Bar ergeben können. Die db-Skala gibt den Druck im Verhältnis zu einem Referenzdruck an, der in den meisten Fällen 20 micro Pa (µPa = 10-6 Pa) beträgt. Dieser Referenzdruck von 20 µPa entspricht 0 dB. Der Wert von 0 dB bedeutet nicht, dass keinerlei Schall vorhanden ist, sondern gibt nur den minimalen Schalldruckpegel (SPL) an, den das menschliche Ohr in der Regel noch wahrnimmt.

 

Frequenzgang

Die Frequenzgangkurve zeigt die Fähigkeit des Mikrofons, akustische Energie in elektrische Signale umzuwandeln an. Darüber hinaus lässt sich an ihr ablesen, ob diese Umwandlung unverfälscht erfolgt oder ob Verfärbungen auftreten. Zu beachten ist der Unterschied zwischen Frequenzgang und Frequenzbereich. Der Frequenzbereich gibt grob an, in welchem Bereich das Mikrofon innerhalb einer gegebenen Toleranz Schall reproduzieren kann. Der Frequenzbereich wird auch als „Bandbreite“ bezeichnet.

d:dicate™ 4006 Mikrofon mit Kugelcharakteristik:

Frequenzbereich: auf Achse 20 Hz - 20 kHz ±2 dB

 

Mehrere Frequenzgangkurven

Hersteller professioneller Produkte geben immer mehrere Frequenzgangkurven an, da es wichtig ist zu wissen, wie das Mikrofon auf Schall aus verschiedenen Richtungen und in verschiedenen akustischen Schallfeldern reagiert.

 

Frequenzgang auf Achse

Der Frequenzgang auf Achse gibt die Reaktion des Mikrofons auf Schall an, der direkt von vorne (auf der Achse) auf seine Membran trifft (Winkel von (0°). Der Frequenzgang auf Achse kann aus verschiedenen Distanzen gemessen werden. Aufgrund des Nahbesprechungseffekts können sich dabei unterschiedliche Frequenzgänge ergeben. Deshalb sollte immer angegeben sein, aus welcher Distanz direktionale Mikrofone (Druckgradientenempfänger) gemessen wurden.

 

Frequenzgang im diffusen Schallfeld

Die Frequenzgangkurve im diffusen Schallfeld zeigt, wie sich das Mikrofon in einem Schallfeld mit viel Hall verhält, d. h. in einer akustischen Umgebung, in der der Schall nicht aus einer definierten Richtung kommt, sondern mit gleicher Wahrscheinlichkeit aus vielen oder allen Richtungen. Die Reflexion von Wänden, Boden, Decke usw. ist mindestens so laut wie der direkte Schall, während der Schalldruckpegel (SPL) überall gleich hoch ist. Dieser Aspekt ist vor allem bei Mikrofonen mit Kugelcharakteristik relevant, weil sie schon bei niedrigeren Frequenzen den vollen Frequenzbereich erfassen. Die Frequenzgangkurve im diffusen Schallfeld zeigt einen Flankenabfall bei höheren Frequenzen, teilweise bedingt durch die in diesem Bereich stärkere Luftabsorption.

 

Off-Axis-Frequenzgang

Der Off-Axis-Frequenzgang zeigt die Reaktion des Mikrofons bei Schall aus verschiedenen Winkeln. Er ist von besonderem Interesse, wenn man feststellen will, wie ein direktionales Mikrofon (z B. Nierencharakteristik) Schall eliminiert, der aus einem Winkel zur Achse auf die Membran trifft. Obwohl der Off-Axis-Frequenzgang bei direktionalen Mikrofonen gedämpft ist, ist ein weicher Verlauf sehr wichtig, da ansonsten Off-Axis-Verfärbungen (Vorhang-Effekt) auftreten.
 

Richtcharakteristik

Anhand von Polardiagrammen wird gezeigt, wie bestimmte Frequenzen reproduziert werden, die aus verschiedenen Winkeln vom Mikrofon empfangen werden. Das Polardiagramm zeigt an, wie weich oder uneben die Off-Axis-Verfärbung ausfällt.

Auf dem äußeren Kreis wird ein Referenzpunkt definiert, häufig durch einen 1-kHz-Sinuston, der direkt auf die Membran des Mikrofons auftrifft (0° = oben auf dem Kreis). Die Schritte zwischen den einzelnen Kreisen betragen -5 dB, sofern nichts anderes angegeben ist. So kann man ablesen, wie viel schwächer das Signal um das Mikrofon bei bestimmten Frequenzen wird. Die Definition erfolgt in der Regel anhand von Standard-Oktavbändern innerhalb des relevanten Frequenzbereichs des Mikrofons (d. h. 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz, 8 kHz und 16 kHz).

Für einen verfärbungsfreien Klang muss der Frequenzgang weich und symmetrisch sein. Extreme Ausschläge sind unerwünscht. Die Frequenzgangkurven dürfen einander nicht schneiden. Das Polardiagramm zeigt außerdem an, dass Mikrofone mit Kugelcharakteristik in der Regel bei höheren Frequenzen direktionales Verhalten zeigen (je größer das Mikrofon, desto stärker die Direktionalität bei hohen Frequenzen).
 

Ersatzgeräuschpegel

Der Ersatzgeräuschpegel bzw. das Eigenrauschen des Mikrofons ist der Schalldruckpegel (SPL), der dieselbe Spannung erzeugt wie das Mikrofon selbst. Geringes Eigenrauschen ist insbesondere beim Arbeiten mit niedrigen Schalldruckpegeln erwünscht, damit der Klang nicht durch vom Mikrofon erzeugte Geräusche beeinträchtigt wird. Das Eigenrauschen bestimmt auch die Untergrenze des Dynamikumfangs des Mikrofons.

