Akustische Entkopplung mit elastischer Seilaufhängung

[LoboMix]

Ich würde zwar (mehr als Gefühl den wissend) vermuten, dass die Box, so wie deren Konstruktion beschrieben wurde, für relative Vergleichsmessungen ausreichend taugt. Im besten Fall absorbiert die Innenauskleidung den Schall so gut, dass sich die Box akustisch dem Freifeld sogar annähert.
Aber es bleiben doch reichlich Fragen und Unwägbarkeiten, denn es kann halt nicht ausgeschlossen werden, dass die Kammer ungünstig angeregt wird. Das müsste messtechnisch erfasst werden um den Effekt heraus zu rechnen, aber dann bleibt immer noch die Bedingung, dass diese Anregung auch reproduzierbar immer gleich bleibt.
Nicht umsonst sind professionelle Messräume sehr aufwändig konstruiert, z.B. als Raum-im-Raum-Konstruktion usw.

In einem anderen Zusammenhang war ich mal auf ein Dokument zur Messung des Impulsverhaltens von Mikrofonen gestoßen, das ich hier angehängt habe.
Dort wird beschrieben, wie das Impulsverhalten von Mikrofonen mit Hilfe eines quasi-Rechteck-Impulses gemessen wird (Stichwort "Dirac-Impuls").
Nun ist es praktisch natürlich nicht möglich, so einen Impuls akustisch zu erzeugen, aber bei der im Artikel beschriebenen Apparatur wird ein extrem steiler Impuls mit einem Funkengenerator erzeugt, der zudem in der Lage ist, immer identische Impulse zu produzieren.
Aus der aufgezeichneten Impulsantwort des Mikrofons lässt sich mittels der Fourier-Transformation der Frequenzgang ausrechnen.

Der Vorteil dieser Methode ist, dass an die Messkammer keine besonders strengen Anforderungen hinsichtlich der akustischen Dämpfung und der Dämmung gestellt werden (einige Infos dazu kann man dem Artikel entnehmen). Der Impuls und seine Antwort beim Mikrofon sind so extrem kurz, dass die Raumantwort beim Mikrofon erst eintrifft, wenn die Messung schon vorbei ist. Natürlich muss auch hier die Umgebung still sein und es dürfen keine Störgeräusche während der Messung einwirken.
Da aber wie gesagt die Messung extrem kurz ist (100 µS nach den Diagrammen), kann auch diese Bedingung recht einfach eingehalten werden. Zu Not könnte durch eine parallele Aufzeichnung mit einem (Mess-)Mikrofon außerhalb der Box festgestellt werden, ob zum Zeitpunkt der Messung auch wirklich Stille herrschte.

 

[Julian01]

Ich würde zwar (mehr als Gefühl den wissend) vermuten, dass die Box, so wie deren Konstruktion beschrieben wurde, für relative Vergleichsmessungen ausreichend taugt. Im besten Fall absorbiert die Innenauskleidung den Schall so gut, dass sich die Box akustisch dem Freifeld sogar annähert.
Aber es bleiben doch reichlich Fragen und Unwägbarkeiten, denn es kann halt nicht ausgeschlossen werden, dass die Kammer ungünstig angeregt wird. Das müsste messtechnisch erfasst werden um den Effekt heraus zu rechnen, aber dann bleibt immer noch die Bedingung, dass diese Anregung auch reproduzierbar immer gleich bleibt.
Nicht umsonst sind professionelle Messräume sehr aufwändig konstruiert, z.B. als Raum-im-Raum-Konstruktion usw.

In einem anderen Zusammenhang war ich mal auf ein Dokument zur Messung des Impulsverhaltens von Mikrofonen gestoßen, das ich hier angehängt habe.
Dort wird beschrieben, wie das Impulsverhalten von Mikrofonen mit Hilfe eines quasi-Rechteck-Impulses gemessen wird (Stichwort "Dirac-Impuls").
Nun ist es praktisch natürlich nicht möglich, so einen Impuls akustisch zu erzeugen, aber bei der im Artikel beschriebenen Apparatur wird ein extrem steiler Impuls mit einem Funkengenerator erzeugt, der zudem in der Lage ist, immer identische Impulse zu produzieren.
Aus der aufgezeichneten Impulsantwort des Mikrofons lässt sich mittels der Fourier-Transformation der Frequenzgang ausrechnen.

