Labor 02: Mikrofon-Frequenzgang-Messungen

1. Überblick

Dieses Labor behandelte die systematische Messung und Analyse von Frequenzgängen verschiedener Mikrofone in Fern- und Nahfeldkonfigurationen. Untersucht wurden professionelle Kondensator- und Bändchenmikrofone mit unterschiedlichen Richtcharakteristiken.

2. Untersuchte Mikrofone

2.1. Messaufstellung

• Fernfeld: Standard-Messabstand für charakteristische Frequenzgänge
• Nahfeld: Kumulative Messungen für Proximity-Effekt-Analyse
• Referenzmikrofon: MK250 als Kalibrierungsstandard

2.2. Mikrofon-Portfolio

1. Coles 4104: Bändchenmikrofon mit Achtcharakteristik
2. Beyerdynamic M130: Bändchenmikrofon
3. Schöps MK4: Kondensatormikrofon mit Nierencharakteristik
4. Schöps MK8: Kondensatormikrofon mit Kugelcharakteristik
5. Sonarworks Reference 4: Messmikrofon mit linearer Charakteristik

3. Experiment 1: Fernfeld-Frequenzgänge

3.1. Messprinzip

Referenz-Normierung: Alle Messungen relativ zu MK250 Referenzmikrofon

data_ref = pd.read_excel('MK250_0_REF.xlsx')
reference_amplitude = data_ref['Y (dBV)']

# Subtraktion der Referenz von allen Mikrofonen
mic_data[mic][angle]['Y (dBV)'] = mic_data[mic][angle]['Y (dBV)'] - reference_amplitude

3.2. Normierungsverfahren

1 kHz-Normierung: Standardisierung auf 0 dB bei 1 kHz

one_khz_index = np.argmin(np.abs(freq - 1000))
offset = mic_0['Y (dBV)'].iloc[one_khz_index]
normalized_data[mic] = {
    angle: mic_data[mic][angle]['Y (dBV)'] - offset for angle in angles
}

3.3. Winkelabhängige Messungen

Einfallswinkel: 0° (frontal), 90° (seitlich), 180° (rückwärtig)

• Nierencharakteristik: Maximale Empfindlichkeit bei 0°, Minimum bei 180°
• Kugelcharakteristik: Gleichmäßige Empfindlichkeit in alle Richtungen
• Achtcharakteristik: Gleiche Empfindlichkeit bei 0° und 180°, Minimum bei 90°

3.4. Ergebnisse Fernfeldmessungen

Coles 4104 (Bändchen, Acht):

• Charakteristischer Bändchen-Sound mit sanftem Hochtonabfall
• Ausgeprägter Proximity-Effekt im Bassbereich
• Symmetrische Acht-Charakteristik bestätigt

Schöps MK4 (Kondensator, Niere):

• Sehr linearer Frequenzgang bis ca. 10 kHz
• Leichte Präsenzanhebung um 5-8 kHz
• Klassische Nierencharakteristik mit guter Rückwärtsdämpfung

Sonarworks Reference 4:

• Speziell für Messzwecke linearisiert
• Minimale Abweichungen über gesamten Frequenzbereich
• Referenzqualität für Studio-Monitoring

4. Experiment 2: Nahfeld-Messungen (Kumulativ)

4.1. Proximity-Effekt-Analyse

Konzept: Verstärkung tiefer Frequenzen bei geringem Mikrofonabstand

Messverfahren:

• Kumulative Messungen bei sehr geringem Abstand
• Vergleich mit Fernfeldcharakteristik
• Quantifizierung des Bassanstiegs

4.2. Technische Implementierung

# Nur für ausgewählte Mikrofone (MK4, Coles 4104)
mk4_kumu = {angle: pd.read_excel(f'MK4_kumu_{angle}.xlsx') for angle in angles}
coles_kumu = pd.read_excel('Coles4104_kumu_0.xlsx')

