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

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

美國國家標準與技術(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麥克風的更快、更準確的方法。這項技術(shù)使用激光來測量麥克風振膜的振動速度，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方法。

傳統(tǒng)的“比較校準（comparison calibrations）”是將目標麥克風與已經(jīng)通過其他方式校準的實驗室標準麥克風進行比較。NIST展示的新激光方法不確定性更低，比NIST目前用于校準目標麥克風的傳統(tǒng)比較法快約30%

未來這種基于激光的校準方法可能會商業(yè)化，成為一種在工廠和發(fā)電廠等場所對麥克風進行極其靈敏、低不確定性的現(xiàn)場校準的全新方式。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)測機器狀況的任何組織或機構(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！”

標準的“標準”

聲音是通過空氣等介質(zhì)傳播的壓力波，麥克風是一種接收壓力波并將其轉(zhuǎn)化為電信號的設備。為了校準麥克風，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，麥克風校準的黃金標準）”的技術(shù)校準一組實驗室標準麥克風，在此方法中，兩個麥克風通過一個稱為聲耦合器的小空圓柱體相互連接。一個麥克風發(fā)出的聲音被另一個麥克風接收。測量完成后，麥克風的功能位置可以互換，發(fā)射器充當接收器，反之亦然。麥克風有時也被用來產(chǎn)生聲音，而不僅僅是接收聲音。與電話會議或卡拉ok使用的麥克風不同，實驗室標準麥克風既可以作為接收器，也可以作為發(fā)射器——本質(zhì)上是揚聲器。

研究人員Richard Allen與基于激光的麥克風校準設置。激光系統(tǒng)指向下方被測麥克風。來源：NIST

在此過程中，共使用三個實驗室標準麥克風重復多次。通過交換麥克風的角色（即接收器和發(fā)射器）進行測量，研究人員可以確定三個麥克風的靈敏度，而不需要預先校準的麥克風。一旦這組主麥克風校準完畢，就可以直接用于校準目標麥克風。在NIST，通常用于目標麥克風高精度校準的技術(shù)是基于互易的“比較”校準。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置，只是新校準的麥克風專門用作發(fā)射器，而正在校準的麥克風專門用作接收器。

NIST科學家正是基于這種獨特的基于互易的“比較”校準，開始引入激光進行測試。

新方法: 小面積、更精確

傳統(tǒng)的麥克風校準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表面，麥克風的振膜以設定頻率振動。

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，可以測量頻率的細微變化(這些頻率的變化與多普勒效應的原理相同，會導致窗外的救護車靠近時聲音變高，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。

為了進行新的測試，NIST的科學家們使用了九個名義上相同的實驗室標準麥克風（每個麥克風都有一個直徑為18.6毫米的振膜，相當于一枚郵票寬），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、更便利以及更可重復的關鍵就是在振膜的中心進行測量，越靠近邊緣，測量結(jié)果就越不可重復。”

麥克風的特寫鏡頭，激光光斑擊中振膜的中心。來源：NIST

最后，Wagner和Allen用基于激光校準測量的麥克風靈敏度以及他們之前的互易校準對同一組麥克風進行了比較，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。黃金標準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行的。在較高頻率下進行比較的傳統(tǒng)方法需要用聲學耦合器連接兩個麥克風，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雜！

未來研究

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

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)，并不斷擴大校準麥克風的類型以及頻率范圍。對此他們已經(jīng)申請了臨時專利。Allen認為他們的研究伊始就可以說是開了個好頭，因為在進行聲學測量時，振動通常被認為是“有問題的”，因為它們會導致噪音水平的增加。然而在他們的實驗中，振動和聲學測量通過設計相互結(jié)合，為未來的聲學測量提供了不一樣的思路、開拓了更多可能。

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