新型激光麦克风校准系统

*家标准与技术研究所（NIST）的研究人员首次演示了一种更快、更准确的校准特定类型话筒的方法。

这项技术使用激光测量麦克风振膜振动的速度，其性能足以超过NIST和整个行业使用的主要校准方法之一。有朝一日，一种基于激光的方法可能会商业化，成为一种全新的方法，在工厂和发电厂等地对现场的话筒进行极为灵敏、低不确定度的校准。此类商业系统的潜在用户可能包括通过声音监测工作场所或社区噪音水平或机械状况的组织。

NIST科学家兰德尔·瓦格纳（Randall Wagner）说：“目前市场上没有类似的产品，我不知道。”。“这将是一个遥远的未来——一个天上的馅饼之类的东西，但我认为这项工作为商业应用打开了大门。”

他们的作品本周在《JASA快报》上在线发表。

传统的“比较校准”涉及将客户的麦克风与已通过其他方式校准的实验室标准麦克风进行比较。NIST演示的新激光方法具有较低的不确定性，比NIST目前用于校准客户话筒的传统比较方法快约30%。

NIST科学家理查德·艾伦（Richard Allen）说：“人们一直在寻找一种使用激光的高精度校准方法，但他们还没有找到一种能与现有最精确校准方法相媲美的方法。”“但现在我们发现了一种比常规做法中使用的校准更好的比较校准方法。”

“标准”标准

声音是在空气等介质中传播的压力波。麦克风是一种将这些压力波转换成电信号的设备。

为了校准麦克风，研究人员需要测量它对压力波的敏感程度。他们首先使用一种称为“互易法”（麦克风校准的金标准）的技术校准一组实验室标准麦克风。

在互易校准中，两个麦克风通过一个称为声耦合器的小空心圆柱体相互连接。一个麦克风产生另一个麦克风拾取的声音。测量完成后，话筒的功能位置可以互换，发射机充当接收机，反之亦然。

使用总共三个实验室标准话筒重复此过程数次。通过在测量之间交换麦克风的角色，研究人员可以确定三个麦克风中每一个的灵敏度，而无需事先校准麦克风。

一旦校准了这套主麦克风，就可以使用它直接校准客户的麦克风。不同的实验室使用不同的方法来实现这一目标，但在NIST，通常用于客户话筒高精度校准的技术是基于互惠的“比较”校准。之所以称之为“基于互易性”，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仅作为发射机，而被校准的麦克风仅作为接收机。

正是这种第二种校准，即“比较”校准，NIST的科学家们开始对这种新的基于激光的方法进行测试。

新方法：少即是多

传统的麦克风校准方法是声学的，它们依赖于声音通过介质的传输。相比之下，新的基于激光的校准方法测量膜片本身的物理振动。

在最近的实验中，NIST研究人员使用了激光多普勒测振仪，这是一种商用仪器，将激光束照射到振膜以设定频率振动的麦克风表面。（请参见动画。）

光束从光圈表面反弹，并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，多普勒效应会使车窗外的救护车在靠近时发出更高的音调，在离开时发出更低的音调。）研究人员将测振仪的信号转换为速度，这告诉他们横膈膜在其表面的那个点上振动有多快。

为了进行这项新的测试，NIST的科学家们使用了九个名义上完全相同的实验室标准话筒，每个话筒都有一个直径为18.6毫米的振膜，大约一枚邮票的宽度。所有的测试都是在两个频率下进行的，250赫兹（对于钢琴演奏者来说，大约是中间C以下的B音）和1000赫兹（两个高于250赫兹的八度音阶）。

他们首先测量横膈膜的整个表面积。他们发现横膈膜中心的速度明显高于几乎没有运动的边缘。

最终，他们发现最好的方法是使用仅占总表面积3%的横膈膜中心一小部分的数据。仅使用中间部分的想法来自韩国和日本的一个研究小组最近的一篇论文。

瓦格纳说：“使速度测量准确且可重复的关键是在振膜的中心进行测量。”“当你越来越靠近边缘时，我们的测量结果不太可重复。”

作为最后一步，Wagner和Allen将使用基于激光的校准测量的话筒灵敏度与之前使用金标准互惠校准对同一组话筒进行的测量进行了比较。判决？

瓦格纳说：“数据非常一致。”“从统计上看，它们彼此无法区分。”

此外，新激光方法的不确定性令人印象深刻。比较：金标准互易法的不确定度最低，为0.03分贝（dB），传统互易法的不确定度为0.08分贝，而激光法的不确定度仅为0.05分贝。

瓦格纳和艾伦说，激光比较法节省了“大量时间”，主要是因为它是在露天进行的。相比之下，NIST在更高频率下进行比较的传统方法需要将两个麦克风与声学耦合器连接，然后在耦合器中注入氢气，每次测试最多需要20分钟。

下一步

瓦格纳希望科学家们能找到一种方法，将基于激光的系统发展成一种高度精确的初级校准方法，与金标准互惠法相媲美，甚至超越金标准互惠法。如果成功的话，主要的基于激光的方法将大大加快，因为互易方法要求研究人员使用不同的麦克风和声耦合器组合多次重复测量。

同时，瓦格纳认为激光方法有一天会被一个标准化组织标准化。

瓦格纳说：“这将是一个接受的共识。”在那之前，他继续说，“我们还有很多工作要做。”

在未来几个月，他和艾伦将升级到更灵敏的激光多普勒测振仪系统，并将开始扩大校准的麦克风类型和频率范围。他们已经申请了一项临时专利，他们还将尝试将该方法转化为一种合适的初级校准技术。

艾伦说：“这第一次尝试是一个从树旁走过，看到低垂的果实，然后抓住它的例子。”

瓦格纳说，这个实验在他的经验中是不寻常的。在进行声学测量时，振动通常被认为是“有问题的”，因为振动会导致噪声级增加。但在本实验中，振动和声学测量是通过设计连接起来的。

瓦格纳说：“我在NIST工作了30年，我不记得有哪个项目将振动和声学紧密地结合在一起。”