Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har genomfört den första demonstrationen av ett snabbare och mer exakt sätt att kalibrera vissa typer av mikrofoner.

Tekniken, som använder lasrar för att mäta hastigheten vid vilken mikrofonens membran vibrerar, presterar tillräckligt bra för att komma förbi en av de viktigaste kalibreringsmetoderna som används vid NIST och i hela industrin. Någon dag, en laserbaserad metod kan kommersialiseras för att bli ett helt nytt sätt att göra extremt känsliga, låg osäkerhetskalibrering av mikrofoner i fältet, på platser som fabriker och kraftverk. Potentiella användare av ett sådant kommersiellt system kan inkludera organisationer som övervakar bullernivåer på arbetsplatsen eller i samhället eller maskinens skick via ljud.

"Det finns inget liknande på marknaden nu, inte vad jag är medveten om, "sa NIST-forskaren Randall Wagner." Det skulle vara långt i framtiden-en cirkel i himlen-men jag ser det här arbetet som att öppna dörren för kommersiella tillämpningar. "

Deras arbete publicerades online denna vecka i JASA Express Letters .

Traditionella "jämförelsekalibreringar" innebär att man jämför en kunds mikrofon med en standardmikrofon i laboratorier som redan har kalibrerats på andra sätt. Den nya lasermetoden som demonstreras av NIST har lägre osäkerheter och är ungefär 30% snabbare än den traditionella jämförelsemetoden som för närvarande används vid NIST för att kalibrera kundernas mikrofoner.

"Folk har letat efter en mycket exakt kalibreringsmetod som använder lasrar, och de har inte hittat ett tillvägagångssätt som är konkurrenskraftigt med den mest exakta befintliga metoden, "sade NIST -forskaren Richard Allen." Men nu har vi hittat en jämförelsekalibrering som är bättre än den som används i vanlig praxis. "

"Standard" -standarden

Ljud är tryckvågor som färdas genom ett medium som luft. En mikrofon är en enhet som tar dessa tryckvågor och förvandlar dem till en elektrisk signal.

För att kalibrera en mikrofon, forskare måste mäta hur känslig den är för tryckvågor. De börjar med att kalibrera en uppsättning standardmikrofoner i laboratorier med en teknik som kallas "reciprocity method" - guldstandarden för mikrofonkalibreringar.

I en ömsesidighetskalibrering, två mikrofoner är anslutna till varandra via en liten ihålig cylinder som kallas en akustisk kopplare. En mikrofon ger ett ljud som den andra mikrofonen tar upp. Efter att en mätning har gjorts, mikrofonernas funktionella positioner kan bytas, med sändaren som mottagare och vice versa.

(Och ja, mikrofonerna används ibland för att producera ljud snarare än att bara ta emot dem. Till skillnad från mikrofonerna du kan använda för ett konferenssamtal eller karaokekväll, laboratoriestandardmikrofoner kan fungera antingen som en mottagare eller som en sändare - i huvudsak en högtalare.)

Denna process upprepas flera gånger med totalt tre standardmikrofoner i laboratoriet. Genom att utbyta mikrofonernas roller mellan mätningarna, forskare kan vara säkra på känsligheten hos var och en av de tre mikrofonerna utan att behöva ha en tidigare kalibrerad mikrofon.

När den här uppsättningen mikrofoner har kalibrerats, den kan användas för att direkt kalibrera kundernas mikrofoner. Olika laboratorier använder olika metoder för att uppnå detta mål, men vid NIST är den teknik som vanligtvis används för kalibrering med hög noggrannhet av kundernas mikrofoner en ömsesidighetsbaserad "jämförelse" -kalibrering. Det kallas "ömsesidighetsbaserat" eftersom det använder samma inställning som ömsesidighetsmetoden, förutom att den nykalibrerade mikrofonen fungerar uteslutande som sändare och mikrofonen som kalibreras fungerar uteslutande som mottagare.

Det är den andra typen av kalibrering, kalibreringen "jämförelse", som NIST-forskare testade mot den nya laserbaserade metoden.

Ny metod:Less is more

Traditionella mikrofonkalibreringsmetoder är akustiska - de är beroende av överföring av ljud genom ett medium. I kontrast, den nya laserbaserade kalibreringsmetoden mäter de fysiska vibrationerna i själva membranet.

För deras senaste experiment, NIST -forskare använde en laser Doppler -vibrometer, ett kommersiellt instrument som lyser en laserstråle på ytan av en mikrofon vars membran vibrerar vid en inställd frekvens. (Se animation.)

