Nouveau système d’étalonnage de microphone basé sur le laser


Le nouvel étalonnage du microphone au laser est coupé

Un de laboratoire (cylindre d’or et d’argent à trois bandes, ci-dessus) repose sur une base. Avec une mesure , la membrane du microphone est mise en vibration en appliquant un signal électrique. Crédit d’image : NIST

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont effectué la première démonstration d’une méthode plus rapide et plus précise pour calibrer certains types de microphones.

La technique utilisée par les lasers pour mesurer la vitesse à laquelle le diaphragme d’un microphone vibre fonctionne suffisamment bien pour dépasser l’une des méthodes d’étalonnage les plus importantes utilisées au NIST et dans l’industrie. Un jour, une méthode basée sur le laser pourrait être commercialisée pour offrir une toute nouvelle façon d’effectuer des étalonnages extrêmement sensibles de microphones avec une faible incertitude sur le terrain, comme dans les usines et les centrales électriques. Les utilisateurs potentiels d’un tel système commercial pourraient inclure des organisations qui utilisent le bruit pour surveiller les niveaux de bruit sur le lieu de travail ou dans la communauté, ou l’état des machines.

« Il n’y a actuellement rien de tel sur le marché, je ne suis pas au courant », a déclaré Randall Wagner, scientifique du NIST. « Ce serait loin dans le futur – une sorte de gâteau au paradis – mais je vois ce travail comme un ouvre-porte pour des applications commerciales. »

Son travail a été publié en ligne cette semaine dans Lettres express JASA.

Les « étalonnages de comparaison » conventionnels impliquent la comparaison d’un microphone client avec un microphone standard de laboratoire déjà étalonné. La nouvelle méthode laser démontrée par le NIST a moins d’incertitudes et est environ 30 % plus rapide que la méthode de comparaison conventionnelle actuellement utilisée au NIST pour calibrer les microphones des clients.

« Les gens recherchaient une méthode d’étalonnage de haute précision qui utilise des lasers et ils n’ont pas trouvé d’approche qui rivalise avec la méthode la plus précise existante », a déclaré Richard Allen, scientifique du NIST. « Mais maintenant, nous avons trouvé un étalonnage de comparaison meilleur que celui utilisé dans la pratique. »

La norme « standard »

Les sons sont des ondes de pression qui se propagent dans un milieu tel que l’air. Un microphone est un appareil qui capte ces ondes de pression et les convertit en un signal électrique.

Pour calibrer un microphone, les chercheurs doivent mesurer sa sensibilité aux ondes de pression. Vous commencez par étalonner un ensemble de microphones standard de laboratoire à l’aide d’une technique appelée « méthode de réciprocité » – l’étalon-or pour l’étalonnage des microphones.

Avec un étalonnage de réciprocité, deux microphones sont connectés l’un à l’autre via un petit cylindre creux, ce qu’on appelle un coupleur acoustique. Un microphone produit un son que l’autre microphone capte. Après une mesure, les positions fonctionnelles des microphones peuvent être interverties, l’émetteur faisant office de récepteur et vice versa.

(Et oui, les microphones sont parfois utilisés pour générer du son au lieu de simplement le recevoir. Contrairement aux microphones que vous utilisez pour une conférence téléphonique ou une soirée karaoké, les microphones de laboratoire peuvent servir de récepteurs ou d’émetteurs – je suis essentiellement un haut-parleur.)

Le nouvel étalonnage du microphone au laser est coupé

Richard Allen du NIST avec la configuration d’étalonnage du microphone laser. Le système laser pointe vers le microphone à mesurer. Crédit d’image : NIST

Ce processus est répété plusieurs fois avec un total de trois microphones standard de laboratoire. En échangeant les rouleaux de microphone entre les mesures, les chercheurs peuvent être sûrs de la sensibilité de chacun des trois microphones sans avoir besoin d’un microphone pré-calibré.

Une fois que cet ensemble de microphones maître a été calibré, il peut être utilisé pour calibrer directement les microphones des clients. Différents laboratoires utilisent différentes méthodes pour atteindre cet objectif, mais au NIST, la technique couramment utilisée pour un étalonnage très précis des microphones des clients est un étalonnage de « comparaison » mutuel. C’est ce qu’on appelle « basé sur la réciprocité » car il utilise la même configuration que la méthode de réciprocité, sauf que le microphone recalibré agit uniquement comme un émetteur et le microphone en cours de calibrage agit uniquement comme un récepteur.

C’est ce deuxième type d’étalonnage, l’étalonnage « de comparaison », que les scientifiques du NIST ont voulu tester avec la nouvelle méthode à base de laser.

Nouvelle méthode : moins c’est plus

Les méthodes conventionnelles d’étalonnage des microphones sont acoustiques – elles sont basées sur la transmission du son à travers un support. En revanche, la nouvelle méthode d’étalonnage laser mesure les vibrations physiques de la membrane elle-même.

Pour leur expérience la plus récente, les chercheurs du NIST ont utilisé un vibromètre laser Doppler, un instrument commercial qui dirige un faisceau laser sur la surface d’un microphone dont la membrane vibre à une fréquence définie. (Voir animation.)

