DE4294875C2 - Schallkalibrator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schallkalibrator für Mikrophone, der eine Meßkammer mit einem Kopplungsteil, der zum Zusammenwirken mit dem betreffenden Mikrophon bzw. den betreffenden Mikrophonen ausgebildet ist, eine Schallquelle zum Erzeugen eines vorgegebenen Schalldrucks in der Meßkam­ mer, einen Oszillator zum Anlegen eines Signals an die Schallquelle und eine Rückkopplungsschaltung aufweist, die auf der Messung des Schalldrucks beruht, der in der Meßkammer erzeugt wird, um das angelegte Signal zu regeln. Kalibratoren dieser Art dienen dazu, ein bekanntes und reproduzierbares Schalldrucksignal an zu kalibrierende Mikrophone anzulegen.

Es sind Schallkalibratoren bekannt, die eine Meßkammer mit einem Kopplungsteil, der mit dem betreffenden Mikrophon oder den betreffenden Mikrophonen zusammenwirken kann, eine Schallquelle vorzugweise in der Form eines Lautsprechers zum Erzeugen eines vorgegebenen Schalldrucks in der Meßkammer, einen Oszillator möglicherweise mit einem sich anschließenden Verstärker zum Anlegen eines Signals an die Schallquelle, und eine Rückkopplungsschaltung aufweisen, die auf der Messung des Schalldrucks beruht, der in der Meßkammer erzeugt wird, um das angelegte Signal zu regeln.

Als Beispiel bekannter Konstruktionen solcher Schallkalibratoren kann Bezug genommen werden auf einen Schallkalibrator mit der Bezeichnung Typ 4226 der dänischen Firma Brüel & Kjaer ("Multifunctional Acoustic Calibrator", Brüel & Kjaer: Master Catalogue - Electronic Instruments, S. 339-342, Mai 1989, Brüel & Kjaer, DK-2850 Naerum). Diese und andere be­ kannte Kalibratorkonstruktionen bringen es mit sich, daß das zu kalibrierende Mikrophon in eine Meß- oder Kalibrierkammer im Kalibrator eingeführt wird, die möglicherweise mit einem besonderen Koppler für Zusammenwirkung mit dem Mikrophon aus­ gebildet ist, und ein Schalldrucksignal ist so ausgebildet, daß es auf einem bekannten und vorbestimmten Pegel in der Meßkammer mit Hilfe geeigneter Rückkopplung gehalten werden soll.

Das Beispiel, auf das oben Bezug genommen worden ist und ei­ nen bekannten Typ eines Schallkalibrators betrifft, stellt eine Konstruktion dar, die in erster Linie für Laborverwen­ dung bestimmt ist und eine Anzahl von Merkmalen und Ergän­ zungsmöglichkeiten hat, die normalerweise bei Kalibratoren nicht von Interesse sind, die für den Feldgebrauch bestimmt sind. Es gibt u. a. die Frage, welchen Frequenzbereich dafür die gewünschte Kalibrierung zur Verfügung haben muß. Bei be­ kannten Konstruktionen beruht die erwähnte Rückkopplung auf der Verwendung eines besonderen Mikrophons als Komponente im Kalibrator. Normalerweise sind Mikrophone verhältnismäßig teure Komponenten, die darüber hinaus in beträchtlichem Um­ fang zur Vergrößerung der Abmessungen und des Gewichtes des Kalibrators beitragen. Insbesondere für den Feldgebrauch bringt dies Nachteile bei bekannten Typen von Schallkalibra­ toren mit sich.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Schallkalibrators für Mikrophone, der eine hohe Stabilität in bezug auf unter anderem Veränderungen in der Temperatur, dem Druck usw. aufweist, der kostengünstig hergestellt werden kann und der für den Feldgebrauch praktisch und handlich so­ wohl in bezug auf Betrieb als auch Tragbarkeit ist.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Hauptanspruch angegeben.

