Mikrofon-"Interface" für der LineIn Eingang der Soundkarte.

Nach einer Idee von Michael Eisenmann, Albert-Einstein-Gymnasium, Ulm/Donau


Für Messungen mit der Soundkarte eignen sich Kondensator-Mikrofone besonders gut. Sie sind preisgünstig und einfach zu erhalten. Oft bekommt man sie in Form von Elektret-Mikrofonen, die auch noch einen Verstärker für den Line-In Eingang enthalten. Diese Mikrofon Kapseln haben dann drei Anschlüsse, einen für Masse, einen für die Versorgungsspannung (+) und einen für den Signalausgang.
Eine solche Schaltung mit dem Elektret-Mikrofon EM3 wurde bereits auf dem Landesbildungsserver beschrieben.

Durch die drei Anschlüsse wird die Beschaltung und damit ein Nachbau relativ kompliziert. Manchmal haben die gekauften Mikrofone auch nur zwei Anschlüsse.

Wie geht man dann vor?


Wie funktioniert ein Kondensator- oder Elektret-Mikrofon?

Beschaltung eines Kondensatormikrofons

Skizze 1

Wie der Name schon besagt, ist ein Kondensatormikrofon ähnlich wie ein Plattenkondensator aufgebaut:
zwei Elektroden stehen sich gegenüber, eine davon ist dünner und als Membran ausgelegt.

Treffen Schallwellen auf diese Elektrode, so verändert sich der "Plattenabstand" im Takt der Schallwellen.
Dadurch ändert sich die Kapazität C des Kondensatormikrofons. (Es gilt C = ε*0εr * A / d - wobei ε*0 und εr Konstanten sind, A die Plattenfläche und d der Plattenabstand)

Das Kondensatormikrofon wird von einer Gleichspannungsquelle versorgt. In der Tontechnik ist dies die sogenannte Phantomspannung von 48 V. Hier wird eine Batterie oder ein Akku verwendet.

Wenn sich die Kapazität C des Kondensatormikrofons ändert, dann ändert sich damit auch die Ladung auf den "Kondensatorplatten". (Q = C * U).
Es fließt also Ladung durch den Widerstand R auf die Platten bzw. von ihnen herunter. Durch diesen Widerstand ergibt sich also ein Strom, an seinen Enden erhält man ein Spannungssignal, das im Takt der Tonfrequenz schwankt.

Dieses Spannungssignal wird über einen Kondensator ausgekoppelt um den Gleichspannungsanteil der Batterie zu blockieren und einem Kanal des Line-In-Eingangs der Soundkarte zugeführt.


Der Bauvorschlag.

Für die Bestimmung der Schallgeschwindigkeit benötigt man die Laufzeitdifferenz eines Schallsignals zwischen zwei Mikrofonen. Man braucht daher die Schaltung von oben zweimal, wobei der Signalausgang einmal dem linken Kanal und einmal dem rechten Line-In Kanal der Soundkarte zugeführt wird. Die Spannungsquelle kann dabei für beide Kanäle verwendet werden.

Dies ist die Schaltung, wie sie Herr Eisenmann auf der Basis eines Applikationsvorschlags von Conrad verwirklicht hat.

Die Farben der Bauelemente beziehen sich auf die Skizze 1 auf dieser Seite.

Die gestrichelte Leitung ist die gemeinsame Masseleitung, also die Schirmleitung der Anschlusskabel.

Die Dimensionierung der Bauteile ergibt sich aus der Schaltskizze.

Beschaltung des Interfaces
Aufbau des Interfaces bei geöffnetem Deckel

Die ganze Schaltung kann leicht auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden, ohne dass man eine Platine ätzen muss. Notfalls ist sogar eine "fliegende Verdrahtung" denkbar. (Auf Kurzschlüsse achten!)

Auf dem Photo des Geräts von erkennt man rechts zwei Mono-Buchsen für 3,5 mm Klinkenstecker. Hier werden handelsübliche "Computer-Mikrofone" angeschlossen.
Es eignen sich dabei z.B. 993182 und 994618 von Conrad bzw KCM-99 und KCM-86TI von Mükra ( vgl. Bezugsquellen).

Links erkennt man eine Stereo-Buchse. Hier wird ein Stereokabel mit 3,5 mm Klinkenstecker eingesteckt. Das andere Ende wird mit dem Line-In Eingang der Soundkarte verbunden.

Als Spannungsversorgung dient eine einfache Mignonbatterie. Der Halter für die Batterie wird einfach (z.B. mit Heißkleber) ins Gehäuse eingeklebt.

Ebenso sind alle Elektret-Mikrofonkapseln mit zwei Anschlüssen (die verschiedenen EMY-Typen von Conrad) , sofern man die Versorgungsspannung und den Widerstand entsprechend anpasst.

Werden die Mikrofone abgezogen, erfolgt keine Entladung der Batterie (außer der Selbstentladung).

Das Interface ist sehr einfach, robust und im Alltag in Schülerpraktika bewährt.

Ein weiterer Vorteil ist, dass man handelsübliche und preisgünstige Computermikrofone (s.o.) anschließen kann. Daher ist dann - mit Ausnahme von ggf. anzufertigenden Ständern für die Mikros - keine weitere Bastelarbeit mehr nötig.

Ebenso geeignet sind alle Elektret-Mikrofonkapseln mit zwei Anschlüssen (die verschiedenen EMY-Typen von Conrad) , sofern man die Versorgungsspannung und den Widerstand entsprechend anpasst.
Diese haben allerdings keine Halterung und keinen Stecker, man muss also Halterungen basteln und Anschlüsse löten.

Viel Erfolg beim Nachbau !

Verkabelung der Mikrofone

Beispiel einer Messung.

Beispielaufnahme einer Messung Die Aufnahme zeigt eine Laufzeitmessung bei einem Mikrofonabstand von 3 m mit einer Samplerate von 48000, aufgezeichnet mit CoolEdit.
Die Laufzeit für den markierten Bereich (=Laufzeit des Schallsignals) kann hier optional auch in der Anzahl der Samples gemessen werden (s.rechts unten in der Anzeige).
Im Beispiel waren dies 418 Samples was einer Laufzeit von 8,71 ms entspricht.
(418 Samples / 48000 Samples/s).

 

Kontakt zum Autor : Michael.Eisenmann@t-online.de


Alle Photos und Beschaltungsskizze, Michael Eisenmann, Ulm/Donau
Skizze1 und Text, Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver