Pistonphon
Ein Pistonphon ist ein mechanisch-akustischer Wandler. Es wird auf Grund seiner hohen Genauigkeit als Schalldruckquelle für das Kalibrieren von Mikrofonen und anderen Schallaufnehmern verwendet.
In einem Pistonphon wird die meist elektrisch erzeugte Bewegungsenergie über einen oszillierenden Kolben in Druckschwankungen in einem geschlossenen Volumen umgewandelt. An dieses Volumen kann z. B. ein anderer Wandler, wie z. B. ein Messmikrofon angekoppelt werden.
Die Qualitätsanforderungen an Pistonphone, die für Kalibrierzwecke verwendet werden, sind in der DIN EN IEC 60942 festgelegt.
Beschreibung (Einfache Sprache)
Ein Pistonphon ist ein Gerät, mit dem Mikrofone geprüft werden können. Damit Mikrofone richtig funktionieren, müssen sie geprüft werden. Das passiert zum Beispiel bei der Herstellung. Aber auch, wenn ein Mikrofon besonders genau messen soll, muss man es regelmäßig prüfen. Der Name des Pistonphons kommt vom englischen Wort piston und phon, das bedeutet Kolben und Klang.
Ein Pistonphon erzeugt mit einem Kolben, der sich hin- und herbewegt, einen schwankenden Luftdruck. Die Stärke dieses Luftdrucks ist sehr genau bekannt. Das liegt daran, dass man die Bewegung der Teile des Pistonphons genau kennt. Man setzt nun ein Pistonphon auf ein Mikrofon. Der Luftdruck aus dem Pistonphon bewegt die Membran des Mikrofons. Dann misst man das elektrische Signal des Mikrofons. Man kann nun genau sehen, wie gut das Mikrofon den Schall in elektrische Signale umwandelt.
Aufbau
In einem Zylinder befindet sich ein beweglicher Kolben. Der Zylinder mündet auf der einen Seite in einen Hohlraum, dieser Hohlraum besitzt zwei weitere Öffnungen. Die eine hat eine auf den Zweck angepasste Größe. Hier werden Mikrofone oder Schallmessvorrichtungen ein- oder aufgesetzt, so dass die Öffnung dadurch wieder zum Außenraum vollständig abgedichtet ist. Eine weitere sehr kleine Öffnung dient dem statischen Druckausgleich und ist meist eine Bohrung mit sehr geringem Durchmesser. Der Zylinder ist auf der Außenseite mit einem Aktor verbunden.
Der Aktor kann mechanischer Natur sein, z. B. ein Exzentersystem, das über ein Pleuel mit dem Kolben verbunden ist oder ein elektromagnetischer Wandler.
Funktion
Durch den Aktor wird der Kolben hin- und herbewegt und damit eine periodische Druckschwankung im geschlossenen Volumen erzeugt. Genau bekannt ist das Volumen des Hohlraumes ebenso wie das Arbeitsvolumen des Kolbens. Wird eine sinusförmige Bewegung des Kolbens erreicht und die Periodendauer konstant gehalten, kann im Volumen eine Einzelfrequenz mit genau bekanntem Wechseldruck erzeugt werden. Damit können Drucktransmitter, wie sie in vielen Mikrofonen enthalten sind, exakt kalibriert werden. Anders als eintreffender Schalldruck ist der vom Pistonphon erzeugte Wechseldruck bei den verwendeten Frequenzen praktisch ohne Gradient und somit existiert auch kein nennenswertes und inhomogenes Schallschnellefeld. Dadurch verschwindet die Richtcharakteristik des Mikrofons bei der Messung, was auch gewollt ist.
Die Ausgleichsbohrung für den statischen Druck ist so klein gewählt, dass sie die Messung nicht beeinflusst. Wird die Anregungsfrequenz über einen Bereich variiert, kann eine Übertragungsfunktion des Mikrofons bestimmt werden.
Je nach Konstruktionsprinzip beeinflusst der statische Luftdruck
Entwicklungsgeschichte
Das erste Pistonphon wurde 1917 von Edward C. Wente im Zusammenhang mit der Entwicklung und Test eines Kondensatormikrofons beschrieben. In den Zwanzigerjahren wurden Pistonphone weiterentwickelt, um Mikrophone korrekt kalibrieren zu können. Diese verwendeten zunächst Kolben, die durch eine exzentrische Mechanik angetrieben wurden. Diese konnten Frequenzen bis etwa 200 Hz erzeugen. Da Exzenterscheiben und Pleuelstangen durch ihre Massen die erzeugbaren Frequenzen des Mikrofons beschränkten und zugleich Reibungsgeräusche produzierten, wurden Pistonphone entwickelt, deren Kolben durch Spulen angetrieben wurden. Da die Auslenkung des Kolbens dann nicht mehr durch die Bewegung einer Exzenterscheibe exakt definiert war, musste wiederum ein Kalibrierverfahren für das Pistonphon eingeführt werden. Das wurde z. B. durch ein eingebautes Mikrofon mit wohlbekannten Eigenschaften erreicht. Moderne Pistonphone besitzen ein Laserinterferometer, mit dem die Auslenkung des Kolbens exakt eingestellt werden kann. Pistonphone, die nur eine Frequenz erzeugen, verfügen heute über eine Nockenwelle, die kleine Zylinder auf das geschlossene Volumen wirken lässt, so dass die Volumenänderung wieder exakt bestimmt ist.
Verwendung
Handelsübliche Mikrofone für Sprach- und Musikaufnahmen müssen in der Regel nicht auf ihre Empfindlichkeit kalibriert werden. Diese spielt beim Einsatz keine große Rolle. Viel wichtiger ist die Einhaltung des Frequenzgangs. Da das Pistonphon oft nur auf die Erzeugung einer einzigen Frequenz oder eines sehr schmalen Frequenzbereich optimiert ist, hat es in diesem Bereich keine Bedeutung.
Wandler, die eine exakte Empfindlichkeit aufweisen müssen, sind z. B. Schalldruckaufnehmer in Schalldruckpegelmessgeräten und in künstlichen Ohren. Bei diesen Geräten wird durch die Konstruktion und weitere Messungen sichergestellt, dass der Frequenzgang eine entsprechende Genauigkeit und Form besitzt. Zur Kalibrierung wird dann mit einem Pistonphon die Empfindlichkeit bei der Messfrequenz festgestellt und die Empfindlichkeit bei allen anderen Frequenzen davon abgeleitet.
Einzelnachweise
- ↑ R. E. de Haan: Design of a pistonphone. In: Applied Scientific Research. Band 24, Nr. 1, 1. Dezember 1971, ISSN 1573-1987, S. 1–20, doi:10.1007/BF00411701.
- ↑ E. C. Wente: A Condenser Transmitter as a Uniformly Sensitive Instrument for the Absolute Measurement of Sound Intensity. In: Physical Review. Band 10, Nr. 1, 1. Juli 1917, ISSN 0031-899X, S. 39–63, doi:10.1103/PhysRev.10.39 (aps.org [abgerufen am 13. Oktober 2026]).
- ↑ E. C. Wente: The Sensitivity and Precision of the Electrostatic Transmitter for Measuring Sound Intensities. In: Physical Review. Band 19, Nr. 5. American Physical Society, 1. Mai 1922, S. 498–503, doi:10.1103/PhysRev.19.498 (aps.org [abgerufen am 13. Oktober 2026]).