Mit dem obigen Hintergrund wurde erfindungsgemäß herausgefun­ den, daß überraschenderweise auf das normalerweise in solchen Kalibratoren verwendete Mikrophon verzichtet werden kann und dieses durch einen Differenzdrucksensor eines an sich bekann­ ten Typs mit einer Halbleitermembrane ersetzt werden kann, an die eine elektrische Detektorschaltung angelegt wird, wobei ein Druckeingang des Differenzdrucksensors mit der Meßkammer verbunden ist und ein zweiter Druckeingang dem statischen Um­ gebungsdruck ausgesetzt wird, wobei das elektrische Ausgangs­ signal vom Differenzdrucksensor als Eingangssignal für die Rückkopplungsschaltung dient.

Diese Lösung beruht u. a. auf der Erkenntnis, daß der Schall­ pegel in der Meßkammer verhältnismäßig hoch sein soll und daß für die Mehrzahl der Kalibrierungszwecke es ausreichend ist, eine einzige Frequenz oder einen einzigen Ton für die Kali­ brierung zu verwenden. Dadurch ist es möglich, einen Diffe­ renzdrucksensor des Typs zu verwenden, der nicht mit der Ab­ sicht, als Mikrophon zu dienen, hergestellt ist, von dem man jedoch herausgefunden hat, daß er größe Vorteile beim Schall­ kalibrator der Erfindung mit sich bringt. Die Vorteile bezie­ hen sich insbesondere auf den niedrigen Preis, die kleine Größe und das geringe Gewicht.

Differenzdrucksensoren, die in diesem Zusammenhang verwendet werden können, sind kommerziell in verschiedenen Konstruktio­ nen erhältlich.

Zusätzlich zu der grundsätzlichen Lösung, wie sie oben ange­ geben ist, umfaßt die Erfindung auch begleitende spezielle konstruktive Lösungen, die in hohem Ausmaß dazu beitragen, einen Schallkalibrator mit praktischen Vorteilen zu erhalten, und solche zusätzliche besonderen Merkmale sind in den Un­ teransprüchen und auch in der folgenden Beschreibung angege­ ben.

In der folgenden Beschreibung soll die Erfindung genauer un­ ter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 teilweise schematisch und teilweise in Form eines Blockdiagramms einen auf der vorliegenden Erfindung beruhenden Schallkalibrator;

Fig. 2 einen Kalibrator in ähnlicher Weise wie in Fig. 1, jedoch mit einer Zusatzkonstruktion;

Fig. 3 im Querschnitt und in vergrößertem Maßstab einen Typ von Differenzdrucksensor, der im Kalibrator der Fig. 1 und 2 verwendet werden kann; und

Fig. 4 eine elektrische Brückenschaltung eines an sich be­ kannten Typs, die an eine druckempfindliche Membra­ ne im Sensor von Fig. 3 angelegt werden kann.

Die Grundkonstruktion des erfindungsgemäßen Schallkalibra­ tors, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, weist eine Kalibrierkammer 1 auf, die von Wänden geeigneter Form und Zusam­ mensetzung eingeschlossen ist, wobei die Kammer an einer Sei­ te mit einem Kopplungsteil oder einer Öffnung 3 zum Unter­ bringen eines zu kalibrierenden Mikrophons 4 versehen ist. Die Konstruktion des Kopplungsteils 3 wird bestimmt werden durch den Typ oder die Typen von Mikrophonen, die mit Hilfe des Kalibrators kalibriert werden sollen. In einer der Kam­ merwände ist ein Lautsprecher 5 zum Erzeugen eines Schalldrucks mit einem vorbestimmten Pegel in der Kammer 1 angebracht. Ein Differenzdrucksensor 7 ist in Verbindung mit der Kammer 1 auf solche Weise vorgesehen, daß ein erster Druckeingang 7A des Sensors den Druck in der Kammer 1 detek­ tiert, d. h. sowohl den statischen Druck als auch die Druck­ schwingungen, die vom Schall herrühren, der vom Lautsprecher 5 her angelegt wird. Der zweite Druckeingang 7B des Sensors 7 ist zum Umgebungsdruck offen, d. h. normalerweise dem atmo­ sphärischen Druck.

