Montage von Mikrofonen und Lautsprechern in Intercomsystemen

Für die erfolgreiche Implementierung unserer OEM-Sprechstellenmodule wollen wir hier einen Überblick über allgemeine Zusammenhänge und Best-Practice-Hinweise zur Montage von Mikrofonen und Lautsprechern geben. Für eine eingehende, individuelle Beratung, Analyse oder zur Parametrierung Ihrer Anwendung stehen wir gern zur Verfügung.

Sprechstellen dienen im Allgemeinen zum einseitigen oder bi-direktionalen Informationsaustausch nach dem Sender-Empfänger-Prinzip. Die Sprecherseite wird als nahes Ende, die Hörerseite als fernes Ende bezeichnet.

Damit die zu übertragende Information auf der Empfangsseite vollständig verstanden werden kann, müssen u.a. folgende Voraussetzungen erfüllt sein:

• Ausreichend hoher Aufnahmepegel für unterschiedlich laute Sprecher
• Niedriger Rausch- und Störgeräuschpegel
• Reproduzierbare und stabile Signalübertragung
• Möglichst geringer Verzerrungsanteil
• Ausreichend hoher Wiedergabepegel für unterschiedlich empfindliche Hörer

Um diese allgemeinen Anforderungen zu erfüllen, sollten bei der Konzeption und Entwicklung einige grundlegende konstruktive, akustische und elektrische Aspekte berücksichtigt werden. Dieser Blogbeitrag soll Sie dabei unterstützen.

Meist stellt der akustische Übertragungskanal die größere Herausforderung dar, da hier von wechselnden Bedingungen ausgegangen werden muss:

• Unterschiedlich laute Sprecher
• Verschiedene Stimmlagen der Sprecher
• Variierende Sprechabstände
• Raumhall
• Dynamische Störgeräusche
• Wechselnde Störpegel

Zusätzlich zu diesen Einflüssen, die nur sehr begrenzt gesteuert werden können, gibt es häufig konstruktive Vorgaben, die beim Einbau von Lautsprechern und Mikrofonen einzuhalten sind und zu Kompromissen bei der akustischen Qualität führen können:

• Designvorgaben
• Vandalismusgeschützter oder verdeckter Einbau
• Vorgegebene Positionen für Lautsprecher und Mikrofon
• Geringes Gehäusevolumen
• Montagevorgaben

Aufgrund dieser und weiterer Randbedingungen ist es notwendig, für den jeweiligen Anwendungsfall passende Komponenten auszuwählen und diese so zu implementieren, dass eine maximale akustische Qualität erreicht wird.

Der elektrische Übertragungskanal umfasst die gesamte Übertragungsstrecke vom Mikrofon am nahen Ende über die interne Signalverarbeitung und Übertragungsstrecke bis zur Wiedergabe am Lautsprecher am fernen Ende. Auch hier gibt es Parameter, die beeinflusst werden können und solche, die als gegeben akzeptiert werden müssen.

Rahmenbedingungen, die nicht beeinflussbar sind, können unter anderem folgende sein:

• Art der Signalübertragungsstrecke zwischen Sender und Empfänger
• Wechselnde Kodierung des Signals während der Übertragung (z. B. bei Mobilfunkstrecken)
• Vorhandene Schnittstellen
• Signalkonvertierungen im Zuge der Übertragung
• Externe Störeinflüsse

Im Zuge der Entwicklung kann jedoch beispielsweise auf folgende Eigenschaften eingewirkt werden:

• Festlegung von Bandbreite, Zielpegel, Headroom, zulässiges Grundrauschen
• Elektrisches Design und Layout
• Reduzierung und/oder Abschirmung von Störgrößen im Gerät
• Strukturierte Verstärkung von Mikrofon und Lautsprecher
• Empfindlichkeit und Eigenrauschen von Mikrofonen
• Kennschalldruck, Frequenzgang und Leistung von Lautsprechern
• Veränderbare Signalverarbeitungsparameter (u. a. Störgeräuschunterdrückung, Echokompensation, Kompression)

Generell sollte darauf geachtet werden, dass der Signalpegel an den Ein- und Ausgängen aller Bearbeitungsblöcke im gesamten Übertragungspfad einen ausreichend hohen SNR und Headroom aufweist.

