Kann Schalldruck Mikrofone zerstören (z. B. Baßdrum)?

[Lärmbelästigung]

Danke... ich hatte schon Angst um meine 50 Jahre alten Beyerdynamic-Bändchen...

Bei Bändchen wär ich vielleicht vorsichtiger, siehe Astronautenkost.

 

[Astronautenkost]

Wie kommst Du auf einen Kapseldurchmesser von 50 mm/zwei Zoll? Üblich bei Großmembrankapseln sind Durchmesser von 2,5 bis 3 Zentimeter. Also die Hälfte!

 

[Technika]

Wie kommst Du auf einen Kapseldurchmesser von 50 mm/zwei Zoll? Üblich bei Großmembrankapseln sind Durchmesser von 2,5 bis 3 Zentimeter. Also die Hälfte!

Korrekt. Damit sind wir dann bei 70N also rund 7kg. Und für jede 6db weniger ist es nur noch die Hälfte. Also bei 188db noch rund 3,5kg, 182db 1,75kg,... ab jetzt hilft nur noch ein Praxistest. Wer erklärt sich bereit sein u47 zu opfern?

 

[Signalschwarz]

Ich halte es für unwahrscheinlich, dass im Probenraum einer Punknachwuchsband ein U 87 oder U 47 fet rumliegt.

Ist das jetzt geringschätzig gegenüber der Musikrichtung Punk oder denen, die diese Musik spielen oder gegen Nachwuchsbands im allgemeinen? Gibt's dafür auch einen -ISMUS?

Gibt ja auch Leute, die kaufen sich relativ hochpreisige Multi-I/O-Audio-Interfaces und können sie nicht konfigurieren, dazu dann irgendwelche teuren Kistchen, denen sie Wunder zusprechen und am Ende fehlen diesen Leute Grundkenntnisse über digitalem Audio und dennoch betreiben sie etwas, das sie Mastering nennen. Also ich will damit sagen, dass heutzutage alles möglich ist.

 

[Lärmbelästigung]

Wie kommst Du auf einen Kapseldurchmesser von 50 mm/zwei Zoll? Üblich bei Großmembrankapseln sind Durchmesser von 2,5 bis 3 Zentimeter. Also die Hälfte!

Naja, 1 Zoll ist üblicherweise die Untergrenze dessen, was man als Großmembran bezeichnet. Das wären 2,54 cm. Dann landest Du eben bei 7-10kg. Immer noch reichlich.

Aramid (Kevlar) als eines der reißfestesten Materialien liegt so bei 2800N/mm² Zugfestigkeit, gewalzter Stahl je nach Vergütung bei 500-1500, PVC als typischer Kunststoff bei 65.

2,5cm Durchmesser ergibt nicht ganz 80mm Umfang. Bei einer Materialstärke von 10µm ist das (hab ich die Kommastellen richtig?) ein Querschnitt von 0,8mm² bei gleichmäßiger Aufhängung am äußeren Rand.

Da kommts dann schon aufs Material an, mit PVC gehts sicher nicht, mit Kevlar ist es kein Problem. Allerdings nur unter der Bedingung, daß die Belastung absolut gleichmäßig erfolgt, was ja nicht ganz stimmt weil wir es im Zweifel mit einem Impuls und evtl. auch Partialschwingungen zu tun haben. Ist also nur eine grobe Näherung.

Bei den 194dB würde ich kein Monatsgehalt auf ein billiges Chinesenmikro wetten. Aber die mußt Du auf der Trommel erstmal erreichen, das ist ja das theoretische Maximum. Da 6dB weniger die Belastung jeweils halbieren ist die Gefahr bei praktisch erreichbaren Werten auch mit eher billigen Membranen marginal bis nicht vorhanden.

 

[Astronautenkost]

Korrekt. Damit sind wir dann bei 70N also rund 7kg. Und für jede 6db weniger ist es nur noch die Hälfte. Also bei 188db noch rund 3,5kg, 182db 1,75kg,... ab jetzt hilft nur noch ein Praxistest. Wer erklärt sich bereit sein u47 zu opfern?

