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Um absolute Pegelmessungen durchzuführen, müssen Mess-Systeme kalibriert werden. Aber wie lange "hält" eine solche Kalibrierung? Wie stark wird sie durch atmosphärische Einflüsse (Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck) beeinflusst? Wie oft sollte nachkalibriert werden? Ein Feldversuch soll für Klarheit sorgen. Wer es gerne kurz und bündig hat, kann auch direkt zum Fazit springen und sich die Zusammenfassung der Ergebnisse ansehen.
Als Kalibrierung im hier vorliegenden Sinne bezeichnet man die Justage eine Mess-Systems durch den Anwender. Bei einer Pegelmessung soll damit sichergestellt werden, dass das Mess-System auch die tatsächlichen physikalischen Schalldruckpegel (in dB SPL) anzeigt und nicht irgendwelche Fantasiezahlen. Einerseits geht es zunächst einmal darum dem Mess-Systeme ursächlich beizubringen, welche Auslenkung der Mikrofonmembrane (bzw. welcher proportional dazu verlaufenden Ausgangsspannung) welchem Schalldruck entspricht. Dann geht es aber auch um eine regelmässige Kontrolle und Nachjustage, welche vorwiegend aufgrund veränderter atmosphärischer Bedingungen (Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck) nötig wird.
Die Abstimmung wird im Feld mit einem Mikrofonkalibrator durchgeführt, einem etwa handgrossen, batteriegespiesenen Gerät mit einem eingebauten Piezolautsprecher, welcher einen 1-kHz-Referenzton mit einem definierten Pegel von 94 und/oder 114 dB SPL (entsprechend einem Schalldruck von 1 bzw. 10 Pascal) in eine Druckkammer abgibt. Mittels verschiedener Adapter-Stücke, kann die Öffnung in diese Druckkammer verändert werden, so dass sie das Mikrofon aufnehmen kann.
Mithilfe der Referenzquelle wird dem Mess-System dann "beigebracht", dass der gerade anliegende Druck einem Pegel von eben diesen 94 bzw. 114 dB SPL entspricht. Da sich Schalldruck, Auslenkung der Membrane und Ausgangsspannung des Mikrofons proportional verhalten, kann das Mess-System nun auch beliebige andere Pegel und - im Rahmen seiner Frequenzlinearität - auch beliebige andere Frequenzen korrekt anzeigen.
Praktisch alle Vorschriften im Zusammenhang mit Messungen fordern, dass ein Mess-System vor jeder Messung neu zu kalibrieren ist. Weiter muss auch nach jeder Messung die Kalibrierung wiederholt werden, um festzuhalten, ob es während der Messdauer eine Verschiebung des Kalibrier-Punktes und somit eine fehlerhafte Anzeige gegeben hat. Technische Defekte, Anwenderfehler und unbeabsichtigte Verstellungen von Pegelstellgliedern innerhalb des Mess-Systems (z.B. Veränderung der Mikrofonvorverstärkung) einmal ausgeschlossen, können Abweichungen eigentlich nur noch von der Änderung atmosphärischer Einflüsse herrühren. (Ein Leser hat mich darauf aufmerksam gemacht, dass interessanterweise in der Schweizer Schall- und Laserverordnung (SLV) keine Kalibrierung vorgeschrieben ist. Das ist zwar richtig, allerdings entbindet dies nicht von einer korrekten Messung: Zeigt ein Gerät falsche Messwerte an, dann haftet der Veranstalter trotzdem. Dies impliziert entweder die Einhaltung genügend grosser Sicherheitsabstände oder eben eine Überprüfung der korrekten Werte mittels Kalibrator, auch wenn dies nicht explizit so vermerkt ist.)
