Verständnis und Messung der Empfindlichkeit in Audio-Komponenten

16. Januar 2018 verfasst von Bruce Rose

Verständnis und Messung der Empfindlichkeit in Audio-Komponenten

Eine allgemeine Spezifikation für Mikrofone, Lautsprecher und Summer ist die Empfindlichkeit. Dieser Parameter bezieht elektrische Signale auf den Schalldruck. Das Verständnis der Definition und Bedeutung dieses Parameters ist wichtig, da es dem Ingenieur hilft, die richtige Audiokomponente intelligent auszuwählen, um sie an sein Design anzupassen. Man muss auch verstehen, wie die Empfindlichkeitsspezifikationen zu vergleichen sind, wenn sie unter unterschiedlichen Messbedingungen charakterisiert wurden.

Was ist die Mikrofonempfindlichkeit?

Der Parameter der Mikrofonempfindlichkeit quantifiziert die Effizienz eines Mikrofons bei der Umwandlung von Schall in ein elektrisches Signal. Ein empfindlicheres Mikrofon erzeugt eine größere Ausgangsspannung, wenn es mit einem bestimmten Eingangsschalldruck betrieben wird. Ein elektronischer Verstärker könnte verwendet werden, um das Ausgangssignal von einem weniger effizienten Mikrofon zu verstärken. Doch der Verstärker verstärkt auch unerwünschtes Rauschen, das mit dem gewünschten Signal verbunden ist. Die Ausgangsspannung des zu prüfenden Mikrofons wird mit einer Bezugsspannung verglichen und das resultierende Verhältnis wird in dB ausgedrückt. Die Gleichung, die die Mikrofonempfindlichkeit beschreibt, wird ausgedrückt als:

S = 20 log10(V/Vref)

Ein Standardbezug, der als Vergleich verwendet wird, ist 1 Volt Ausgangssignal des Mikrofons mit 1 Pascal Schalldruck, der an das Mikrofon angelegt wird. Als eine kurze Zusammenfassung der in dB charakterisierten Messungen wird ein Mikrofon, das mit einem Schalldruck von 1 Pascal ein Ausgangssignal von 1 Volt erzeugt, eine Empfindlichkeit von 0 dB (gleich dem Bezug) aufweisen. Ein Mikrofon, das bei gleichem Schalldruck doppelt so viel Ausgangsspannung erzeugt, hat einen Empfindlichkeitswert, der um 6 dB größer ist, während ein Mikrofon, das 1/10 der Ausgangsspannung erzeugt, einen um 20 dB kleineren Empfindlichkeitswert aufweist. Fast alle Mikrofone verfügen über Empfindlichkeitsspezifikationen von weniger als 0 dB (eine negative Zahl), da die Bezugsspannung 1 Volt beträgt und die Spannung, die von dem zu prüfenden Mikrofon erzeugt wird, typischerweise weniger als 1 Volt beträgt.

Die Empfindlichkeit eines Mikrofons, das mit einem anderen Druck als 1 Pascal gekennzeichnet ist, kann mit folgender Formel auf das Äquivalent von 1 Pascal eingestellt werden:

Sadj = 20 log10(1/Pchar)

Wobei:
Sadj die Anpassung an die charakterisierte Empfindlichkeit ist, Pchar ist das Druckniveau, bei dem die Charakterisierung durchgeführt wurde. Beispiele:
-70 dB bei 0,1 Pa beträgt -50 dB bei 1 Pa (-70 + 20 log10(1/0,1) = -50 dB) -60 dB bei 0,5 Pa beträgt -54 dB bei 1 Pa (-60 + 20 log10(1/0,5) = -54 dB)

Zeichnung eines typischen Mikrofonempfindlichkeitstestaufbaus
Typischer Mikrofonempfindlichkeitstestaufbau

Was ist die Lautsprecherempfindlichkeit?

Die Lautsprecherempfindlichkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Lautsprechers, die an den Lautsprecher angelegte elektrische Leistung in Schalldruck oder -lautstärke umzuwandeln, welche der Zuhörer hört. Genau wie bei einem Mikrofon kann die Empfindlichkeit eines Lautsprechers auch im Hinblick auf die Effizienz berücksichtigt werden. Ein effizienterer Lautsprecher erzeugt einen lauteren Klang für ein gegebenes elektrisches Eingangssignal. Ein weniger effizienter Lautsprecher kann mit einer höheren Eingangsleistung betrieben werden, aber der zugehörige Verstärker ist ein zusätzlicher Kostenfaktor für das Design und der Lautsprecher muss in der Lage sein, die höhere Eingangsleistung zu bewältigen. Die Standardkonfiguration für die Charakterisierung eines Lautsprechers besteht darin, den Lautsprecher in einem schalltoten Raum zu testen, ein Mikrofon 1 Meter vor den Lautsprecher zu stellen und dann den Lautsprecher mit einem 2,83-Volt-Signal (1 Watt an 8 Ohm) anzusteuern.