Ich habe das U 47 fet natürlich schon an der Bassdrum gehabt. War eine gute Aufnahme. Sonst ist nichts passiert. Schlagzeug geht nicht über 135 dB. Außer Du verwendest TNT. Wie gesagt, packt das U47 fet 147 dB ohne zu verzerren.

 

[Lärmbelästigung]

Da liefert z.B Geschrei bzw extrem lautes Singen, eine Trompete u.ä ungleich höhere Pegel

Vorsicht: die Frequenzen sind nicht vergleichbar. Und gefährlich aus mechanischer Sicht sind die tiefen Frequenzen, weil die viel Masse bewegen. Daß jemand mit 20-30 Hz singt oder schreit ist eher unüblich, und wenn dann nicht mit nennenswertem Schalldruck.

Ich bin ja nicht dagegen daß das Problem in der Praxis nicht relevant ist. Aber wenn man analysiert warum dann sollten die Argumente schon schlüssig sein.

 

[Mfk0815]

Hmm, wir reden doch über Schalldruck und da ist die Frequenz, mit der dieser Druck erzeugt wird, unerheblich. Zumindest wenn mich meine Physikkenntnisse nicht komplett täuschen.

Und das mit den größeren Massen bei tieferen Frequenzen bedeutet doch auch dass man ungleich mehr Energie aufbringen muss um den selben Schalldruck zu erzielen. Oder?

Zudem wird die mechanische Belastung bei gleichem Schalldruck und höheren Frequenzen auf Bauteile, die diesem Druck ausgesetzt werden, z.B ein Membran eines Mikros, wohl auch höher sein, da viel öfters ein Zyklus der Be- und Entlastung des Materials erfolgt. Wohlgemerkt, immer im Vergleich der Frequenzen bei gleichem Schalldruck.

 

[whitealbum]

Danke... ich hatte schon Angst um meine 50 Jahre alten Beyerdynamic-Bändchen...

No Fear, das ist hier eine theoretische Diskussion...bis zum nächsten Vulkanausbruch in der nächsten Umgebung (Grüße in die Eifel :-D )

Mit die lauteste Quelle bei moderner Musik ist das Schlagzeug, bspw. Snare oder Kick.
Ca. um die 135dB bei üblich nahem Abstand gemessen.

Beyerdynamic gibt als Einsatzquelle für ihr M160 auch die Snare an.
Das M160 haben wir selbst oft an der Snare oder HiHat.
Das ist kein Problem.

Aber, was Bändchen schnell zerstören kann ist Luftzug, also wenn man meint in eine Bändchen reinzupusten, das MUSS man tunlichst unterlassen.


Die Angaben zu max. SPL variieren auch in Bezug auf die Verzerrung.
Schoeps gibt 130dB bei 0,5% THD an, bei 1% germessen ist das höher, was man immer noch nicht als deutliche Verzerrung wahrnimmt.

Ich zitiere von der Schoeps Seite:
"In der Praxis

Typische Werte moderner Kondensatormikrofone für den Grenzschalldruckpegel bei 0.5 % THD liegen im Bereich von 130 dB (z.B. SCHOEPS MK 4 + CMC 6: 131 dB). Dies sind Schalldruckpegel, die in etwa der Schmerzgrenze am Ohr eines Menschen entsprechen, also sehr laute Schallereignisse, welche bei Instrumenten nur selten auftreten. Eine sehr nah mikrofonierte Snare Drum erzeugt beispielsweise Schallpegel in diesem Bereich, eine menschliche Stimme in sehr naher Entfernung nur in Ausnahmefällen. Das Gesangsmikrofon V4 von SCHOEPS kann mit einem noch höheren Grenzschalldruckpegel von 144 dB bei 0.5 % THD sogar einen Gewehrschuss aus einem Abstand von weniger als einem Meter verzerrungsfrei aufnehmen."

Wohlgemerkt verzerungsfrei!
So lange man auf die Membran nicht gerade mit einem Gewehr direkt draufknallt, hält die Membran ;-)

AT4081 ein weiteres Bändchen gibt 150dB bei 1% THD an.
Absurder Schallpegel, der bei musikalischen Quellen nicht auftaucht.


