DE7425078U

DE7425078U - Schallintensitaets-messgeraet

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Publication number: DE7425078U
Application number: DE19747425078
Authority: DE
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Current assignee: Individual
Priority date: 1974-07-19
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1977-04-14

Description

Dr.-Ing. Hartmut Ising

1 Berlin 39, Petzower Str.6

Schallintensitäts-Meßgerät

Bereits ii3 Jahre 1932 erhielt H. F. Olson ein Patent (US Pat. No. 1 892 644) auf ein "System, empfindlich auf den Energiefluß von Schallwellen"«, Das System war aufgebaut aus einem Kondensator- ' mikrofon als Druckempfänger und einem Bändchenmikrofon als SchnelHßempfanger. Die beiden Mikrofonsignale wurden verstärkt, multipliziert und tiefpaßgefiltert. Das Ausgangssignal ist, falls beide Mikrofone amplituden- und phasentreu arbeiten, der Schallintensität proportional.

Ein nach diesem Prinzip arbeitendes Gerät wurde 1941 beschrieben (JASA 13 (1941), 124-136). Das System hat den entscheidenden Nachteil, daß Bändchenmikrofone keine phasentreuen Wandler darstellen. Deshalb mußte eine aufwendige Phasenkorrektur-Schaltung aufgebaut werden, mit der es für ein einzelnes Bändchenmikrofon gelang, die durch Biege-Eigenschwingungen des Bändchens erzeugten, über das ganze Frequenzband verteilten Phasenabweichungen annähernd auszugleichen. Da auf dieser Basis keine Meßgeräteproduktion möglich ist, wurden eine Anzahl weiterer Realisierungsversuche für e±u Schallintensitäts-Meßgerät unternommen.

Ein Gerät, dessen Meßkopf aus zwei kleinen, dicht benachbarten Druckmikrofonen besteht, wurde 1956 beschrieben (JASA 28 (1956), 693-699). Hierbei v/erden die Summe und die Differenz der Mikrofonsignale elektronisch weiter verarbeitet. Das Gerät hat den Nachteil, daß es nur im Bereich von Frequenzen oberhalb 1 k Hz ausreichende Empfindlichkeit besitzt.

Ein Gerät mit einem periodisch bewegten Mikrofon wurde 1968 beschrieben (Acustica 20 (1968), 308-310 und Verhandlungen DPG (VI) 3 (1963), 391).

Bei diesem Gerät werden zwar die relativen Übertragungsfehler zwischen zwei Mikrofonen vermieden. Es ist aber nur für periodische Schallsignale verwendbar, die zudem mindestens für die Perioden-

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dauer der Mikrofonbewegung konstant sein müssen. Da aber meistens Geräusche su messen sind, hat dieses Gerät nur einen sehr begrenzten Einsatzbereich.

Das Pi'oblem des Schallintensitäts-Meßgerätes besteht darin, den Schalldruck und die Schallscnnelle bzw. den Schalldruckgradienten amplituden- und phasentreu an einem Ort des Schallfeldes mit ausreichender Smpfindlichkeit iia Bereich niedriger Frequenzen bis etwa 1 kHz in elektrische Signale zu wandeln.

Diese Aufgabe wird durch neuartige Ausführung und Anordnung im wesentlichen bekannter Bauelemente erfüllt.

Anstelle des von Olson vorgeschlagenen Bändchenmikrofons wird ein bekanntes Elektret-Druckgradientenmikrofon, das nach dem Influenzprinzip arbeitet, verwendet. Ein solches Influenzmikrofon ergibt erfindungsgemäß unter Verwendung bekannter Kreuzschlitz-Elektroden ein nahezu phasentreu arbeitendes Gradientenmikrofon. Der Frequenzbereich, in dem das Mikrofon hinreichend phasentreu arbeitet, wird erweitert, wenn die Membranmasse verkleinert v/ird. Erfindungsgemäß v/erden deshalb sonst im Mikrofonbau unüblich dünne Mikrofonmembranen verv/endet. Das Gradientenmikrofon ist zudem nur dann symmetrisch und phasentreu, wenn die Elektret-Mikrofonmembran absolut in der Mitte zwischen den Gegenelektroden liegt. Da dieser Idealzustand nicht mit mechanischen Mitteln erreichbar ist, wird erfindungsgemäß eine regelbare Gleichspannung an die festen Elektroden angelegt. Dadurch wirkt eine regelbare elektrostatische Kraft auf die Elektret-Mkrofonmembran, wodurch eine weitgehende Symmetrierung erreicht werden kann.

