Akustische IoT-Sensoren für den Außenbereich werden zunehmend eingesetzt, um langfristige Lärmtrends in der Umgebung von Industrieparks, Fabrikgeländen und anderen großen Außenbereichen zu erfassen. Im Gegensatz zu Geräten zur kurzfristigen Tonaufzeichnung können diese Sensoren über Monate oder Jahre hinweg installiert bleiben und akustische Daten unter wechselnden Temperatur-, Feuchtigkeits- und Umgebungsbedingungen erfassen.
Bei dieser Art von Anwendung kann die Stabilität des Mikrofons ebenso wichtig sein wie die Nennempfindlichkeit. Eine Mikrofonkapsel, deren Eigenschaften sich bei Temperaturänderungen erheblich verändern oder die über längere Zeiträume hinweg Drift aufweist, kann zu Schwankungen in den erfassten Daten führen, die nichts mit der tatsächlichen akustischen Umgebung zu tun haben.
Temperaturstabilität ist für akustische Sensoren im Außenbereich von entscheidender Bedeutung
Überwachungsknoten im Außenbereich können sowohl zwischen Tag und Nacht als auch saisonal erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sein. Diese Schwankungen können die Empfindlichkeit und die elektrischen Eigenschaften der Mikrofonkapsel beeinflussen.
Bei einem System, das dazu dient, Lärmtrends im Zeitverlauf zu überwachen, trägt die möglichst geringe Schwankung der Empfindlichkeit aufgrund von Temperaturschwankungen dazu bei, konsistentere akustische Daten zu erhalten.
Dies ist besonders wichtig, wenn das Überwachungssystem Messwerte vergleicht, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst wurden. Eine Änderung des Sensorausgangs sollte im Idealfall eine Veränderung der akustischen Umgebung widerspiegeln und nicht lediglich eine Änderung der Umgebungstemperatur.
Ein Frequenzgang von 20 Hz bis 8 kHz für Trends bei Umgebungsgeräuschen
Umgebungs- und Industrielärm können akustische Energie über einen relativ breiten Frequenzbereich enthalten. Für IoT-Überwachungsanwendungen im Außenbereich ist ein Mikrofon mit einem Frequenzbereich erforderlich, der ungefähr 20 Hz bis 8 kHz bietet einen praktischen Messbereich für die Erfassung der akustischen Informationen, die für viele Systeme zur Überwachung von Lärmtrends benötigt werden.
Das Ziel besteht nicht unbedingt darin, Ton zum Anhören wiederzugeben. Vielmehr muss das Mikrofon innerhalb des Frequenzbereichs, der vom Mess- und Signalverarbeitungssystem des Sensors genutzt wird, ein vorhersehbares Ansprechverhalten aufweisen.
Bei der OEM-Entwicklung sollten die tatsächlichen Anforderungen an den Frequenzgang gemeinsam mit dem Überwachungsalgorithmus, dem Schallgehäuse und den vorgesehenen Messbedingungen festgelegt werden.
Langfristige Stabilität für die kontinuierliche Datenerfassung
Die akustische Überwachung im Außenbereich ist häufig eine Anwendung mit kontinuierlicher Messung. Einmal installiert, kann ein IoT-Knoten über lange Zeiträume hinweg Daten erfassen, wobei der Wartungsaufwand gering ist.
Unter diesen Bedingungen wird die langfristige Stabilität des Mikrofons zu einem wichtigen Aspekt auf Komponentenebene. Stabile Ladungseigenschaften des Elektrets können dazu beitragen, eine gleichbleibende Empfindlichkeit zu gewährleisten und unnötige Schwankungen des Sensorausgangs während der gesamten Lebensdauer zu reduzieren.
Dies spielt auch dann eine Rolle, wenn mehrere Überwachungsknoten am selben Standort eingesetzt werden. Einheitliche Mikrofoneigenschaften erleichtern es dem System, die an verschiedenen Standorten erfassten Daten miteinander zu vergleichen.
Schutz vor Witterungseinflüssen
Im Gegensatz zu Mikrofonen, die in kontrollierten Umgebungen eingesetzt werden, müssen akustische Sensoren im Außenbereich mit Staub, Feuchtigkeit, Kondenswasser und wechselnden Wetterbedingungen zurechtkommen.
