Akustik

Zu den akustischen Bauelementen gehören sowohl diejenigen, die Schallwellen erzeugen, als auch diejenigen, die Schallwellen empfangen können.

Akustische Signalgeber: Funktionsweise

Akustische Signalgeber dienen dazu, einen für den Menschen hörbaren Ton oder Schall zu erzeugen. Dies geschieht dadurch, dass durch die Membran eines Signalgebers oder Lautsprechers in der Luft Schallwellen erzeugt werden. Die Schallwellen selbst sind Schwankungen des Luftdruckes. Die schnellen Luftdruckänderungen werden vom menschlichen Ohr als Ton oder Geräusch wahrgenommen.

Schallwellen und Frequenzen

Es gibt lange Schallwellen mit einer geringen Frequenz, die man als tiefe Töne wahrnimmt und kurze Schallwellen mit einer höheren Frequenz als hohe Töne. Die Frequenz definiert dabei die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde.

Der hörbare Bereich des Menschen liegt bei tiefen Frequenzen bei 16-21Hz und bei hohen Frequenzen bei 16.000-20.000Hz.

Die Höhe der Schallwelle macht die Lautstärke aus. Der empfindlichste oder sensibelste Bereich des menschlichen Ohres liegt zwischen 2.000-5.000Hz.

Daher sind die meisten akustischen Signalgeber für diesen Frequenzbereich konstruiert.

Unsere Arten von akustischen Signalgebern

Magnetische oder elektrodynamische Signalgeber, häufig auch Transducer genannt.

Der Aufbau des magnetischen Signalgebers ist relativ einfach. Eine feste Spule befindet sich in einem Permanentmagneten. Durch einen in der Mitte fixierten Eisenkern wird das Magnetfeld gebündelt. Darüber befindet sich eine frei bewegliche Membran. Wird nun eine Wechselspannung angelegt, verändert sich das Magnetfeld entsprechend. Die Membran wird dabei auf und ab bewegt, was letztendlich den Ton erzeugt. Abhängig von der Wechselfrequenz ändert sich die Tonfrequenz. Jeder Signalgeber hat eine Resonanzfrequenz (siehe Herstellerangaben), bei der der Signalgeber den höchsten Schallpegel erzeugt; auch SPL( Sound pressure level) abgekürzt. Wird der Signalgeber mit einer asymmetrischen Rechteckspannung angesteuert, ist auf die richtige Polung zu achten.

Elektrodynamische Signalgeber mit Schwingkreis

Es gibt auch elektrodynamische Signalgeber mit verbauter Elektronik, hier Schwingkreis genannt. In diesem Zusammenhang fällt häufig die Bezeichnung Buzzer. Wird an dem Buzzer eine Gleichspannung angelegt, fängt die Membran an zu schwingen und erzeugt einen Ton. In diesem Fall ist der Schwingkreis schon auf die Resonanzfrequenz des Signalgebers abgestimmt. Auf die Spannungsangabe des Herstellers sowie auf die richtige Polung ist hierbei besonderes Augenmerk zu legen.

Piezosignalgeber und ihre Varianten

Das Prinzip des Piezosignalgebers beruht, einfach ausgedrückt, auf der gerichteten Verformung eines piezoelektrischen Materials. Dafür wird meistens eine Messingscheibe mit einer vom Durchmesser kleineren Keramikscheibe auf einer Seite fest verklebt.

Beim Anlegen einer Wechselspannung verformt sich nun die Scheibe und wölbt sich in eine Richtung und wieder zurück. Dieser Wechsel folgt entsprechend der Frequenz der Wechselspannung und erzeugt somit einen Ton. Da der Frequenzbereich eher sehr eng gefasst ist, werden Piezosignalgeber vorzugsweise für die Wiedergabe einer Frequenz mit hohem Schalldruck verwendet. Für eine Verwendung als Sprach- oder Musikwiedergabe ist die Piezoscheibe daher weniger geeignet. Ist die Piezoscheibe in einem Gehäuse verbaut, wird dieses System häufig als Piezotransducer bezeichnet.

Es gibt auch Piezosignalgeber-Systeme, die eine Elektronik, hier Schwingkreis genannt, gleich mit eingebaut haben.

Dadurch reicht eine einfache Gleichspannungsquelle aus, um den Piezosignalgeber zum Schwingen zu bringen. Häufig fällt in diesem Zusammenhang der Begriff Piezo-Buzzer.

Piezosignalgeber mit Rückkopplungselektrode bieten den großen Vorteil, dass bei diesem Schwingkreis die Piezoscheibe mit ihrer Resonanzfrequenz betrieben und dabei die größtmögliche Lautstärke erzeugt wird.
Beim Anlegen einer Gleichspannung verformt sich die Metallscheibe. Dabei wird zusätzlich eine Spannung in der Rückkopplungselektrode erzeugt, die wiederum den Schwingkreis steuert und auf die Resonanzfrequenz einschwingt.

Mechanisch aufgebaute Summer und Hörkapseln

Wenn es darum geht, einen möglichst tiefen Ton im Bereich um 400Hz zu erzeugen, dann geht das am besten mit einem mechanisch aufgebauten Summer. Das Prinzip ist recht einfach. Durch die Spule L1 wird ein Magnetfeld erzeugt. Dadurch wird der sogenannte Hammer aus Eisen bewegt. In der Spule L2 wird die Bewegung erkannt und der Transistor schaltet. Der Schwingkreis synchronisiert sich und der Hammer schlägt gleichmäßig gegen die Membran und erzeugt einen sehr markanten Schnarrton.

