Toleranzen bei der Mikrofonherstellung

Betrachtet man die Empfindlichkeit eines Mikrofons auf dem Datenblatt, entdeckt man einen Nennwert und eine Tolerant für diesen angegebenen Wert. Beispielsweise kann man die Empfindlichkeit als Ausgangsleistung des Mikrofons bei einem Schalldruckpegel von 94 dB angeben. Auf dem Datenblatt sieht das dann so aus:

Empfindlichkeit, nominal ±3 dB bei 1kHz: 20 mV/Pa; -34 dB re. 1V/Pa.

Was bedeutet nominal? Warum sind Toleranzen erforderlich? Wie hoch ist die Genauigkeit der Mikrofonspezifikationen?

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Bei jeder Produktion –  auch bei der Herstellung von Mikrofonen – wird das Produkt so konzipiert, dass es bestimmte vordefinierte Angaben (Nennwerte) einhält. Diese Angaben können sich auf alles beziehen, was messbar ist: Abmessungen, Farbe, elektrische Ladung und so weiter.

Um die Fertigungskontrolle zu bestehen, müssen die Angaben des hergestellten Bauteils innerhalb bestimmter Grenzen liegen. Wenn z.B. das Gehäuse einer Mikrofonkapsel mechanisch etwas abweicht, kann es vorkommen, dass der Vorverstärker nicht passt. Ebenso werden einzelne Mikrofone unterschiedlich klingen und sich anders verhalten, wenn Empfindlichkeit und Frequenzgang bestimmte Grenzwerte nicht einhalten.

Toleranzen in der Fertigung

Bei jedem Produktionsschritt kommt es zu Abweichungen von den Sollwerten. Das gilt für mechanische, elektrische oder andere Vorgaben. Natürlich ist immer absolute Präzision erwünscht – die gibt es allerdings nicht. Deshalb werden Toleranzen eingeführt. Auch wenn das Hauptaugenmerk auf einer gleichbleibenden Qualität liegt, durchläuft ein Mikrofon während seiner Herstellung viele Prozesse und jeder dieser Prozesse hat einen Sollwert und eine Toleranz.

Jeder Prozess kann zu einem von drei möglichen Ergebnissen führen: genau den Nennwert getroffen, zu niedrig oder zu hoch. In der Realität ist es jedoch sehr wahrscheinlich, dass der Wert entweder zu niedrig oder zu hoch ist.

Die Summe aller Teilprozesse der Mikrofonproduktion (oder jeder anderen Produktion) kann als Dreieck dargestellt werden, in dem die Ausgänge der jeweils einzelnen Teilprozesse illustriert werden. Auf diese Weise lässt sich veranschaulichen, dass es ganz unterschiedliche Wege gibt, über die ein einzelnes Mikrofon zu seiner finalen Form kommen kann.

1: Veranschaulichung, wie einzelne Prozessdurchläufe zu multiplen Ergebnissen führen können. Oben gibt es nur zwei Ergebnisse, aber wenn man den roten Pfeilen folgt, sind viele Möglichkeiten offen. Die Herstellung eines 5-mm-Miniaturmikrofons lässt sich beispielsweise in mehr als 100 Teilprozesse unterteilen und beinhaltet viele Materialien und Komponenten, die jeweils mit einem Nennwert und einer Toleranz versehen sind.

Prozesse und Materialien können optimiert werden, um die Wahrscheinlichkeit des gewünschten Ergebnisses zu erhöhen, aber es ist unmöglich, jedes Mal exakt die gleichen Werte zu erhalten. Daher geben die Hersteller einen Nennwert mit einem Toleranzbereich um diesen herum an.

Toleranzen im Messvorgang

Toleranzen gelten nicht nur für die Herstellung, sondern auch für die Messung eines Produkts. Die Messtoleranz bezieht sich sowohl auf die Genauigkeit der Messtechnik selbst als auch auf die Anzeigegenauigkeit der Messdaten. Normalerweise werden Zahlen gerundet, um einen Wert darzustellen, der genau genug ist, um das Ergebnis zu beschreiben.