Der Vorteil dieser Methode ist, dass an die Messkammer keine besonders strengen Anforderungen hinsichtlich der akustischen Dämpfung und der Dämmung gestellt werden (einige Infos dazu kann man dem Artikel entnehmen). Der Impuls und seine Antwort beim Mikrofon sind so extrem kurz, dass die Raumantwort beim Mikrofon erst eintrifft, wenn die Messung schon vorbei ist. Natürlich muss auch hier die Umgebung still sein und es dürfen keine Störgeräusche während der Messung einwirken.
Da aber wie gesagt die Messung extrem kurz ist (100 µS nach den Diagrammen), kann auch diese Bedingung recht einfach eingehalten werden. Zu Not könnte durch eine parallele Aufzeichnung mit einem (Mess-)Mikrofon außerhalb der Box festgestellt werden, ob zum Zeitpunkt der Messung auch wirklich Stille herrschte.

Danke für die Antwort.

Über den Dirac Impuls bin ich auch schon gestolpert, habe aber nach ein wenig Recherche nicht viel dazu finden können. Im Studium habe ich dazu auch nichts (was zumindest hängen geblieben ist) kennengelert.
Aber das klingt eigentlich nach genau dem was ich benötige. Meine Kammer wird schon verdammt leise sein und auch gut entkoppelt. Dafür sitze ich gerade an einem guten Konzept.

Bezüglich des Diracs und wie ich den erzeugt bekomme werde ich kommende Woche mal genauer recherchieren.
Vielen Dank!

 

[MS-SPO]

Um diese Box zu entkoppeln

Gegen was, gegen welche störenden Vibrationen, woher, und zu welchem Zweck?

Dann stehe ich auch noch vor dem physikalischen Rätsel wie ich die Resonanzfrequenz aus den Federn berechne: Sind die vier Federn parallel oder in Reihe zu rechnen?

Vor dem Lösen dieser Detailfrage solltest Du erst einmal verstehen, wie "entkoppeln" überhaupt funktioniert. Wichtige Größen sind dabei Dämpfung (bestimmt Resonanzbreite und -höhe) UND relative Lage der Resonanzen zueinander.

Für den letzten Punkt solltest Du tunlichst anfangen, Deine gesamte Umwelt wackelig, wie aus Gummi wahrzunehmen ... und dieser Aspekt hängt natürlich mit meiner ersten Frage zusammen ...

 

[Julian01]

Gegen was, gegen welche störenden Vibrationen, woher, und zu welchem Zweck?


Vor dem Lösen dieser Detailfrage solltest Du erst einmal verstehen, wie "entkoppeln" überhaupt funktioniert. Wichtige Größen sind dabei Dämpfung (bestimmt Resonanzbreite und -höhe) UND relative Lage der Resonanzen zueinander.

Für den letzten Punkt solltest Du tunlichst anfangen, Deine gesamte Umwelt wackelig, wie aus Gummi wahrzunehmen ... und dieser Aspekt hängt natürlich mit meiner ersten Frage zusammen ...

Danke für die Antwort. Seit der Beitragserstellung bin ich schon um einiges schlauer geworden und habe altes Wissen wieder reaktiviert. Die Schwingungsdämpfungen und Entkommplungen sind schon geplant und ausgesucht. Bin nun bei der inneren Gestaltung der Messbox, siehe alle folgenden Beiträge.

