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Der Grund war: Der Provider hat heimlich still und leise die PHP Version von Version 5.6 auf 7.2 geändert.
Wir haben dies temporär wieder rückgangig gemacht.
Allerdings werde ich in den nächsten Tagen noch mal einen Update der Forensoftware
machen und ich hoffe dass alles problemlos läuft.
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bzw. Fehlermeldungen kommen.

Kalibrierung und Messnormal für den Schalldruck

Grundlagen der Tontechnik, Literatur- und Linktips

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stefan
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Kalibrierung und Messnormal für den Schalldruck

Beitragvon stefan » 11.02.2009, 16:34

messtechnischer Exkurs (Teil 1):
Akkreditierte Kalibrierung interner Messmittel für den Schalldruckpegel bei der Industrie



Hallo zusammen,

hier stand neulich die Frage im Raum, wo überhaupt die Messnormale für den Schalldruck herkommen und woher man die Sicherheit nimmt, dass ein Messmikrofon die genau definierte (konstante) Empfindlichkeit über den geforderten Frequenzbereich hat. Schliesslich ist das die Grundlage dafür, dass Hersteller von elektroakustischen Studiogeräten (Mikrofone, Monitorlautsprecher) zuverlässige Daten messen können, die sie veröffentlichen und innerhalb ihres Produktionsprozesses überprüfen wollen bzw. müssen.

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Bild
Abb. 1: The range of Sound Pressure Levels (Graphik: B&K)

Wenn ich elektroakustische Messungen mache, bin ich gemäss Qualitätssystem (eine Firma muss ISO zertifiziert sein, um heutzutage auf dem Markt bestehen zu können) aus Gründen der Rückverfolgbarkeit verpflichtet, kalibrierte Messmittel zu verwenden. Auf sämtlichen Komponenten des Messequipments kleben Siegel, die mit dem Datum der nächsten Prüfung versehen sind. Weil ein Kollege dafür sorgt, dass das Messequipment in regelmässigen Zeitabständen zu den akkreditierten Kalibrierstellen geschickt wird, gehört es eigentlich nicht zu meinem Job, mich darum zu kümmern, dass sie mir zur Verfügung stehen. Meine 94 dBSPL @ 1kHz Referenzschalldruck kommen aus dem B&K 4231 mit Kalibriersiegel und alles andere weiter zu hinterfragen, warum ich mich auf diese Referenz auch wirklich verlassen kann, ging bislang in der Regel in der täglichen Routine unter.
Ein Teil dieser Routine besteht übrigens daraus, dass vor akustischen Messungen die Messkette mindestens 1x täglich in sich noch einmal kalibriert (abgeglichen) werden muss. Es sollte einem immer bewusst sein, dass so ein teurer METAS- oder PTB-Aufkleber nicht vor falschen Messungen und Irrtümern schützt.

Jetzt bin ich aber mal neugierig geworden und habe die elektroakustische Kalibrierkette zurückverfolgt bis zu den eigentlichen (Ur-)Messnormalen für Schalldruck (oder der ‘Schalldruckbasis‘, wie es heisst). Darauf komme ich in Teil 2 zurück.
Da die Thematik alles andere, als trivial ist, habe ich hier in beiden Teilen zusätzlich noch ein paar Dokumente verlinkt, die sich zur Vertiefung ins Thema und zum besseren Verständnis eignen. Wie ich festgestellt habe, gibt das Internet nicht so viel her, am meisten Information findet man, wenn man auf Webseiten der nationalen metrologischen Autoritäten, wie z.B. http://www.ptb.de oder http://www.metas.ch im entsprechenden Fachbereich nach Publikationen sucht.
Nachdem ich dieses hier gepostet habe, bin ich sicher immer noch nicht in der Lage, jede Frage qualifiziert zu beantworten, aber es ist durchaus möglich, bei den entsprechenden Fachbereichen von METAS oder der PTB mal direkt anzufragen.

Einige der hier verlinkten Dokumente (Kalibrierungszertifikate) sind intern von meiner Firma. Da ich nicht weiss, wo sich das im Internet so überall weiterverbreitet und Namen und Adressen niemanden was angehen, habe ich sie entsprechend anonymisiert. Sie dienen lediglich als Beispiel, um zu zeigen, wie so ein Zertifikat aussieht, welche elektroakustischen Parameter im speziellen hier der Untersuchungsgegenstand der Kalibration sind, was die Messergebnisse und Messunsicherheiten sind. Die rein elektrische Kalibration von z.B. Analysator/Generator sind hier jetzt nicht berücksichtigt.

Beispiele von Kalibrierzertifikaten für eine elektroakustische Messkette:
[1] Sound Level Calibrator B&K 4231 (pdf, ca. 130kB)
[2] ½” Kapsel: Measurement Microphone B&K 4134 an einem [3] Microphone Preamp (Impedanzwandler) B&K 2619 (pdf, je ca. 110kB)
[4] Power Supply B&K 2807 (pdf, ca. 150kB)

Die Zertifikate [3] und [4] stützen sich auf die Prüfung ausschliesslich elektrischer Parameter. Was und wie gemessen wird, lässt sich anhand der Dokumente nachvollziehen.

