Такая калибровка требуется в лабораториях по стандартизации, чтобы микрофоны в шумомерах и тестерах слуховых аппаратов, например, могли быть установлены на другом конце цепи калибровки.
Традиционные «сравнительные калибровки» (см. Ниже) включают воздействие на неизвестный микрофон и стандартный лабораторный микрофон идентичным акустическим полям и сравнение выходных сигналов. Источник звука и микрофон соединены через герметичный полый водородный переходник.
Как это часто бывает, источником звука является другой лабораторный стандартный микрофон, работающий как громкоговоритель - эти методы работают только с микрофонами, которые могут быть с обратным управлением, такими как типы LS1P, используемые в NIST.
В новом методе используется лазерный доплеровский виброметр, и, согласно NIST, он примерно на 30% быстрее, чем его текущий метод сравнения, потому что он выполняется на открытом воздухе, без необходимости в соединителе или заполнении водородом.
«Люди искали высокоточный метод калибровки с использованием лазеров, но не нашли подход, который мог бы конкурировать с наиболее точным из существующих методов», - сказал ученый NIST Ричард Аллен (фото). «Но теперь мы нашли сравнительную калибровку, которая лучше, чем те, которые используются в обычной практике».
Метод проверки концепции управляет только микрофоном как громкоговорителем и измеряет движение диафрагмы микрофона с помощью лазерного пятна - сигнал скорости получается путем смешивания образца исходного лазера с модифицированным доплеровским обратным лазером.
Умным моментом является не использование лазерных измерений в Институте, а исследование с использованием тысяч таких измерений в различных условиях, чтобы найти повторяемую методику, которая хорошо согласуется с текущим золотым стандартом - погрешность в конечном итоге составила ± 0.05 дБ.
Измерения проводились на девяти микрофонах LS1P (диаметр диафрагмы 18.6 мм) на частотах 250 Гц и 1 кГц в сотнях точек на каждой диафрагме.
«В конечном итоге они обнаружили, что лучший подход - использовать данные из небольшого участка в центре диафрагм, занимающего всего 3% от общей площади поверхности. По данным NIST, все ближе и ближе к краям измерения не очень повторялись ». «Идея использовать только центральную часть возникла из недавней статьи группы исследователей из Республики Корея и Японии».
По словам исследователя NIST Рэндалла Вагнера, по сравнению с обычной техникой NIST, «цифры очень хорошо совпадают». «Они были статистически неотличимы друг от друга».
По данным NIST, ± 0.05 дБ для метода сравнения на основе лазера сравнивается с ± 0.03 дБ для золотого стандарта «метода взаимности» и ± 0.08 дБ для традиционного метода «сравнения на основе взаимности».
Какие существуют методы?
Высококлассный «метод взаимности» начинается с трех микрофонов стандартного уровня, соединенных парами «микшируйте и подбирай» с помощью водородного соединителя, где они по очереди превращаются в громкоговоритель и микрофон. После того, как все шесть комбинаций были измерены несколько раз, «исследователи могут быть уверены в чувствительности каждого из трех микрофонов без необходимости предварительно откалиброванного микрофона», - сказал NIST.
При калибровке «сравнение на основе взаимности» в качестве источника сигнала на одном конце ответвителя используется один из трех недавно откалиброванных микрофонов, а на другом - неизвестный микрофон.
По словам NIST, лазерный доплеровский метод работает достаточно хорошо, чтобы его можно было использовать в промышленности. «Ничего подобного на рынке сейчас нет, насколько мне известно, - сказал Вагнер. «Это было бы далеким будущим - что-то вроде пирога в небе - но я считаю, что эта работа открывает дверь для коммерческих приложений».
Он и Аллен подали заявку на предварительный патент. В ближайшие месяцы они будут использовать более чувствительный лазерный виброметр, чтобы исследовать более широкий спектр типов микрофонов на большем количестве частот, и попытаются снизить неопределенность настолько, чтобы конкурировать с методом первичной калибровки.
«Эта первая попытка была своего рода примером того, как пройти мимо деревьев, увидеть действительно низко висящие фрукты и схватить их», - сказал Аллен.
Работа опубликована как «Лазерная сличительная калибровка лабораторных стандартных микрофонов» в JASA Express Letters - всю обстоятельную статью можно прочитать без оплаты.