Nyt laserbaseret mikrofonkalibreringssystem

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har gennemført den første demonstration af en hurtigere og mere præcis måde at kalibrere visse slags mikrofoner på.

Teknikken, som bruger lasere til at måle den hastighed, hvormed en mikrofons membran vibrerer, yder godt nok til at overhale en af ​​de vigtigste kalibreringsmetoder, der bruges på NIST og i hele industrien. En skønne dag, en laserbaseret metode kunne kommercialiseres til at blive en helt ny måde at gøre ekstremt sensitive, kalibreringer med lav usikkerhed af mikrofoner i marken, på steder som fabrikker og kraftværker. Potentielle brugere af et sådant kommercielt system kunne omfatte organisationer, der overvåger støjniveauer på arbejdspladsen eller i lokalsamfundet eller maskinernes tilstand via lyd.

"Der er ikke noget lignende på markedet nu, ikke hvad jeg er klar over, " sagde NIST-videnskabsmanden Randall Wagner. "Det ville være langt ude i fremtiden - en slags kage i himlen - men jeg ser dette arbejde som at åbne døren til kommercielle applikationer."

Deres arbejde blev offentliggjort online i denne uge i JASA Express-breve .

Traditionelle "sammenligningskalibreringer" involverer at sammenligne en kundes mikrofon med en laboratoriestandardmikrofon, der allerede er blevet kalibreret på andre måder. Den nye lasermetode, der er demonstreret af NIST, har lavere usikkerheder og er omkring 30 % hurtigere end den traditionelle sammenligningsmetode, der i øjeblikket bruges på NIST til at kalibrere kundernes mikrofoner.

"Folk har ledt efter en meget nøjagtig kalibreringsmetode, der bruger lasere, og de har ikke fundet en tilgang, der er konkurrencedygtig med den mest nøjagtige eksisterende metode, " sagde NIST-forsker Richard Allen. "Men nu har vi fundet en sammenligningskalibrering, der er bedre end dem, der bruges i almindelig praksis."

'Standard' standarden

Lyd er trykbølger, der bevæger sig gennem et medium såsom luft. En mikrofon er en enhed, der tager disse trykbølger og forvandler dem til et elektrisk signal.

For at kalibrere en mikrofon, forskere skal måle, hvor følsom den er over for trykbølger. De starter med at kalibrere et sæt laboratoriestandardmikrofoner ved hjælp af en teknik kaldet "gensidighedsmetoden" - guldstandarden for mikrofonkalibreringer.

I en gensidig kalibrering, to mikrofoner er forbundet med hinanden via en lille hul cylinder kaldet en akustisk kobler. Den ene mikrofon producerer en lyd, som den anden mikrofon opfanger. Efter en måling er foretaget, mikrofonernes funktionelle positioner kan udskiftes, med senderen, der fungerer som modtager og omvendt.

(Og ja, mikrofonerne bruges nogle gange til at producere lyde frem for blot at modtage dem. I modsætning til de mikrofoner, du måske bruger til et konferenceopkald eller karaokeaften, laboratoriestandardmikrofoner er i stand til at fungere som enten en modtager eller som en sender - i det væsentlige en højttaler.)

Denne proces gentages flere gange med i alt tre laboratoriestandardmikrofoner. Ved at udveksle mikrofonernes roller mellem målinger, forskere kan være sikre på følsomheden af ​​hver af de tre mikrofoner uden behov for en tidligere kalibreret mikrofon.

Når dette mastersæt af mikrofoner er blevet kalibreret, den kan bruges til direkte at kalibrere kundernes mikrofoner. Forskellige laboratorier bruger forskellige metoder til at nå dette mål, men hos NIST er den teknik, der almindeligvis anvendes til højnøjagtig kalibrering af kunders mikrofoner, en gensidighedsbaseret "sammenlignings"-kalibrering. Det kaldes "gensidighedsbaseret", fordi det bruger samme opsætning som gensidighedsmetoden, bortset fra, at den nyligt kalibrerede mikrofon udelukkende fungerer som sender, og mikrofonen, der kalibreres, udelukkende fungerer som modtager.

Det er denne anden type kalibrering, "sammenlignings" kalibreringen, at NIST-forskere satte sig for at teste mod den nye laserbaserede metode.

Ny metode:Mindre er mere

Traditionelle mikrofonkalibreringsmetoder er akustiske - de er afhængige af transmission af lyd gennem et medium. I modsætning, den nye laserbaserede kalibreringsmetode måler de fysiske vibrationer i selve membranen.