Der Kalibrator 4231, den wir verwenden, wird mit zwei Sekundärnormalen kalibriert (Messung von: SPL, Frequenz und THD). Sollwerte: 94 und 114 dBSPL, 1kHz. Details unter [1].

Zu [2]: Die Empfindlichkeit einer Kapsel des Messmikrofons B&K 4134 wird mit einem speziellen Pistonphon, dem Transfernormal, ermittelt. Das Pistonphon [6] ist konstruktionsbedingt der zuverlässigste Kalibrator zur Weitergabe des Messnormals des Schalldrucks. Des weiteren ist die Messanlage mit dem Labornormal validiert worden. Was und wie im Detail gemessen wurde, ist in [2] anschaulich beschrieben. Möglich wäre auch eine Mikrofonkalibration mittels Vergleich mit dem Labornormal, das wäre aber eine etwas aufwändigere Prozedur. Der Frequenzgang des zu Kalibrierenden Mikrofons wird in 1/3 oder 1/6 Oktavschritten aufgenommen. Vorher wird die Membran auf äusserliche Schäden begutachtet (die Membran liegt ja frei und ist ungeschützt, wenn man den Grid abschraubt).

In allen den Zertifikaten ist jeweils immer noch eine Messunsicherheit beschrieben. Die Kalibrationskosten bewegen sich für alle vier Komponenten übrigens auf ca. 1400.- CHF im Jahr und insgesamt sind hier 12 komplette Sätze für 4 Messplätze und 2 SPL-Kalibratoren 4231 im Einsatz. Ersatzkapseln müssen allerdings nur im 2 Jahresintervall bei METAS eingereicht werden.

Mit diesem Vorgehen der Kalibration sind also die Grundvoraussetzungen für korrekte Messungen des Schalldruckpegels gewährleistet und die Auflagen des firmeninternen Qualitätssystems erfüllt.

Soweit die Erläuterung zu elektroakustischem Messequipment, das Industrie und Institute verwenden.




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messtechnischer Exkurs (Teil2):
Das nationale Messnormal für Schalldruck (Schalldruckbasis)



So. Jetzt die spannende Frage, wie kalibriert METAS oder PTB ihre eigenen Referenzschallquellen und ihre Labornormale (Referenzmikrofone)? Das verwendete Pistonphon [6] als Referenzschallquelle wird wie unter [1] mit den Labornormalen kalibriert. Labornormale sind in der Regel drei Mikrofone der Typen B&K 4180 (die goldenen :-)).
Diese drei Mikrofone stellen die nationale Referenz für das Messen des Schalldrucks dar. Im geforderten Bereich sind ihre Parameter bekannt, sie werden jährlich geeicht.
Für eine internationale Vergleichbarkeit werden diese Mikrofone zusammen mit ihrer Historie ständig weltweit zwischen den Behörden ausgetauscht. Sie zirkulieren in ca. 2 jährigem Abstand, so kann z.B. auch kontrolliert werden, ob eine Behörde in der Lage ist, hinreichend präzise zu eichen.

Die Labornormale werden mittels Reziprozitätsmethode geeicht, die als internationaler Standard in der IEC 61094-2 beschrieben und festgelegt ist. Da man meistens nie gratis Normen einsehen kann (es sind immer nur die Inhaltsverzeichnisse kostenlos), gibt es hier unter [5] (ab S.4) eine genaue Beschreibung dieser Eichmethode. Im Grunde genommen wird hier der Schalldruck (in Pascal) auf elektrische und mechanische Einheiten zurückgeführt:

Zwei Mikrofone befinden sich einander gegenüber in einem geschlossenen Kuppler, dessen Volumen genau bekannt ist. Bekannt ist ebenfalls das Volumen hinter der Membran. Jede Referenzkapsel übernimmt einmal die Funktion des Schallempfängers und einmal die des Schallsenders (Kondensatormikrofon als reversibler Schallwandler). Über den zu messenden Frequenzbereich werden die Kuppler (Volumina) zwei mal ausgewechselt (es werden also 3 unterschiedliche Kuppler verwendet). Mit der Ausgangsspannung des Schallempfängers (u), dem Strom (i), der durch das andere Mikrofon als Schallsender fliesst und der akustischen Impedanz der Kavität im Kuppler (Za) erhält man das Produkt beider Mikrofonempfindlichkeiten:
s1 * s2 = u/i * 1/Za

Bild
Abb. 2: Messaufbau und Schema einer Messung nach der Reziprozitätsmethode (Bild: METAS)

Insgesamt werden für das Verfahren drei B&K 4180 Referenzkapseln benutzt und die Messung mit jeder möglichen Paarung je einmal durchgeführt (vgl. [5]). Der Frequenzbereich ist 31.5 Hz bis 20 kHz mit einer Auflösung von meist 1/3 oder 1/6-Oktavabstand (der Messpunktabstand liesse sich auch beliebig verkleinern). Auf diese Weise ist die Empfindlichkeit über den Frequenzbereich von jedem der drei Normale bekannt.
Mit einem dieser Schalldrucknormale wird das Transfernormal (das Referenzpistonphon) und die Sekundärnormale durch Vergleich kalibriert.