Die Fragestellung, wie gross die atmosphärischen Einflüsse ausfallen können, ist auch insofern interessant, als dass man mit einigen einfachen Tricks (welche ich auch in meinem Messtechnik-Seminar lehre) auch ohne Kalibrator dafür sorgen kann, dass ein Mess-System mindestens von seiner elektrischen Kette und der Empfindlichkeit des verwendeten Mikrofons her auf korrekte Werte hin überprüft werden kann; allerdings ohne dass atmosphärische Einflüsse berücksichtigt werden. Für einige Anwender ist dies eine willkommene Lösung, da selbst ein nicht-klassierter Kalibrator in der Regel mit mindestens 200 Euro zu Buche schlägt, was sich manch einer sparen möchte. Nicht-klassierte Kalibratoren empfehle ich übrigens generell nicht, da ein Klasse 2 Gerät bereits ab ca. 300 erhältlich ist. Für Klasse 1 bewegt man sich schon recht stramm auf 1'000 Euro zu und nach oben gibt es ohnehin kaum eine Preisgrenze.
Einen Hinweis darauf wie gross die atmosphärischen Einflüsse ausfallen können, liefert zunächst die IEC-Norm 61672 ("Elektroakustik - Schallpegelmesser - Teil 1: Anforderungen"). Die maximal zulässigen atmosphärischen Abweichungen (95% Überdeckungsintervall) sind in der folgenden Grafik dargestellt:
Die genannten Toleranzen sind doch recht beträchtlich, zumal wenn sich die Effekte der verschiedenen Einflussparameter kumulieren würden. Kurz zur Erinnerung: eine Differenz von 3 dB entspricht einer Halbierung/Verdoppelung der akustischen Energie und damit auch einer ebensolchen Belastungsänderung des Gehörs!
Um herauszufinden, wie gross die Abweichungen in der Praxis tatsächlich sein könnten(!), habe ich einen Feldversuch durchgeführt, dessen Ergebnisse ich im Folgenden präsentiere. Ich möchte ausdrücklich betonen, dass es sich um keine wissenschaftliche Untersuchung handelt. Eine solche ist mir alleine deshalb schon nicht möglich, weil ich nicht in der Lage bin, jeweils nur einen einzigen Parameter in der Versuchsanordnung zu verändern. In der Praxis ändern sich oftmals mehrere Einflüsse gleichzeitig. Es ist dann zwar dann feststellbar, wie gross eine allfällige Pegeländerung ausfällt, nicht jedoch ohne weiteres auf welcher Ursache diese Abweichung letztlich beruht.
Das erklärte Ziel dieses Feldversuches ist es anhand von Einzelbeispielen mindesten eine grobe Abschätzung vorzunehmen, welche Effekte sich in der Praxis in welche Richtung und in welcher Grössenordnung ergeben können.
Als Testobjekte habe ich drei unterschiedliche Mikrofone aus meinem Fundus ausgewählt. Bei allen handelt es sich um dedizierte Messmikrofone mit omnidirektionaler Richt-Charakteristik (reiner Druckempfänger).
Die Mikrofone sind von verschiedenen Herstellern und in unterschiedlichen Preisklassen eingeordnet, die ich an dieser Stelle mal bewusst noch nicht nenne. Vorerst habe ich die Mikrofone mit den Buchstaben A, B und C gekennzeichnet.
Bewusst habe ich kein Billig-Mikrofon in der Preisklasse unter 100 Euro in den Versuch einbezogen, auch wenn diese vermutlich von nicht wenigen Anwendern eingesetzt werden. Zum einen befindet sich ein solches Mikrofon nicht in meinem Bestand und ausserdem rate ich generell von der Verwendung von Billig-Produkten ab, unter anderem da sie in aller Regel nicht einmal minimalste Anforderungen an die Linearität erfüllen.
