Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) realizaram a primeira demonstração de uma maneira mais rápida e precisa de calibrar certos tipos de microfones.

A tecnica, que usa lasers para medir a velocidade na qual o diafragma de um microfone vibra, tem um bom desempenho para superar um dos principais métodos de calibração usados ​​no NIST e em toda a indústria. Algum dia, um método baseado em laser poderia ser comercializado para se tornar uma maneira completamente nova de fazer tarefas extremamente sensíveis, calibrações de baixa incerteza de microfones em campo, em locais como fábricas e usinas de energia. Os usuários potenciais de tal sistema comercial podem incluir organizações que monitoram os níveis de ruído no local de trabalho ou na comunidade ou as condições das máquinas por meio do som.

"Não há nada parecido no mercado agora, não que eu saiba, "disse o cientista do NIST Randall Wagner." Estaria em um futuro distante - uma espécie de bolo no céu - mas vejo este trabalho como uma abertura para aplicações comerciais. "

O trabalho deles foi publicado online esta semana em Cartas Expresso JASA .

As "calibrações de comparação" tradicionais envolvem a comparação do microfone de um cliente com um microfone padrão de laboratório que já foi calibrado por outros meios. O novo método de laser demonstrado pelo NIST tem menos incertezas e é cerca de 30% mais rápido do que o método de comparação tradicional usado atualmente no NIST para calibrar os microfones dos clientes.

"As pessoas procuram um método de calibração altamente preciso que use lasers, e eles não encontraram uma abordagem que seja competitiva com o método existente mais preciso, "disse o cientista do NIST Richard Allen." Mas agora encontramos uma calibração de comparação que é melhor do que as usadas na prática comum. "

O padrão 'Padrão'

O som são ondas de pressão viajando através de um meio como o ar. Um microfone é um dispositivo que pega essas ondas de pressão e as transforma em um sinal elétrico.

Para calibrar um microfone, os pesquisadores precisam medir o quão sensível é às ondas de pressão. Eles começam calibrando um conjunto de microfones padrão de laboratório usando uma técnica chamada "método de reciprocidade" - o padrão ouro para calibrações de microfone.

Em uma calibração de reciprocidade, dois microfones são conectados um ao outro por meio de um pequeno cilindro oco chamado acoplador acústico. Um microfone produz um som que o outro microfone capta. Depois que uma medição foi feita, as posições funcionais dos microfones podem ser trocadas, com o transmissor atuando como receptor e vice-versa.

(E sim, os microfones às vezes são usados ​​para produzir sons, em vez de apenas recebê-los. Ao contrário dos microfones que você pode usar para uma chamada em conferência ou noite de karaokê, microfones padrão de laboratório são capazes de funcionar como um receptor ou como um transmissor - essencialmente, um alto-falante.)

Este processo é repetido várias vezes usando um total de três microfones padrão de laboratório. Ao trocar as funções dos microfones entre as medições, os pesquisadores podem ter certeza da sensibilidade de cada um dos três microfones sem a necessidade de um microfone previamente calibrado.

Uma vez que este conjunto mestre de microfones foi calibrado, ele pode ser usado para calibrar diretamente os microfones dos clientes. Laboratórios diferentes usam métodos diferentes para atingir esse objetivo, mas no NIST a técnica comumente usada para calibração de alta precisão de microfones de clientes é uma calibração de "comparação" baseada em reciprocidade. É chamado de "baseado em reciprocidade" porque usa a mesma configuração do método de reciprocidade, exceto que o microfone recém-calibrado atua exclusivamente como o transmissor e o microfone sendo calibrado atua exclusivamente como o receptor.

É este segundo tipo de calibração, a calibração de "comparação", que os cientistas do NIST se propuseram a testar o novo método baseado em laser.

Novo método:menos é mais

Os métodos tradicionais de calibração de microfone são acústicos - eles dependem da transmissão de som por meio de um meio. Em contraste, o novo método de calibração baseado em laser mede as vibrações físicas do próprio diafragma.

Para seu experimento recente, Os pesquisadores do NIST usaram um vibrômetro Doppler a laser, um instrumento comercial que ilumina um feixe de laser na superfície de um microfone cujo diafragma está vibrando em uma determinada frequência. (Veja a animação.)