ABER:

Im Jahre 1883 verursachte ein Ausbruch eines Vulkans auf der Insel Krakatau's einen extrem hohen Schalldruckpegel von 180dB, wohlgemerkt gemessen in einer
Entfernung von 160km vom Ausbruch entfernt!
Tja, ich denke in so einem Falle hat man eh' ein anderes Problem, als sich darüber sorgen zu machen, ob die Membran hält :-D

 

[Lärmbelästigung]

Das war jetzt nur eine statische Rechnung, richtig. Ich ging einfach mal davon aus, daß wir auf jeden Fall Bruch haben, wenn irgendein Bauteil seine mechanische Belastungsgrenze statisch überschreitet, weil das dann halt nachgibt. Das ist natürlich eine starke Vereinfachung.

Auch was die statischen Parameter betrifft: die angegebenen schnell ergoogelten Zugfestigkeiten sind wahrscheinlich nicht die elastischen, sondern die plastischen Belastungsgrenzen, d.H. die geben sozusagen an was man da mindestens dranhängen muß damit es abreißt.

Tatsächlich wird jedenfalls eine entsprechende Herstellerangabe einerseits noch einen Sicherheitsfaktor beinhalten, andererseits wird die Belastbarkeit durch Alter, nicht völlig homogene Verarbeitung (egal ob die Aufhängung der Membran jetzt geklebt, geschraubt oder verschweißt ist, ganz 100% homogen und zentriert wird das ja nie sein) und ungleichmäßige Belastung (daß die Wellenfront exakt frontal auf die Membran trifft ist eine ebenfalls recht unwahrscheinliche Idealisierung) sinken.

Die Frequenz kann man denke ich bei der Betrachtung erstmal weitgehend ignorieren, weil der Schalldruck einer Baßtrommel zu höheren Frequenzen hin aufgrund der großen Fellfläche und der Art der Erregung deutlich abnimmt. Selbst unter der Annahme konstanter Leistung sinkt mit der Frequenz der Hub und damit auch der Druck.Die Erregung und damit das Leistungsmaximum erfolgt aber bei einem Schlag einmalig auf der Grundfrequenz.

Aber natürlich ist die Belastung ein Impuls. Die Rigger sehen z.B. für Stahlseile bei dynamischer Belastung durch Stürze nicht umsonst einen Sicherheitsfaktor von 10 vor, weshalb beispielsweise Safeties von Scheinwerfern manchmal geradezu lächerlich monströs für die angegebene Belastbarkeit erscheinen (ich hab hier z.B. welche, mit denen kannst Du definitiv ein Auto abschleppen, die sind als Safety für Geräte bis 23kg bei max. 10cm Fallhöhe spezifiziert). Also ist diese Tatsache schon verschärfend zu werten. Auch das Auftreten von Resonanzen könnte die Belastung natürlich erhöhen.

Man muß die Betrachtung also eher als eine Schwelle sehen, deren deutliche Überschreitung mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Schaden produziert. Sie zeigt indes, daß die ursprüngliche Behauptung, die Membranfläche habe gar keine Relevanz, zumindest was diese Schwelle betrifft einfach nicht stimmt, denn wie wir weiter oben im Faden gesehen haben steigt die statische Belastung mit dem Membrandurchmesser eindeutig an. Und die dynamische Belastbarkeit kann nicht größer sein als die statische.

Außen vor sind da ja auch noch andere potentielle Schäden, z.B. Bruch von Lötstellen, Platinen oder elektronischen Bauteilen durch auftretende Vibrationen oder dergleichen. Das ist alles außen vor.

 

[Mfk0815]

Hmm, 100 dB Schalldruck sind ein gewisser Druck, egal ob statisch oder durch einen Frequenzerreger. Und ich bin mir sicher dass ein Trompetenmundstück höhere Drücke zustande bring als ein Bassdrumfell. Bedenke dass Druck in Kraft pro Fläche definiert wird. Und es es ist einfacher auf z.B 4mm2 einen hohen Druck aufzubauen als bei ~292000 mm2 (24“ Bassdrum). Wenn man von 100 Pascal für 134 dB Schalldruck ausgeht dann sind das umgerechnet 0,001 bar also ein Gramm auf einem Quadratmillimeter. Vier Gramm mit dem Mund zu erzielen halte ich machbar, 1,2 Tonnen, oder 500 kg wenn man davon ausgeht dass man beim Fell nur partielle Auslenkungen erreicht, mit dem Fuß, hmm.
Aber ist eigentlich egal. In der Praxis funktionieren Mikrofone mit real existierenden Schallquellen sich noch etwas besser als die humanen Trommelfelle. Und ich denke dass die max SPL Angaben bei Mikrofonen auch mehr mit der Grenze für verzerrungsfrei Signale ist, denn der maximalen Belastung der verwendeten Bauteile.