Auf diese Weise mißt der Drucksensor 7 die Differenz zwischen dem Druck innerhalb und dem Druck außerhalb der Kammer 1. An beiden dieser Orte gibt es einen statischen Atmosphärendruck, innerhalb der Kammer ist jedoch das vom Lautsprecher 5 er­ zeugte Schalldrucksignal dem atmosphärischen Druck überla­ gert. Die Amplitude des erzeugten Schalldrucks wird durch den Drucksensor 7 und damit verknüpfte Detektionsschaltungen 12 mit der oben beschriebenen Rückkopplungsverbindung be­ stimmt, was zu einem Kalibrator führt, der Eigenschaften hat, die stabil sind und sehr wenig durch Temperatur, atmosphäri­ schen Druck und Feuchtigkeit beeinflußt sind.

Obwohl Differenzdrucksensoren des hier verwendeten Typs im Prinzip ausschließlich für die Messung von statischem Druck bestimmt sind, ist es erfindungsgemäß herausgefunden worden, daß diese Form von Drucksensor voll, und dies mit wesentli­ chen Vorteilen, in einem wie hier beschriebenen Schallkali­ brator verwendbar ist.

Eine elektrische Schaltung, die unter anderem für die erfor­ derliche Rückkopplung im Kalibrator sorgt, weist einen Detek­ tor 12, möglicherweise mit einem eingebauten Filter, und ei­ nen Oszillator 11 auf, der wiederum einen Verstärker aufwei­ sen kann.

Wenn der Oszillator 11 aktiviert wird, um ein Sinuswellensi­ gnal bei bekannter Frequenz zu erzeugen, das an den Lautspre­ cher 5 angelegt wird, wird ein Schalldruck in der Kammer 1 erzeugt, wobei dieser Schalldruck mit Hilfe des Differenz­ drucksensors gemessen wird. Das elektrische Ausgangssignal von dem Sensor wird detektiert durch den Detektor 12, mögli­ cherweise nach Filterung. Das detektierte Signal wird mit ei­ ner Bezugsgröße verglichen, und irgendeine Abweichung wird zum Einjustieren der Ausgangsamplitude des Oszillators 11 verwendet, d. h. des Signales, das durch die Verbindung 10 an den Lautsprecher 5 angelegt wird. Diese Amplitudenjustierung oder Regelung kann dadurch stattfinden, daß das Oszillatorsi­ gnal durch ein Element geleitet wird, das eine kontrollierba­ re Verstärkung hat, oder indem man das Steuersignal den Rück­ kopplungsgrad im Oszillator beeinflussen läßt. Dies ist hier die Frage von Verfahren, die im Prinzip bereits bekannt sind und in Verbindung mit Rückkopplungsschaltungen verwendet wer­ den.

Die Oszillatorfrequenz ist vorzugsweise in der Mitte des hör­ baren Bereiches, zum Beispiel bei 1000 Hz oder niedriger an­ geordnet. Vorteilhafterweise kann das Ausgangssignal vom Drucksensor 7 elektrisch in Verbindung mit dem Detektor 12 gefiltert werden, um Rauschen und Signalkomponenten zu ent­ fernen, die von der Frequenz des an die Schallquelle oder den Lautsprecher 5 anzulegenen Signals abweichen. Der verwendete Filter kann vom linearen Typ oder vom Typ sein, der eine pha­ senempfindliche Detektion des Meßsignales durchführt.

Der Kalibrator in der Ausführungsform, wie sie in Fig. 2 dar­ gestellt ist, weist dieselben Komponenten wie in Fig. 1 auf, wobei jedoch eine gewisse zusätzliche Konstruktion insbeson­ dere für den Zweck von Schallisolierung vorgesehen ist.