Strålen studsar av membranets yta och rekombineras med en referenslaserstråle. På det här sättet, subtila skiftningar i frekvens mäts. (Dessa förändringar i frekvens fungerar enligt samma princip som Doppler -effekten, vilket gör att ambulansen utanför ditt fönster låter högre när den närmar sig och lägre när den rör sig bort.) Forskare omvandlar signalen från vibrometern till en hastighet, som berättar för dem hur snabbt membranet vibrerade vid den punkten på dess yta.

För att genomföra det nya testet, NIST -forskare använde nio nominellt identiska laboratoriemikrofoner, var och en med ett membran på 18,6 millimeter i diameter, ungefär bredden på en frimärke. Alla testades vid två frekvenser, 250 hertz (för pianospelare, ungefär B -noten nedanför mitten C) och 1, 000 hertz (två oktaver högre än 250 hertz).

De började med att mäta över hela membranets yta. De fann att hastigheten i mitten av membranen var betydligt högre än nära kanterna, där det nästan inte fanns någon rörelse.

I sista hand, de upptäckte att det bästa tillvägagångssättet var att använda data från bara en liten sektion i mitten av membranet som endast tog upp 3% av den totala ytarean. Idén att bara använda den centrala sektionen kom från en nyligen publicerad uppsats av ett team av forskare från Republiken Korea och Japan.

"Nyckeln till att göra hastighetsmätningarna trevliga och repeterbara är att mäta i mitten av membranet, "Sa Wagner." När du går längre och längre mot kanterna, våra mätningar var helt enkelt inte repeterbara. "

Som ett sista steg, Wagner och Allen jämförde mikrofonkänsligheten som de mätte med de laserbaserade kalibreringarna med mätningar som de tidigare hade gjort med hjälp av guldstandardens ömsesidighetskalibreringar med samma uppsättning mikrofoner. Domen?

"Siffrorna stämde mycket bra, "Sa Wagner." De var statistiskt sett oskiljbara från varandra. "

Dessutom, osäkerheterna för den nya lasermetoden var imponerande. För jämförelse:Medan guldstandardmetodens ömsesidighetsmetod har den lägsta osäkerheten vid 0,03 decibel (dB), och den traditionella ömsesidighetsbaserade jämförelsemetoden har en osäkerhet på 0,08 dB, den laserbaserade jämförelsemetoden har en osäkerhet på bara 0,05 dB.

Wagner och Allen säger att laserjämförelsemetoden sparar "betydande tid" främst för att den utförs utomhus. I kontrast, det traditionella NIST -sättet att göra en jämförelse vid högre frekvenser kräver att två mikrofoner ansluts med en akustisk kopplare och sedan fylls kopplingen med väte, vilket tar upp till 20 minuter per test.

Nästa steg

Wagner hoppas att forskare kommer att hitta ett sätt att utveckla det laserbaserade systemet till en mycket exakt primärkalibreringsmetod som konkurrerar med eller till och med överträffar guldstandardens ömsesidighetsmetod. Om det lyckas, en primär laserbaserad metod skulle vara betydligt snabbare, eftersom metoden för ömsesidighet kräver att forskare upprepar mätningarna flera gånger med olika kombinationer av mikrofoner och akustiska kopplingar.

Under tiden, Wagner tror att lasermetoden en dag kan standardiseras av en standardorganisation.

"Det skulle vara en konsensusstämpel för acceptans, "Sa Wagner. Tills dess, han fortsatte, "vi har mycket kvar att göra."

Under de kommande månaderna, han och Allen kommer att uppgradera till ett mer känsligt laser Doppler -vibrometersystem och kommer att börja utöka de typer av mikrofoner som är kalibrerade såväl som frekvensområdet. De har ansökt om ett provisoriskt patent, och de kommer också att försöka göra metoden till en lämplig primärkalibreringsteknik.

"Det här första försöket var ett slags exempel på att gå förbi träden och se den riktigt lågt hängande frukten, och ta tag i den, "Sa Allen.

Wagner säger att detta experiment är ovanligt i hans erfarenhet. Vibrationer brukar betraktas som "problematiska" vid akustiska mätningar eftersom de kan leda till ökade ljudnivåer. Men i detta experiment, vibrationerna och de akustiska mätningarna är konstruerade.

"Jag har varit i NIST 30 år, och jag minns inte ett projekt som förde vibrationer och akustik så nära varandra, "Sa Wagner.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.