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Entwicklung kostengünstiger Lärmüberwachungsterminals (NMT) Basierend auf MEMS-Mikrofonen

Der Artikel zeigt und diskutiert ein Beispiel von NMTs mit MEMS-Mikrofonen, die Klasse 1 gemäß IEC 61672-1 erfüllen.

Die rasante Entwicklung von MEMS-Mikrofonen (Micro-Electro-Mechanical Systems) in den letzten zehn Jahren ermöglichte deren Einsatz in Geräuschmessinstrumenten, die der Spezifikation IEC 61672-1 entsprechen. Vor fünfzehn Jahren boten die verfügbaren MEMS-Mikrofone nur einen Dynamikbereich von 60 dB, während moderne MEMS-Mikrofone eine Dynamik von 100 dB bieten. Ein solch großer Dynamikbereich von MEMS-Mikrofonen sowie ihre verbesserte Wiederholbarkeit und Langzeitstabilität ermöglichten die Entwicklung kostengünstiger Lärmüberwachungsterminals für die Lärmüberwachung. Insbesondere einer dieser NMTs (Svantek SV 307A) bietet den linearen Messbereich von 30 dBA Leq ÷ 128 dBA Peak, was sich als optimal für städtische Lärmüberwachungsanwendungen erweist.

Niedrige Kosten für MEMS-Mikrofone ermöglichen die Entwicklung innovativer Designs für kostengünstige Lärmüberwachungsterminals mit Funktionen wie einer Anordnung mehrerer Mikrofone für eine dynamische Systemprüfung.

Lärmüberwachungsterminals mit Mems-Mikrofonen

Da es keine spezifische Norm für Lärmüberwachungsterminals gibt, werden für den Bau von Lärmüberwachungsterminals zwei Standards verwendet: IEC 61672-1 über die Fähigkeit des Instruments, Schallpegel zu messen, und ISO 1996-2 für Lärmüberwachungsanwendungen.

Im Folgenden sind die wesentlichen NMT-Eigenschaften gemäß IEC 61672-1 aufgeführt, die in diesem Artikel erwähnt wurden: linearer Betriebsbereich, Frequenzgang, Richtungseigenschaften und Temperaturbetriebsbereich. Mit der Messanwendung sind weitere Anforderungen verbunden, darunter Langzeitstabilität, Robustheit gegenüber Umgebungsbedingungen, Stromversorgung und Kommunikation. ISO 1996-2 verfügt über zusätzliche Kriterien wie GPS, Frequenzanalyse und Überwachung der Wetterbedingungen (Wind, Regen, Temperatur, Luftfeuchtigkeit), die in diesem Artikel nicht behandelt werden.

noise monitoring terminal

Was ist ein NMT?

Der Begriff „Noise Monitoring Terminal“ (NMT) bezieht sich auf Instrumente zur automatisierten kontinuierlichen Lärmüberwachung, die die A-bewerteten Schalldruckpegel, ihre Spektren und alle relevanten meteorologischen Größen wie Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Regen, Luftfeuchtigkeit, Atmosphäre überwachen Stabilität (siehe ISO 1996-2:2017).

Entwicklung kostengünstiger Lärmüberwachungsterminals

Lärmüberwachungsterminals, die den ISO- und IEC-Spezifikationen entsprechen, sind recht teure Geräte. Die Kondensatormikrofone, die bei der Kalibrierungsprüfung mit dem elektrostatischen Aktuator zusätzliche Anforderungen erfüllen müssen, sind einer der Gründe für ihre hohen Kosten. Bei der Auswahl eines Mikrofons muss auch die Frage berücksichtigt werden, wie lange es lange hält. Hinzu kommen Langzeitstabilität und Umweltbeständigkeit, die wichtige Faktoren bei der Auswahl von Mikrofonen in der oberen Preisklasse sind.

Mit dem Aufkommen von MEMS-Mikrofonen wurde die Preisgrenze durchbrochen, da ein MEMS-Mikrofon im Durchschnitt weniger als 5 Euro kostet. Zusätzlich zu den NMT-Kosteneinsparungen sanken auch die Preise für Reparaturdienste.