Abbildung 2 zeigt einen professionellen akustischen Kalibrator für Messmikrofone. Dieses Gerät liefert einen sehr genauen Schallpegel von 94 dB SPL (1 Pa), der als Referenzwert bezeichnet wird. (Das abgebildete Gerät kann auch +20 dB mehr ausgeben.) Es gilt als hochpräziser Kalibrator, der beste seiner Klasse. In den technischen Daten dieses Kalibrators wird jedoch eine Genauigkeit von ±0,2 dB angegeben.

Abbildung 2: Professioneller akustischer Kalibrator (Brüel & Kjær Typ 4231)

Außerdem kann das Gerät zum Ermitteln des Ausgangspegels eine ähnliche Genauigkeit aufweisen.
Die Toleranzen addieren sich, wenn sie auf dem Datenblatt angegeben werden. Siehe Abbildung 3 zur Summierung der Toleranzen.

Abbildung 3: Die Toleranzen bestimmen die Genauigkeit der endgültigen Produktspezifikation.

Demzufolge unterliegt der endgültige Messwert Toleranzen. Bei DPA beträgt die Summe aller Messtoleranzen ± 0,5 dB, wie oben dargestellt.

Verteilung der Werte innerhalb der Toleranzen

Es gibt zwei gängige Methoden, um Mikrofone innerhalb bestimmter Toleranzen herzustellen.

Selektion. Man produziert nach besten Möglichkeiten, aber die Empfindlichkeitswerte können stark variieren. Dann können die Produkte gewählt werden, die innerhalb der festgelegten Toleranzen liegen. Die blaue Kurve im nachfolgenden Diagramm zeigt die zu erwartete Verteilung innerhalb der Grenzwerte auf der Grundlage dieser Methodik.

Präzision. Man arbeitet präziser und strebt den Zielwert während des Produktionsprozesses an. Toleranzen sind nach wie vor vorhanden. Die Anzahl der Produkte, die im Grenzbereich der Toleranz befinden, ist jedoch deutlich geringer. Die meisten Mikrofone liegen entweder auf dem Zielwert oder sehr nahe dran, auch wenn die angewandten Toleranzen die gleichen sind wie bei der Methode „Selektion“. DPA Mikrofones arbeitet nach diesem Prinzip.

Abbildung 4: Das Ergebnis von zwei verschiedenen Produktionsstrategien. Die blaue Kurve zeigt den Produktionsertrag bei Selektion innerhalb der Toleranzgrenzen. Die rote Kurve zeigt den Ertrag bei Kontrolle während des Produktionsprozesses. Bei Letzterem, der von DPA angewandten Methode, liegen mehr Produkte näher am Sollwert (grüne Linie).

Was bedeuten Toleranzen für Anwender?

Bei größeren Produktionen, z.B. in Theatern, müssen Mikrofone des gleichen Typs identische Leistung bringen. Wenn ein Mikrofon – aus welchem Grund auch immer – ausfällt, sollte es möglich sein, dieses einzelne Mikrofon zu ersetzen, ohne das gesamte System neu kalibrieren zu müssen. Im Theater, im Rundfunk, bei Konferenzproduktionen und in ähnlichen Situationen sollten alle identischen Mikrofontypen die gleiche Leistung aufweisen.

Wenn nur ein einziges Mikrofon eingesetzt wird, ist das weniger kritisch (oder spielt überhaupt keine Rolle), da die absolute Empfindlichkeit in der Regel durch eine Pegelanpassung ausgeglichen werden kann.

Fazit

Jedes Mikrofon, das von DPA gekauft wird, wurde ausführlich auf Beibehaltung extrem enger Empfindlichkeitstoleranzen getestet. Die Miniaturmikrofone der 4060-Serie mit Kugelcharakteristik haben wie beschrieben eine Empfindlichkeitstoleranz von ±3 dB. Die Subminiature-Lavaliermikrofone der 6060-Serie haben sogar noch engere Empfindlichkeitstoleranzen (± 2.4 dB, d.h. ± 1.9 dB Fertigungstoleranzen ± 0.5 dB Messtoleranz). Bezüglich der Konsistenz von Klang und Empfindlichkeit kann man sich auf DPA verlassen.