Physikalisches Grundlagenlabor
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• Step-Attenuator RSG Rohde Schwarz • El. Voltmeter Unigor 6e“Metrawatt od. Goerz ” • Mic-Preamp Audio-Buddy “Midiman ” • Oszilloskop HM 408 Hameg Physikalisches Grundlagenlabor • Aktiv-Lautsprecher 1029A Genelec Versuch E1 Bestimmung des Feldbetriebsübertragungsfaktor eines Mikrofons • Sound-Level Meter 2209 Bruel Kjaer • Kalibrierschallquelle zum 2209 Bruel Kjaer 1 Literatur: • Umschaltkasten Eigenbau • Mikrofonaufsätze“von Jörg Wuttke (Firma Schalltechnik Dr. Schoeps, ” Karlsruhe www.schoeps.com) • Mikrofonstative und diverse Kabel • Mikrofone “von Dr. G.Bore und S.Peus (Firmenschrift der Firma Georg ” Neumann, Berlin, www.neumann.com) 3 Grundlagen: Mikrofone sind Schallwandler mit der Eigenschaft, eine mechanische Größe (Schalldruck) in eine elektrische Größe (elektrische Spannung) umzusetzen Das Kernstück dieses Wandlers ist eine dünne Membrane, die durch die Bewegung • Internet: Eberhard Sengpiel: http://www.sengpielaudio.com In den geder Luftmoleküle während des Schallvorgangs in Bewegung versetzt wird. Beim nannten Internetseiten finden Sie umfangreiches Material das für das sog. dynamischen Mikrofon ist an der Membrane eine Spule angebracht die in Verständnis dieses Versuchs und der physikalischen Zusammenhänge nützein homogenes Magnetfeld taucht. Gemäß dem Induktionsgesetz lich ist. dφ (1) UL = L · dt • Einschlägige Fachliteratur über Akustik und Elektrotechnik. 2 Geräte: entsteht an den Enden der Spule eine elektrische Spannung, wenn sich die Membrane bewegt. Da diese Spannung nur sehr gering ist, muß sie über einen • RC-Generator SRB Rohde Schwarz 1 Verstärker nutzbar gemacht werden. Ein anderes Prinzip ist das Kondensatormikrofon. Hier besteht der Wandler aus einem veränderlichen Kondensator: Vor einer festen Elektrode ist in einem Abstand von einigen µm (ca. 40µm) eine metallisierte Kunststoffmembrane (Dicke ca. 1µm) angebracht, die die Gegenelektrode darstellt. Durch die Bewegung der Membrane ändert sich die Kapazität des Kondensators. Gemäß dem Gesetz • Sm: Feldbetriebsübertragungsfaktor des Mikrofons, dQ (2) dC verändert sich die Spannung U wenn sich die Kapazität C ändert. Dazu muß die Ladung konstant bleiben. Erreicht wird dies indem die sog. Polarisationsspannung über einen sehr hochohmigen Widerstand (1 · · · 5GΩ) dem Wandler zugeführt wird. Die Kapazität des Wandlers liegt je nach Größe der Wandlerkapsel - im Bereich zwischen 30...50 pF. Die durch die Schallanregung erzeugten Spannungsänderungen können jedoch wegen des extrem hochohmigen Schaltkreises (Wandler + Ladewiderstand) nicht direkt an ein angeschlossenes Kabel weitergeleitet werden, sondern gelangen zuerst auf einen Impedanzwandler. Dessen Ausgangsspannung liegt dann am Stecker des Mikrofons an und kann über Kabel weitergeleitet werden. Der Impedanzwandler sitzt direkt hinter dem Schall-Wandler im Schaft des Mikrofons. Eine Spannungsverstärkung findet dabei i.d.R. nicht statt. Die Höhe der vom Mikrofon abgegebenen Spannung bei einem bestimmten Schallpegel wird als Feldbetriebsübertragungsfaktor des Mikrofons bezeichnet und in mV/Pa (Millivolt pro Pascal) angegeben. Um den Feldbetriebsübertragungsfaktor bestimmen zu können, müssen zwei Größen bekannt sein: Der das Mikrofon anregende Schallpegel und der Verstärkungsfaktor des nachgeschalteten Verstärkers. Der Feldbetriebsübertragungsfaktor lässt sich nach Gleichung (1) berechnen: • UL : Spannung an der Spule • V: Verstärkungsfaktor des Verstärkers • Ua : Ausgangsspannung des Verstärkers, • p: Schalldruck Uc = Sm = Ua V ·p • UC : Spannung am Kondensator • L: Induktivität der Spule • φ: magnetischer Fluß • C: Kapazität 4 4.1 Versuch: Einstellen einer definierten Verstärkung Da der Einstelldrehknopf des Verstärkers keine Skalierung hat, muß eine