Een dergelijke kalibratie is vereist in standaardlaboratoria, zodat de microfoons in bijvoorbeeld geluidsniveaumeters en gehoorapparaattesters aan het andere uiteinde van de kalibratieketen kunnen worden opgesteld.
Traditionele 'vergelijkingskalibraties' (zie hieronder) omvatten het blootstellen van een onbekende microfoon en een laboratoriumstandaardmicrofoon aan identieke akoestische velden en het vergelijken van de uitgangen. Geluidsbron en microfoon zijn verbonden via een afgedichte holle met waterstof gevulde koppeling.
Toevallig is de geluidsbron een andere laboratoriumstandaardmicrofoon, aangestuurd als luidspreker – deze technieken werken alleen met microfoons die achterwaarts kunnen worden aangestuurd, zoals de LS1P-types die bij NIST worden gebruikt.
De nieuwe methode maakt gebruik van een laser Doppler-vibrometer en is volgens NIST ongeveer 30% sneller dan de huidige vergelijkingsmethode omdat het in de open lucht wordt gedaan, zonder dat de koppeling of waterstofvulling nodig is.
"Mensen zijn op zoek geweest naar een zeer nauwkeurige kalibratiemethode die gebruik maakt van lasers, en ze hebben geen benadering gevonden die kan concurreren met de meest nauwkeurige bestaande methode", zegt NIST-wetenschapper Richard Allen (afgebeeld). "Maar nu hebben we een vergelijkingskalibratie gevonden die beter is dan de kalibraties die in de praktijk worden gebruikt."
De proof-of-concept-techniek stuurt de microfoon alleen aan als luidspreker en meet de beweging van het microfoonmembraan met een laserspot - een snelheidssignaal wordt afgeleid door een monster van de bronlaser te mengen met de Doppler-gemodificeerde retourlaser.
Het slimme is niet het gebruik van lasermetingen bij het Instituut, maar onderzoek waarbij duizenden van dergelijke metingen onder verschillende omstandigheden worden gebruikt om een herhaalbare techniek te vinden die goed overeenkomt met de huidige gouden standaard - de onzekerheid bedroeg uiteindelijk ± 0.05 dB.
Metingen werden gedaan op negen LS1P (18.6 mm diameter diafragma) microfoons bij 250 Hz en 1 kHz, op honderden punten op elk membraan.
"Uiteindelijk ontdekten ze dat de beste aanpak was om gegevens te gebruiken van een klein gedeelte in het midden van de diafragma's, die slechts 3% van het totale oppervlak beslaan. Steeds verder naar de randen toe waren metingen niet erg herhaalbaar”, aldus NIST. "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."
Vergeleken met de gebruikelijke NIST-techniek kwamen de cijfers "heel goed overeen", NIST-onderzoeker Randall Wagner. "Ze waren statistisch niet van elkaar te onderscheiden."
De ± 0.05 dB van de lasergebaseerde vergelijkingsmethode, zei NIST, is vergelijkbaar met ± 0.03 dB voor de gouden standaard 'wederkerigheidsmethode' en ± 0.08 dB voor de traditionele 'wederkerigheidsgebaseerde vergelijkingsmethode'.
Wat zijn de bestaande methoden?
De hoogwaardige 'wederkerigheidsmethode' begint met drie microfoons van standaardkwaliteit, verbonden in mix-and-match-paren met behulp van een met waterstof gevulde koppeling, waarbij ze om de beurt luidspreker en microfoon zijn. Nadat alle zes combinaties verschillende keren zijn gemeten, "kunnen onderzoekers zeker zijn van de gevoeligheid van elk van de drie microfoons zonder dat ze een eerder gekalibreerde microfoon nodig hebben", aldus NIST.
'Reciprociteit-gebaseerde vergelijking'-kalibratie gebruikt een van de bovengenoemde drie nieuw gekalibreerde microfoons als signaalbron aan het ene uiteinde van de coupler en de onbekende microfoon aan het andere.
De laser Doppler-methode presteert goed genoeg om in de industrie te worden gebruikt, zei NIST. "Er is niets zoals dit nu op de markt, niet dat ik weet", zei Wagner. "Het zou ver in de toekomst liggen - een luchtkasteel - maar ik zie dit werk als het openen van de deur naar commerciële toepassingen."
Hij en Allen hebben een voorlopig octrooi aangevraagd. In de komende maanden zullen ze een gevoeligere laservibrometer gebruiken om een grotere verscheidenheid aan microfoontypes op meer frequenties te onderzoeken, en zullen ze proberen de onzekerheid ver genoeg naar beneden te duwen om te kunnen concurreren met de primaire kalibratietechniek.
"Deze eerste poging was een soort voorbeeld van langs de bomen lopen, het echt laaghangende fruit zien en het grijpen", zei Allen.
Het werk is gepubliceerd als 'Laser-based vergelijkingskalibratie van laboratoriumstandaardmicrofoons' in JASA Express Letters - het hele, grondige papier kan zonder betaling worden gelezen.