Die Mikrofone wurden ganz zu Beginn des Versuches mit einem Klasse 2 Kalibrator Center 326 kalibriert und dann nach jedem erfolgten Testschritt nachgemessen, um die entstandenen Differenzen festzuhalten. Nicht ganz ausser Acht gelassen werden darf, dass auch der Kalibrator auf geänderte atmosphärische Bedingungen eine Reaktion zeigt. Diese sollte allerdings erheblich kleiner ausfallen, als die Abweichungen der Mikrofonkapseln. Dies ist ja auch der Grund, dass man Mikrofone im Feld kalibriert, um eben genau die hohe Genauigkeit des Kalibrators auf das Mess-System zu übertragen.
Die Tests erfolgten über insgesamt sechs Wochen hinweg, womit auch eine allgemeine Aussage über die "Langzeitstabilität" der Kalibrierung möglich ist.
Um die durch Temperatur entstehende Abweichung zu untersuchen, kalibrierte ich alle Mikrofone bei Zimmertemperatur (Messung 1) unter den folgenden Konditionen:
Dann verfrachtet ich das gesamte Equipment inklusive Kalibrator in den Kühlschrank und machte mehrere Messungen über die Zeit, wobei ich hier nur die letzte darstelle, die nach 140 Minuten Kühlung erfolgte (Messung 2). Die Klima-Messgeräte zeigten hierbei eine Temperatur von 5 Grad Celsius und eine relative Luftfeuchte von 65% an.
Anschliessend nahm ich den Kalibrator inklusive den Adapterringen aus dem Kühlschrank und liess ihn für 45 Minuten bei Raumtemperatur akklimatisieren, während die Mikrofone in dieser Zeit noch im Kühlschrank verblieben.
Die Raum-Konditionen hatten sich inzwischen auf 20 Grad Celsius und 46% relative Luftfeuchte verändert. Dann nahm ich die Messmikrofone einzeln aus dem Kühlschrank und unterzog sie nach einer Minute einer Nachmessung (Messung 3) und wiederholte die Messung nach 5, 30, 60, 90 und 120 Minuten (Messungen 4-8).
Die Ergebnisse der 8 Messungen sind in der folgenden Grafik dargestellt und werden anschliessend diskutiert.
Diskussion der Ergebnisse (s. Grafik):
Als nächstes wollte ich den Einfluss von Hitze überprüfen und habe dazu den Backofen vorgeheizt. Allerdings musste ich dann feststellen, dass ich die Hitze zu wenig gut regulieren konnte und die minimal einstellbare Temperatur bereits über dem Betriebsbereich der Mikrofone und meines Temperaturmessgerätes lag. Wenig umweltbewusst liess ich deshalb bei minimaler Hitze die Backofentür kurzerhand etwas offen. Auch dies brachte nicht das gewünschte Ergebnis, der Innenraum des Backofens war immer noch viel zu heiss - und die Wohnung inzwischen auch.
Also wartete ich auf einen sich ankündigenden schönen Herbsttag, der meinen Balkon am Vormittag zunehmend aufheizte. Dankbarerweise änderte sich die Raumtemperatur innert vier Stunden von 11 auf beachtliche 44 Grad Celsius (der Klasse 2 Bereich reicht eigentlich nur bis 40 Grad). Die relative Luftfeuchte sank in der selben Zeit von 41% auf 18%. Letzteres sollte beachtet werden, da die folgenden Ergebnisse sowohl an der Temeraturänderung als auch an der Änderung der relativen Luftfeuchte liegen könnte.
Um einen gemeinsamen Ausgangspunkt herzustellen, wurde die Kalibrierung vor diesem Subtest zurückgesetzt, d.h. alle Mikrofone sind in der ersten Messung auf 94 dB SPL kalibriert.
Diskussion der Ergebnisse (s. Grafik):
Wiederum mit einfachsten Hausmitteln erfolgte im nächsten Subtest eine Überprüfung des Einflusses der relativen Luftfeuchte. Hierzu baute ich das Equipment in meiner Küche auf und brachte nach einer ausreichenden Akklimatisierungsphase Wasser in einem Steamer zum Verdampfen. Zu beachten ist, dass mit dem Anstieg der Luftfeuchte auch ein kontinuierlicher Anstieg der Temperatur um insgesamt rund 3 Grad Celsius zu verzeichnen war.
