Elektronikprojekte

Messmikrofon

- Integrierter Vorverstärker oder 12...48V Phantomspeisung - in der Regel relativ einfach linearisierbar - Aufbau auf Streifenraster Platinen

In vielen Bereichen der Audiotechnik, insbesondere im Lautsprecherselbstbau, wird ein Messmikrofon mit idealerweise linearem Frequenzgang benötigt. Möchte man nicht mehrere Hundert Euro investieren, kann man sich ein relativ gutes Mikrofon zu moderaten Kosten selber bauen. Als Sensor wird eine Elektret Mikrofonkapsel verwendet. Die schlechte Nachricht zuerst: Mir ist keine erschwingliche Mikrofonkapsel mit linearem Frequenzgang über den interessierenden Bereich von 20Hz - 20KHz bekannt ( Die legendäre Panasonic WM 61A Kapsel wird leider nicht mehr hergestellt und für die meisten der lieferbaren Kapseln ist der in den Datenblättern angegebene Frequenzgang eher Wunschvorstellung als Realität). Zusätzlich weisen die lieferbaren Kapseln für den selben Typ eine relativ hohe Streuung auf. Die gute Nachricht: Man kann den Frequenzgang seines Mikrofons vermessen lassen (z.B. www.hifi-selbstbau.de: ca. 25€) und anschließend in der Regel recht einfach korrigieren.

Elektret Mikrofonkapsel

Für die Mikrofone wurden 3 Kapseltypen näher untersucht, hier die wichtigsten Technischen Daten: Die Grafik zeigt die relative Empfindlichkeit über die Frequenz für direkten Schall (0°), die gegen ein Beyerdynamic MM1 Messmikrofon gemessen wurden. Als Schallquelle wurde eine 2-Wege Box mit ca. 85dB Schalldruck verwendet. Der Messabstand betrug jeweils 1m. Auffällig sind die starken Überhöhungen bei Frequenzen von 6 KHz (AOM- 5024L-HD-R), 8KHz (EMY-63M/P Nr.3- 5), 10KHz (EMY-63M/P Nr.1+2) und 14KHz (POM-2730L-HD-R). Für die EMY-63M/P Nr.2, AOM-5024L- HD-R und POM-2730L-HD-R Nr.2 Kapseln wurden zusätzlich die Frequenzgänge unter 90° (Diffusfeld) gemessen. Die Empfindlichkeit unter 90° ist bei hohen Frequenzen deutlich geringer als für direkten Schall. Die Umrechnung der Empfindlichkeit von dB in V/Pa erfolgt über die Gleichung: V/Pa = 10^(dB/20), z.B. -38dB: V/Pa = 10^(-38/20) = 0,0126V/Pa Für die Berechnung der Spannung U, die die Kapsel bei einem gewissen Schalldruckpegel (SPL: Sound Pressure Level in dB) erzeugt, kann folgende Gleichung verwendet werden: U = 10^((SPL+E)/20) x 0,00002 , für z.B. SPL = 90dB und E = -38dB ergibt sich die Spannung U zu: U = 10^((90-38)/20) x 0,00002 = 10^(52/20) x 0,00002 = 0,00796V Da der SPL der Effektivwert des Schalldrucks ist, ist auch die Spannung U der Effektivwert. Bei Sinussignalen ist demnach die Spannung von Spitze zu Spitze Upp um den Faktor 2,83 höher, in dem Beispiel Upp = 0,0225V. Die absolute Empfindlichkeit ist auch abhängig von der Speisespannung und von dem Lastwiderstand RL. Bei Verwendung eines 10 kOhm Lastwiderstands wird die höhere Empfindlichkeit allerdings durch einen überproportionalen Anstieg des Rauschens erkauft, daher habe ich jeweils den empfohlenen Widerstandswert von 2,2 kOhm verwendet. Im folgenden werden einige Schaltungen vorgestellt sowie die Möglichkeit der Frequenzgangkorrektur.