Auch bei der Implementierung von Komponenten, die nicht der Sprachübertragung dienen, sollte auf deren Auswirkungen auf die Kommunikationspfade geachtet werden (z.B. EMV-Verhalten). Besonders bei analogen Systemen ist dies unerlässlich, um eine hohe Sprachqualität zu erreichen.

Mikrofontypen und Parameter

Mikrofone sind elektromechanische Wandler, die Schallwellen in elektrische Signale konvertieren und damit die Schnittstelle zwischen akustischem und elektrischem Übertragungskanal bilden. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Mikrofontypen in einer nahezu endlosen Anzahl an Varianten, Größen und Kenndaten.

Die für Sprechstellen üblichsten Typen sind gegenwärtig Elekretmikrofonkapseln und MEMS-Mikrofone. In der nachfolgenden Tabelle werden typische Werte der gängigsten Parameter verglichen.

Natürlich sind auch Mikrofone erhältlich, die von den aufgeführten Werten teilweise deutlich abweichen. Grundsätzlich lassen sich sowohl analoge als auch digitale Mikrofone für nahezu jeden Einsatzfall finden. Entscheidend ist, die für die geplante Anwendung relevanten Parameter vor der Implementierung zu identifizieren und passende Wertebereiche festzulegen.

Statt Einzelmikrofonen werden inzwischen auch häufig Mikrofonarrays eingesetzt, mit denen sich vielfältige Richtwirkungen mit starker richtungsabhängiger Störgeräuschdämpfung von über 20 dB, Quellenverfolgung, Lokalisierung mehrerer Sprecher etc. realisieren lässt. Dies ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Sprachverständlichkeit am fernen Ende.

Neben dem Frequenzgang ist meist vor allem die Empfindlichkeit, das Eigenrauschen und der Maximalschalldruck entscheidend. Da Mikrofonsignale im Allgemeinen vor der weiteren Verarbeitung recht hoch verstärkt werden, wird an dieser Stelle auch das Eigenrauschen und evtl. vorhandene Störsignale im gleichen Verhältnis angehoben und dadurch hörbar. Die Empfindlichkeit sollte also so gewählt werden, dass das Mikrofon bei einem durchschnittlich lauten Sprecher im geplanten Sprechabstand ein ausreichend hohes Ausgangssignal erzeugt, um die Verstärkung niedrig halten zu können. Ist eine hohe Verstärkung nötig, so sollte das Eigenrauschen möglichst niedrig sein.

Der verzerrungsarme Maximalschalldruck kommt beim Rückkopplungspegel zum Tragen. Dieser ergibt sich aus dem Signal, dass am nahen Ende vom Lautsprecher ins Mikrofon eingekoppelt wird und liegt häufig mehr als 20 dB über dem eigentlichen Nutzsignal. Er darf nicht zu signifikanten Verzerrungen oder gar zur Übersteuerung des Mikrofoneingangs führen, da Echokompensationsalgorithmen nur unverzerrte Signale aus dem gesendeten Signal entfernen können. Zu hohe Verzerrungen führen deshalb zu deutlich hörbaren Echodurchbrüchen und Artefakten am fernen Ende.

Aufgrund der typischerweise sehr geringen Ausgangsspannungen von einigen hundert Mikrovolt bis zu wenigen Millivolt und der relativ hohen Ausgangsimpedanz bei analogen Mikrofonen ist das übertragene Signal sehr empfindlich gegen externe Störungen durch elektromagnetische oder kapazitive Einkopplung. Deswegen muss hier vor allem bei größeren Leitungslängen penibel auf eine geerdete Schirmung und störungsarme Leitungswege geachtet werden.

Um kleine Signale über größere Strecken oder entlang potenzieller Störquellen zu senden, sollte eine symmetrische Datenübertragung mit geschirmten 2-Draht-Leitungen verwendet werden. Dies erfordert zwar ggf. zusätzlichen Schaltungsaufwand, verhindert die Einkopplung von Störungen jedoch sehr zuverlässig. Sollte dies nicht möglich sein, muss darauf geachtet werden, dass über die Mikrofonmasse keine Masseschleife aufgebaut wird.

