Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben de eerste demonstratie gegeven van een snellere en nauwkeurigere manier om bepaalde soorten microfoons te kalibreren.

De techniek, die lasers gebruikt om de snelheid te meten waarmee het diafragma van een microfoon trilt, presteert goed genoeg om een ​​van de belangrijkste kalibratiemethoden die bij NIST en in de hele industrie worden gebruikt, in te halen. op een dag, een op laser gebaseerde methode zou kunnen worden gecommercialiseerd om een ​​volledig nieuwe manier te worden om extreem gevoelige, kalibraties met lage onzekerheid van microfoons in het veld, op plaatsen zoals fabrieken en elektriciteitscentrales. Potentiële gebruikers van een dergelijk commercieel systeem kunnen organisaties zijn die de geluidsniveaus op de werkplek of in de gemeenschap of de toestand van machines via geluid monitoren.

"Er is nu niets zoals dit op de markt, niet dat ik weet, "Zei NIST-wetenschapper Randall Wagner. "Het zou ver in de toekomst liggen - een luchtkasteel - maar ik zie dit werk als het openen van de deur naar commerciële toepassingen."

Hun werk is deze week online gepubliceerd in JASA Express-brieven .

Bij traditionele "vergelijkingskalibraties" wordt de microfoon van een klant vergeleken met een laboratoriumstandaardmicrofoon die al op een andere manier is gekalibreerd. De nieuwe lasermethode die door NIST wordt gedemonstreerd, heeft minder onzekerheden en is ongeveer 30% sneller dan de traditionele vergelijkingsmethode die momenteel door NIST wordt gebruikt om de microfoons van klanten te kalibreren.

"Mensen zijn op zoek geweest naar een zeer nauwkeurige kalibratiemethode die gebruik maakt van lasers, en ze hebben geen aanpak gevonden die kan concurreren met de meest nauwkeurige bestaande methode, ", zei NIST-wetenschapper Richard Allen. "Maar nu hebben we een vergelijkingskalibratie gevonden die beter is dan die welke in de praktijk worden gebruikt."

De 'Standaard' standaard

Geluid is drukgolven die door een medium zoals lucht reizen. Een microfoon is een apparaat dat die drukgolven opvangt en omzet in een elektrisch signaal.

Om een ​​microfoon te kalibreren, onderzoekers moeten meten hoe gevoelig het is voor drukgolven. Ze beginnen met het kalibreren van een set laboratoriumstandaardmicrofoons met behulp van een techniek die de "wederkerigheidsmethode" wordt genoemd - de gouden standaard voor microfoonkalibraties.

Bij een wederkerigheidskalibratie twee microfoons zijn met elkaar verbonden via een kleine holle cilinder die een akoestische koppeling wordt genoemd. De ene microfoon produceert een geluid dat de andere microfoon oppikt. Nadat een meting is uitgevoerd, de functionele posities van de microfoons kunnen worden verwisseld, waarbij de zender als ontvanger fungeert en vice versa.

(En ja, de microfoons worden soms gebruikt om geluiden te produceren in plaats van ze alleen te ontvangen. In tegenstelling tot de microfoons die je zou kunnen gebruiken voor een telefonische vergadering of karaoke-avond, laboratoriumstandaardmicrofoons kunnen als ontvanger of als zender fungeren, in wezen een luidspreker.)

Dit proces wordt meerdere keren herhaald met in totaal drie standaard laboratoriummicrofoons. Door de rollen van de microfoons tussen metingen uit te wisselen, onderzoekers kunnen zeker zijn van de gevoeligheid van elk van de drie microfoons zonder dat een eerder gekalibreerde microfoon nodig is.

Zodra deze master set microfoons is gekalibreerd, het kan worden gebruikt om de microfoons van klanten rechtstreeks te kalibreren. Verschillende laboratoria gebruiken verschillende methoden om dit doel te bereiken, maar bij NIST is de techniek die gewoonlijk wordt gebruikt voor zeer nauwkeurige kalibratie van microfoons van klanten een op wederkerigheid gebaseerde "vergelijkings"-kalibratie. Het wordt "op wederkerigheid gebaseerd" genoemd omdat het dezelfde instellingen gebruikt als de wederkerigheidsmethode, behalve dat de nieuw gekalibreerde microfoon uitsluitend als zender fungeert en de te kalibreren microfoon uitsluitend als ontvanger.

Het is dit tweede type kalibratie, de "vergelijking" kalibratie, die NIST-wetenschappers wilden testen tegen de nieuwe lasergebaseerde methode.

Nieuwe methode:Less is more

Traditionele microfoonkalibratiemethoden zijn akoestisch:ze zijn afhankelijk van de overdracht van geluid via een medium. In tegenstelling tot, de nieuwe op laser gebaseerde kalibratiemethode meet de fysieke trillingen van het diafragma zelf.

Voor hun recente experiment, NIST-onderzoekers gebruikten een laser Doppler-vibrometer, een commercieel instrument dat een laserstraal schijnt op het oppervlak van een microfoon waarvan het diafragma op een ingestelde frequentie trilt. (Zie animatie.)