Mikrofon mit integriertem Vorverstärker

Dieses Mikrofon kann an 5V Versorgungsspannung betrieben werden (z.B. USB Ladegerät) und hat einen integrierten Vorverstärker, sodass das Ausgangssignal direkt verwendet werden kann ( => z.B. Soundkarte oder Leistungsverstärker) Die Elektret Mikrofonkapsel wird über R6 mit Spannung versorgt. Das Tonsignal gelangt über den Koppelkondensator C7 an den nichtinvertierenden Eingang von IC1a (Pin5), das als Puffer mit der Verstärkung 1 beschaltet ist. Der Arbeitspunkt wird über den Spannungsteiler R4/R5 eingestellt. Der Spannungsteiler und die Mikrofonversorgungsspannung sind von der übrigen Versorgungsspannung über R3/C6 entkoppelt. Der Ausgang von IC1a (Pin7) geht auf ein Korrekturglied zur Linearisierung des Frequenzgangs. Die Funktion und Auslegung des Korrekturgliedes wird weiter unten auf der Seite beschrieben. Wird auf die Korrektur verzichtet, kann der Ausgang direkt mit dem Eingang (Pin3) von IC1b verbunden werden. Die Verstärkung von IC1b kann über den Trimmer R1 zwischen 1 und ca. 46 ( 0db bis 33dB) eingestellt werden. Soll das Mikrofon mit einer höheren Spannung betrieben werden, z.B. mit einer 9V Batterie, muss für den MCP602 ein NE5532 eingesetzt werden.

Mikrofon für 24-48V Phantomspeisung

Mikrofone mit Phantomspeisung sind universeller einsetzbar und sind ein weit verbreiteter Standard, z.B. in der Bühnentechnik. Allerdings wird für diese Mikrofone ein separater Vorverstärker benötigt. Eine Bauanleitung für einen passenden Vorverstärker findet sich hier: Mikrofon_Vorverstaerker. Bei der Phantomspeisung wird das Mikrofon über 2 Leitungen, die jeweils über einen Koppelwiderstand mit der Phantomspannung verbunden sind, vom Vorverstärker mit Spannung versorgt. Über die gleichen Leitungen wird das Tonsignal symmetrisch zum Vorverstärker übertragen. Eine 3te Leitung bildet die Masseverbindung. Durch die symmetrische Signalübertragung wird eine hohe Gleichtaktunterdrückung erzielt, d.h. Störsignale wie z.B. Netzbrummen werden weitestgehend aus dem Nutzsignal entfernt. Unten findet sich eine einfache Schaltung mit modifizierter Mikrofonkapsel für symmetrische Signale. Für die Modifikation müssen die Verbindungen zwischen dem Gehäuse und dem Minusanschluss aufgetrennt und das Gehäuse mit der Schaltungsmasse verbunden werden. Durch Schalldruckänderungen ändert sich der Drain - Source Widerstand des in der Kapsel verbauten FET (Feldeffekttransistor) und erzeugt an R6/R7 eine symmetrische Spannung, d.h. erhöht sich der Drain - Source Widerstand steigt die Spannung an R6 und sinkt um den gleichen Betrag an R7. Diese Spannungsänderungen werden über C1 und C2 an die Basis von T1 und T2 geführt. T1/T2 sind als Emitterfolger beschaltet und wandeln die relativ hochohmigen Eingangssignale in niederohmige Signale, die über die Pins 2 und 3 des XLR Steckers zum Vorverstärker geführt werden. Über R1/R3 bzw. R2/R4 wird der Arbeitspunkt von T1/T2 eingestellt. Die Kollektoren liegen gemeinsam an der Zenerdiode ZD1 und liefern über R5/C5 die Versorgungsspannung von ca. 10V für die Mikrofonkapsel. C3 und C4 dienen der Blockung von HF- Einstreuungen. Die Stromaufnahme liegt bei ca. 8mA für 24V/48V Speisung mit 1,2k/6,8k Entkoppelwiderständen. Die Modifikation ist nicht bei allen Kapseln möglich (z.B. nicht bei der AOM-5024L-HD-R). Für diesen Fall kann R7 durch eine Drahtbrücke ersetzt werden, wodurch das Signal nicht mehr symmetrisch übertragen wird, die Funktion aber nicht beeinträchtigt wird. Eine Linearisierung innerhalb der Schaltung ist nicht möglich, kann aber ggf. am Ausgang des Vorverstärkers erfolgen. Eine elegantere Lösung zeigt die folgende Schaltung: Hier wird die modifizierte Kapsel durch einen JFET (T3) ersetzt, der von dem Signal der Mikrofonkapsel über C6 am Gate angesteuert wird. Über R9 wird das Gate auf Masse gezogen und damit der Arbeitspunkt eingestellt. Der Ruhestrom durch R6, T3, R7 beträgt ca. 1mA und die Verstärkung ca. 1,6 bis 1,7. Da T3 die symmetrischen Signale invertiert, sollten R6 an C2 und R7 an C1 geführt werden ( bei Verwendung der AOM-5024L-HD-R oder POM-2730L-HD-R Kapsel ist das nicht erforderlich, da das Ausgangssignal der Kapsel schon invertiert ist). Soll die Linearisierung innerhalb des Mikrofons erfolgen, muss das Ausgangssignal der Mikrofonkapsel niederohmig vorliegen. Hierfür wird ein zusätzlicher Transistor T4 als Impedanzwandler verwendet. Über C6 gelangt das Signal an den Eingang des Korrekturglieds zur Linearisierung des Frequenzgangs.