Die Gleichung, die die Lautsprecherempfindlichkeit beschreibt, wird ausgedrückt als:

S = 20 log10(P/Pref)

Die Mengen P und Pref sind der Schalldruck, der von dem zu prüfenden Lautsprecher erzeugt wird, und ein Bezugsschalldruckpegel. Der minimale Schalldruckpegel des menschlichen Gehörs (20 μPa) wird typischerweise als Bezugsdruck verwendet. Die Charakterisierung der Lautsprecherempfindlichkeit kann auch bei anderen Bedingungen als den Standardwerten 1 Watt, 1 Meter und 20 μPa durchgeführt werden, und die Empfindlichkeit kann dann wieder den Standardbedingungen zugeordnet werden.

Zeichnung eines typischen Mikrofonempfindlichkeitstestaufbaus
Typischer Lautsprecher-Empfindlichkeitstestaufbau

Ansteuerpegel

Der Ausgleich eines nicht standardmäßigen Ansteuerpegels wird durch die folgenden Gleichungen beschrieben:

Sadj = 20 log10(Vstd/V) Sadj = 10 log10(Pwrstd/Pwr)

Die erste Gleichung sollte verwendet werden, wenn das Ansteuersignal in Volt angegeben wird, während die zweite Gleichung gilt, wenn das Ansteuersignal in Watt angegeben wird (die Leistung ist proportional zu Volt im Quadrat).

Beispiele:
70 dB bei 1 V Ansteuersignal beträgt 79 dB bei 2,83 V (70 + 20 log10(2,83/1) = 79 dB) 80 dB bei 0,1 W Ansteuersignal beträgt 90 dB bei 1 W (80 + 10 log10(1/0,1) = 90 dB)

Messabstand

Der Ausgleich eines nicht standardmäßigen Messabstands wird durch die folgende Gleichung beschrieben:

Sadj = 20 log10(D/Dstd)

Beispiele:
65 dB bei 0,1 Meter Messabstand beträgt 45 dB bei 1 Meter (65 + 20 log10(0,1/1) = 45 dB) 95 dB bei 30 cm Messabstand beträgt 85 dB bei 1 Meter (95 + 20 log10(0,3/1) = 85 dB)

Bezugsdruck

Der Ausgleich eines nicht standardmäßigen Bezugsdrucks wird durch die folgende Gleichung beschrieben:

Sadj = 20 log10(P/Pstd)

Beispiel:
10 dB mit einem 1 Pa beträgt 104 dB mit einem Bezugsschalldruck von 20 µPa (10 + 20 log10(1/20*10-6) = 104 dB)

Umrechnungs-Tools gibt es im Internet, mit denen die Anpassungen an nicht standardisierte Testbedingungen berechnet werden können. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist unser Lautsprecher-SPL-Rechner.

Was ist die Summerempfindlichkeit?

Ähnlich wie bei Lautsprechern wird die Summerempfindlichkeit durch den Ausgangsschalldruck charakterisiert, der von einer Eingangsspannung erzeugt wird. Die geregelten Messbedingungen für Summer sind auch die Eingangs-Ansteuerspannung, der Messabstand und der Bezugsschalldruck. Die Eingangs-Ansteuerspannung für einen Summer ist typischerweise die Versorgungsspannung. In ähnlicher Weise können die Gleichungen, die bei Lautsprechern zur Korrektur nicht standardgemäßer Testbedingungen verwendet werden, auch bei Summern eingesetzt werden.

Zeichnung eines typischen Mikrofonempfindlichkeitstestaufbaus
Typischer Summer-Empfindlichkeitstestaufbau

Fazit

Die Empfindlichkeit von Mikrofon, Lautsprecher und Summer ist wichtig, wenn Sie sie für Projekte spezifizieren oder auswählen, da die Empfindlichkeitsspezifikationen das Verhältnis zwischen Schalldruck und Spannung für diese Komponenten beschreiben. Beim Vergleich von Audiokomponenten verschiedener Anbieter ist auch darauf zu achten, dass die Messbedingungen standardisiert wurden. Wenn sich die Messbedingungen unterscheiden, ermöglichen einfache Gleichungen die Umwandlung von nicht standardmäßigen Messbedingungen, um einen korrekten Vergleich zu gewährleisten.

Hilfreiche Ressourcen

Vergleichen Sie schnell SPLs mit verschiedenen angegebenen Bedingungen mit unseren SPL-Rechnern
Sehen Sie sich unsere vollständige Reihe der Audiokomponenten an


TODO: Tags und Kategorien
Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
Powered By OneLink