Ingenieur entwickelt qualitatives, günstiges Labormikrofon für nur 30 USD

Der Akustikingenieur Peter Riccardi hat ein eigens entwickeltes Labormikrofon vorgestellt, das mitunter aus dem 3D-Drucker stammt und mit einem Preis von 30 USD zu einem der kostengünstigsten zählt.

Im Arsenal eines Akustikers bzw. eines Akustiklabors sind hochwertige Labormikrofone ein elementares Werkzeug, denn diese bieten die benötigte Präzision physikalische Signale zu erfassen. Herkömmliche Kondensatormikrofone können jedoch weit mehr als 1000 USD kosten, wodurch allein durch das Budget bereits eine erhebliche Limitierung entsteht.

Auf seiner Hackaday-Projektseite schreibt Riccardi: “Die Qualität solcher Mikrofone ist hervorragend, aber es gibt Alternativen für Bastler und Enthusiasten, die eine vergleichbare Leistung für einen Bruchteil des Preises bieten.”

Diesen Gedanken fasste auch der Akustikingenieur Peter Riccardi und entwickelte sein eigenes Labormikrofon. Hierfür entwarf er ein Gehäuse und stellte es mittels 3D-Druck her. In dieses baute er vier MEMS-Mikrofone, wodurch der Preis bei rekordverdächtigen 30 USD landete.

Das Mikrofon soll ein ähnliches Grundrauschen, einen ähnlichen Frequenzgang, eine ähnliche Ebenheit und eine ähnliche Empfindlichkeit im Audioband von 20 Hz bis 20 kHz bieten.

Entwurf und 3D-Druck des Mikrofons

Die Elektronik teile der Ingenieur auf zwei Platinen auf, wovon die erste die MEMS-Trägerplatte ist. Die vier Mikrofone wurden kreisförmig auf einer Leiterplatte montiert und verkabelt. Die zweite Platine dient als Hauptplatine, die alle Eingänge und die Signalaufbereitung regelt.

Für die Unterbringung entwickelte Riccardi ein zylindrisches Gehäuse in SolidWorks, dessen Form und Größe and handelsüblichen Mikrofonen angelehnt sind, und druckte es in zwei Teilen aus einfachem PLA.

Er fügt hinzu: “Da die gesamte mechanische Baugruppe aus einem Bogen besteht, ist sie recht robust und kann herumgeschleudert werden, ohne dass man befürchten muss, das Gehäuse zu beschädigen oder zu zerbrechen. Die Öffnung für die MEMs-Trägerplatte muss in Zukunft noch angepasst werden, da nur sehr wenig Material vorhanden ist und große Spannungskonzentrationen auf die Schicht-zu-Schicht-Verbindung wirken. Im Moment funktioniert es aber ganz gut.”

Riccardi sagte, er habe bewusst vier MEMS-Mikrofone verwendet. Da jedes MEMS-Element einen Basiswert an elektrischem Rauschen aufweist, musste er diese parallelschalten, um so einen gemilttelten Rausch-Wert zu erhalten, dem er leichter entgegenwirken kann. Typische Kondensatormikrofone haben ein ausgezeichnetes Signal-Rausch-Verhältnis mit Empfindlichkeiten von etwa 50 mV/Pa.

Hält die Leistung stand?

Die Tests führte Riccardi in einer halbschalltoten Kammer durch. Hier verwendete er ein Datenerfassungssystem NI 4431 von National Instruments, um den Frequenzgang und die Rauschmessungen des Geräts mit denen eines PCB Piezotronics 378B20 Freifeld-Kondensatormikrofons zu vergleichen

Die Ergebnisse waren schließlich so gut, dass selbst Riccardi sich beeindruckt zeigen musste. Der Frequenzgang im Audioband war ausreichend flach und seine Empfindlichkeit erwies sich als hoch genug, um reale Messungen durchzuführen, obwohl diese klarerweise niedriger war als die des PCB-Mikrofons. Das kommerzielle Gegenstück konnte jedoch im Bezug auf die Leistung im Bereich unterhalb der 200Hz überboten werden.

Er schreibt: “Es müssen noch weitere Experimente durchgeführt werden, um das Mikrofon noch genauer zu charakterisieren. Aber die vorläufigen Ergebnisse sind sehr vielversprechend und der Preis macht es unmöglich, es zu ignorieren.”

Details und herunterladbare Dateien für das 3D-gedruckte Mikrofon können auf Riccardis Hackaday-Projektseite gefunden werden.