Der Einsatz von MEMS-Mikrofonen hat aufgrund ihres vielseitigen Designs, ihrer größeren Immunität gegenüber Hochfrequenzstörungen (RFI) und elektromagnetischen Störungen (EMI), ihren geringen Kosten und ihrer Umweltbeständigkeit zugenommen. Diese Widerstandsfähigkeit gegenüber wechselnden Umgebungsbedingungen ist besonders wichtig für langfristige akustische Überwachungsanwendungen in strengen Wintern mit Minusgraden und heißen und feuchten Sommern.

Inhaltsverzeichnis

Was ist ein MEMS-Mikrofon?

MEMS-Mikrofone (Micro Electrical Mechanical System) bestehen aus drei Hauptteilen: SENSOR (Mikrofon), ASIC und Gehäuse. Der SENSOR und der ASIC sind zusammen in einem Hohlraum verpackt, der von einem Substrat und einem Deckel umgeben ist.

Ein Schalleinlass (akustischer Port) ist entweder im Substrat oder im Deckel vorhanden und meist direkt im MEMS-Hohlraum positioniert.

Der in Abbildung 1 gezeigte SENSOR ist ein miniaturisiertes polarisiertes Kondensatormikrofon mit einer typischen Polarität von 50 V. Eine Oberfläche, die sogenannte Rückplatte, ist fixiert und von einer Elektrode bedeckt. Die andere Oberfläche, die Membran, ist beweglich und hat viele Löcher, also akustische Löcher.

Eine Schallwelle, die durch die akustischen Löcher der Rückplatte dringt, versetzt die Membran in Bewegung und erzeugt eine Kapazitätsänderung zwischen den beiden entsprechenden Oberflächen. Dieses wird vom Application-Specific Integrated Circuit (ASIC) in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Es gibt zwei Arten von MEMS-Mikrofonen: analoge und digitale. Beim analogen Typ enthält ein ASIC einen Impedanzwandler (Vorverstärker) und eine Ladungspumpe zur Erzeugung einer Polarisationsspannung. Der ASIC des digitalen Mikrofons enthält zusätzlich einen Sigma-Delta-A/D-Wandler mit PDM-Ausgang. Das PDM-Format ist eine Standardeingabe für die meisten auf dem Markt erhältlichen Codecs (ein pulsdichtemoduliertes PDM-Format ist ein 1-Bit-Datenstrom mit hoher Abtastrate).

In diesem Artikel besprechen wir die NMT unter Verwendung eines MEMS-Mikrofons mit analogem Ausgang.

Elektrische Prüfung von NMT mit MEMS nach IEC 61672-1

Die IEC 61672-1 verlangt die Bereitstellung eines elektrischen Äquivalents des Mikrofons für elektrische Tests. Im Fall von MEMS-Mikrofonen ist dies eine anspruchsvolle, aber mögliche Aufgabe.

example of mems microphone construction

Abbildung 1. Beispiel für den Aufbau eines MEMS-Mikrofons.

Abbildung 2. Wandler und ASIC eines analogen MEMS-Mikrofons

Typical analog MEMS microphone block diagram

Abbildung 3. Typisches Blockdiagramm eines analogen MEMS-Mikrofons

Studie: Vergleich der wichtigsten Spezifikationen zweier NMTs: Mems-basiert und Kondensatormikrofon-basiert

In diesem Abschnitt vergleichen wir die Funktionen eines MEMS-basierten NTM mit denen eines NMT, das auf einem Kondensatormikrofon basiert. Beide NMTs wurden im Jahr 2022 von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zur Konformität mit IEC 61672-1 zugelassen. Die Leistung zweier NMTs wurde verglichen:

  • Svantek SV 200A basiert auf einem vorpolarisierten Freifeld-Kondensatormikrofon MK 255S mit einer Nennempfindlichkeit von 50 mV/Pa
  • Svantek SV 307A basiert auf dem MEMS-Mikrofon ST 30A (½-Zoll-Gehäuse) mit einer Nennempfindlichkeit von 36 mV/Pa

Wie in Abbildung 4 dargestellt, verwendet der SV 200A NMT vier MEMS-Mikrofone, die an einer Seite des Gehäuses angebracht sind, um die Geräuschrichtung zu erfassen.