 

[LoboMix]

Ich habe mal die Laufzeiten ausgerechnet für die weiter oben in meinem Post erwähnte Messdauer von 100 Mikrosekunden bei der Impuls-Messmethode. Das sind 0,1 Millisekunden, in dieser Zeit legt der Schall bei Raumtemperatur 3,4 cm zurück (für die Rechnung runde ich auf auf 3,5 cm).
Wenn die Mikrofonkapsel 3,5 cm vom elektrischen Funken entfernt ist und die Messung nach dem Eintreffen des Schalls auf der Membran nochmal 0,1 mS dauert, dann haben sich die Schallwellen des Knalls bis zum Abschluss der Messung nur 7 cm weiter um den Funken ausgebreitet. Mögliche reflektierende Wände wurden dann nicht einmal erreicht, erst recht haben keine Reflexionen die Kapsel erreicht, da sie ja nochmal deutlich länger brauchen wegen des Rückwegs. Das würde aufwändige Absorber im Inneren der Box fast schon überflüssig machen.

 

[Zelo01]

Interessanter Ansatz nur so kurz zu messen, bevor die Reflexionen am Mikrofon eintreffen

Nur, eine Wellenlänge bei 200Hz dauert 5ms. Also 50mal so lang wie die Messung dauert. Da würde man nur Segmente der Welle ermitteln können. Denke das funktioniert so nicht, da das nur eine Momentaufnahme ist, eine Frequenz jedoch erst über ein längeren Zeitraum zur Frequenz wird.

 

[LoboMix]

Bei einer Messung mit konkreten Frequenzen, etwa mit einem Sweep würde das so sein, also dass jede Frequenz erst mal konkret entstehen muss, was logischerwesie Zeit in Anspruch nimmt.
Ein (idealer) Dirac-Impuls hat aber die Zeit t=0 für alle Frequenzen gleichzeitig, sozusagen ein Sweep mit f=∞ und t=0.
So etwas kann man zwar akustisch nicht erzeugen* (auch schon wegen der Bandbreitenbegrenzung der Luft als Übertragungsmedium selber), aber der Funkenüberschlag bildet so einen Impuls ausreichend gut ab im Hinblick auf reale Mikrofone.

Der Funke erzeugt eine Stoßwelle, die die Mikrofonmembran in einer kürzeren Zeit anregt, als sie dem Stoß folgen kann - wegen der Banbreitenbegrenzung der Kapsel selber. Dazu muss der Stoßimpuls in seiner Spektraldichte nur sowohl ausreichend konstant energiereich sein als auch einen Frequenzbereich umfassen, der deutlich über der oberen Grenzfrequenz der Kapsel liegt. Diese Bedingungen kann der Funke ohne weiteres erfüllen (die Luft als Übertragungsmedium auch).
Durch die Bandbeitenbegrenzung der Membran/Kapsel kann diese dem Stoß wie gesagt nicht 1:1 folgen, was sie zu einer freien, gedämpften Schwingung anregt, die in der Folge mehr oder weniger schnell abklingt (offensichtlich innerhalb der 100 µS).
Aus dieser Impulsantwort der Membran/Kapsel bzw. im Prinzip des ganzen Mikrofons incl. eventuell verbauter Schaltungen, Filter usw. selber lässt sich nun präzise der Frequenzgang des Mikrofons berechnen, und zwar komplett.

Es ist also die charakteristische Antwort des Mikrofons auf den Stoßimpuls, die diese Informationen enthält. Eine konkrete Frequenz von 200 Hz oder welche auch immer, muss daher gar nicht erklingen. Alle Frequenzen innerhalb der Bandbreite des Mikros wären sowieso zu langsam um die Bedingungen eines Stoßimpulses zu erfüllen.

Mit elektrischen Impulsen, die die beschriebenen Bedingungen erfüllen hinsichtlich des zu testenden Bauteils (z.B. Antennenspulen)/der zu testenden Schaltung (z.B. Schwingkreis) werden z.B. die Charakteristika dieser Bauteile/Schaltungen ermittelt.

*)
Ein perfekter Dirac-Impuls ist sowieso nur ein rein mathematisches Gebilde, siehe hier:
Real existiert so ein Impuls (meines Wissens) nicht, da die reale Welt immer irgendwie und irgendwo Bandbreiten-begrenzt ist.

