La demostración del NIST muestra que el método láser es más preciso y rápido que un tipo común de técnica de calibración de micrófonos.
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) realizaron la primera demostración de una forma más rápida y precisa de calibrar ciertos tipos de micrófonos. La técnica, que utiliza láseres para medir la velocidad a la que vibra el diafragma de un micrófono, funciona lo suficientemente bien como para superar a uno de los principales métodos de calibración utilizados en el NIST y en toda la industria. Los usuarios potenciales de un sistema comercial de este tipo, podrían incluir organizaciones que monitorean los niveles de ruido en el lugar de trabajo o en la comunidad o la condición de la maquinaria a través del sonido.
Las “calibraciones de comparación” tradicionales, implican comparar el micrófono de un cliente con un micrófono estándar de laboratorio que ya ha sido calibrado por otros medios. El nuevo método láser demostrado por el NIST tiene incertidumbres más bajas y es aproximadamente un 30 % más rápido que el método de comparación tradicional que se usa actualmente para éstas calibraciones.
El sonido son ondas de presión que viajan a través de un medio como el aire. Un micrófono es un dispositivo que toma esas ondas de presión y las convierte en una señal eléctrica. Para calibrar un micrófono, los investigadores necesitan medir qué tan sensible es a las ondas de presión. Comienzan calibrando un conjunto de micrófonos estándar de laboratorio utilizando una técnica llamada "método de reciprocidad", el estándar de oro para las calibraciones de micrófonos.
En una calibración de reciprocidad, dos micrófonos se conectan entre sí a través de un pequeño cilindro hueco llamado acoplador acústico. Un micrófono produce un sonido (emisor) que el otro micrófono capta (receptor). Después de realizar una medición, las posiciones funcionales de los micrófonos se pueden intercambiar, con el transmisor actuando como receptor y viceversa. Este proceso se repite varias veces utilizando un total de tres micrófonos estándar de laboratorio. Al intercambiar las funciones de los micrófonos entre mediciones, los investigadores pueden estar seguros de la sensibilidad de cada uno de los tres micrófonos sin necesidad de un micrófono previamente calibrado.
Una vez que se ha calibrado este conjunto maestro de micrófonos, se puede utilizar para calibrar directamente los micrófonos de los clientes. Los diferentes laboratorios usan diferentes métodos para lograr este objetivo, pero en el NIST, la técnica comúnmente utilizada para la calibración de alta precisión de los micrófonos de los clientes es una calibración de "comparación" basada en la reciprocidad.
Es este segundo tipo de calibración, la calibración de "comparación", que los científicos del NIST se propusieron probar con el nuevo método basado en láser. Los métodos tradicionales de calibración de micrófonos son acústicos: se basan en la transmisión de sonido a través de un medio. Por el contrario, el nuevo método de calibración basado en láser mide las vibraciones físicas del propio diafragma.
Para su experimento reciente, los investigadores del NIST utilizaron un vibrómetro láser Doppler, un instrumento comercial que proyecta un rayo láser sobre la superficie de un micrófono cuyo diafragma vibra a una frecuencia determinada. El rayo rebota en la superficie del diafragma y se recombina con un rayo láser de referencia. De esta manera, se miden cambios sutiles en la frecuencia. Los investigadores convierten la señal del vibrómetro en una señal de velocidad, que les dice qué tan rápido vibraba el diafragma en ese punto de su superficie.
Para realizar la nueva prueba, los científicos del NIST utilizaron nueve micrófonos estándar de laboratorio nominalmente idénticos, cada uno con un diafragma de 18,6 milímetros de diámetro. Todos fueron probados en dos frecuencias, 250 hercios (para los pianistas, aproximadamente la nota B por debajo del do central) y 1000 hercios (dos octavas por encima de los 250 hercios).
Comenzaron midiendo sobre toda el área superficial de los diafragmas, descubriendo que la velocidad en el centro de los diafragmas era significativamente mayor que cerca de los bordes, donde prácticamente no había movimiento. Finalmente, concluyeron que el mejor enfoque era usar datos de una pequeña sección en el centro de los diafragmas que ocupaba solo el 3% del área de superficie total. La idea de usar la sección central, surgió de un artículo publicado por investigadores de la República de Corea y Japón.
Como paso final, los científicos del NIST compararon las sensibilidades del micrófono que midieron con las calibraciones basadas en láser con las medidas que habían tomado previamente usando las calibraciones de reciprocidad estándar de oro con el mismo conjunto de micrófonos. Los números coincidieron muy bien y eran estadísticamente indistinguibles entre sí.
Además, las incertidumbres del nuevo método láser eran impresionantes. A modo de comparación: mientras que el método de reciprocidad estándar de oro tiene la incertidumbre más baja con 0,03 decibelios (dB), y el método de comparación tradicional basado en la reciprocidad tiene una incertidumbre de 0,08 dB, el método de comparación basado en láser tiene una incertidumbre de solo 0,05 dB.
El método de comparación con láser ahorra “tiempo significativo” principalmente porque se realiza al aire libre. Por el contrario, la forma tradicional del NIST de hacer una comparación a frecuencias más altas requiere conectar dos micrófonos con un acoplador acústico y luego llenar el acoplador con hidrógeno, lo que lleva hasta 20 minutos por prueba.
Papel: RP Wagner, RA Allen y Q. Dong. Calibración de comparación basada en láser de micrófonos estándar de laboratorio. Cartas Exprés JASA. Publicado en línea el 30 de agosto de 2021. DOI: https://asa.scitation.org/doi/10.1121/10.0005919
