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新型激光校准麦克风系统问世,实力践行更快、更强、更便利!
录入时间:2021/9/16 22:07:35

美国NIST研究人员研发出了一种校准麦克风更快、更准确的方法,未来可在多场所利用对麦克风进行极其灵敏、低不确定性的现场校准,或将拥抱商业化新发展阶段!

一个实验室标准麦克风(顶部的三色圆柱)被置于底座上。在激光测量过程中,施加电信号会导致麦克风振膜振动。来源:NIST

美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology-NIST)的研究人员在《JASA Express Letters》上发表了他们的新研究,首次演示了一种校准麦克风的更快、更准确的方法。这项技术使用激光来测量麦克风振膜的振动速度,其性能足以超越NIST和整个行业现行使用的那些主要校准方法。

传统的“比较校准(comparison calibrations)”是将目标麦克风与已经通过其他方式校准的实验室标准麦克风进行比较。NIST展示的新激光方法不确定性更低,比NIST目前用于校准目标麦克风的传统比较法快约30%

未来这种基于激光的校准方法可能会商业化,成为一种在工厂和发电厂等场所对麦克风进行极其灵敏、低不确定性的现场校准的全新方式。这种商业系统的潜在用户包括通过声音监控工作场所、社区噪音水平或监测机器状况的任何组织或机构。NIST科研人员Randall Wagner说:“毫不谦虚地说,我们这一种方式可以称得上是一个高度精确的全新的方法,在现行市场上暂无竞争对手。虽然其商业化草创未就,但我们的研究让一切有了可能!”

标准的“标准”

声音是通过空气等介质传播的压力波,麦克风是一种接收压力波并将其转化为电信号的设备。为了校准麦克风,研究人员需要测量它对压力波的敏感度。

他们首先使用一种称为“互易法(reciprocity method,麦克风校准的黄金标准)”的技术校准一组实验室标准麦克风,在此方法中,两个麦克风通过一个称为声耦合器的小空圆柱体相互连接。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。麦克风有时也被用来产生声音,而不仅仅是接收声音。与电话会议或卡拉ok使用的麦克风不同,实验室标准麦克风既可以作为接收器,也可以作为发射器——本质上是扬声器。

研究人员Richard Allen与基于激光的麦克风校准设置。激光系统指向下方被测麦克风。来源:NIST

在此过程中,共使用三个实验室标准麦克风重复多次。通过交换麦克风的角色(即接收器和发射器)进行测量,研究人员可以确定三个麦克风的灵敏度,而不需要预先校准的麦克风。一旦这组主麦克风校准完毕,就可以直接用于校准目标麦克风。在NIST,通常用于目标麦克风高精度校准的技术是基于互易的“比较”校准。之所以被称为“基于互易(reciprocity-based)”,是因为它使用与互易性方法相同的设置,只是新校准的麦克风专门用作发射器,而正在校准的麦克风专门用作接收器。

NIST科学家正是基于这种独特的基于互易的“比较”校准,开始引入激光进行测试。

新方法: 小面积、更精确

传统的麦克风校准方法依赖于声音通过介质的传播。相比之下,新的基于激光的校准方法可测量振膜本身的物理振动。在最近的实验中,NIST的研究人员使用了商用的激光多普勒测振仪(Doppler vibrometer)——如视频所示,将激光束照射到麦克风表面,麦克风的振膜以设定频率振动。

光束从振膜表面反射回来,与参考激光束重新组合。通过这种方式,可以测量频率的细微变化(这些频率的变化与多普勒效应的原理相同,会导致窗外的救护车靠近时声音变高,离开时声音变低)。研究人员将测振仪的信号转换成速度,从而更直观了解振膜表面的振动。

为了进行新的测试,NIST的科学家们使用了九个名义上相同的实验室标准麦克风(每个麦克风都有一个直径为18.6毫米的振膜,相当于一枚邮票宽),所有测试都是250赫兹和1000赫兹两个频率下进行的。他们一开始测量振膜的整个表面区域,发现其中心的速度明显高于边缘附近的速度,后者几乎没有运动。

然后,他们发现最好的方法是使用振膜中心(仅占总表面的3%)一小部分的数据。Randall Wagner说:“使速度测量更精准、更便利以及更可重复的关键就是在振膜的中心进行测量,越靠近边缘,测量结果就越不可重复。”

麦克风的特写镜头,激光光斑击中振膜的中心。来源:NIST

最后,Wagner和Allen用基于激光校准测量的麦克风灵敏度以及他们之前的互易校准对同一组麦克风进行了比较,结果发现两组数据非常一致。此外,令人眼前一亮的是新激光方法的不确定性。黄金标准互易法的不确定度最低为0.03分贝,传统的互易比较法的不确定度为±0.08分贝,而激光比较法的不确定度仅为±0.05分贝。

激光比较法还可节约“大量时间”,因为它主要是在户外进行的。在较高频率下进行比较的传统方法需要用声学耦合器连接两个麦克风,然后在耦合器中填充氢气,每次测试需要20分钟,而激光法则不需要如此复杂!

未来研究

Wagner希望科学家们未来能将基于激光的系统开发成一种快速、高度精确的校准方法,可以与黄金标准互易法相媲美,甚至超过它。他也希望有朝一日这一方法可以实现标准化、获广泛认可。

在接下来的几个月里,他们将升级到更灵敏的激光多普勒测振仪系统,并不断扩大校准麦克风的类型以及频率范围。对此他们已经申请了临时专利。Allen认为他们的研究伊始就可以说是开了个好头,因为在进行声学测量时,振动通常被认为是“有问题的”,因为它们会导致噪音水平的增加。然而在他们的实验中,振动和声学测量通过设计相互结合,为未来的声学测量提供了不一样的思路、开拓了更多可能。

(文章转载自网络,如有侵权,请联系删除)


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