Grenzschalldruckpegel

Was ist der Grenzschalldruckpegel?

Eine absolute Grenze für einen maximalen Schalldruck, den ein Mikrofon aufnehmen kann, existiert nicht, denn es gibt keinen bestimmten Wert, an dem der Schallwandler komplett aussetzen würde. Beim Grenzschalldruckpegel handelt es sich auch nicht um die Grenze, ab welcher das Mikrofon beschädigt werden kann – weit bevor dies der Fall ist, fängt das Mikrofon bei sehr lautem Schall zunächst an, das Signal leicht zu verzerren.

Der Grenzschalldruckpegel ist somit ein definierter Schalldruckpegel in dB, ab welchem der Schall ein verzerrtes Ausgangssignal des Mikrofons erzeugt. „Verzerrt“ heißt, dass der Klirrfaktor eine bestimmte Schwelle überschreitet. Der Klirrfaktor, auch als THD oder Total Harmonic Distortion bezeichnet, wird in % angegeben, er beschreibt das Verhältnis der summierten Leistung der harmonischen Obertöne (siehe Abb. 1) zur Leistung der Grundschwingung. Für die Angabe des Grenzschalldruckpegels sollte die Schwelle bei einem niedrigen Klirrfaktor von 0.5 % definiert werden.

Manche Mikrofonhersteller geben für den Wert zum Teil einen noch größeren oder gar keinen Klirrfaktor an, was dann zu vermeintlich besseren Werten führt. Es muss beim Vergleich also genau betrachtet werden, welcher Klirrfaktor bzw. welche Verzerrung für den Grenzschalldruckpegel vom Hersteller angeführt wird. Es können große Unterschiede von üblicherweise 5-20 dB zwischen diesen Angaben bestehen.

Messung

Nach der Norm IEC 60268-4 wird der Grenzschalldruck gemessen, indem der Schalldruck eines rein sinusförmigen Schalls (von einem Lautsprecher) so weit erhöht wird, bis die Verzerrung am Ausgang des Mikrofons den vorgegebenen Wert erreicht. Dabei gilt derjenige Einfallswinkel, bei dem die größte Verzerrung erfolgt.

Das Problem bei diesem Verfahren sind die Nichtlinearitäten der Schallquelle und der Luft, welche die Messung stark beeinflussen. Die Messung kann deswegen auch anders ausgeführt werden: Verzerrungen durch den akustischen Teil der Kapsel treten im Normalfall erst bei wesentlich höheren Schallpegeln auf als in der Elektronik des Mikrofonverstärkers hinter der Kapsel. Somit kann die Kapsel als ideal angenommen werden und zur Ermittlung des Grenzschalldruckpegels stellvertretend die Aussteuerbarkeit des Verstärkers als Effektivwert in Volt gemessen und mittels der maximalen Empfindlichkeit der Kapsel in mV/Pa in den Grenzschalldruck umgerechnet werden.

Für die Messung der Aussteuerbarkeit muss ebenfalls derselbe festgelegte THD-Wert eingestellt werden. Der Grenzschalldruckpegel ist die zugehörige logarithmische Darstellung in dB mit dem Bezugswert von 20 µPa. 

Die Lastimpedanz, also die Eingangsimpedanz des Gerätes an welchem das Mikrofon bei der Messung des Grenzschalldruckpegels betrieben wird, sollte der kleinsten vom Hersteller empfohlenen Lastimpedanz des Mikrofons entsprechen.

In der Praxis

Typische Werte moderner Kondensatormikrofone für den Grenzschalldruckpegel bei 0.5 % THD liegen im Bereich von 130 dB (z.B. SCHOEPS MK 4 + CMC 6: 131 dB). Dies sind Schalldruckpegel, die in etwa der Schmerzgrenze am Ohr eines Menschen entsprechen, also sehr laute Schallereignisse, welche bei Instrumenten nur selten auftreten. Eine sehr nah mikrofonierte Snare Drum erzeugt beispielsweise Schallpegel in diesem Bereich, eine menschliche Stimme in sehr naher Entfernung nur in Ausnahmefällen. Das Gesangsmikrofon V4 von SCHOEPS kann mit einem noch höheren Grenzschalldruckpegel von 144 dB bei 0.5 % THD sogar einen Gewehrschuss aus einem Abstand von weniger als einem Meter verzerrungsfrei aufnehmen.

Bei Mikrofonen mit geringerer Aussteuerbarkeit empfiehlt es sich, mit einem Dämpfungsglied (z.B. PAD 10 C) den Pegel vor der Kapselelektronik zu verringern. Da ein Dämpfungsglied die Empfindlichkeit des Mikrofons verringert und damit das Rauschen erhöht, sollte es nur bei sehr lauten Schallereignissen verwendet werden. Generell sollte man als Kunde also eher vorsichtig sein, wenn Mikrofonhersteller einen hohen Grenzschalldruckpegel bewerben. Nicht zu vergessen ist auch, dass selbst der Schall selber bei solch hohen Schalldrücken bereits stark verzerrt ist.

Sollte ein Schallereignis sehr laut sein, kann es neben dem Mikrofon selbst auch an dem Eingang, an den das Mikrofon angeschlossen wird (z.B. am Preamp oder Mischpult), zu Übersteuerungen kommen, die oft fälschlicherweise dem Mikrofon angelastet werden. Hierbei empfiehlt es sich, eine Reduktion des Pegels mittels einer sogenannten „Pad-Schaltung“ zu erzeugen. Idealerweise befindet sich diese Schaltung nahe an oder in dem genannten Eingangsgerät. Dadurch wird der Anteil der Störungen, die in das Mikrofonkabel induziert werden, in Bezug auf das Nutzsignal verringert.