I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno condotto la prima dimostrazione di un modo più rapido e accurato per calibrare determinati tipi di microfoni.

La tecnica, che utilizza i laser per misurare la velocità alla quale vibra il diaframma di un microfono, funziona abbastanza bene da superare uno dei principali metodi di calibrazione utilizzati al NIST e in tutta l'industria. un giorno, un metodo basato sul laser potrebbe essere commercializzato per diventare un modo completamente nuovo di eseguire operazioni estremamente sensibili, calibrazioni a bassa incertezza dei microfoni sul campo, in luoghi come fabbriche e centrali elettriche. I potenziali utenti di un tale sistema commerciale potrebbero includere organizzazioni che monitorano i livelli di rumore del luogo di lavoro o della comunità o le condizioni dei macchinari tramite il suono.

"Non c'è niente di simile sul mercato ora, non che io sappia, ", ha detto lo scienziato del NIST Randall Wagner. "Sarebbe lontano nel futuro - una cosa del genere - ma vedo questo lavoro come l'apertura della porta ad applicazioni commerciali".

Il loro lavoro è stato pubblicato online questa settimana in Lettere espresse JASA .

Le tradizionali "calibrazioni di confronto" comportano il confronto del microfono di un cliente con un microfono standard di laboratorio che è già stato calibrato con altri mezzi. Il nuovo metodo laser dimostrato dal NIST ha minori incertezze ed è circa il 30% più veloce del metodo di confronto tradizionale attualmente utilizzato al NIST per calibrare i microfoni dei clienti.

"Le persone sono alla ricerca di un metodo di calibrazione altamente accurato che utilizzi laser, e non hanno trovato un approccio competitivo con il metodo esistente più accurato, " ha detto lo scienziato del NIST Richard Allen. "Ma ora abbiamo trovato una calibrazione di confronto che è migliore di quelle usate nella pratica comune".

Lo standard "Standard"

Il suono è un'onda di pressione che viaggia attraverso un mezzo come l'aria. Un microfono è un dispositivo che prende quelle onde di pressione e le trasforma in un segnale elettrico.

Per calibrare un microfono, i ricercatori devono misurare quanto sia sensibile alle onde di pressione. Iniziano calibrando un set di microfoni standard da laboratorio utilizzando una tecnica chiamata "metodo di reciprocità", il gold standard per le calibrazioni dei microfoni.

In una calibrazione di reciprocità, due microfoni sono collegati tra loro tramite un piccolo cilindro cavo chiamato accoppiatore acustico. Un microfono produce un suono che l'altro microfono capta. Dopo aver effettuato una misurazione, le posizioni funzionali dei microfoni possono essere scambiate, con il trasmettitore che funge da ricevitore e viceversa.

(E sì, i microfoni vengono talvolta utilizzati per produrre suoni piuttosto che semplicemente riceverli. A differenza dei microfoni che potresti utilizzare per una chiamata in conferenza o una serata karaoke, i microfoni standard da laboratorio sono in grado di funzionare sia come ricevitore che come trasmettitore, essenzialmente un altoparlante.)

Questo processo viene ripetuto più volte utilizzando un totale di tre microfoni standard da laboratorio. Scambiando i ruoli dei microfoni tra le misurazioni, i ricercatori possono essere sicuri della sensibilità di ciascuno dei tre microfoni senza la necessità di un microfono precedentemente calibrato.

Una volta che questo set principale di microfoni è stato calibrato, può essere utilizzato per calibrare direttamente i microfoni dei clienti. Diversi laboratori utilizzano metodi diversi per raggiungere questo obiettivo, ma al NIST la tecnica comunemente usata per la calibrazione ad alta precisione dei microfoni dei clienti è una calibrazione di "confronto" basata sulla reciprocità. Si chiama "basato sulla reciprocità" perché utilizza la stessa configurazione del metodo di reciprocità, tranne che il microfono appena calibrato funge esclusivamente da trasmettitore e il microfono da calibrare funge esclusivamente da ricevitore.

È questo secondo tipo di calibrazione, la calibrazione "confronto", che gli scienziati del NIST hanno deciso di testare contro il nuovo metodo basato sul laser.

Nuovo metodo:meno è meglio

I metodi tradizionali di calibrazione del microfono sono acustici:si basano sulla trasmissione del suono attraverso un mezzo. In contrasto, il nuovo metodo di calibrazione laser misura le vibrazioni fisiche del diaframma stesso.

Per il loro recente esperimento, I ricercatori del NIST hanno utilizzato un vibrometro laser Doppler, uno strumento commerciale che proietta un raggio laser sulla superficie di un microfono il cui diaframma vibra a una frequenza impostata. (Vedi animazione.)