Für die Messung gibt es zwei gängige Standards:

1. Die A-gewichtete Messung der Ausgangsleistung mit Angabe des Effektivwerts bezieht sich auf die Empfindlichkeit des Ohrs und filtert tiefe Frequenzen heraus. Ein gutes Ergebnis (sehr geringes Eigenrauschen) auf dieser Skala liegt in der Regel unter 15 dB(A).

2. Die CCIR 468-1-Skala basiert auf einer anderen Gewichtung und einer Quasi-Peak-Erkennung. Ein gutes Ergebnis liegt hier zwischen 25 und 30 dB.

d:dicate™ 4041-SP Solid State-Mikrofon mit Kugelcharakteristik:

Ersatzgeräuschpegel A-gewichtet: Max. 7 dB(A) bzw. 20 µPa

Ersatzgeräuschpegel nach CCIR 468-1: Max. 19 dB

Es gibt einen Zusammenhang zwischen der Größe der Mikrofonmembran und dem Eigenrauschen des Mikrofons. In der Regel führt eine größere Membran zu geringerem Eigenrauschen. Daher hat das d:screet™ 4060 Miniaturmikrofon im Vergleich zu anderen Mikrofonen seiner Größe ein sehr geringes Eigenrauschen bei einem Ersatzgeräuschpegel von 23 dB(A) bzw. 20 µPa.

 

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit bezieht sich auf die Fähigkeit des Mikrofons, akustischen Druck in elektrische Spannung umzuwandeln. Sie gibt an, welche Spannung ein Mikrofon bei einem bestimmten Schalldruckpegel (SPL) generiert. Ein Mikrofon mit hoher Empfindlichkeit produziert eine relativ hohe Spannung und benötigt deshalb weniger Verstärkung als ein Modell mit geringerer Empfindlichkeit. Bei Anwendungen mit niedrigem Schalldruckpegel (SPL) benötigt man besonders empfindliche Mikrofone, um Verstärkungsrauschen zu minimieren.

Nach der IEC 268-4-Norm wird die Empfindlichkeit in mV pro Pascal bei 1 kHz gemessen (Messmikrofone bei 250 Hz). Eine alternative Angabe der Empfindlichkeit nach amerikanischer Tradition erfolgt in dB bezogen auf 1 V/Pa. In diesem Fall erhält man einen negativen Wert. Hersteller hochwertiger Mikrofone geben darüber hinaus Toleranzen bei der Empfindlichkeit aufgrund von Fertigungsdifferenzen an, die normalerweise im Bereich von 2 dB liegen.

d:dicate™ 3506 Stereo-Set mit 4006 Kugelcharakteristik-Mikrofonen:

Nennempfindlichkeit ±2 dB: 10 mV/Pa bzw. -40 dB 1 V/Pa Leerlauf (bei 250 Hz) Max. Abweichung 1 dB

 

Schalldruckpegel-Handling

In vielen Aufnahmesituationen muss bekannt sein, welchen maximalen Schalldruckpegel (SPL) ein Mikrofon verarbeiten kann. Zu beachten ist, dass bei den meisten Musikaufnahmen der maximale SPL den effektiven Wert der Ausgangsleistung um mehr als 20 dB übersteigen kann. Der Ausgangsleistungswert zeigt den durchschnittlichen SPL an, jedoch nicht die Amplitude.

Darüber hinaus muss der SPL bekannt sein, bei dem eine bestimmte Total Harmonic Distortion (THD) auftritt.

Ein gängiger THD-Level liegt bei 1 % (0,5 % ist ebenfalls gebräuchlich). Ab diesem Punkt wird eine Verzerrung hörbar. DPA definiert den SPL für 1 % THD. Dieser Wert ist wichtig, da er als Grundlage zur Berechnung des Dynamikumfangs eines Mikrofons dient. Der Dynamikumfang ist der Bereich zwischen Grundrauschen (Eigenrauschen des Mikrofons) und 1 % THD.

Die THD-Angabe muss auf der Messung des kompletten Mikrofons (Kapsel und Vorverstärker) beruhen. Viele Hersteller geben nur den am Vorverstärker gemessenen THD-Wert an. Der Vorverstärker verzerrt jedoch weit weniger als die Kapsel, sodass sich dann ein größerer Dynamikumfang ergibt als der tatsächlich verfügbare. Die Verzerrung einer kreisförmigen Membran verdoppelt sich bei Erhöhung des Eingangspegels um 6 dB. Dieser Faktor kann zur Berechnung anderer THD-Level herangezogen werden.

Bei manchen technischen Daten bezieht sich die Angabe des maximalen SPL auf den Wert, ab dem das Mikrofon beschädigt wird. Dies hat keinen praktischen Nutzen, abgesehen vielleicht von der Verwendung in Raumfahrzeugen. 

Zusammenfassung: Entscheidend ist die Kenntnis des SPL-Werts, bei dem eine definierte Total Harmonic Distortion (THD) auftritt (1 % THD).
 

Fazit

Die technischen Daten eines Mikrofons geben keinen vollständigen Aufschluss über dessen Qualität. Diese lässt sich abschließend nur beurteilen, wenn man seinen Klang mit eigenen Ohren hört. Obwohl technische Daten nicht bei allen Mikrofonherstellern nach identischen Kriterien erstellt werden, bieten sie bei korrekter Auswertung ausreichende Objektivität und helfen bei der Auswahl des optimalen Produkts.

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