definierte Verstärkung über einen technischen Umweg eingestellt werden. Prinzip: Eine bekannte Spannung wird zunächst um einen bekannten Faktor gedämpft und anschließend wieder verstärkt. Ist die verstärkte Spannung gleich der ungedämpften bekannten Spannung, heben sich Dämpfung und Verstärkung auf und die Verstärkung ist gleich dem Reziprokwert der Dämpfung. Dies geschieht mit Hilfe des Step-Attenuator RSG mit dem sich genau definierte Dämpfungen einstellen lassen (einstellbar in 1 dB-Schritten von 0...139 dB). Dazu stellen Sie zunächst die Schalter S1 und S2 auf Generator bzw. auf abgleichen (gezeichnete (3) 2 ist. Drehen Sie anschließend am SRB die Ausgangsspannung wieder auf Minimum zurück, da sonst im nächsten Schritt der Lautsprecher überlastet würde. Stellung im Schaltbild) und den RSG auf 0 dB ein. Danach die Ausgangsspannung am Generator SRB einstellen und die Spannung am Unigor 6e ablesen. Messfrequenz ca. 1000 Hz, Zeitfunktion: Sinus. Stellen Sie nun am RSG den gewünschten Dämpfungswert ein. Anschließ end bringen Sie den Schalter S1 in die Stellung Messen. Danach stellen Sie am Verstärker die Verstärkung so ein, dass das Unigor 6e wieder exakt den selben Wert anzeigt, den Sie beim abgleichen eingestellt und notiert haben. Die eingestellte Verstärkung entspricht nun genau dem am RSG eingestellten dB-Wert. Achten Sie darauf, dass das oszillografisch dargestellte Sinussignal nicht verzerrt ist, d.h. die Sinusform muß exakt erhalten bleiben. Ist diese verzerrt, muß die ganze Prozedur mit verringerter Generatorspannung wiederholt werden. Alle gemessenen Werte und die eingestellten Spannungen, Schallpegel, Dämpfungswerte am Step-Attenuator, sowie die gewählten Messbereiche sämtlicher Messgeräte (auch Skalenfaktor und Zeitbasis des Oszilloskops!), Spannungsbereich des Generators, sind zu protokollieren! Das Protokollformular ist vor Antritt des Versuches vorzubereiten! Generell: Stellen Sie sich solche Spannungs- und Verstärkungswerte ein, mit denen Sie bei der Messung des Mikrofons bequem rechnen können. Das gilt auch nachher für den Schallpegel mit dem Sie das Mikrofon betönen ! 4.3 Methoden zur Messung des Feldbetriebsübertragungsfaktor eines Mikrofons Mit dem Versuchsaufbau kann der Feldbetriebsübertragungsfaktor nach zwei unterschiedlichen Methoden gemessen werden: 1. Methode: Man stellt einen definierten Schallpegel ein und ändert die Verstärkung solange, bis eine definierte Spannung am Voltmeter angezeigt wird. Anschließend wird die Verstärkung gemessen. 2. Methode: Man stellt eine definierte Verstärkung ein und misst bei Betönung des Mikrofons die Ausgangsspannung des Verstärkers. Welche der beiden Methoden für Sie die bequemere ist, sollen Sie selbst herausfinden. Prinzipiell müssten beide Methoden die selbe Messgenauigkeit liefern. Trotzdem wird aber in der Praxis eine der beiden Methoden genauere Ergebnisse liefern. Erklären Sie warum dies so ist. 4.3.1 Versuchsaufbau Montieren Sie den Schallpegelmesser auf ein Stativ und schalten Sie ihn ein. 4.2 Ermittlung des einstellbaren Verstärkungsbereiches Kontrollieren Sie zuerst ob die Batterien dieses Gerätes noch genügend Reund der maximalen Aussteuerbarkeit des Mic- serve haben. Schalten Sie den Schallpegelmesser auf die Anzeigecharakteristik slow. Bestimmen Sie mit der Kalibrierschallquelle ob der Schallpegelmesser den Preamp. richtigen Wert anzeigt, der von der Kalibrierschallquelle vorgegeben ist (93,8 dBSPL). Notieren Sie eine ggf. vorhandene Meßabweichung. Stellen Sie die für die Messung geeignete Bewertungskurve am Schallpegelmesser ein. Stecken Sie das zu messende Mikrofon an das Anschlusskabel und befestigen Sie es mit der beiliegenden Halteklammer an einem weiteren Stativ. Stellen Sie das Mikrofon ca. 0,5 Meter so vor die Lautsprecherbox, dass es auf die Ermitteln Sie nach dem oben beschriebenen