美國NIST研究人員研發(fā)出了一種校準(zhǔn)麥克風(fēng)更快、更準(zhǔn)確的方法，未來可在多場所利用對麥克風(fēng)進(jìn)行極其靈敏、低不確定性的現(xiàn)場校準(zhǔn)，或?qū)�擁抱商業(yè)化新發(fā)展階段！

一個實驗室標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)(頂部的三色圓柱)被置于底座上。在激光測量過程中，施加電信號會導(dǎo)致麥克風(fēng)振膜振動。來源：NIST

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology-NIST)的研究人員在《JASA Express Letters》上發(fā)表了他們的新研究，首次演示了一種校準(zhǔn)麥克風(fēng)的更快、更準(zhǔn)確的方法。這項技術(shù)使用激光來測量麥克風(fēng)振膜的振動速度，其性能足以超越NIST和整個行業(yè)現(xiàn)行使用的那些主要校準(zhǔn)方法。

傳統(tǒng)的“比較校準(zhǔn)（comparison calibrations）”是將目標(biāo)麥克風(fēng)與已經(jīng)通過其他方式校準(zhǔn)的實驗室標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)進(jìn)行比較。NIST展示的新激光方法不確定性更低，比NIST目前用于校準(zhǔn)目標(biāo)麥克風(fēng)的傳統(tǒng)比較法快約30%

未來這種基于激光的校準(zhǔn)方法可能會商業(yè)化，成為一種在工廠和發(fā)電廠等場所對麥克風(fēng)進(jìn)行極其靈敏、低不確定性的現(xiàn)場校準(zhǔn)的全新方式。這種商業(yè)系統(tǒng)的潛在用戶包括通過聲音監(jiān)控工作場所、社區(qū)噪音水平或監(jiān)測機(jī)器狀況的任何組織或機(jī)構(gòu)。NIST科研人員Randall Wagner說：“毫不謙虛地說，我們這一種方式可以稱得上是一個高度精確的全新的方法，在現(xiàn)行市場上暫無競爭對手。雖然其商業(yè)化草創(chuàng)未就，但我們的研究讓一切有了可能！”

標(biāo)準(zhǔn)的“標(biāo)準(zhǔn)”

聲音是通過空氣等介質(zhì)傳播的壓力波，麥克風(fēng)是一種接收壓力波并將其轉(zhuǎn)化為電信號的設(shè)備。為了校準(zhǔn)麥克風(fēng)，研究人員需要測量它對壓力波的敏感度。

他們首先使用一種稱為“互易法（reciprocity method，麥克風(fēng)校準(zhǔn)的黃金標(biāo)準(zhǔn)）”的技術(shù)校準(zhǔn)一組實驗室標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)，在此方法中，兩個麥克風(fēng)通過一個稱為聲耦合器的小空圓柱體相互連接。一個麥克風(fēng)發(fā)出的聲音被另一個麥克風(fēng)接收。測量完成后，麥克風(fēng)的功能位置可以互換，發(fā)射器充當(dāng)接收器，反之亦然。麥克風(fēng)有時也被用來產(chǎn)生聲音，而不僅僅是接收聲音。與電話會議或卡拉ok使用的麥克風(fēng)不同，實驗室標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)既可以作為接收器，也可以作為發(fā)射器——本質(zhì)上是揚(yáng)聲器。

研究人員Richard Allen與基于激光的麥克風(fēng)校準(zhǔn)設(shè)置。激光系統(tǒng)指向下方被測麥克風(fēng)。來源：NIST

在此過程中，共使用三個實驗室標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)重復(fù)多次。通過交換麥克風(fēng)的角色（即接收器和發(fā)射器）進(jìn)行測量，研究人員可以確定三個麥克風(fēng)的靈敏度，而不需要預(yù)先校準(zhǔn)的麥克風(fēng)。一旦這組主麥克風(fēng)校準(zhǔn)完畢，就可以直接用于校準(zhǔn)目標(biāo)麥克風(fēng)。在NIST，通常用于目標(biāo)麥克風(fēng)高精度校準(zhǔn)的技術(shù)是基于互易的“比較”校準(zhǔn)。之所以被稱為“基于互易（reciprocity-based）”，是因為它使用與互易性方法相同的設(shè)置，只是新校準(zhǔn)的麥克風(fēng)專門用作發(fā)射器，而正在校準(zhǔn)的麥克風(fēng)專門用作接收器。