Linearisierung

Die Linearisierung ist in der Regel durch einen LCR Filter möglich. Die gezeigten Durchlasskurven wurden für die AOM- 5024L-HD-R, EMY-63M/P Nr.2 und POM-2730L-HD-R Nr.2+3 Kapseln verwendet. Die Frequenz F min, bei der die Kurve ihr Minimum hat berechnet sich (für eine ideale Spule) zu: F min = 1 / ( 2π x (L x C)^0,5) Die Breite der Absenkung hängt im Wesentlichen von dem Verhältnis von L zu Ra ab, je größer das Verhältnis desto breiter die Absenkung. Die Tiefe des Minimums ergibt sich aus dem Verhältnis von Rb zu Ra, je größer das Verhältnis desto tiefer ist das Minimum. Die Reduzierung der Amplitude im waagerechten Bereich bei niedrigen Frequenzen hängt von dem ohmschen Widerstand der Spule RL+Rc im Verhältnis zu Ra ab, je größer RL+Rc bzw. je kleiner Ra, desto größer die Reduzierung. Für die AOM-5024L-HD-R Kapsel wurde ein relativ großer Wert für Rc gewählt, um die Frequenzen oberhalb 12kHz anzuheben. Die Tabelle zeigt die verwendeten Werte der Bauteile. Werden die Spulen in einem engen Metallrohr betrieben, reduziert sich ihre Induktivität. Ich habe als Gehäuse Aluminiumrohr 20x1 verwendet. Für dieses Rohr und die Anordnung der Spule quer zur Rohrachse beträgt der Induktivitätsverlust ca. 8%. Daher die „krummen“ Werte für L. Die nominalen Werte sind 33, 47 bzw. 22 mH. Die Grafik zeigt die erste Auswertung der Frequenzgänge nach Linearisierung, für die die originale Kalibrierkurve des MM1 Mikrofons verwendet wurde. Die Kurven für die AOM-5024L-HD-R, EMY-63M/P Nr.2 und POM-2730L-HD-R Nr. 2+3 Kapseln sind direkt gemessen, die übrigen wurden mit einer EXCEL Simulationsdatei aus den nicht korrigierten Frequenzgängen berechnet. Die EXCEL Datei Korrektur.xlsx befindet sich im Downloadordner am Ende der Seite. Ab ca. 2kHz zeigen alle Kurven einen sehr ähnlichen Abweichungsverlauf. Da das bei 3 verschiedenen Kapseltypen in 4 unterschiedlichen Gehäuseformen eher unwahrscheinlich ist, liegt die Vermutung nahe, das die Ursache der Abweichungen im MM1 bzw. dessen Kalibrierkurve liegt. Das MM1 hat mit einem Winkel von 45° einen ziemlich abrupten Übergang von dem vorderen, dünneren Schaft auf das hintere Gehäuse. Eine einfache Simulation mit einer Reflektion für diesen Übergang von 5% zeigt die unterste Kurve der Grafik (Abw. theor.). Mit einer Modifikation, die den Winkel am Übergang auf 26° reduziert, wurde eine Vergleichsmessung durchgeführt ( Abw. gemessen), die zumindest einen Teil der Abweichungen erklären kann. Die verbleibende Abweichung zeigt die 3.Kurve. Addiert man nun das Ergebnis der Modifikation und die verbleibende Abweichung zu der Original Kalibrierkurve erhält man eine neue Kalibrierkurve (MM1 kalibr. 0° (neu)), mit der die Vergleichsmessungen des MM1 korrigiert wurden. Das Ergebnis zeigt die folgende Grafik. Für die Linearisierung würde ich folgende Vorgehensweise empfehlen: 1.) Aufbau des Mikrofons ohne Korrekturglied, lediglich für Ra einen Widerstand zwischen 1k und 2k2 einsetzen und für Rb eine Drahtbrücke. 2.) Den Frequenzgang des Mikrofons ermitteln, entweder durch Vergleichsmessung zu einem Mikrofon mit bekanntem Frequenzgang oder bei einem Mikrofon Meßservice (z.B. www.hifi-selbstbau.de: ca. 25€). 3.) Mittels der EXCEL Datei Korrektur.xlsx oder einem anderen Programm die erforderlichen Bauteile für das Korrekturglied bestimmen und in das Mikrofon einbauen. 4.) Anschließend den Frequenzgang des Korrekturglieds ermitteln und mit der Sollkurve vergleichen, da die Spulen und Kondensatoren Toleranzen von 5% bis 10% haben, bei größeren Abweichungen ggf. die Werte der Bauteile anpassen und die Messung wiederholen. Für die Frequenzgangmessung kann die Mikrofonkapsel durch einen 10k - 22k Widerstand ersetzt und ein Frequenzgenerator über einen Kondensator von ca. 1µF angeschlossen werden. Die Amplitude des Eingangssignals sollte <500mVpp betragen. Wenn kein Frequenzgenerator zur Verfügung steht, kann die Audiodatei 128Steps_M_96KHz.wav verwendet werden, die sich ebenfalls im Downloadordner befindet. Die Datei gibt 129 Frequenzen von 20Hz bis 20kHz logarithmisch in einem Abstand von 0,5s als "Tonburst" aus.

