Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han realizado 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 uno de los principales métodos de calibración utilizados en NIST y en toda la industria. Algún día, un método basado en láser podría comercializarse para convertirse en una forma completamente nueva de realizar tareas extremadamente sensibles, calibraciones de baja incertidumbre de micrófonos en el campo, en lugares como fábricas y centrales eléctricas. 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 la comunidad o el estado de la maquinaria a través del sonido.

"No hay nada como esto en el mercado ahora, no que yo supiese, ", dijo el científico del NIST, Randall Wagner." Sería un futuro lejano, una especie de pastel en el cielo, pero creo que este trabajo abre la puerta a aplicaciones comerciales ".

Su trabajo fue publicado en línea esta semana en Cartas JASA Express .

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 NIST tiene menos incertidumbres y es aproximadamente un 30% más rápido que el método de comparación tradicional utilizado actualmente en NIST para calibrar los micrófonos de los clientes.

"La gente ha estado buscando un método de calibración de alta precisión que utilice láseres, y no han encontrado un enfoque que sea competitivo con el método existente más preciso, ", dijo el científico del NIST Richard Allen." Pero ahora hemos encontrado una calibración de comparación que es mejor que las que se usan en la práctica común ".

El estándar 'estándar'

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 deben medir qué tan sensible es a las ondas de presión. Empiezan por calibrar 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 están conectados entre sí a través de un pequeño cilindro hueco llamado acoplador acústico. Un micrófono produce un sonido que capta el otro micrófono. Después de tomar una medición, las posiciones funcionales de los micrófonos se pueden intercambiar, con el transmisor actuando como receptor y viceversa.

(Y si, los micrófonos a veces se utilizan para producir sonidos en lugar de simplemente recibirlos. A diferencia de los micrófonos que puede usar para una conferencia telefónica o una noche de karaoke, Los micrófonos estándar de laboratorio pueden funcionar como receptor o como transmisor, esencialmente un altavoz).

Este proceso se repite varias veces utilizando un total de tres micrófonos estándar de laboratorio. Al intercambiar las funciones de los micrófonos entre las 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 calibrado este conjunto maestro de micrófonos, se puede utilizar para calibrar directamente los micrófonos de los clientes. Los diferentes laboratorios utilizan diferentes métodos para lograr este objetivo, pero en 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. Se llama "basado en reciprocidad" porque utiliza la misma configuración que el método de reciprocidad, excepto que el micrófono recién calibrado actúa exclusivamente como transmisor y el micrófono que se está calibrando actúa exclusivamente como receptor.

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.

Nuevo método:menos es más

Los métodos tradicionales de calibración de micrófonos son acústicos:se basan en la transmisión de sonido a través de un medio. A diferencia de, el nuevo método de calibración basado en láser mide las vibraciones físicas del propio diafragma.

Para su reciente experimento, 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. (Ver animación).

El rayo rebota en la superficie del diafragma y se recombina con un rayo láser de referencia. De este modo, se miden cambios sutiles en la frecuencia. (Estos cambios en la frecuencia funcionan según el mismo principio que el efecto Doppler, lo que hace que la ambulancia fuera de su ventana suene con un tono más alto a medida que se acerca y con un tono más bajo cuando se aleja). Los investigadores convierten la señal del vibrómetro en una velocidad, que les dice qué tan rápido estaba vibrando 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, aproximadamente del ancho de un sello postal. Todos fueron probados en dos frecuencias, 250 hercios (para pianistas, aproximadamente la nota B debajo de la C media) y 1, 000 hercios (dos octavas superiores a 250 hercios).

Comenzaron midiendo toda la superficie de los diafragmas. Descubrieron que la velocidad en el centro de los diafragmas era significativamente más alta que cerca de los bordes, donde prácticamente no había movimiento.

Por último, descubrieron que el mejor enfoque era utilizar datos de solo una pequeña sección en el centro de los diafragmas que ocupaban solo el 3% de la superficie total. La idea de utilizar solo la sección central surgió de un artículo reciente de un equipo de investigadores de la República de Corea y Japón.

"La clave para que las mediciones de velocidad sean agradables y repetibles es medir en el centro del diafragma, ", Dijo Wagner." A medida que avanza más y más hacia los bordes, nuestras medidas simplemente no eran muy repetibles ".

Como paso final, Wagner y Allen compararon las sensibilidades de los micrófonos que midieron con las calibraciones basadas en láser con las mediciones que habían tomado previamente utilizando las calibraciones de reciprocidad estándar de oro con el mismo conjunto de micrófonos. ¿El veredicto?

"Los números coincidieron muy bien, ", Dijo Wagner." Estadísticamente, eran indistinguibles entre sí ".

Es más, las incertidumbres del nuevo método láser fueron impresionantes. A modo de comparación:si bien el método de reciprocidad estándar de oro tiene la incertidumbre más baja a 0.03 decibeles (dB), y el método de comparación tradicional basado en reciprocidad tiene una incertidumbre de 0,08 dB, el método de comparación basado en láser tiene una incertidumbre de solo 0,05 dB.

Wagner y Allen dicen que el método de comparación láser ahorra "un tiempo significativo" principalmente porque se realiza al aire libre. A diferencia de, 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, que tarda hasta 20 minutos por prueba.

Próximos pasos

Wagner espera que los científicos encuentren una manera de desarrollar el sistema basado en láser en un método de calibración primaria de alta precisión que compita o incluso supere el método de reciprocidad estándar de oro. Si tiene éxito, un método primario basado en láser sería significativamente más rápido, dado que el método de reciprocidad requiere que los investigadores repitan las mediciones varias veces con diferentes combinaciones de micrófonos y acopladores acústicos.

Mientras tanto, Wagner cree que el método láser algún día podría ser estandarizado por una organización de estándares.

"Eso sería un sello de consenso de aceptación, "Dijo Wagner. Hasta entonces, él continuó, "Nos queda mucho trabajo por hacer".

En los próximos meses, él y Allen se actualizarán a un sistema de vibrómetro láser Doppler más sensible y comenzarán a expandir los tipos de micrófonos calibrados, así como el rango de frecuencias. Han solicitado una patente provisional, y también intentarán convertir el método en una técnica de calibración primaria adecuada.

"Este primer intento fue una especie de ejemplo de caminar entre los árboles y ver la fruta realmente baja, y agarrándolo, "Dijo Allen.

Wagner dice que este experimento es inusual en su experiencia. Las vibraciones se suelen considerar "problemáticas" al realizar mediciones acústicas, ya que pueden provocar un aumento de los niveles de ruido. Pero en este experimento, las mediciones de vibración y acústica están conectadas por diseño.

"Llevo 30 años en NIST, y no recuerdo un proyecto que uniera tanto la vibración y la acústica, "Dijo Wagner.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.