Le faisceau rebondit sur la surface du diaphragme et est recombiné avec un faisceau laser de référence. De cette manière, de fins décalages de fréquence sont mesurés. (Ces décalages de fréquence fonctionnent sur le même principe que l’effet Doppler, qui fait que l’ambulance sonne plus haut devant votre fenêtre à mesure qu’elle s’approche et plus bas à mesure qu’elle s’éloigne.) Les chercheurs convertissent le signal du vibromètre en une vitesse um, qui leur indique comment rapidement la membrane vibrait à sa surface à ce .

Pour effectuer le test, les scientifiques du NIST ont utilisé neuf microphones standard de laboratoire nominalement identiques, chacun avec un diaphragme de 18,6 millimètres de diamètre, soit environ la largeur d’un timbre-poste. Tous ont été testés à deux fréquences, 250 hertz (à peu près la note si en dessous du do moyen pour les pianistes) et 1 000 hertz (deux octaves au-dessus de 250 hertz).

Ils ont commencé par des mesures sur toute la surface des membranes. Ils ont constaté que la vitesse était significativement plus élevée au milieu des diaphragmes que près des bords, où il n’y avait pratiquement aucun mouvement.

En fin de compte, ils ont découvert que la meilleure approche consistait à utiliser les données d’une petite section au milieu des membranes, qui n’occupaient que 3 % de la surface totale. L’idée de n’utiliser que la section centrale est venue d’un article récent d’une équipe de chercheurs de la République de Corée et du Japon.

« La clé pour des mesures de vitesse belles et reproductibles est de mesurer au milieu du diaphragme », a déclaré Wagner. « Si vous continuez à marcher vers les bords, nos mesures n’étaient tout simplement pas très reproductibles. »

Dans une dernière étape, Wagner et Allen ont comparé les sensibilités des microphones mesurées avec les étalonnages au laser avec les mesures qu’ils avaient précédemment effectuées avec les étalonnages de réciprocité étalon-or avec le même ensemble de microphones. Le jugement?

Le nouvel étalonnage du microphone au laser est coupé

Gros plan sur un microphone avec le point laser frappant le centre de son diaphragme. Crédit d’image : NIST

« Les chiffres concordent très bien », a déclaré Wagner. « Ils étaient statistiquement indiscernables les uns des autres. »

De plus, les incertitudes pour le nouveau procédé laser étaient impressionnantes. À titre de comparaison : alors que la méthode de réciprocité étalon-or a l’incertitude la plus faible à 0,03 décibel (dB) et que la méthode de comparaison traditionnelle basée sur la réciprocité a une incertitude de 0,08 dB, la méthode de comparaison au laser n’a qu’une incertitude de 0,05 dB.

Wagner et Allen affirment que la méthode de comparaison laser « fait gagner un temps considérable », principalement parce qu’elle est effectuée à l’extérieur. En revanche, la méthode traditionnelle du NIST pour effectuer une comparaison à des fréquences plus élevées nécessite de connecter deux microphones à un coupleur acoustique, puis de remplir le coupleur d’hydrogène, ce qui peut prendre jusqu’à 20 minutes par test.

Prochaines étapes

Wagner espère que les scientifiques trouveront un moyen de développer le système laser en une méthode d’étalonnage primaire très précise qui rivalise ou même surpasse la méthode de réciprocité de l’étalon-or. En cas de succès, une méthode primaire basée sur le laser serait nettement plus rapide, car avec la méthode de réciprocité, les chercheurs doivent répéter les mesures plusieurs fois avec différentes combinaisons de microphones et de coupleurs acoustiques.

Wagner pense maintenant que la méthode laser pourrait un jour être standardisée par un organisme de normalisation.

« Ce serait un sceau de consensus », a déclaré Wagner. Jusque-là, a-t-il poursuivi, « nous avons encore beaucoup à faire ».

Dans les mois à venir, lui et Allen passeront à un système de vibromètre laser Doppler plus sensible et commenceront à étendre les types de microphones calibrés et la gamme de fréquences. Ils ont déposé une demande de brevet provisoire et essaieront également de faire de la méthode une technique d’étalonnage primaire appropriée.

« Cette première tentative était en quelque sorte un exemple de passer devant les arbres et de voir et de saisir les fruits vraiment bas », a déclaré Allen.

Wagner dit que cette expérience est inhabituelle dans son expérience. Les vibrations sont généralement considérées comme « problématiques » dans les mesures acoustiques, car elles peuvent entraîner une augmentation du niveau de bruit. Mais dans cette expérience, les mesures vibratoires et acoustiques sont liées du fait de la conception.

« Je travaille pour le NIST depuis 30 ans et je ne me souviens pas d’un projet qui a rapproché si étroitement les vibrations et l’acoustique », a déclaré Wagner.


La nouvelle méthode offre une traçabilité SI directe pour la pression acoustique


Plus d’information:
Randall P. Wagner et al., Calibration comparative par laser des microphones standard de laboratoire, Lettres express JASA (2021). DOI : 10.1121 / 10.0005919

Fourni par l’Institut national des normes et de la technologie

Cette histoire a été republiée avec la permission du NIST. Lisez l’histoire originale ici.

Citation: Nouveau système d’étalonnage de microphone à laser (2021, 8 septembre), consulté le 12 septembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-09-laser-based-microphone-calibration.html

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