Um einen gemeinsamen Ausgangspunkt herzustellen, wurde die Kalibrierung vor diesem Subtest wiederum zurückgesetzt, d.h. alle Mikrofone sind in der ersten Messung auf 94 dB SPL kalibriert. Dann wurde die Luftfeuchte von zunächst 42% auf 52% und 61% erhöht. Eine weitere Steigerung war mit den vorhandenen Mitteln nicht ohne weiteres möglich, weshalb der Steamer ausgeschaltet wurde. Mit dem Absinken, der Luftfeuchte wurden dann noch einmal 2 Messungen vorgenommen (52% und 46%), um zu beobachten, ob sich die Werte wieder in die Gegenrichtung verschieben.
Diskussion der Ergebnisse (s. Grafik):
Um den Einfluss des absoluten Luftdrucks zu testen, begab ich mich auf eine Bahnfahrt, die mich von 1360 m.ü.M. auf 684 m.ü.M. führte. Da der Zug klimatisiert war, boten sich ideal gleichbleibende Bedingungen mit einer maximalen Temperaturdifferenz von 1 Grad Celsius (25-26 Grad C) und einer relativen Luftfeuchte zwischen 41% und 43%. Der atmosphärische Luftdruck nahm während der Reise um insgesamt 66 hPa zu.
Als Referenzpunkt diente eine Messung, die unmittelbar vor Besteigen des Zuges auf 1360 m.ü.M. vorgenommen wurde. Die Konditionen waren hier 26 Grad Celsius (also identisch mit der Temperatur im Zug), die Luftfeuchte lag mit 49% allerdings um 8 Prozentpunkte höher.
Die Grafik zeigt die Abweichung der Kalibrierung jeweils bezogen auf den erwähnten Referenzpunkt.
Diskussion der Ergebnisse (s. Grafik):
Die folgende Grafik zeigt gruppiert für die einzelnen Mikrofone, wie gross die Abweichung ausfiel, und zwar immer im Vergleich zur unmittelbar vorhergehenden Kalibrierung. Im Gegensatz zu den vorgenannten Daten wurde die Kalibrierung am Anfang der Subtests für diese Auswertung also nicht zurückgesetzt. Entsprechend enthält die Grafik auch die Abweichungen von der jeweils letzten Überprüfung eines Subetsts zur Anfangsmessung des nächsten Tests. Ausserdem sind in den Daten zusätzlich einige wenige hier undokumentierte Zwischenmessungen enthalten, welche in den obigen Test-Auswertungen nicht aufgeführt sind.
Diese Darstellung zeigt insbesondere bei denjenigen aufeinanderfolgenden Messungen, bei denen ein Einflussparameter graduell verändert wurde, wie stabil die Kalibrierung in sich ist. Eindeutig zeigt sich hier, dass Kandidat A am stabilsten auf Änderungen reagiert und maximal um 1,0 dBr von der jeweils vorhergehenden Kalibrierung abweicht. Bei Mikrofonen B und C sind die Abweichungen mit maximal 1,7 dBr deutlich grösser.
Die selben Daten finden sich in der folgenden Darstellung noch einmal, diesmal wurden die Abweichungen aber immer auf die Erstkalibrierung bezogen. Diese Darstellung ist besonders aufschlussreich, weil sie die folgende wichtige Fragestellung aus der Praxis beantwortet: "Wie gross ist die Pegelabweichung nach einer einmalig erfolgten Kalibrierung unter verschiedenen geänderten Konditionen?"
Zunächst zur versprochenen Auflösung der Preisklassen: Mikrofon A ist das teuerste und in der Preisregion von ca. 800 Euro zu finden. Es handelt sich um ein Klasse 1 Mikrofon, während die anderen beiden in Klasse 2 angesiedelt sind. Mikrofon B kostet rund 400 Euro und Mikrofon C ist das kostengünstigste mit ca. 150 Euro.