Til deres seneste eksperiment, NIST-forskere brugte et laser Doppler-vibrometer, et kommercielt instrument, der skinner en laserstråle på overfladen af ​​en mikrofon, hvis membran vibrerer med en bestemt frekvens. (Se animation.)

Strålen hopper fra overfladen af ​​membranen og kombineres med en referencelaserstråle. På denne måde subtile skift i frekvens måles. (Disse skift i frekvens arbejder efter samme princip som Doppler-effekten, hvilket får den ambulance uden for dit vindue til at lyde højere, når den nærmer sig og lavere, når den bevæger sig væk.) Forskere konverterer signalet fra vibrometeret til en hastighed, som fortæller dem, hvor hurtigt membranen vibrerede på det tidspunkt på overfladen.

For at gennemføre den nye test, NIST-forskere brugte ni nominelt identiske laboratoriestandardmikrofoner, hver med en membran med en diameter på 18,6 millimeter, omkring bredden af ​​et frimærke. Alle blev testet ved to frekvenser, 250 hertz (for klaverspillere, nogenlunde B-noten under midterste C) og 1, 000 hertz (to oktaver højere end 250 hertz).

De begyndte med at måle over hele overfladearealet af membranerne. De fandt, at hastigheden i midten af ​​membranerne var betydeligt højere end nær kanterne, hvor der praktisk talt ikke var nogen bevægelse.

Ultimativt, de opdagede, at den bedste tilgang var at bruge data fra kun en lille sektion i midten af ​​membranerne, der kun optager 3% af det samlede overfladeareal. Ideen om kun at bruge den centrale sektion kom fra et nyligt papir fra et team af forskere fra Republikken Korea og Japan.

"Nøglen til at gøre hastighedsmålingerne pæne og gentagelige er måling i midten af ​​membranen, " sagde Wagner. "Når du går længere og længere mod kanterne, vores målinger var bare ikke særlig gentagelige."

Som et sidste skridt, Wagner og Allen sammenlignede de mikrofonfølsomheder, de målte med de laserbaserede kalibreringer, med målinger, de tidligere havde taget ved hjælp af guldstandard-gensidighedskalibreringer med det samme sæt mikrofoner. Dommen?

"Tallene stemte meget godt, " sagde Wagner. "De kunne statistisk ikke skelnes fra hinanden."

I øvrigt, usikkerheden for den nye lasermetode var imponerende. Til sammenligning:Mens guldstandard-gensidighedsmetoden har den laveste usikkerhed på 0,03 decibel (dB), og den traditionelle gensidighedsbaserede sammenligningsmetode har en usikkerhed på 0,08 dB, den laserbaserede sammenligningsmetode har en usikkerhed på kun 0,05 dB.

Wagner og Allen siger, at lasersammenligningsmetoden sparer "betydelig tid", primært fordi den udføres i fri luft. I modsætning, den traditionelle NIST-måde at lave en sammenligning på ved højere frekvenser kræver at man forbinder to mikrofoner med en akustisk kobler og derefter fylder kobleren med brint, hvilket tager op til 20 minutter pr. test.

Næste skridt

Wagner håber, at forskerne vil finde en måde at udvikle det laserbaserede system til en meget nøjagtig primær kalibreringsmetode, der konkurrerer med eller endda overgår guldstandardens gensidighedsmetode. Hvis det lykkes, en primær laserbaseret metode ville være betydeligt hurtigere, da gensidighedsmetoden kræver, at forskere gentager målingerne flere gange med forskellige kombinationer af mikrofoner og akustiske koblere.

I mellemtiden Wagner mener, at lasermetoden en dag kunne blive standardiseret af en standardiseringsorganisation.

"Det ville være et konsensusstempel for accept, " sagde Wagner. Indtil da, fortsatte han, "Vi har meget arbejde tilbage."

I de kommende måneder, han og Allen vil opgradere til et mere følsomt laser Doppler-vibrometersystem og vil begynde at udvide de kalibrerede mikrofontyper samt frekvensområdet. De har ansøgt om et foreløbigt patent, og de vil også forsøge at gøre metoden til en passende primær kalibreringsteknik.

"Dette første forsøg var et slags eksempel på at gå forbi træerne og se den virkelig lavthængende frugt, og griber den, " sagde Allen.

Wagner siger, at dette eksperiment er usædvanligt i hans erfaring. Vibrationer betragtes normalt som "problematiske" ved akustiske målinger, da de kan føre til øgede støjniveauer. Men i dette eksperiment, vibrations- og akustiske målinger er forbundet med design.

"Jeg har været på NIST 30 år, og jeg kan ikke huske et projekt, der bragte vibrationer og akustik så tæt sammen, " sagde Wagner.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.