NIST科學(xué)家正是基于這種獨(dú)特的基于互易的“比較”校準(zhǔn)，開始引入激光進(jìn)行測試。

新方法: 小面積、更精確

傳統(tǒng)的麥克風(fēng)校準(zhǔn)方法依賴于聲音通過介質(zhì)的傳播。相比之下，新的基于激光的校準(zhǔn)方法可測量振膜本身的物理振動。在最近的實驗中，NIST的研究人員使用了商用的激光多普勒測振儀（Doppler vibrometer）——如視頻所示，將激光束照射到麥克風(fēng)表面，麥克風(fēng)的振膜以設(shè)定頻率振動。

光束從振膜表面反射回來，與參考激光束重新組合。通過這種方式，可以測量頻率的細(xì)微變化(這些頻率的變化與多普勒效應(yīng)的原理相同，會導(dǎo)致窗外的救護(hù)車靠近時聲音變高，離開時聲音變低)。研究人員將測振儀的信號轉(zhuǎn)換成速度，從而更直觀了解振膜表面的振動。

為了進(jìn)行新的測試，NIST的科學(xué)家們使用了九個名義上相同的實驗室標(biāo)準(zhǔn)麥克風(fēng)（每個麥克風(fēng)都有一個直徑為18.6毫米的振膜，相當(dāng)于一枚郵票寬），所有測試都是250赫茲和1000赫茲兩個頻率下進(jìn)行的。他們一開始測量振膜的整個表面區(qū)域，發(fā)現(xiàn)其中心的速度明顯高于邊緣附近的速度，后者幾乎沒有運(yùn)動。

然后，他們發(fā)現(xiàn)最好的方法是使用振膜中心（僅占總表面的3%）一小部分的數(shù)據(jù)。Randall Wagner說：“使速度測量更精準(zhǔn)、更便利以及更可重復(fù)的關(guān)鍵就是在振膜的中心進(jìn)行測量，越靠近邊緣，測量結(jié)果就越不可重復(fù)。”

麥克風(fēng)的特寫鏡頭，激光光斑擊中振膜的中心。來源：NIST

最后，Wagner和Allen用基于激光校準(zhǔn)測量的麥克風(fēng)靈敏度以及他們之前的互易校準(zhǔn)對同一組麥克風(fēng)進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)非常一致。此外，令人眼前一亮的是新激光方法的不確定性。黃金標(biāo)準(zhǔn)互易法的不確定度最低為0.03分貝，傳統(tǒng)的互易比較法的不確定度為±0.08分貝，而激光比較法的不確定度僅為±0.05分貝。

激光比較法還可節(jié)約“大量時間”，因為它主要是在戶外進(jìn)行的。在較高頻率下進(jìn)行比較的傳統(tǒng)方法需要用聲學(xué)耦合器連接兩個麥克風(fēng)，然后在耦合器中填充氫氣，每次測試需要20分鐘，而激光法則不需要如此復(fù)雜！

未來研究

Wagner希望科學(xué)家們未來能將基于激光的系統(tǒng)開發(fā)成一種快速、高度精確的校準(zhǔn)方法，可以與黃金標(biāo)準(zhǔn)互易法相媲美，甚至超過它。他也希望有朝一日這一方法可以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、獲廣泛認(rèn)可。

在接下來的幾個月里，他們將升級到更靈敏的激光多普勒測振儀系統(tǒng)，并不斷擴(kuò)大校準(zhǔn)麥克風(fēng)的類型以及頻率范圍。對此他們已經(jīng)申請了臨時專利。Allen認(rèn)為他們的研究伊始就可以說是開了個好頭，因為在進(jìn)行聲學(xué)測量時，振動通常被認(rèn)為是“有問題的”，因為它們會導(dǎo)致噪音水平的增加。然而在他們的實驗中，振動和聲學(xué)測量通過設(shè)計相互結(jié)合，為未來的聲學(xué)測量提供了不一樣的思路、開拓了更多可能。

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