Der Differenzdrucksensor 17 in Fig. 2, ähnlich wie bei der Anordnung von Fig. 1, ist mit seinem ersten Druckeingang 17A in die Meßkammer 21 eingeführt, während der zweite Druckein­ gang 17B durch eine schallisolierende Schallschluckkammer 19 umgeben ist, die dazu dient, von Umgebungsschalleinflüssen zu isolieren oder abzuschirmen. Solche äußeren Schallsignale können eine nachteilige Wirkung haben, indem sie durch den Drucksensor in derselben Weise wie der Ton von der Meßkammer 21 am Druckeingang 17A aufgenommen werden. Die Abschirmung oder Schallschluckeinrichtung 19 muß jedoch eine Öffnung zur Umgebungsatmosphäre haben und wird daher durch eine kleine Öffnung 19A belüftet, die möglicherweise die Form einer engen Kanüle haben kann, so daß der statische Druck vergleichmäßigt wird. Die Öffnung 19A braucht nicht größer zu sein, als daß Geräusche von außen ausreichend gedämpft werden.

In einer entsprechenden Weise wie mit der Schallschluckkammer 19 kann die Rückseite des Lautsprechers 15 in Fig. 2 mit ei­ ner Schallschluckeinrichtung oder Abschirmung 16 schalliso­ liert sein, wie dies mit gestrichelten Linien dargestellt ist, um so zu verhindern, daß Geräusche von außen ihren Weg in die Kammer 21 durch den Lautsprecher 15 finden. Außerdem wird eine solche Abschirmung 16 das Schallsignal daran hin­ dern, daß es aus dem Kalibrator heraus ausgesendet wird. Bei­ de dieser zusätzlichen Abschirmungen oder Kammerkonstruktio­ nen sollen das Verhalten des Kalibrators verbessern, wenn er unter Bedingungen mit höheren äußeren Geräuschpegeln verwen­ det wird.

Eine typische Form eines Differenzdrucksensors, der gut ge­ eignet für Verwendung in den hier beschriebenen Schallkali­ bratoren ist, ist im etwas einfachten Querschnitt in Fig. 3 gezeigt. Der Sensor 27, der darin gezeigt ist, ist auf einer Unterlage 32 aufgebaut und mit einer Umhüllung 31 versehen. Eine Siliziummembran 30 zusammen mit der Abstützung derselben auf der Unterlage 32 unterteilt das Innere der Umhüllung 31 in zwei Volumina, die voneinander in druckdichter Weise ge­ trennt sind. Die beiden Volumina oder Räume stehen mit der Außenwelt durch einen entsprechenden Druckeingang in Verbin­ dung, nämlich einem ersten Druckeingang 27A und einem zweiten Druckeingang 27B, die den Eingängen 7A, 17A bzw. 7B, 17B in den Fig. 1 und 2 entsprechen.

Als Alternative zur Schaltschluckeinrichtung 19 in Fig. 2 hat der Druckeingang 27B eine damit verknüpfte Kapillarröhre 29, die einen Ausgleich des statischen Drucks möglich macht, die aber eine beträchtliche und ausreichende Dämpfung des durch diesen Eingang angelegten Schalls ergibt.

Das elektrische Diagramm in Fig. 4 zeigt ein typisches Bei­ spiel einer Brückenschaltung 40 mit veränderlichen Widerstän­ den R1, R2, R3 und R4, die an die Membran 30 im Sensor von Fig. 3 angelegt werden kann. Wie dies ersichtlich sein dürf­ te, bilden die Widerstände R1 bis R4 eine volle Brückenschal­ tung, die ein elektrisches Ausgangssignal in einer an sich bekannten Weise abgibt, wenn die Membran 30 ausgelenkt wird, wenn sie einem Druckunterschied ausgesetzt wird.

