Mit empfindlichen und wasserdichten Mikrofonen lassen sich zum Beispiel Wasserlecks aufspüren. Sie nehmen selbst kleinste Leckgeräusche im Wasser auf und ermöglichen so, eine Leckagestelle auch bei geringer Schallintensität zu lokalisieren. Ebenso erlauben sie es, Durchflussmengen zu bestimmen oder den Weg des Wassers durch verschiedene Räume zu verfolgen.
Auch Audiodaten in der Natur und in Lebensräumen von Tieren lassen sich mit Mikrofonen erfassen, etwa um Informationen für Umweltschutz- oder Nachhaltigkeitsprojekte zu gewinnen. Mithilfe von Audiosammelstellen in einem Naturschutzgebiet können beispielsweise dessen Populationen und Migrationsmuster ermittelt werden. Zudem sind Naturgeräusche, wie der Wind in den Blättern oder sanftes Regenplätschern, etwas elektronisch aufbereitet sehr beliebt als Entspannungs- oder Einschlafhilfe.
Darüber hinaus können hochempfindliche Mikrofone Überwachungskameras ergänzen oder in manchen Fällen vielleicht sogar ersetzen. Denn sie können Geräusche erkennen, die auf eine Sicherheitsverletzung hindeuten. Wird beispielsweise das Zerschlagen einer Fensterscheibe oder ein Schuss detektiert, können umgehend Behörden oder Sicherheitsdienste alarmiert werden, die dadurch schneller reagieren können.
Mikrofone sind in verschiedenen Bauformen und mit unterschiedlichen Funktionen verfügbar. Insbesondere die neueren Micro-Electro-Mechanical Systems- (MEMS) Mikrofone bieten viele Vorteile. Dazu gehören eine kleine Platinenfläche mit bereits integrierter analoger oder digitaler Verarbeitungselektronik, präzise aufeinander abgestimmte Komponenten und eine einfache Verarbeitung im Reflow-Prozess.
Aufbau und Funktionsweise von Elektret-Kondensator-Mikrofonen
Für die beschriebenen Anwendungen bieten sich aufgrund der großen Auswahl jedoch die seit langem etablierten Elektret-Kondensator-Mikrofone (ECM) an. Im Gegensatz zu MEMS-Mikrofonen haben sie den Vorteil, dass sie mit unterschiedlichen Richtwirkungen (Direktionalitäten) erhältlich sind. Damit lässt sich steuern, aus welchen Richtungen der Schall in der Applikation berücksichtigt werden soll. Außerdem sind ECMs in verschiedenen Gehäuseformen und mit flexiblen Anschlussmöglichkeiten verfügbar.
Ihre Funktionsweise sieht folgendermaßen aus: Tritt Schall in das ECM ein, wird entweder die Elektretmembran oder die Rückplatte elektrisch aufgeladen (polarisiert). Die Schalldruckwellen, die die Membran bewegen, bewirken eine Kapazitätsänderung, die der Abstandsänderung zwischen Membran und Rückplatte entspricht. Dadurch ändert sich auch die Spannung über dieser Kondensatoranordnung. Ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor (JFET) im Mikrofongehäuse dient als Vorverstärker. Um das Signal auf ein nutzbares Ausgangssignal zu erhöhen, verstärkt er die Kapazitätsänderung und damit die Spannungsänderung für die Weiterverarbeitung im Verstärker.
Die meisten ECMs haben ein sehr kleines Gehäusedesign, sodass sie sich leicht integrieren lassen. Sie sind hochauflösend und besitzen einen sehr breiten Frequenzgang. Moderne ECMs haben eine dünne, leichte Membran. Dadurch sind sie empfindlicher als dynamische Mikrofone. Im Vergleich zu dynamischen Mikrofonen bringt die kleinere und dünne Membran der ECMs in der Regel jedoch auch einen niedrigeren akustischen Überlastungspunkt (AOP) mit sich. Dadurch können bei schwächerem Sprachsignal andere Geräusche größere Störungen verursachen.
Der Weg zum optimalen ECM für jede Anwendung
ECMs liefern einen sauberen Klang – vorausgesetzt, die Spezifikationen stimmen mit der Zielanwendung überein. Die wichtigsten Auswahlkriterien sind die Empfindlichkeit, die Richtcharakteristik und die Robustheit des Mikrofons.