Neben der Gradientenmikrofonkapsel ist bei einer Ausführung die Druckmikrofonkapsel erfindungsgemäß so angeordnet, daß der Abstand in der Größenordnung der Mikrofonkapsel-Durchmesser liegt, wodurch die Schnellfeldverzerrungen hinreichend klein werden. Bei einer anderen Ausführung gemäß der Erfindung liegt die Druckmikrofonmembranebene senkrecht zur Gradlentenmikrofonmembranebene, und beide Kapseln sind symmetrisch zueinander bezüglich Schalleinfall

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von vorn und hinten, wodurch nur unkritische symmetrische Schaufele Verzerrungen verursacht werden.

Die verbleibende, vorwiegend konstante Phasendifferenz zwischen Druck- und Druckgradientenmikrofonsignal wird erfindungsgeinäß durch eine Kombination eines breitbandigen Phasenschiebers, vorzugsweise eines bekannten Goniometers, und,eines frequenzproportional phasendrehenden Netzwerks, vorzugsweise einer bekannten laufzeitkette, korrigiert.

Fig. 1 zeigt die der Membran zugewandte Seite einer Kreuzschlitzelektrode (1a).

In Fig. 2 ist eine Gradientenmikrofonkapsel (1) mit schalldurchlässigen Kreuzschlitzelektroden (1a) und anschließender Gleichspannungs-Svmmetriervorrichtung (2) dargestellt. Die Symmetriervorrichtung besteht aus einem Spannungsteiler (2a) und einer Gleichspannungsquelle (2b). Duroh zwei Kondensatoren (2c) wird die Gleichspannung abgeblockt, bevor die Mikrofonspannung auf den symmetrischen Eingang eines Verstärkers (3) in Fig. 3 mit hochohmigem Eingang gelangt. Mit Hilfe eines Phasenschiebers (4) können noch kleine Phasenkorrekturen ausgeführt werden. Danach gelangt das Gradientenmikrofonsignal auf den einen Eingang eines Multiplikators (7), an dessen zweitem Eingang das Druckmikrofon (5) mit Kathodenfolger und Verstärker (6) liegt. Das Ausgangssignal des Multiplikators wird über ein Tiefpaßfilter (8) auf ein Gleichspannungs-Meßgerät (9) gegeben und als schallintensitätsproportionale Größe angezeigt.

Das beschriebene Schallintensitäts-Meßgerät wurde im Stehwellenfeld eines einseitig offenen Impedanzrohres geprüft. Im Gegensatz zu den stehenden Wellen von Schalldruck und Schallschnelle ist der Wirkleistungsfluß auf der ganzen Rohrlänge konstant oder nimmt kontinuierlich ab, falls die Wandverluste gegenüber der Strahlungsleistung nicht vernachlässigbar klein sind. Das Schallintensitäts-Meßgerät muß also theoretisch beim Abtasten des Schallfeldes im Impedanzrohr einen konstanten oder kontinuierlich abnehmenden Ausgangswert liefern, welcher dem Wirkleistungofluß proportional

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Die ortsabhängigen Schwankungen des Schallintensitäts-I-leßergebnisses Δ Lj, die nach den vorstehenden Ausfüllrungen den Heßfehler charakterisieren, waren bei dem beschriebenen Schallintensitäts-Meßgerät im gesaaten Frequenzbereich kleiner als 1 dB. Der minimal6 Fehler wird bei nebeneinander liegenden Mikrofonen durch Optimierung des Verhältnisses von Hikrofonabstand und Hikrofondurchmesser erreicht. Ein Ausführungsbeispiel mit folgenden Haßen ergab einen Fehler ^Lj <1 dB. Der Abstand der beiden Mikrofone betrug 2 cm; die Durchmesser betrugen 13 mm bzw. 22 mm für das Druck- bzw. Druckgradientenmikrofon.

