Eine solche Kalibrierung ist in Normungslaboren erforderlich, damit am anderen Ende der Kalibrierungskette beispielsweise die Mikrofone in Schallpegelmessern und Hörgerätetestern aufgebaut werden können.
Bei herkömmlichen „Vergleichskalibrierungen“ (siehe unten) werden ein unbekanntes Mikrofon und ein Laborstandardmikrofon identischen akustischen Feldern ausgesetzt und die Ergebnisse verglichen. Schallquelle und Mikrofon sind über einen versiegelten, hohlen, mit Wasserstoff gefüllten Koppler verbunden.
Tatsächlich handelt es sich bei der Schallquelle um ein anderes Laborstandardmikrofon, das als Lautsprecher betrieben wird – diese Techniken funktionieren nur mit Mikrofonen, die rückwärtsgetrieben werden können, wie beispielsweise die am NIST verwendeten LS1P-Typen.
Die neue Methode nutzt ein Laser-Doppler-Vibrometer und ist laut NIST etwa 30 % schneller als die aktuelle Vergleichsmethode, da sie im Freien durchgeführt wird, ohne dass ein Koppler oder eine Wasserstofffüllung erforderlich ist.
„Die Leute haben nach einer hochpräzisen Kalibrierungsmethode gesucht, die Laser verwendet, und sie haben keinen Ansatz gefunden, der mit der genauesten bestehenden Methode konkurrenzfähig ist“, sagte NIST-Wissenschaftler Richard Allen (Abbildung). „Jetzt haben wir aber eine Vergleichskalibrierung gefunden, die besser ist als die in der Praxis verwendeten.“
Die Proof-of-Concept-Technik treibt das Mikrofon nur als Lautsprecher an und misst die Bewegung der Mikrofonmembran mit einem Laserpunkt – ein Geschwindigkeitssignal wird durch Mischen einer Probe des Quelllasers mit dem Doppler-modifizierten Rückkehrlaser abgeleitet.
Der Clou ist nicht die Verwendung von Lasermessungen am Institut, sondern die Forschung mit Tausenden solcher Messungen unter verschiedenen Bedingungen, um eine wiederholbare Technik zu finden, die gut mit dem aktuellen Goldstandard übereinstimmt – die Unsicherheit betrug schließlich ±0.05 dB.
Die Messungen wurden an neun LS1P-Mikrofonen (18.6 mm Membrandurchmesser) bei 250 Hz und 1 kHz an Hunderten von Punkten auf jeder Membran durchgeführt.
„Letztendlich stellten sie fest, dass der beste Ansatz darin bestand, Daten aus einem kleinen Abschnitt in der Mitte der Membranen zu verwenden, der nur 3 % der Gesamtoberfläche einnahm. Weiter zu den Rändern hin waren die Messungen nicht mehr sehr wiederholbar“, so NIST. „Die Idee, nur den zentralen Abschnitt zu verwenden, stammt aus einer aktuellen Arbeit eines Forscherteams aus der Republik Korea und Japan.“
Im Vergleich zur üblichen NIST-Technik „stimmten die Zahlen sehr gut überein“, sagte NIST-Forscher Randall Wagner. „Statistisch gesehen waren sie nicht voneinander zu unterscheiden.“
Die ±0.05 dB der laserbasierten Vergleichsmethode entsprechen laut NIST ±0.03 dB für die Goldstandard-Reziprozitätsmethode und ±0.08 dB für die traditionelle „reziprozitätsbasierte Vergleichsmethode“.
Welche Methoden gibt es?
Die High-End-Reziprozitätsmethode beginnt mit drei Mikrofonen in Standardqualität, die über einen mit Wasserstoff gefüllten Koppler in Mix-and-Match-Paaren verbunden werden und abwechselnd als Lautsprecher und Mikrofon fungieren. Nachdem alle sechs Kombinationen mehrmals gemessen wurden, „können Forscher sicher sein, dass jedes der drei Mikrofone empfindlich ist, ohne dass ein zuvor kalibriertes Mikrofon erforderlich ist“, sagte NIST.
Bei der „reziprozitätsbasierten Vergleichskalibrierung“ wird eines der oben genannten drei neu kalibrierten Mikrofone als Signalquelle an einem Ende des Kopplers und das unbekannte Mikrofon am anderen Ende verwendet.
Laut NIST ist die Laser-Doppler-Methode gut genug, um in der Industrie eingesetzt zu werden. „Es gibt derzeit nichts Vergleichbares auf dem Markt, das ist mir nicht bekannt“, sagte Wagner. „Es wäre noch weit in der Zukunft – eine Zukunftsmusik –, aber ich sehe diese Arbeit als Türöffner für kommerzielle Anwendungen.“
Er und Allen haben ein vorläufiges Patent angemeldet. In den kommenden Monaten werden sie ein empfindlicheres Laservibrometer verwenden, um eine größere Vielfalt an Mikrofontypen bei mehr Frequenzen zu untersuchen, und werden versuchen, die Unsicherheit so weit zu senken, dass sie mit der primären Kalibrierungstechnik konkurrieren kann.
„Dieser erste Versuch war sozusagen ein Beispiel dafür, wie man an den Bäumen vorbeiging, die wirklich tief hängenden Früchte sah und sie packte“, sagte Allen.
Die Arbeit wurde als „Laserbasierte Vergleichskalibrierung von Laborstandardmikrofonen“ in JASA Express Letters veröffentlicht – der gesamte, ausführliche Artikel kann ohne Bezahlung gelesen werden.