Die Empfindlichkeit eines Mikrofons bestimmt, wie gut es den umgebenden Schall aufnimmt. Wenn zum Beispiel eine Stimme direkt in das Mikrofon spricht, braucht es kein hochempfindliches Mikrofon, um sie aufzunehmen. Anders verhält es sich, wenn es neben den zu erfassenden Geräuschen (z. B. Vogelgezwitscher) auch Umgebungsgeräusche gibt. In diesem Fall wird ein empfindliches Mikrofon benötigt, das diesen speziellen Ton einfangen und aufzeichnen kann.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Position des aufzunehmenden Geräusches im Verhältnis zu den Mikrofonkomponenten. Es gibt drei grundsätzliche Richtcharakteristiken.
- Herkömmliche unidirektionale Mikrofone (Richtmikrofon mit Nierencharakteristik) nehmen den Schall aus einer Hauptrichtung in der Regel von vorne auf. Sie sind mit Schalllöchern an der Vorder- und Rückseite der Kapsel ausgestattet. Innerhalb der Kapsel hat der von vorne einfallende Schall Vorrang vor dem von hinten einfallenden. Dadurch wird der von hinten kommende Schall teilweise ausgelöscht, was zu einer einseitigen Richtcharakteristik führt. Unidirektionale Mikrofone eignen sich z. B. für die Sprachsteuerung von Automobilanwendungen.
- Bidirektionale Mikrofone (Rauschunterdrückung bzw. Noise Cancelling) nehmen Töne aus zwei Richtungen auf und zwar in einem kreis- oder kugelförmigen Raum um das Mikrofon herum. Die Schalllöcher an der Vorder- und Rückseite der Mikrofonkapsel fangen den Schall aus diesen Richtungen ein, während Schall von der Seite des Mikrofons zurückgewiesen wird. Mit bidirektionalen Mikrofonen können niedrigere Frequenzen aus der Entfernung (z. B. Windgeräusche) unterdrückt oder zwei verschiedene Audioquellen gleichzeitig aufgenommen werden.
- Omnidirektionale Mikrofone nehmen Schall aus allen Richtungen auf. Sie decken also den größten Bereich aller Mikrofontypen mit Richtcharakteristik ab. Auch tiefe Frequenzen werden aus jedem Abstand gleich gut aufgenommen und dominieren andere Frequenzen nicht. Ein omnidirektionales Mikrofon eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen die Richtung der Schallquelle nicht vorgegeben ist oder bei denen alle Geräusche in einer Umgebung erfasst werden sollen.
ECMs lieben es nicht heiß
Neben der Wahl des optimalen Mikrofons für die jeweilige Anwendung ist auch eine sorgfältige Verarbeitung entscheidend für deren optimale Funktion. Denn ECMs können durch Hitze und / oder elektrostatische Aufladung beschädigt werden. Deshalb müssen sie in einer elektrostatisch geschützten Umgebung verarbeitet und die vorgeschriebenen Lötzeiten sowie -temperaturen müssen unbedingt eingehalten werden.
Ansonsten drohen Schäden an der internen JFET, der Mikrofonmembran und des internen Kunststoffgehäuses, die allesamt hitzeempfindlich sind. Hier können Beschädigungen zu mechanischer Ermüdung und damit zu Empfindlichkeitsänderungen, erhöhten Audio-Verzerrungen bis hin zum Totalausfall führen.
Große Auswahl bei PUI Audio
Eine breite Palette an EMCs für eine Vielzahl von Anwendungen bietet der Hersteller PUI Audio an. Die gängigsten Empfindlichkeiten sind in Größen von 4 mm bis 10 mm Durchmesser und 1,2 mm bis 7 mm Höhe erhältlich. Einige Modelle verfügen über interne 10pF und / oder 33pF Kondensatoren zur Reduzierung von Rückkopplungen. Bei den Anschlussmöglichkeiten besteht die Auswahl aus Lötpads (Achtung: nicht SMD), Pins oder unterschiedlich konfigurierte Kabel, mit oder ohne Stecker.
Zusätzlich zu den Standardmontageoptionen bietet der Hersteller ECMs mit einem Gummifuß und wasserdichtem Filzüberzug an. Diese Mikrofone sind nach der Schutzklasse IP57 zertifiziert und wasserdicht. Hinzu kommen spezifische Varianten für Anwendungen mit hohen Temperaturen. Alle Komponenten sind qualitätsgeprüft, um den zusätzlichen Belastungen durch Feuchtigkeit und Temperatur ohne Beeinträchtigung der Audioqualität standzuhalten.
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