Svantek SV 307A (left) and Svantek SV 200A (right)

Abbildung 4. Svantek SV 307A (links) und Svantek SV 200A (rechts)

Linearer Arbeitsbereich gemäß IEC 61672-1

Die typische Außengeräuschmessung wird im Bereich zwischen 30 dBA und 125 dBA durchgeführt, was den Dynamikbereich von 100 dB erfordert (hier definiert als Differenz zwischen dem A-gewichteten Grundrauschen und dem maximalen Schalldruckpegel innerhalb der Toleranz).

Der erste Typ von MEMS-Mikrofonen (2008) hatte einen begrenzten Dynamikbereich, der etwa 60 dB betrug. Die zweite Generation von MEMS-Mikrofonen (2018) bietet einen Dynamikbereich von 100 dB und ermöglicht den Einsatz bei Lärmmessungen in der Umgebung.

In jedem Pegelbereich und bei der angegebenen Frequenz müssen die von einem NMT gemessenen Abweichungen der Schallpegel innerhalb der Akzeptanz von IEC 61672-1 liegen. Der Vergleich zeigt Folgendes:

  • Der lineare Betriebsbereich des NMT SV 200A beträgt: 25 dBA ÷ 133 dBA Peak
  • Der lineare Betriebsbereich des NMT SV 307A beträgt 30 dBA Leq ÷128 dBA Peak.

Die Vorgaben für Umgebungslärmmessungen werden in beiden Fällen durch den linearen Arbeitsbereich erfüllt.

Frequenzgang gemäß IEC 61672-1

Lärmüberwachungsterminals gemäß IEC 61672-1 sollten einen spezifizierten Frequenzgang für den Schall haben, der aus einer Hauptrichtung in einem akustischen Freifeld oder aus zufälligen Richtungen auf das Mikrofon einfällt.

Beide Anschlüsse erfüllen die Frequenzgangkriterien dank Kompensationsfiltern, die die Frequenzeigenschaften verbessern und die Norm IEC 61672-1 erfüllen, wie die folgenden Abbildungen zeigen.

Frequency response of SV 200A NMT with a condenser microphone.

Abbildung 5. Frequenzgang des SV 200A NMT mit einem Kondensatormikrofon.

Frequency response of SV 307A NMT with MEMS microphone

Abbildung 6. Frequenzgang des SV 307A NMT mit MEMS-Mikrofon.

Richtungsverhalten gemäß IEC 61672-1

Für jede Frequenz im NMT-Bereich besteht das Ziel des Richtungsverhaltensdesigns in einer gleichmäßigen Reaktion auf Geräusche aus allen Richtungen des Schalleinfalls. Die IEC 61672-1 gibt Akzeptanzgrenzen für Abweichungen von den Designzielen vor. Für Schallpegelmesser der Klasse 1 wird die Frequenz des Schallsignals mit bis zu 12,5 kHz und für Schallpegelmesser der Klasse 2 mit bis zu 8 kHz angegeben. Die folgenden Abbildungen vergleichen die Richtcharakteristik von NMT mit einem Kondensatormikrofon und einem MEMS-Mikrofon, die beide der Spezifikation IEC 61672-1 entsprechen.

Directional response of SV 307A (left side) and SV 200A (right)

Abbildung 7. Richtungsverhalten von SV 307A (linke Seite) und SV 200A (rechts)

Temperaturbetriebsbereich

IEC 61672-1 definiert zwei Toleranzstufen für Außenlärm: Klasse 1 und Klasse 2. Diese Bereiche regeln den Temperaturbereich von -10 °C bis +50 °C sowie 0 °C bis +40 °C. Sie sind wesentliche Faktoren bei Umgebungslärmmessungen bzw. Umgebungslärmüberwachungen.

Bei realen Messungen sollte zumindest der Temperaturbereich für NMT nicht kleiner sein als
(-10°C) bis +50°C, was auf die großen Temperaturschwankungen bei Außenmessungen zurückzuführen ist. In der Praxis sollte ein Temperatureinsatzbereich von -20°C bis +60°C vorgesehen werden.