 

[Astronautenkost]

Und ich denke dass die max SPL Angaben bei Mikrofonen auch mehr mit der Grenze für verzerrungsfrei Signale ist, denn der maximalen Belastung der verwendeten Bauteile.

So ist es!

Ich ging einfach mal davon aus, daß wir auf jeden Fall Bruch haben, wenn irgendein Bauteil seine mechanische Belastungsgrenze statisch überschreitet, weil das dann halt nachgibt. Das ist natürlich eine starke Vereinfachung.

Ich bin kein Physiker, aber wir haben es ja nicht mit statischer mechanischer Belastung, sondern mit Impulsen in Gasen zu tun. Der Schalldruck auf eine Mikrofonmembran wird ja durch die Luft übertragen.

 

[Zelo01]

Wenn wir schon bei der Physik sind: Druck=Kraft/Fläche. Das heißt, je größer die Membran, desto geringer der Druck bei gleicher Kraft

Die Gleichung stimmt. Dennoch hat sich ein Fehler eingeschlichen.

Der Schalldruck muss ja unverändert bleiben, denn er wird von der Bassdrum erzeugt. Das Mikrofon hat auf den Schalldruck der Bassdrum kein Einfluss.
Also muss die Variable in der Gleichung, die Kraft die auf die Membran wirkt sein, da der Schalldruck gegeben ist.

Insofern hast du recht, dass bei beiden Mikrofonen pro Quadratmillimeter Fläche die selbe Kraft wirkt. Da eine grössere Membran mehr Fläche hat, erhöht sich die Kraft. Sie wird jedoch auch auf eine grössere Fläche verteilt.

Aus mechanischer Sicht, ist für die Zerstörung des Mikrofons mMn die Bauart entscheidend. Bzw das Verhältnis zwischen Membranfläche, und der Aufschlagsfläche im Endanschlag.
Bsp:
Grosse Membran + grosse Aufhängung = normale Belastung an der Aufhängung
Grosse Membran + kleine Aufängung = massiv höhere Belastung an der Aufhängung.
Kleine Membran + grosse Aufhängung = sehr kleine Belastung an der Aufhängung.


Ein ähnlicher Effekt wie bei der Zerstörung von Parkettböden.
Eine zierliche 60kg Frau mit Highheels, zerstört ein Parkettboden vermutlich mehr, als dies ein 3 Tonnen Elefant tun würde. Der Elefant verteilt sein Gewicht auf eine viel grössere Fläche.

 

[Technika]

ür Stahlseile bei dynamischer Belastung durch Stürze nicht umsonst einen Sicherheitsfaktor von 10 vor

du Vergisst die 20cm fallweg. Das 12-fache der bruchkraft also.

 

[Lärmbelästigung]

Insofern hast du recht, dass bei beiden Mikrofonen pro Quadratmillimeter Fläche die selbe Kraft wirkt. Da eine grössere Membran mehr Fläche hat, erhöht sich die Kraft. Sie wird jedoch auch auf eine grössere Fläche verteilt.

Der einwirkende Druck bleibt konstant, denn er wird von der Basstrommel erzeugt. Also steigt die Kraft, die an der Aufhängung zerrt, mit der Membranfläche. Die resultierende Kraft ist das Produkt aus dem einwirkenden Druck und der Fläche, auf die dieser einwirkt.

Diese Kraft muß statisch betrachtet irgendwo hin, wird also in die Membranaufhängung abgeleite.

Wenn wir davon ausgehen, daß die Fläche kreisförmig ist, nur am Rand aufgehängt ist und gleichmäßig belastet wird, verteilt sich also diese Kraft auf den Membranumfang.

