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麦克风校准新方案来啦,更快更准更省时

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美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员首次演示了一种更快速、更准确地校准特定类型麦克风的方法。

这项技术使用激光来测量麦克风膜片振动的速度,其性能优于NIST和整个行业使用的主要校准方法。将来,这种基于激光的方法可能会商业化,成为一种全新的方法,在工厂和发电厂等地方对麦克风进行极其灵敏、低不确定度的校准。这种商业系统的潜在用户可能包括通过声音监测工作场所或社区噪音水平或机械状况的组织。

“据我所知,目前市场上还没有这样的产品,”NIST科学家兰德尔·瓦格纳(Randall Wagner)说。“但我认为这项工作为商业应用打开了大门。”他们的研究成果本周发表在JASA Express Letters网站上。

传统的“比较校准”包括将客户的麦克风与已经用其他方法校准过的实验室标准麦克风进行比较。NIST演示的新激光方法具有更低的不确定性,比NIST目前用于校准客户麦克风的传统比较方法快约30%。

人们一直在寻找一种使用激光的高度精确的校准方法,但他们还没有找到一种方法能与现有的最精确的校准方法相媲美。但现在我们发现了一种比普通校准法更好的校准方法。

“标准”

声音是通过空气等介质传播的压力波。麦克风是一种可以接收压力波并将其转化为电信号的装置。

为了校准麦克风,研究人员需要测量它对压力波的敏感度。他们首先用一种叫做“互易法”(reciprocity-based)的技术校准一组实验室标准麦克风——这是校准麦克风的黄金标准。

麦克风测试

在互易校准中,两个麦克风通过一个叫做声耦合器的空心小圆柱体相互连接。一个麦克风发出的声音被另一个麦克风接收。测量完成后,麦克风的功能位置可以互换,发射器充当接收器,反之亦然。

使用三个实验室标准麦克风重复这个过程几次。通过在测量之间交换麦克风的作用,研究人员可以确定三个麦克风的灵敏度,而无需事先校准麦克风。

一旦这组主麦克风被校准,它可以用来直接校准客户的麦克风。不同的实验室使用不同的方法来实现这一目标,但在NIST,通常用于客户麦克风高精度校准的技术是基于互易的“比较”校准。它被称为“基于互易”,因为它使用了与互易法相同的设置,除了新校准的麦克风只充当发射器,而被校准的麦克风只充当接收器。

NIST的科学家们开始用这种基于激光的新方法来测试第二种类型的校准,即“比较”校准。

传统的麦克风校准方法是声学的——它们依赖于声音通过媒介的传输。相比之下,新的基于激光的校准方法测量膜片本身的物理振动。

在最近的实验中,NIST的研究人员使用了激光多普勒振动计,这是一种商用仪器,将激光束照射到麦克风的表面,而麦克风的振膜以设定的频率振动。

设备校准

光束从隔膜的表面反弹,并与参考激光束重新组合。用这种方法,可以测量频率的细微变化。(这种频率的变化与多普勒效应的原理是一致的,多普勒效应会使窗外的救护车在靠近时发出更高的音调,在离开时发出更低的音调。)研究人员将振动计的信号转换成速度,从而告诉他们隔膜在其表面某一点的振动速度。

进行新的测试时,NIST的科学家们使用了9个名义上完全相同的实验室标准麦克风,每个麦克风的直径都是18.6毫米,大约相当于一张邮票的宽度。分别在250赫兹和1000赫兹两种频率下进行测试。

他们首先测量横膈膜的整个表面积。他们发现横膈膜中心的速度明显高于几乎没有运动的边缘。

最终,他们发现最好的方法是使用隔膜中心一小部分的数据,这一小部分只占整个表面积的3%。只使用中央部分的想法来自于一个韩国和日本的研究小组最近的一篇论文。

麦克风校准

让速度测量变得精确和可重复的关键是测量横膈膜的中心。随着越来越靠近边缘,测量结果会变得无法重复。

最后一步,Wagner和Allen将他们用基于激光的校准测量的麦克风灵敏度与之前用同样的麦克风的金标准互易校准进行的测量进行了比较。判决结果?

这些数字非常吻合。从统计学上看,它们是无法区分的。

此外,新的激光方法的不确定性令人印象深刻。比较结果为:金标准互易法的不确定性最低,为0.03dB,传统的互易比较法的不确定性为0.08dB,而激光比较法的不确定性仅为0.05dB。

瓦格纳和艾伦说,激光比对方法节省了“大量时间”,主要是因为它是在露天进行的。相比之下,NIST在更高频率下进行比较的传统方法需要用声耦合器连接两个麦克风,然后将耦合器充入氢气,每次测试需要20分钟。

后续步骤

Wagner希望科学家们能找到一种方法,将基于激光的系统发展成一种高度精确的初级校准方法,与金标准互易法竞争,甚至超越它。如果成功,基于激光的基本方法将会快得多,因为互惠方法需要研究人员用不同组合的麦克风和声耦合器重复测量多次。

与此同时,Wagner认为激光方法总有一天会被一个标准组织标准化。Wagner表示,这将是一种共识。但在那之前,还有很多工作要做。

在接下来的几个月里,他和Allen将升级出一个更灵敏的激光多普勒振动计系统,并将开始扩大校准麦克风的类型和频率范围。他们已经申请了一项临时专利,他们还将尝试把这种方法变成一种合适的初级校准技术。

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