Da die Empfindlichkeit des Gradientenmikrofons erheblich unter der Empfindlichkeit eines Druckmikrofons mit vergleichbaren Abmessungen liegt und die Schallfeldverzerrungen, die das Druckmikrofon am Ort des Gradientenmikrofons erzeugt, das Meßergebnis verfälschen, hat sich die Verwendung eines- verglichen mit dem Gradientenmikrofon - im Durchmesser kleineren Druckmikrofons als günstig erwiesen. Ein günstiges Durchmesserverhältnis ist erfindungsgemäß das Verhältnis 2 zu 1.

Die mix dem Phasenschieber (4) eingestellten Phasenkorrekturen Δ ψ und die Schalldruck-Pegeldifferenzen Λ L im Stehwellenfeld sind in Abhängigkeit von der Frequenz in der Tabelle aufgeführt. Die Messung erfolgte mit reinen Tönen.

f (Hz)	*Δ f*	ALp (dB)	AL₁ (dB)
60	+ 16 °	25	0,7
125	+ 18 °	25	0,8
250	+ 13 °	25	0,4
500	+ 13 °	20	0,8
Ίοοο	+ 4°	15	0,8

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Messungen rait Tersrauschen hatten ähnliche Ergebnisse. Die Empfindlichkeit der Gradlentenmilcrofonkapsel ist für das Gesaintgerät bestimmend und liegt bsi etwa 2 mV/_N / 2 ί 1 dB im Frequenabereich zwischen 60 und 1000 Hz.

Damit erfüllt das beschriebene Schallintensitäts-Meßgerät die anfangs dargelegten Forderungen. Es ermöglicht breitbandige, präzise und empfindliche Schallintensitätsmessungen in dem überwiegend interessierenden Frequenzbereich zwischen 60 Hz und 1000 Hz und ist serienmäßig herstellbar.

Claims

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Ansprüche

1t Schallintensitäts-Meßgerät dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckgradientenmikrofon neben einem Druckmikrofon als Meßkopf dient.
2. Schallintensitäts-Meßgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand beider Mikrofone etwa der Größe der Mikrofondurchmesser entspricht.
3. Schallintensitäts-Meßgerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Membranebene des Druckgradientenmikrofons die Mittelsenkrechte zur Druckmikrofonmembran bildet.
4. Schallintensitäts-Meßgerät nach den Ansprüchen 1 und 2 oder

1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß das Gradientenmikrofon ein an sich bekanntes nach dem Influenzprinzip arbeitendes Elektret-Kondensatormikrofon mit zwei festen, schalldurchlässigen Elektroden und einer unmetallisierten Elektret-Membran ist.
5. Schallintensitäts-Meßgerät nach den Ansprüchen 1, 2 und 4 oder 1, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die schalldurchlässigen Elektroden als an sich bekannte Kreuzschlitzelektroden ausgeführt sind.
6. Schallintensitäts-Meßgerät nach den Ansprüchen 1, 2 und 4 oder 1, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die an sich bekannte_; unmetallisierte Elektretmembran ein Flächengewicht von 0,1 mg/

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cm bis 1 mg/cm hat.
7. Schallintensitäts-Meßgerät nach den Ansprüchen 1, 2 und 4 oder 1, 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß zur Symii.etrierung der Gradientenmikrofonkapsel eine Gleichspannungs-Symmetriervorrichtung angeschlossen ist. . ■ ■

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8. Schallintensitäts-Meßgerät nach den Ansprüchen 1 und 2 oder

1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenkorreicturglied, bestehend aus einer Kombination eines !frequenzunabhängig phasendrehenden Elements, vorzugsweise eines an sich bekannten Goniometers, und eines frequenssproportional phasendrehenden Elements, vorzugsweise einer an sich bekannten Laufzeitkette in Form einer Eimerkette, in einen oder beide Mikrofonzweige eingebaut ist.
9. Schallintensitäts-Meßgerät nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der beiden Mikrofone ca. 2 cm beträgt, der Durchmesser des Druckmikrofons ca 1 cm und der Durchmesser des Druckgradientenmikrofons ca. 2 cm beträgt.
10. Schallintensitäts-Meßgerät nach den Ansprüchen 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der beiden Mikrofone ca. 0,5 cm beträgt, der Durchmesser des Druckmikrofons ca. 1 cm und der Durchmesser des Gradientenmikrofons ca. 2 cm beträgt.