Grundsätzlich kann man eine Hörkapsel als modifizierten Lautsprecher bezeichnen. Eigens für Telekomapplikationen entwickelt, um eine möglichst flache Frequenzkurve ohne Spitzen zu erreichen, wenn die Hörkapsel dicht am Ohr angehalten wird. Im Zusammenhang wird häufig auch die Bezeichnung Receiver verwendet. Die Hörkapsel ist für den Frequenzbereich zwischen 300-3400Hz optimiert. Heutzutage gibt es unterschiedliche Bauformen und Größen von 10mm bis 38mm im Durchmesser.

Mikrofone: Funktionsweise

Die für die Sprachübertragung wichtigen Mikrofone sind heute meistens Elektret- oder Kondensatormikrofone. Hier werden nun Schallwellen in elektrische Impulse umgewandelt.

Dicht vor einer Metallplatte ist eine elektrisch leitfähige Membran angebracht. Die Membran ist so montiert, dass sie elektrisch isoliert ist. Die Metallplatte ist elektrisch vorgeladen. Das sogenannte „Einfrieren“ der elektrischen Ladung, man spricht auch von elektrostatischer Polarisierung, ist erst mit einer Elektret- Folie möglich geworden. Diese ist auf der Metallplatte dauerhaft aufgebracht. Dadurch wird die Membran ausreichend vorgespannt, so dass nur noch eine geringe Spannung von etwa 1.5V nötig ist, um ein Potentialgefälle zu erzeugen und um den FET (Feldeffekttransistor) mit Spannung zu versorgen. Dieser FET verstärkt dann die Leistung. Trifft nun ein Schall auf die Membran, führt dies zu einer Kapazitätsänderung zwischen der Membran und der Metallplatte. Diese Kapazitätsschwankungen kann man dann am Ausgang als Spannungsschwankung messen.

Diese Spannungsschwankung kann dann über eine Leitung übertragen und mit einem Verstärker wieder über einen Lautsprecher hörbar gemacht werden.

Für unterschiedliche Anwendungen wurden die Mikrofone optimiert.

Richtcharakteristik von Mikrofonen

Die Richtcharakteristik gibt die Empfindlichkeit eines Mikrofons in Abhängigkeit vom Schalleinfallwinkel an. Bezug ist die 0-Achse als Hauptschallquelle. Die Richtcharakteristik wird durch Richtungsdiagramme veranschaulicht. Die Richtcharakteristik ist über das gesamte Frequenzspektrum nicht gleich, sondern verändert sich je nach Frequenz. Daher wird in den Richtungsdiagrammen die Charakteristik einheitlich bei 1kHz dargestellt. Grundsätzlich kann man sagen, dass bei tiefen Frequenzen die Richtungscharakteristik deutlich weniger ausgeprägt ist als bei hohen Frequenzen.

Unterschiede zwischen Kugel- und Nierencharakteristik

Es gibt zwei Hauptrichtungsdiagramme: die Kugelcharakteristik und die Nierencharakteristik.
Bei der Kugelcharakteristik wird der Schall aus jeder Richtung gleich empfangen, daher verwendet man häufig auch die Bezeichnung omni directional. Hingegen wird bei der Nierencharakteristik nur der Schall von vorne umgewandelt. Auf der rückwärtigen Achse (180°) findet theoretisch eine fast 100% Auslöschung statt, abgesehen von Reflektionen. In der Praxis beträgt die Dämpfung etwa 20-35dB. Die Nierencharakteristik eines Mikrofons wird häufig auch als uni directional bezeichnet.

MEMS Mikrofone: Leistungsstarkes Mikrofon für hohe Anforderungen

Ein besonders leistungsstarkes Mikrofon für hohe Anforderungen und mit kleinen Abmessungen ist das MEMS Mikrofon. MEMS steht für Microphone Electronics Mechanical System. Dabei wird, wie bei anderen Mikrofonen auch, Schalldruck in elektrische Signale umgewandelt.

Je nach Bauart wird das Schallsignal in eine entsprechende analoge Ausgangsspannung umgewandelt oder in ein digitales pulsdichtenmoduliertes (PDM) Ausgangssignal.

Die Umformung von Schall in elektrische Signale erfolgt mit Hilfe von Änderung der Koppelkapazität zwischen einer feststehenden Grundplatte und einer beweglichen Platte (Membran).

Der Schall trifft auf die Membran und setzt diese in Bewegung. Dadurch ändert sich der Luftspalt und somit die Kapazität zwischen der Grundplatte und der Membranplatte.

Die in der rückwärtigen Kammer komprimierte Luft kann durch die Druckausgleichsöffnung entweichen, sodass sich die Membran bewegen kann. Die elektrischen Signale werden dann durch einen ASIC Chip verstärkt.

Eine Richtcharakteristik als omni oder uni direktionales Mikrofon wird durch entsprechende RF noise cancelling Filter erreicht.

Es gibt Mikrofone, deren Bauarten die Schallöffnung oben am Gehäuse oder in der Bodenplatte haben.

Die Vorteile eine MEMS Mikrofons

• Hohe Empfindlichkeit von bis zu -26dB
• Signal- Rauschabstand > 60dB
• Kleine Bauart von etwa 3x4mm und 1mm Höhe
• Reflow lötbar
• SMD bestückbar
• Großer Temperaturbereich von -40°C bis +100°C