Digitale Mikrofone bieten an dieser Stelle einen entscheidenden Vorteil. Insofern das Leitungsdesign den Anforderungen für hochfrequente, gepulste Signale entspricht, ist die Datenübertragung äußert störfest. Da viele Audiocodecs und DSPs intern mit digitalen I2S-Streams arbeiten und entsprechende Schnittstellen anbieten, erfolgt die A/D-Wandlung direkt im Mikrofon, wodurch die analoge Strecke auf ein Minimum reduziert wird. Für die Übertragung über längere Strecken muss das digitale Signal ggf. in ein geeignetes Format wie S/PDIF oder A2B konvertiert werden.

Bei der Platzierung und Montage des Mikrofons sollten folgende Aspekte berücksichtigt werden:

• Um den Rückkopplungspegel minimal zu halten, sollte das Mikrofon ca. 20 cm vom Lautsprecher entfernt montiert werden. Dieser Abstand kann jedoch in Abhängigkeit vom Anwendungsfall und dem geplanten Wiedergabepegel variieren.
• Das Mikrofon muss mit einer geeigneten Dichtung vom Innenraum des Gehäuses isoliert werden. Die Dichtung sollte aus weichem Vollgummi und nicht aus porösen Materialien bestehen, insofern der Lautsprecher ohne ein geschlossenes Rückvolumen im gleichen Gehäuse verbaut ist. Die Mikrofondichtung sollte im montierten Zustand leicht komprimiert sein, um eine sichere Abdichtung zum Gehäuseinneren zu gewährleisten.
• Es darf im Gehäuse keine Übertragungswege zwischen Lautsprecher und dem Schallkanal des Mikrofons geben (z.B. durch Luftspalte bei mehrlagigen Gehäusen).
• Der Schallkanal sollte möglichst kurz sein und einen gleichbleibenden oder nach außen hin zunehmenden Durchmesser haben.
• Das Mikrofon sollte so gelagert werden, dass es keine Gehäuseschwingungen aufnehmen kann.
• Gerichtete Mikrofone mit mehreren Schallöffnungen dürfen nicht in ein geschlossenes Gehäuse montiert werden, da dann Geräusche aus dem Gehäuseinneren erfasst werden.
• Das Gerätegehäuse darf auch bei maximalem Wiedergabepegel keine Eigengeräusche (Klappern, Dröhnen, Surren etc.) erzeugen. Diese würden als laute Störgeräusche ans ferne Ende übertragen werden.

Lautsprecher sind in einer ähnlichen Vielfalt wie Mikrofone erhältlich. Üblicherweise kommen dynamische Lautsprecher zum Einsatz.

In Abhängigkeit vom Einsatzzweck und den technischen Rahmenbedingungen des Zielgeräts sollten Lautsprecher zum Einsatz kommen, die folgende Bedingungen erfüllen:

• Zur Anwendung passender Frequenzgang
• Zum Gerätekonzept passende mechanische Daten
• Zur Anwendung passender Kennschalldruck
• Genügend RMS-Leistung, um geplanten Zielpegel zu erreichen
• Geringe Verzerrungen beim geplanten Zielpegel
• Ausreichende Leistungsreserven, um Signalspitzen ohne signifikante Verzerrungen wiedergeben zu können

Die verfügbare Verstärkerleistung sollte im Bereich der Peak-Leistung des Lautsprechers oder leicht darüber liegen. Wird das Signal des Wiedergabepfades mehrstufig verstärkt, sollte auf eine geeignete Strukturierung geachtet werden.

Bei der Montage von Lautsprechern sollten folgende Punkte berücksichtigt werden:

• Stabile Montage im Gehäuse, so dass auch bei hohen Pegeln keine Vibrationsgeräusche entstehen können.
• Ausreichend Freiraum vor dem Speaker, so dass die Membran bei hohen Pegeln ausgelenkt werden kann, ohne an Gehäuseteilen anzuschlagen.
• Der Lautsprecherkorb darf bei der Montage nicht deformiert werden.
• Frontgitter sollten eine möglichst große durchströmbare Fläche aufweisen.
• Die Rückseite des Lautsprechers muss durch den Einbau von der Vorderseite isoliert werden.
• Das Rückvolumen des Lautsprechers muss ausreichend groß sein.
• Wenn möglich sollte ein abgeschlossenes Rückvolumen vorgesehen werden, um die Lautsprecherrückseite vom Mikrofon zu trennen.