Eine Verdoppelung des Membrandurchmessers bedeutet eine Vervierfachung der Membranfläche, also eine Vervierfachung der auf die Membran insgesamt einwirkenden Kraft, aber nur eine Verdoppelung des Membranumfangs.

Also verdoppelt sich mit doppeltem Membrandurchmesser auch die Belastung (die ebenfalls als Kraft pro Fläche auszudrücken ist) an der Aufhängung. Das ist einfache Geometrie - und nebenbei das Grundprinzip eines Schalltrichters, der so im Grunde aus wenig Druck auf einer großen Fläche viel Druck auf einer kleinen Fläche macht.

Hinzu kommen theoretisch noch dynamische Belastungen, z.B. wird die Membrane weil sie sich ja bewegt einen Teil der Energie quasi durch Walken (abwechselndes Dehnen und Stauchen) in Wärme umwandeln. Das heizt sie erstmal auf, was unwesentlich sein dürfte weil diese Wärme per Konvektion und Abstrahlung sicher ausreichend abgeführt wird.

Dauerndes Walken in hoher Intensität belastet allerdings jedes Materialgefüge, was im Extremfall zu einem sogenannten Ermüdungsbruch führt, der durch alterungsbedingte Versprödung und Korrosion noch begünstigt wird. Fies an diesen Brüchen ist, daß sie schleichend auftreten und deshalb seltenst auf eine konkrete Belastung als Ursache zurückzuführen sind. Da kann Dir jeder Brückenbauer, Möbelkonstrukteur oder Autobauer ein Lied von singen.

Bedeutet: wenn tatsächlich mal ein Kapselschaden an einem U87 auftreten sollte, wirst Du vielleicht gar nicht in der Lage sein, den auf einen bestimmten Einsatz an der Basstrommel zurückzuführen. Erstens, weil der erst lange danach erkennbar wird und zweitens, weil das vielleicht nur einer von vielen beteiligten Einflüssen war. Um das zu untersuchen, könnte man nur die Häufung derartiger Schäden statistisch in Abhängigkeit von häufigen Einsätzen in der Basstrommel auswerten. Wird aber vermutlich nichtmal Neumann selbst machen, weil solche Schäden viel zu selten sind. Man bräuchte da ja mehrere 100 defekte U87 samt lückenloser Einsatzdokumentation um eine Stichprobengröße mit statistisch ausreichender signifikanz zu kriegen.

 

[Mfk0815]

Ach du meine Güte, jetzt wird ziemlich obskur. Reissfestigkeit und Biegefestigkeit sind ziemlich unterschiedlich je nach Material, z.B kann man ein Gummiband leichter durch dehnen reissen denn durch biegen, nur so als Beispiel. Und von welchen kräften reden wir hier überhaupt? Bei einem Zoll Membrandurchmesser sind das ca 500 Gramm bei ca 135 dB, die sich in Biege- und Zugkraft auf die Membrane aufteilen. Und das auch nur wenn da nur eine frei aufgespannte Membrane existieren würde. Durch den Mechanischen Aufbau der Membrane ist das deutlich besser, da quasi ein Gegendruck entsteht.
Und für den Druck ist es übrigens unerheblich wie groß die erzeugende Fläche mal war, denn Druck definiert sich nun mal mit Kraft pro Flächeneinheit, also z.B N/mm2.

 

[Zelo01]

Danke fürs präzisieren.

Natürlich sind all deine Ausführungen korrekt. Ich wollte nicht zusehr ins Detail gehen, natürlich sind das alles Faktoren die mitentscheinden.

mir ging es rein um die Physik, und die Formel: Druck=Kraft/Fläche. Dass der Schalldruck nichts mit dem Mikrofon zu tun hat, dass dieser von der Bassdrum gegeben ist. Folglich bei veränderter Fläche die Kraft die Variable ist, nicht der Druck.

Nachtrag:

denn Druck definiert sich nun mal mit Kraft pro Flächeneinheit, also z.B N/mm2

Genau.
Bsp, Immer der selbe Druck, bei verschiedener Membrangrösse:
1mN / 1mm2
1N / 1000mm2
1kN / 1m2

Die Kraft verändert sich proportional mit der Fläche bei gleichbleibendem Druck.