Ein grundlegender Staub- und Feuchtigkeitsschutz auf Mikrofonebene kann die Eignung der Kapsel für die Integration in Sensoren im Außenbereich verbessern. Der Schutz des Mikrofons sollte jedoch nicht losgelöst von der Gesamtkonstruktion des Gehäuses betrachtet werden.
Die akustische Öffnung, die Schutzmembran, die Gehäusekonstruktion, das Leiterplattenlayout und die Einbaulage können sich alle auf die endgültige Umweltverträglichkeit des Sensors auswirken.
Geringer Stromverbrauch für dezentrale IoT-Überwachung
Systeme zur Lärmüberwachung im Außenbereich können aus mehreren verteilten Sensorknoten bestehen. Je nach Installation können diese Knoten über ein kabelgebundenes Stromnetz, Batterien oder solarunterstützte Stromversorgungssysteme betrieben werden.
Ein geringer Stromverbrauch des Mikrofons ist daher bei der Entwicklung kompakter und im Dauerbetrieb arbeitender IoT-Sensoren von Vorteil. Die Reduzierung des Strombedarfs einzelner Komponenten kann zur Gesamtenergieeffizienz des Überwachungsknotens beitragen.
Typische Anwendungen
ECM-Kapseln mit geringer Temperaturdrift kommen für akustische Messanwendungen im Außenbereich in Frage, wie zum Beispiel:
- Überwachung der Lärmentwicklung in der Umgebung von Industriegebieten
- Langfristige Erfassung akustischer Daten an Werksstandorten
- Dezentrale IoT-Knoten zur Lärmüberwachung
- Akustische Überwachung des Geländes eines Industriestandorts
- Außenausrüstung und Überwachung von Umgebungsgeräuschen
Bei diesen Anwendungen geht es in der Regel eher darum, akustische Trends im Zeitverlauf zu erfassen und zu vergleichen, als das Mikrofon als herkömmliches Aufnahmegerät zu nutzen.
Was OEMs bei der Auswahl eines ECM beachten sollten
Bei einem akustischen IoT-Sensor für den Außenbereich sollte die Auswahl des Mikrofons auf der gesamten Betriebsumgebung basieren und nicht allein auf der Nennempfindlichkeit.
Zu den wichtigen Parametern können gehören:
- Frequenzgang von ca. 20 Hz bis 8 kHz
- Geringe Temperaturdrift bei niedriger Empfindlichkeit
- Stabile Elektretladung über den gesamten Langzeitbetrieb hinweg
- Gleichbleibende Empfindlichkeit zwischen den Produktionschargen
- Dem Gehäuse entsprechende Staub- und Feuchtigkeitsbeständigkeit
- Geringer Stromverbrauch
Die endgültigen Spezifikationen des Mikrofons sollten zudem im Zusammenhang mit der akustischen Struktur des Sensors, der Einbauumgebung, der Signalaufbereitungsschaltung und der Kalibrierungsmethode bewertet werden.
ECMIC für akustische IoT-Projekte im Außenbereich
ECMIC liefert Elektret-Kondensatormikrofonkapseln für OEM- und ODM-Anwendungen. Für akustische Überwachungsprojekte im Außenbereich können die Mikrofonspezifikationen unter Berücksichtigung des erforderlichen Frequenzgangs, der Temperatureigenschaften, der Empfindlichkeitsstabilität, der Umgebungsbedingungen und der elektrischen Konfiguration entwickelt werden.
Bei Projekten im Zusammenhang mit Industrieparks, der Überwachung von Fabrikgeländen oder dezentralen akustischen IoT-Sensoren sollte das Mikrofon als Teil des Messsystems betrachtet werden und nicht lediglich als gewöhnliche Audiokomponente.
Wenn Sie einen akustischen IoT-Sensor für den Außenbereich entwickeln und eine Mikrofonkapsel mit stabiler Leistung bei niedrigen Temperaturen benötigen, wenden Sie sich bitte an ECMIC und geben Sie dabei Ihren Zielfrequenzbereich, die Betriebsumgebung, die Anforderungen an die Empfindlichkeit sowie Details zur Anwendung an.