Phantomspeisung mit 12V bis 48V

Einige handelsübliche Mikrofonvorverstärker verfügen über eine Phantomspeisung von lediglich 12V. Für den Betrieb an diesen Verstärkern können die Mikrofone durch Veränderung der Werte für R1-R4, C1/C2 und ZD1, und einem zusätzlichen Widerstand (R11) einfach angepasst werden. Zusätzlich sollte für T3 ein J113 eingesetzt werden, da er eine geringere Source- Gate Spannung als der BF256B aufweist (Achtung: andere Pinbelegung). JFETs haben eine relativ hohe Streuung der Kennlinienwerte. Für eine lineare Verstärkung muss die Ruhespannung über R7 in gewissen Grenzen liegen. Bei 1,5V Spannung über R7 beträgt der maximale Eingangspegel ca. 2,5Vpp, bei 1,2V bzw. 1,8V Ruhespannung über R7 beträgt der maximale Eingangspegel noch ca. 1,8Vpp. Bei mir lagen die Werte für den J113 (5 Stück) für die Spannung über R7 zwischen 1,1V und 1,4V. Mit dem Wert für R11 von 560Ω liegt die Stromaufnahme bei 12V / 680 Ω Phantomspannung bei ca. 3,3mA und für 48V / 6,8kΩ bei ca. 10mA.