Bei der besonderen Verwendung eines solchen Differenzdruck­ sensors, wie dies hier beschrieben ist, ist es ein wesentli­ cher Vorteil, daß die Membran 30 aus Halbleitermaterial wie z. B. Silizium hergestellt ist. Vorteilhafterweise beruht die Funktion der Brückenschaltung mit den Widerständen R1 bis R4 darüber hinaus auf dem piezoresistiven Effekt (Piezo- Widerstands-Effekt). Dieser Effekt ist ebenfalls in Verbin­ dung mit Differenzdrucksensoren des hier verwendeten Typs an sich bekannt.

Es ist jedoch offensichtlich, daß ein erfindungsgemäßer Schallkalibrator in Details von dem abweichen kann, was oben unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben ist, und nur als Beispiel ist es erwähnt, daß die elektrische Sensorschal­ tung an der Membran 30 auch auf kapazitiven Komponenten an­ stelle von Widerstandselementen R1 bis R4 beruhen kann.

Claims (9)

1. Schallkalibrator für Mikrophone, der eine Meßkammer (1, 21) mit einem Kopplungsteil (3), der zum Zusammenwir­ ken mit dem betreffenden Mikrophon bzw. den betreffenden Mikrophonen (4, 14) ausgebildet ist, eine Schallquelle (5, 15) zum Erzeugen eines vorgegebenen Schalldrucks in der Meßkammer (1, 21), einen Oszillator (11) zum Anlegen eines Signals (10) an die Schallquelle (5, 15) und eine Rückkopplungsschaltung (7, 20, 12, 13) aufweist, die auf der Messung des Schalldrucks beruht, der in der Meßkammer (1, 21) erzeugt wird, um das angelegte Signal (10) zu re­ geln, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzdrucksen­ sor (7, 17, 27) eines an sich bekannten Typs mit einer Halbleitermembran (30), mit der eine elektrische Sensor­ schaltung (40) verbunden ist, mit einem Druckeingang (7A, 17A, 27A) mit der Meßkammer (1, 21) verbunden ist und mit einem zweiten Druckeingang (7B, 17B, 27B) dem stati­ schen Umgebungsdruck ausgesetzt ist, und daß das elektri­ sche Ausgangssignal (20) vom Differenzdrucksensor (7, 17) als Eingangssignal in der Rückkopplungsschaltung (7, 20, 12, 13) dient.

2. Schallkalibrator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitermembran (30) des Differenzdrucksensors (7, 17, 27) hauptsächlich aus Silizium besteht.

3. Schallkalibrator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrische Sensorschaltung (40) eine an sich bekannte Brückenschaltung mit Widerständen (R1 bis R4) aufweist, die vorzugsweise auf dem piezo­ resistiven Effekt (Piezo-Widerstands-Effekt) beruht.

4. Schallkalibrator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der zweite Druckeingang (17B, 27B) gegen Außenschall abgeschirmt (19) oder ge­ dämpft (29), jedoch offen (19A) für den statischen Umge­ bungsdruck ist.

5. Schallkalibrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Druckeingang (17B) durch eine schalliso­ lierte Kammer (19) abgeschirmt ist, die eine kleine Öff­ nung (19A) für Ausgleich des statischen Drucks aufweist.

6. Schallkalibrator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Druckeingang (27B) mit einer Kapillarröhre (29) in Reihe mit dem zweiten Druckeingang abgeschirmt ist.

7. Schallkalibrator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rückkopplungsschaltung (7, 20, 12, 13) einen elektrischen Filter aufweist, der dazu ausgebildet ist, Geräusche, Rauschen und Signalkomponen­ ten, die von dem an die Schallquelle (5, 15) angelegten Signal abweichen, zu entfernen, wobei der Filter vorzugs­ weise vom linearen Typ ist.

8. Schallkalibrator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schallquelle (5, 15) ein Lautsprecher ist.

9. Schallkalibrator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des Lautsprechers (15) mit einer schallisolierten Lautsprecherkammer (16) abgeschirmt ist.