 

[Astronautenkost]

wenn tatsächlich mal ein Kapselschaden an einem U87 auftreten sollte, wirst Du vielleicht gar nicht in der Lage sein, den auf einen bestimmten Einsatz an der Basstrommel zurückzuführen. Erstens, weil der erst lange danach erkennbar wird und zweitens, weil das vielleicht nur einer von vielen beteiligten Einflüssen war.

Normalerweiser müssen Kapseln überarbeitet werden, weil die Membran im Laufe der Jahrzehnte verdrecken. Dass es zu Rissen oder Brüchen kommt ist rein hypothetisch. Und in den professionellen Studios müssen Großmembrankondensatoren auch Pauken und Trompeten ertragen, was sie ohne Probleme tun.

Großmembrankonesatorkapseln haben heute in der Regel Membrane aus PE, in seltenen Fällen (M7) auch aus PVC oder Nickel (M 70) und Titan. Die Membrane bei Bändchenmikros sind aus Aluminiumfolie. Jeder weiß aus dem Haushalt, dass die mechanisch empfindlich sind.

Membrane für Tauchspulenmikros sind in der Regel aus dickerem Kunststoff. Früher waren sie mal aus Guttapercha wie beim AKD D 19. Guttapercha ist feuchtigkeitsempfindlich, deshalb haben sich da nur Mikros gehalten, die in erster Linie als Instrumentenmikros genutzt wurden und nicht als Vocalmikros.

 

[Lärmbelästigung]

Aus mechanischer Sicht, ist für die Zerstörung des Mikrofons mMn die Bauart entscheidend. Bzw das Verhältnis zwischen Membranfläche, und der Aufschlagsfläche im Endanschlag.

Der Endanschlag ist in der Betrachtung bisher quasi gar nicht enthalten. Muß er auch nicht, denn wenn die Membrane flächig auf die Rückplatte klatscht geht sie erstmal nicht kaputt. Außer natürlich die Kraft wird so groß daß sie die Rückplatte wegdrückt aber das wäre nochmal um Größenordnungen mehr.

Gefährlich ist die andere Richtung, in der es keinen "Endanschlag" gibt. Da muß die Membrane die gesamte Kraft in ihre Aufhängung ableiten, denn woanders kann die Kraft nicht hin.

Ach du meine Güte, jetzt wird ziemlich obskur.

Deshalb schrieb ich übrigens "theoretisch" dazu.

Das war die erste Antwort vieler Physiker auf die Relativitätstheorie allerdings auch, denn die erklärte ja erstmal nur minimale Abweichungen zu den Vorhersagen Newtons, die man zunächst für Meßtoleranzen hielt

Die Tatsache, daß eine große Fläche mehr Kraft und damit auch mehr Membranauslenkung bedeutet, ist nebenbei eigentlich der Grund dafür, große Membranen zu nehmen. Denn das bedeutet höhere Empfindlichkeit, solange die Massenträgheit der Membran dem nicht entgegenwirkt. Das Kondensatormikro macht ja im Prinzip nichts anderes als den Verlauf des Abstands zweier Elektroden kapazitiv zu messen.

Für PE wird auf https://www.hug-technik.com/inhalt/ta/kunststoff.html eine Zugfestigkeit von 24N/mm² angegeben, für PVC 65N/mm². Man kann das durch mechanische und thermische Behandlung oder Beschichtungen für Folien allerdings m.W. recht stark variieren. Ich weiß auch nicht, wie dick so eine Membran wirklich ist, würde aber vermuten daß man die eher dünn und leicht halten will.

 

[Astronautenkost]

Ich weiß auch nicht, wie dick so eine Membran wirklich ist, würde aber vermuten daß man die eher dünn und leicht halten will.

Ist keine Geheimwissenschaft.

Die Membrandicke bei Kondensatorkapseln beträgt zwischen 5 bis 10 µm. Der Abstand zwischen Membran und Elektrode beträgt ca. 20 bis 50 µm. Ich empfehle dir zur Information "das Mikrofonbuch"

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