Il raggio rimbalza sulla superficie del diaframma e viene ricombinato con un raggio laser di riferimento. In questo modo, si misurano sottili variazioni di frequenza. (Questi cambiamenti di frequenza funzionano secondo lo stesso principio dell'effetto Doppler, che fa suonare l'ambulanza fuori dalla tua finestra con un tono più alto quando si avvicina e con un tono più basso quando si allontana.) I ricercatori convertono il segnale dal vibrometro in una velocità, che dice loro quanto velocemente il diaframma stava vibrando in quel punto sulla sua superficie.

Per condurre il nuovo test, Gli scienziati del NIST hanno utilizzato nove microfoni standard di laboratorio nominalmente identici, ciascuno con un diaframma di 18,6 millimetri di diametro, circa la larghezza di un francobollo. Tutti sono stati testati a due frequenze, 250 hertz (per pianisti, all'incirca la nota SI sotto il Do centrale) e 1, 000 hertz (due ottave superiori a 250 hertz).

Hanno iniziato misurando l'intera superficie dei diaframmi. Hanno scoperto che la velocità al centro dei diaframmi era significativamente più alta che vicino ai bordi, dove praticamente non c'era movimento.

In definitiva, hanno scoperto che l'approccio migliore era utilizzare i dati di una piccola sezione al centro dei diaframmi che occupava solo il 3% della superficie totale. L'idea di utilizzare solo la sezione centrale è venuta da un recente articolo di un team di ricercatori della Repubblica di Corea e del Giappone.

"La chiave per rendere le misurazioni della velocità piacevoli e ripetibili è misurare al centro del diaframma, " disse Wagner. "Mentre vai sempre più avanti verso i bordi, le nostre misurazioni non erano molto ripetibili."

Come passo finale, Wagner e Allen hanno confrontato la sensibilità del microfono che hanno misurato con le calibrazioni basate su laser con le misurazioni che avevano precedentemente effettuato utilizzando le calibrazioni di reciprocità gold standard con lo stesso set di microfoni. Il verdetto?

"I numeri concordano molto bene, "Ha detto Wagner. "Erano statisticamente indistinguibili l'uno dall'altro".

Inoltre, le incertezze per il nuovo metodo laser erano impressionanti. Per confronto:mentre il metodo di reciprocità gold standard ha l'incertezza più bassa a 0,03 decibel (dB), e il tradizionale metodo di confronto basato sulla reciprocità ha un'incertezza di 0,08 dB, il metodo di confronto basato sul laser ha un'incertezza di soli 0,05 dB.

Wagner e Allen affermano che il metodo di confronto laser consente di risparmiare "tempo significativo" principalmente perché viene eseguito all'aperto. In contrasto, il modo tradizionale NIST di fare un confronto a frequenze più alte richiede di collegare due microfoni con un accoppiatore acustico e quindi riempire l'accoppiatore con idrogeno, che richiede fino a 20 minuti per test.

Prossimi passi

Wagner spera che gli scienziati trovino un modo per sviluppare il sistema basato su laser in un metodo di calibrazione primario altamente accurato che rivaleggia o addirittura supera il metodo di reciprocità standard. In caso di successo, un metodo basato sul laser primario sarebbe significativamente più veloce, poiché il metodo della reciprocità richiede ai ricercatori di ripetere le misurazioni più volte con diverse combinazioni di microfoni e accoppiatori acustici.

Nel frattempo, Wagner pensa che il metodo laser potrebbe un giorno essere standardizzato da un'organizzazione di standard.

"Sarebbe un timbro di consenso di accettazione, " disse Wagner. Fino ad allora, Lui continuò, "abbiamo ancora molto lavoro da fare."

Nei prossimi mesi, lui e Allen passeranno a un sistema vibrometro laser Doppler più sensibile e inizieranno ad espandere i tipi di microfoni calibrati e la gamma di frequenze. Hanno chiesto un brevetto provvisorio, e cercheranno anche di trasformare il metodo in una tecnica di calibrazione primaria adeguata.

"Questo primo tentativo è stato una sorta di esempio di come passare davanti agli alberi e vedere i frutti davvero bassi, e afferrandolo, " ha detto Allen.

Wagner dice che questo esperimento è insolito nella sua esperienza. Le vibrazioni sono generalmente considerate "problematiche" quando si effettuano misurazioni acustiche poiché possono portare a un aumento dei livelli di rumore. Ma in questo esperimento, le misurazioni vibrazionali e acustiche sono collegate dalla progettazione.

"Sono al NIST da 30 anni, e non ricordo un progetto che abbia unito vibrazioni e acustica così strettamente, " disse Wagner.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.