# Gleiche Normierungsprozedur wie Fernfeld
offset = mk4_kumu["0"]['Y (dBV)'].iloc[one_khz_index]
normalized_data['Schöps MK4'] = {
    angle: mk4_kumu[angle]['Y (dBV)'] - offset for angle in angles
}

4.3. Proximity-Effekt-Erkenntnisse

• MK4: Signifikanter Bassanstieg unter 200 Hz
• Coles 4104: Ausgeprägter Proximity-Effekt typisch für Bändchenmikrofone
• Praktische Relevanz: Wichtig für Sprachaufnahmen und Musikproduktion

5. Visualisierung und Datenanalyse

5.1. Plot-Konfiguration

def plot_normalized_responses(freq, normalized_data, mic_name, postfix, angles=angles):
    plt.figure(figsize=(10, 6))
    for angle in angles:
        plt.semilogx(freq, normalized_data[mic_name][angle], 
                     label=f'{angle}°', linewidth=1.5)
    
    # Logarithmische Frequenzachse
    plt.xticks([50, 100, 200, 500, 1000, 2000, 5000, 10000, 20000],
               ['50', '100', '200', '500', '1k', '2k', '5k', '10k', '20k'])
    
    plt.ylim(-50, 10)  # Pegelbereich
    plt.grid(True, which='both', linestyle='--', linewidth=0.5)

5.2. Automatisierte Batch-Verarbeitung

• Datenstruktur: Verschachtelte Dictionaries für Mikrofon/Winkel-Zugriff
• Normierung: Einheitlicher Algorithmus für alle Mikrofone
• Export: Hochauflösende PNG-Plots für Dokumentation

6. Wichtige Konzepte

6.1. Mikrofonakustik

• Richtcharakteristik: Winkelabhängige Empfindlichkeit
• Frequenzgang: Linearität über Frequenzbereich
• Proximity-Effekt: Nahfeld-Bassanhebung bei gerichteten Mikrofonen

6.2. Messtechnik

• Referenz-Messung: Eliminierung von Raumeinflüssen
• Relativmessungen: Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Geräten
• Normierung: Standardisierung auf bekannte Referenzpunkte

6.3. Datenverarbeitung

• Pandas/Excel-Integration: Effiziente Handhabung von Messdatenreihen
• NumPy-Optimierung: Vektorisierte Operationen für große Datensätze
• Matplotlib-Customization: Professionelle wissenschaftliche Plots

7. Praktische Erkenntnisse

7.1. Mikrofonauswahl

• Bändchenmikrofone: Warmer, natürlicher Klang, empfindlich gegen Wind
• Kondensatormikrofone: Hohe Präzision, weiter Frequenzbereich
• Messmikrofone: Optimiert für Linearität, nicht für musikalische Anwendungen

7.2. Anwendungsgebiete

• Studioaufnahmen: Berücksichtigung der Mikrofoncharakteristik
• Live-Sound: Feedback-Vermeidung durch Richtcharakteristik
• Messtechnik: Kalibrierte Mikrofone für objektive Bewertungen

7.3. Messtechnische Überlegungen

• Raumakustik: Einfluss auf Frequenzgang-Messungen
• Positionierung: Kritisch für reproduzierbare Ergebnisse
• Kalibrierung: Rückverfolgbarkeit auf nationale Standards

8. Datenverarbeitungs-Workflows

8.1. Automatisierte Auswertung

# Batch-Processing aller Mikrofone und Winkel
for mic in microphones:
    for angle in angles:
        # Normierung und Analyse
        normalized_response = normalize_to_1khz(raw_data[mic][angle])
        # Charakteristik-Klassifikation
        pattern = classify_directional_pattern(normalized_response)

8.2. Qualitätskontrolle

• Plausibilitätsprüfung: Physikalisch sinnvolle Frequenzgänge
• Konsistenzcheck: Vergleich zwischen verschiedenen Winkeln
• Referenzabgleich: Validation gegen bekannte Spezifikationen

Dieses Labor vermittelte umfassende Kenntnisse der Mikrofonmesstechnik und deren praktische Anwendung in der Audiotechnik.