Die Tests umfassten insgesamt die folgenden Grenzbereiche:
Aufgrund des oben ausführlich dargestellten Feldversuches, gelange ich zu folgenden Erkenntnissen:
Wie bereits eingangs erläutert, stammen die oben dargestellten Ergebnisse aus einem einfachen Feldversuch, der keinen Anspruch auf Wissenschaftlichkeit erhebt. In allen Mess-Sequenzen änderte sich stets mehr als ein atmosphärischer Paramater, was eine genauere Ursachen-Wirkung-Zuordnung verunmöglicht. Dies war aber auch nicht die Aufgabenstellung. Besonders die für die Praxis wichtige Frage, wie stark ein einmal kalibriertes System wegdriftet, konnte für die drei untersuchten Mikrofone beantwortet werden. Anhand der Einzeltests lassen sich ausserdem qualitative Aussagen zu den zu erwartenden Pegeländerungen treffen.
Berno Nigsch, Product Manager bei NTI Audio hat mich nach dem Lesen dieses Artikels darauf aufmerksam gemacht, dass bei Ihnen im Hause (unter natürlich sehr viel professionelleren Bedingungen, als ich sie bieten kann) in den vergangenen Monaten Klasse 2 Kalibratoren getestet wurden. Bei einigen stellte sich heraus, dass sie die Klasse 2 Anforderungen nicht erfüllen. Unter anderem wurde auch der von mir eingesetzte Kalibrator im spezifizierten Bereich bemängelt. Immerhin hat ein kurzer Test meines eigenen Modells auf die Schnelle keine grösseren Abweichungen ergeben, was sich - wie beschrieben - ja auch mit meiner Praxiserfahrung und gelegentlichen Abgleichen mit Klasse 1 Geräten deckt. Allenfalls werde ich den Test zu einem späteren Zeitpunkt aber womöglich noch ergänzen und eventuell auch meinen Kalibrator oder Kalibratoren ganz allgemein noch genauer unter die Lupe nehmen.
So oder so behalten die wesentlichen Kernaussagen des obigen Artikels meiner Meinung nach Ihre Gültigkeit. Ich halte vorerst auch an der pauschalen Aussage fest, dass bei nicht kalibrierten Systemen und Klasse 2 Geräten mit einer Abweichung von bis zu ca. 3 dB gerechnet werden sollte und dass sich Klasse 1 Equipment in dieser Hinsicht besser schlägt. Nicht zuletzt sind die aufgezeigten Abweichungen ja auch im Toleranz-Rahmen der IEC-Vorgaben für Klasse 1 bzw. 2
Ebenso ist klar, dass eine Kalibrierung vor und nach jeder Messung zu empfehlen ist. Wie präzise der eingesetzte Kalibrator arbeitet, dürften neben den gestellten Anforderungen an den Einzelfall primär auch von wirtschaftlichen Interessen abhängen. Gerade im Bereich von Live-Beschallungen stelle ich immer wieder fest, dass Techniker keine oder mindestens keine hohen Summen in Kalibratoren investieren wollen oder können. Es stellt sich dann die Frage, ob man ein preisgünstigeres Modell mit (geringen?) Abweichungen einsetzt oder dann auch gleich ganz auf die Kalibrierung verzichten kann.
Wenn die oben erwähnten Aussagen von Berno Nigsch von NTI Audio stimmen (und ich habe keinen Grund, diese anzuzweifeln), dann wäre es aus Anwendersicht unbedingt wünschenswert, wenn eine unabhängige Instanz einen belastbaren Test von solchen Kalibratoren durchführt bzw. wenn vorhandene Daten der Öffentlichkeit zugänglich gemacht würden. Für sachdienliche Hinweise, bin ich dankbar. Ich werde sie gegebenenfalls und mit ausdrücklicher Zustimmung gerne hier veröffentlichen.
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