Abschliessend hier nochmal eine Übersicht über alle beteiligten Komponenten bei einer Kalibration für Schalldruck-Messequipment:

Bild
Abb. 3: Kalibrationskette für Schalldruck Messungen (Graphik: B&K)

Mit dem turnusmässigen internationalen Austausch dieser Messnormale (Primary Standards) und der in IEC 61094-2 genormten Verfahren der Reziprozitätsmethode zur Erstellung dieses nationalen Schalldrucknormals, sind die bei der Kalibration angegebenen Messresultate auf nationale Normale und somit auf international abgestützte Realisierungen der SI-Einheiten zurückverfolgbar.
Zur Entstehungsgeschichte der IEC 61094-2 weiss ich aber leider nichts. Und auch nicht, ob es vor dieser Methode alternative Möglichkeiten gab, die Empfindlichkeit eines elektroskustischen Wandlers zu messen in dem man diese auf andere physikalische Grössen zurückgeführt hat.



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Die tägliche Kalibration (-> Abgleich) der Messkette ist immer eine Momentaufnahme, sie sollte immer nur am Ort der Messung selbst durchgeführt werden. Die Kalibration der Messkomponenten bei einer akkreditierten Stelle dagegen ist ein Blick zurück in die Vergangenheit: Man versichert sich mit der Überprüfung, dass die Messungen rückblickend korrekte Resultate ermöglichten. Alles, was nach diesem Kalibrationsdatum geschieht, ist genau genommen unbekannt (!). Aus diesem Grund wird ein Gerät, welches z.B. ausgemustert oder nicht mehr verwendet werden soll erst noch einmal kalibriert, bevor es entsorgt wird. Ist es defekt, werden alle hiermit gemachten Messungen bis zum Zeitpunkt der letzten ordnungsgemässen Kalibration (zumindest in juristischem Sinne) obsolet. Hat sich das hier schon jemand mal bewusst gemacht?


Und noch etwas zu dem Begriffswirrwarr: Eichen, Kalibrieren, Abgleichen, Justieren…
‘Kalibrieren‘ ist im Grunde genommen der Oberbegriff, der praktisch immer verwendbar ist.
‘Eichen‘ bezeichnet das Kalibrieren als Amtshandlung (bei METAS, PTB, BEV… oder den von ihnen zertifizierten Eichstellen) wobei dieser Begriff heutzutage aber nicht mehr so häufig im Sprachgebrauch ist (z.B. heissen die amtlichen Bescheinigungen nicht Eich- sondern Kalibrierzertifikate).
‘Abgleichen‘ verwende ich gerne für die tägliche Kalibration einer Messkette.
‘Justieren‘ eher, wenn ich ein Messmikrofon auf den Referenzpunkt ausrichte. Aber es gibt für diese Bezeichnungen eigenlich keine Norm.
Und prinzipiell wird ja bei der akkreditierten Kalibration eines Messmikrofons nichts abgeglichen oder justiert, Kalibrieren heisst in diesem Fall: Bestimmung der Schalldruckempfindlichkeit für den geforderten Frequenzbereich durch den Vergleich mit einem Messnormal.


Ich weiss nicht, ob ich hiermit einen ziemlich komplexen Vorgang verständlich erklären konnte, jedenfalls habe ich bei der Recherche selber etwas gelernt :-) Den Anspruch, hier einen wissenschaftlichen Aufsatz oder einen einwandfreien Wikipedia Artikel abzuliefern, habe ich nicht.

Grüsse
Stefan




-Anhang-

[5] B&K Application Note: Microphone Calibration for accurate Sound Measurements (pdf, ca. 8.9 MB)

[6] Manual: Pistonphone B&K 4220 (pdf, ca. 8.6 MB)
Das Pistonphon ist eine Referenzschallquelle, dessen Motor einen Kolben bewegt, der ein genau definiertes Volumen Luft verdichtet. Hier ist delta Volumen proportional zu delta Druck. Schalldruck lässt sich letztlich auf SI-Einheiten zurückführen (1Pa = 1N /m^2). Das Pistonphon ist konstruktionsbedingt aber nicht in der Lage mit höheren Frequenzen zu arbeiten: Nennfrequenz ist 250 Hz und damit werden 124 dBSPL an der angekoppelten Mikrofonmembran erzeugt. Der Schalldruckpegel im Kuppler ist konstant, selbst bei nachlassender oder schwankender Motordrehzahl. Im Grunde genommen ist das Pistonphon eine Spezialversion eines elektrodynamischen Schallwandlers. Ein beiliegendes (ebenfalls kalibriertes) Barometer ist notwendig für eine Korrekturrechnung des tatsächlichen Schalldrucks.

[7] SI-Einheiten (METAS-Information) (pdf, ca. 60 kB) siehe: (Schall)Druck = Kraft pro Fläche

[8] Für akustische Messmittel relevante Normen (METAS-Information) (pdf, ca. 15 kB)
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Nur wer selbst noch nie Messungen für Produktdaten gemacht hat, glaubt was auf Hersteller-Datenblättern steht.

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