O feixe ricocheteia na superfície do diafragma e é recombinado com um feixe de laser de referência. Desta maneira, mudanças sutis na frequência são medidas. (Essas mudanças na frequência funcionam de acordo com o mesmo princípio do efeito Doppler, que faz com que a ambulância do lado de fora de sua janela soe mais aguda à medida que se aproxima e mais baixa à medida que se afasta.) Os pesquisadores convertem o sinal do vibrômetro em uma velocidade, que diz a eles quão rápido o diafragma estava vibrando naquele ponto de sua superfície.

Para conduzir o novo teste, Os cientistas do NIST usaram nove microfones padrão de laboratório nominalmente idênticos, cada um com um diafragma de 18,6 milímetros de diâmetro, aproximadamente a largura de um selo postal. Todos foram testados em duas frequências, 250 hertz (para pianistas, aproximadamente a nota B abaixo do dó central) e 1, 000 hertz (duas oitavas acima de 250 hertz).

Eles começaram medindo toda a superfície dos diafragmas. Eles descobriram que a velocidade no centro dos diafragmas era significativamente maior do que perto das bordas, onde praticamente não havia movimento.

Em última análise, eles descobriram que a melhor abordagem era usar dados de apenas uma pequena seção no centro dos diafragmas, ocupando apenas 3% da área total da superfície. A ideia de usar apenas a seção central veio de um artigo recente de uma equipe de pesquisadores da República da Coréia e do Japão.

"A chave para tornar as medições de velocidade agradáveis ​​e repetíveis é medir no centro do diafragma, "Wagner disse." À medida que você avança mais e mais em direção às bordas, nossas medições simplesmente não eram muito repetíveis. "

Como uma etapa final, Wagner e Allen compararam as sensibilidades do microfone que mediram com as calibrações baseadas em laser com as medidas que haviam feito anteriormente usando as calibrações de reciprocidade padrão ouro com o mesmo conjunto de microfones. O veredito?

"Os números concordaram muito bem, "Wagner disse." Eles eram estatisticamente indistinguíveis um do outro. "

Além disso, as incertezas quanto ao novo método a laser eram impressionantes. Para comparação:Embora o método de reciprocidade padrão-ouro tenha a menor incerteza em 0,03 decibéis (dB), e o método tradicional de comparação baseado em reciprocidade tem uma incerteza de 0,08 dB, o método de comparação baseado em laser tem uma incerteza de apenas 0,05 dB.

Wagner e Allen afirmam que o método de comparação a laser economiza "tempo significativo" principalmente porque é realizado ao ar livre. Em contraste, a maneira tradicional do NIST de fazer uma comparação em frequências mais altas requer conectar dois microfones com um acoplador acústico e, em seguida, preencher o acoplador com hidrogênio, o que leva até 20 minutos por teste.

Próximos passos

Wagner espera que os cientistas encontrem uma maneira de desenvolver o sistema baseado em laser em um método de calibração primária de alta precisão que rivaliza ou até supera o método de reciprocidade padrão ouro. Se for bem sucedido, um método baseado em laser primário seria significativamente mais rápido, já que o método de reciprocidade requer que os pesquisadores repitam as medições várias vezes com diferentes combinações de microfones e acopladores acústicos.

Enquanto isso, Wagner acredita que o método a laser poderá algum dia ser padronizado por uma organização de padrões.

"Isso seria um selo de consenso de aceitação, "Wagner disse. Até então, Ele continuou, "ainda temos muito trabalho a fazer."

Nos próximos meses, ele e Allen farão upgrade para um sistema de vibrômetro Doppler a laser mais sensível e começarão a expandir os tipos de microfones calibrados, bem como a faixa de frequências. Eles solicitaram uma patente provisória, e também tentarão transformar o método em uma técnica de calibração primária adequada.

"Essa primeira tentativa foi uma espécie de exemplo de como passar por entre as árvores e ver as frutas bem próximas, e agarrando-o, "Allen disse.

Wagner diz que esse experimento é incomum em sua experiência. As vibrações são geralmente consideradas "problemáticas" ao fazer medições acústicas, uma vez que podem levar ao aumento dos níveis de ruído. Mas neste experimento, as medições de vibração e acústica são conectadas por design.

"Estou no NIST há 30 anos, e não me lembro de um projeto que trouxe vibração e acústica tão próximas, "Wagner disse.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.