Verfahren die minimale (Pegelsteller Linksanschlag) und die maximale Verstärkung (Pegelsteller Rechtsanschlag) des Mic Preamp. Ebenso die maximal mögliche Eingangs- und Ausgangsspannung des selben für minimale und maximale Verstärkung. Das Maximum ist immer dann erreicht, wenn die Ausgangsspannung gerade noch nicht verzerrt 3 5 Mitte der Box zeigt und direkt neben das Mikrofon mit möglichst geringem Abstand das Messmikrofon des Schallpegelmessers. Die Mikrofone sollen so dicht wie möglich nebeneinander stehen (warum?), sich aber nicht berühren. Der Schallpegelmesser soll so stehen, dass seine Skala durch die Glasscheibe der Tür bequem ablesbar ist. Verbinden Sie nun den Generator SRB über das BNC- und das NF-Kabel mit der Lautsprecherbox (die Lautsprecherbox ist aktiv und muß daher über das Netzkabel mit dem Netz verbunden werden), verlassen und schließen Sie anschließend die Messkammer. Die Messkammer muß bei der Messung geschlossen sein. Verständnisfragen: Die Verständnisfragen sind bei der Vorbereitung zu bearbeiten und werden vor Versuchsbeginn vom Versuchsleiter ggf. abgefragt! Ebenso wird erwartet, dass vor Versuchsbeginn, das Schaltbild verstanden wurde! Machen Sie sich also rechtzeitig mit den Schaltsymbolen vertraut (siehe Bibliothek: Normenbücher über elektrische Schaltsymbole). Vorsicht: Sturzgefahr des Schallpegelmessers !!! Stellen Sie am Generator SRB eine Frequenz von ca. 1000 Hz ein und dessen Ausgangsspannung so hoch, dass der Schallpegelmesser einen definierten Pegel anzeigt. Achten Sie darauf, dass der Ton im Lautsprecher nicht verzerrt ist (gehörmäßige Probe). Schalten Sie nun am Umschaltkasten den Schalter S2 auf Mikrofon und den Schalter S1 auf messen. Das Unigor 6e zeigt nun einen Spannungswert an. Wählen Sie am Unigor einen Messbereich, bei dem der Zeigerausschlag maximal ist. (Warum diese Maßnahme?) Wie hoch ist der Schalldruck bei einem Schallpegel von 94 dBSPL? Was bedeuten die verschiedenen Bewertungskurven des Schallpegelmessers? Welche Bewertungskurve müssen Sie für die obige Messung einstellen und warum Weshalb muß das Messmikrofon genau neben dem zu messenden Mikrofon stehen? Was macht der Step-Attenuator (auch gelegentlich Eichleitung genannt)? Erklären Sie den Unterschied zwischen: eichen, kalibrieren und justieren. Was davon machen Sie bei diesem Versuch? Erklären sie anhand des Blockschaltbildes das Messverfahren für die Verstärkung des Mic-Preamp. Warum mesErrechnen Sie anschließend aus Ihren Messwerten die vom Mikrofon abge- sen wir die Ausgangsspannung des Mikrofons nicht direkt, sondern über einen geben Spannung und den Feldbetriebsübertragungsfaktor. Vergleichen Sie Ihre Verstärker? Welcher Unterschied besteht zwischen dB und einer physikalischen Messwerte mit den Prospektdaten des Mikrofons und errechnen Sie ob und Einheit Weshalb kann man das dB bzw. dBSPL nicht als Einheit im physikaliwieweit Ihre gemessenen Werte davon abweichen. Die Abweichung ist in dB schen Sinn bezeichnen? Schreiben Sie die Umrechnungsformeln für dB in Lineanzugeben. Die Schaltung des Messaufbaus ist aus dem Blockschaltbild ersicht- arfaktoren hin und die Umkehrung dazu. Diese Formeln müssen Sie auswendig lich. Mit dem Schalter S1 kann das Voltmeter und das Oszilloskop wahlweise wissen und verstanden haben!! Sehen Sie sich VOR Versuchsdurchführung alle auf den Verstärkerausgang oder den Ausgang des Step-Attenuators gelegt wer- Geräte genau an und fragen Sie wenn Sie daran etwas nicht verstehen! (z.B. deden. Der Verstärkereingang ist mit dem Schalter S2 wahlweise schaltbar an das ren Bedienung). Jegliche nachträgliche Reklamationen wegen Unkenntnis der Mikrofon oder an den Ausgang des Step-Attenuators Geräte werden nicht anerkannt und führen zur Testatverweigerung ! 4 G1 AT1 G2 OS1 S1 MI S2 VM1 SB1 LS1 SLM1 Messkammer V1 Versuchsaufbau 5