De straal weerkaatst van het oppervlak van het diafragma en wordt opnieuw gecombineerd met een referentielaserstraal. Op deze manier, subtiele verschuivingen in frequentie worden gemeten. (Deze verschuivingen in frequentie werken volgens hetzelfde principe als het Doppler-effect, waardoor die ambulance buiten je raam hoger klinkt als hij nadert en lager als hij wegrijdt.) Onderzoekers zetten het signaal van de vibrometer om in een snelheid, die hen vertelt hoe snel het diafragma op dat punt op het oppervlak trilde.

Om de nieuwe test uit te voeren, NIST-wetenschappers gebruikten negen nominaal identieke standaard laboratoriummicrofoons, elk met een membraan met een diameter van 18,6 millimeter, ongeveer de breedte van een postzegel. Alle werden getest op twee frequenties, 250 hertz (voor pianisten, ongeveer de B-noot onder de middelste C) en 1, 000 hertz (twee octaven hoger dan 250 hertz).

Ze begonnen met het meten over het hele oppervlak van de membranen. Ze ontdekten dat de snelheid in het midden van de diafragma's aanzienlijk hoger was dan aan de randen, waar vrijwel geen beweging was.

uiteindelijk, ze ontdekten dat de beste aanpak was om gegevens te gebruiken van slechts een klein gedeelte in het midden van de diafragma's die slechts 3% van het totale oppervlak beslaan. Het idee om alleen het centrale gedeelte te gebruiken kwam van een recent artikel van een team van onderzoekers uit de Republiek Korea en Japan.

"De sleutel om de snelheidsmetingen mooi en herhaalbaar te maken, is meten in het midden van het diafragma, zei Wagner. Naarmate je verder en verder naar de randen gaat, onze metingen waren gewoon niet erg herhaalbaar."

Als laatste stap, Wagner en Allen vergeleken de microfoongevoeligheden die ze met de lasergebaseerde kalibraties hebben gemeten met metingen die ze eerder hadden gedaan met behulp van de gouden standaard wederkerigheidskalibraties met dezelfde set microfoons. Het vonnis?

"De cijfers kwamen goed overeen, "zei Wagner. "Ze waren statistisch niet van elkaar te onderscheiden."

Bovendien, de onzekerheden voor de nieuwe lasermethode waren indrukwekkend. Ter vergelijking:terwijl de wederkerigheidsmethode met de gouden standaard de laagste onzekerheid heeft bij 0,03 decibel (dB), en de traditionele op wederkerigheid gebaseerde vergelijkingsmethode heeft een onzekerheid van 0,08 dB, de lasergebaseerde vergelijkingsmethode heeft een onzekerheid van slechts 0,05 dB.

Wagner en Allen zeggen dat de laservergelijkingsmethode "aanzienlijke tijd" bespaart, voornamelijk omdat deze in de open lucht wordt uitgevoerd. In tegenstelling tot, de traditionele NIST-manier om een ​​vergelijking te maken bij hogere frequenties vereist het aansluiten van twee microfoons met een akoestische koppeling en vervolgens de koppeling vullen met waterstof, wat tot 20 minuten per test duurt.

Volgende stappen

Wagner hoopt dat wetenschappers een manier zullen vinden om het op laser gebaseerde systeem te ontwikkelen tot een zeer nauwkeurige primaire kalibratiemethode die de gouden standaard wederkerigheidsmethode evenaart of zelfs overtreft. Indien succesvol, een primaire lasergebaseerde methode zou aanzienlijk sneller zijn, omdat de reciprociteitsmethode vereist dat onderzoekers de metingen meerdere keren herhalen met verschillende combinaties van microfoons en akoestische koppelingen.

In de tussentijd, Wagner denkt dat de lasermethode ooit gestandaardiseerd kan worden door een standaardorganisatie.

"Dat zou een consensusstempel van acceptatie zijn, " zei Wagner. Tot dan, hij ging verder, "we hebben nog veel werk te doen."

In de komende maanden, hij en Allen zullen upgraden naar een gevoeliger laser Doppler-vibrometersysteem en zullen beginnen met het uitbreiden van de soorten gekalibreerde microfoons en het bereik van frequenties. Ze hebben een voorlopig octrooi aangevraagd, en ze zullen ook proberen om de methode om te zetten in een geschikte primaire kalibratietechniek.

"Deze eerste poging was een soort voorbeeld van langs de bomen lopen en het echt laaghangende fruit zien, en het grijpen, ' zei Allen.

Wagner zegt dat dit experiment ongebruikelijk is in zijn ervaring. Trillingen worden meestal als "problematisch" beschouwd bij het uitvoeren van akoestische metingen, omdat ze kunnen leiden tot verhoogde geluidsniveaus. Maar in dit experiment de trillings- en akoestische metingen zijn design verbonden.

"Ik werk al 30 jaar bij NIST, en ik kan me geen project herinneren dat vibratie en akoestiek zo dicht bij elkaar bracht, ' zei Wagner.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.