Jedenfalls könnte so ein Versuchsaufbau mit Funkenentladung (die man natürlich erst mal mit einer Apparatur ausreichend präzise reproduzierbar erzeugen können müsste) die Aufgabenstellung des TE erfüllen, und wegen der extrem kurzen Messdauer muss die Box keine strengen Anforderungen an Schalldämpfung und -dämmung erfüllen.

 

[Julian01]

Danke für eure Impulse (Achtung Wortspiel) zur Impulsmessung.

Ich habe mich nun mehr mit dem Dirac Thema auseinader gesetzt und bin davon überzeugt, dass sich dieses Messverfahren gut für meinen Anwendungsfall eignen würde und eine für mich selbst wissenschaftlich wertvolle Arbeit ergibt.

Es sind mir aber noch einige Dinge dazu ungeklärt, welche mich auch am weiteren Vorgehen hindern.

Die Erzeugung des Impulses kann nur von einem Funken kommen oder ein Manger MSW Lautsprecher?
Wie kann ich das in meinem Anwendungsfall in der Messbox am Besten umsetzen? So ein Funkengerät, gibt es das zu kaufen? Sind die Impulse wirklich immer gleich?
Falls sich die Impulse nur im Pegel und nicht in der Frequenzliniarität unterscheiden, bringt mir hier das feste Einbauen eines Referenzmikrofons etwas, welches Daten in die Auswertung liefert und korrigiert?

Mein gesamtes Boxsystem soll durch eine in Matlab entworfene Anwendung gesteuert werden. Kann ich damit überhaupt in den benötigten kleinen Zeitabständen Daten aufzeichen und wiedergeben?

 

[LoboMix]

Ich glaube nicht, dass ein Lautsprecher - auch kein Manger Schallwandler - die Bedingungen hinsichtlich des geforderten großen Frequenzbereich erfüllt, bestimmt auch nicht die nötige gleichmäßige spektrale Energieverteilung.

Hochspannungs-/Funkengeneratoren habe ich bei einem bekannten online-Auktionshaus gefunden. Angefangen von billigen Fertigteilen oder Bausätzen bis hin zu (gebrauchten) professionellen Geräten.
Vielleicht wäre auch ein Eigenbau mit ausrangierten Zündspulen denkbar.

Mit einem zusätzlichen Referenzmikrofon müsste sich in der Tat feststellen lassen, ob die Qualität des Funkens ausreichend konstant ist.

Mit Matlab kenne ich mich nicht aus. Andererseits kann die Impulsantwort einfach aufgezeichnet und nachträglich ausgewertet werden mittels FFT.

 

[murmichel]

Wie wäre es für den Impuls mit einer Schreckschusspistole oder einer Starterklappe?

 

[LoboMix]

Eine Schreckschusspistole erfüllt die technischen Bedingungen, man nimmt so etwas tatsächlich auch, um Impulsantworten eines Raumes (z.B. für Hallfahnen) aufzuzeichnen.*

Da in der Box der Abstand zum auszumessenden Mikrofon unvermeidlich sehr gering sein wird - und auch sein muss damit der Knall vor die Reflexe kommt, würde ich aber vermuten, dass der Knall zu laut ist und das Mikrofon womöglich übersteuert. Dann wäre die Messung wertlos.

*)
Ich wollte mal den Nachhall einer Kirche mit einem Knall aufzeichnen. Ausgerechnet in einer Kirche wollte ich aber nicht mit einer Pistole schießen, auch wenn es nur eine Schreckschusspistole ist.
Ich habe es dann mit einer Art Schlagholz versucht wie diesem hier: http://www.musicworldbrilon.de/stud...6fkGFHsha0ygQUxk-b5x2tVwP6eZxwahoCNgEQAvD_BwE
Die Hallfahnen waren aber unbrauchbar. Offensichtlich erfüllen diese Schlaghölzer nicht die geforderten Bedingungen, was ich aber damals noch nicht wusste.
Für die Nachbearbeitung konnte ich später dann ein passendes Hallsample in der DAW finden.