Der Temperaturbetriebsbereich von:

  • SV 307A basiert auf MEMS: basierend auf MEMS: Der Betriebsbereich ist von (−20 °C) bis +60 °C angegeben

  • SV 200A basierend auf Kondensatormikrofon: wird von (−30 °C) bis 60 °C spezifiziert

Langzeitstabilität

Bei der Betrachtung von NMT ist die Langzeitstabilität ein entscheidender Gesichtspunkt, da es sich bei der Lärmüberwachung um eine unbeaufsichtigte Art der Messung handelt. Bei der Langzeitlärmüberwachung verweist die Norm ISO 1996-2 auf die Akustikprüfung ISO 20906/Amd1:2013 zur Überprüfung der NMT-Empfindlichkeit. Die ISO verlangt die Installation einer automatisierten Systemprüfung, die meldet, ob das System ordnungsgemäß funktioniert oder möglicherweise fehlerhaft ist.

Beim SV 200A kommt eine klassische Systemprüfung auf Basis eines elektrostatischen Aktors zum Einsatz. Allerdings ist der Einsatz eines elektrostatischen Aktors bei Außenmessungen problematisch und kostspielig, vor allem aufgrund der erforderlichen Hochspannung und der Umgebungsbedingungen.

MEMS-Mikrofone können aufgrund des Gehäuses nicht mit elektrostatischen Aktuatoren getestet werden, aber die geringe Größe macht es möglich, ein Multi-Mikrofon-Array in einem ½-Zoll-Mikrofongehäuse zu entwerfen.

Mithilfe eines solchen Arrays kann eine kontinuierliche dynamische Systemprüfung basierend auf dem tatsächlich gemessenen akustischen Signal durchgeführt werden. Das Konzept des dynamischen Systemchecks nutzt einen kontinuierlichen Vergleich der Mikrofonempfindlichkeit. Zusätzlich zur dynamischen Systemprüfung kann die akustische Signalquelle zur Offline-Mikrofonprüfung (z. B. mit 100 dB Pegel) genutzt werden.

Stromversorgung und Kommunikation

Bei der Lärmüberwachung sind Strom und Kommunikation einer der wichtigsten Faktoren. Bei der unbeaufsichtigten Messart müssen die Daten an entfernte Server übertragen werden. Die beliebteste Kommunikationsform ist GSM. Beide Modelle SV 307A und SV 200A nutzen 4G-Modems.

In vielen Fällen werden die Straßenlaternen als Stromquelle für NMT genutzt. In einer solchen Situation besteht die Möglichkeit, dass es tagsüber keinen Strom gibt. Daher sollte NMT eine Akkulaufzeit von mindestens 24 Stunden haben. Durch den Einsatz von MEMS mit extrem geringem Stromverbrauch ist es einfacher und kostengünstiger, diese Anforderungen zu erfüllen.

Mikrofonstoßfestigkeit

Schäden an klassischen Kondensatormikrofonen durch mechanische Erschütterungen sind eine der höchsten Kostenquellen bei Geräuschmessungen. Aufgrund ihrer Konstruktion sind MEMS-Mikrofone äußerst robust und halten Stößen bis zu 10.000 g (100.000 m/s2) stand.

Fähigkeit zur Systemintegration

Die auf MEMS-Mikrofonen basierende Lärmüberwachung lässt sich sehr einfach und kostengünstig in andere Umgebungsüberwachungssysteme integrieren.

Schlussfolgerungen

  • Wie im Artikel gezeigt, ist die Leistung von NMT-Mikrofonen auf Basis von MEMS und klassischen Kondensatormikrofonen durchaus vergleichbar. Dadurch stellt der Einsatz von MEMS-Mikrofonen in NMT sicher, dass Parameter wie linearer Betriebsbereich, Frequenzgang, Richtungsgang und Temperaturbetriebsbereich der IEC 61672-1 entsprechen. Bei der Ausarbeitung der Anforderungen für Lärmüberwachungsterminals können weitere Faktoren wie Robustheit gegenüber Umgebungsbedingungen, Stromverbrauch und Datenaustausch berücksichtigt werden.
  • Aufgrund des kostengünstigen Designs und der sehr guten Leistung sind NMT-Systeme auf Basis von MEMS-Mikrofonen die richtige Wahl für die Mehrpunkt-Lärmüberwachung in Smart Cities.

Fordern Sie weitere Informationen an
auf dem SV 307A Lärmmonitor












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