Aufbau der Elektronik

Der Aufbau der Elektronik erfolgt auf einer Streifenrasterplatine (siehe auch Sonstiges => Streifenrasterplatinen), die in ein Rohr mit 18mm Innendurchmesser passt. Wird die Platine in ein Metallrohr eingebaut, ist darauf zu achten, das keine Kurzschlüsse zur Rohrwand entstehen. Ich habe die Platinen auf der Leiterseite mit einer Feile so weit abgeschrägt, das ein Kontakt in jedem Fall vermieden wird. Um die Platinen so klein wie möglich zu halten, wird eine Platinenbohrung teilweise für 2 Bauteile genutzt. Zusätzlich sind einige Leiterbahnunterbrechungen zwischen 2 Bohrungen erforderlich, was sorgfältiges arbeiten erfordert. Die XLR Stecker wurden direkt mittels 1mm versilbertem Kupferdraht mit der Platine verlötet. Zeichnungen mit dem Platinenlayout und erforderlichen Leiterbahnunterbrechungen sowie Stücklisten finden sich im Downloadordner. Das Bild zeigt die Platinen für die Mikrofone 1 bis 4 (von oben).

Mikrofongehäuse

Die Gehäuse für die Mikrofone 1 und 4 sind komplett aus Aluminium gefertigt, aber auch ohne Drehbank sind andere Gehäuse mit weniger Equipment möglich. Das Gehäuse für Mikrofon 3 besteht im wesentlichen aus einem Rohr (Aluminium, Messing, 8x1 oder 12x1, je nach Kapseltyp) für die Aufnahme der Mikrofonkapsel, einem Übergangsstück aus Hartholz, einem Stück 20mm Installationsrohr mit einem Innendurchmesser von 18,3mm als Gehäuse für die Platine und dem XLR Stecker. Die Kapsel steckt vorne bündig in dem dünneren Rohr, in das innen einen Ring aus 2-Komponenten Kleber als Tiefenanschlag eingebracht wurde, der nach dem Aushärten mit einem entsprechenden Bohrer auf die genaue Tiefe der Kapsel aufgebohrt wird. Für das Übergangsstück von dem dünneren Rohr auf das Installationsrohr wurde ein Stück Hartholz von 25mm Durchmesser und 32mm Länge verwendet, in das zentrisch eine Bohrung für das dünnere Rohr gebohrt und anschließend mit dem dünneren Rohr verklebt wurde (2-Komponenten Kleber). Im Klebebereich sollte das Rohr angerauht werden, um eine gute Verbindung zu erzielen. Nach dem Aushärten kann das Rohr in die zur "Drechselbank" umfunktionierten Handbohrmaschine eingespannt und die Form des Übergangsstücks gedrechselt werden. Als Drechselstahl eignet sich ein scharfes Stecheisen. Wichtig ist eine feste Auflage für das Drechselwerkzeug. Als erstes das Werkstück auf 20mm Durchmesser drechseln, dann den Absatz für die Aufnahme des Installationsrohres und zum Schluss die Abschrägung. Zum Schluss kann das Stück Rohr, das zum Einspannen gedient hat, abgesägt werden. Für die Befestigung der Platine an dem Übergangsstück wird dieses auf einer Seite abgeflacht. Wenn der XLR Stecker direkt an die Platine angelötet werden soll, die Metallhülse des XLR Steckers hinter der Befestigungsschraube absägen und ggf. die Führungsnuten für den Steckereinsatz nacharbeiten, sodass die Hülse von hinten auf den Steckereinsatz geschoben werden kann. Vom Durchmesser sollte die Hülse in das Installationsrohr passen, ggf. mit Feile/Schleifpapier nacharbeiten. Mit der Befestigungsschraube des XLR Steckers können das Installationsrohr, die Steckerhülse und der Steckereinsatz miteinander verschraubt werden. Wem das alles zu kompliziert ist, kann auch ein handelsübliches schmales Kunststoffgehäuse für die Aufnahme der Platine verwenden und das Rohr für die Aufnahme der Mikrofonkapsel einkleben. In diesem Fall sollte das Rohr so lang wie möglich gewählt werden (min. 30cm) um Messfehler durch Reflektionen am Übergang Rohr/Gehäuse zu minimieren.

Download

Der unten aufgeführte Ordner beinhaltet alle relevanten Dateien, die für den Nachbau benötigt werden (siehe auch Sonstiges => Zeichnungen). Messmikrofon.zip 06.03.2021 Seite erstellt 11.04.2021 Mikrofon 5 modifiziert, POM-2730L-HD-R Kapsel hinzugefügt. 25.04.2021 Mikrofon 5 modifiziert.

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