Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont effectué la première démonstration d'un moyen plus rapide et plus précis de calibrer certains types de microphones.

La technique, qui utilise des lasers pour mesurer la vitesse à laquelle le diaphragme d'un microphone vibre, fonctionne suffisamment bien pour dépasser l'une des principales méthodes d'étalonnage utilisées au NIST et dans l'ensemble de l'industrie. Un jour, une méthode basée sur le laser pourrait être commercialisée pour devenir une toute nouvelle façon de faire extrêmement sensible, étalonnages à faible incertitude des microphones sur le terrain, dans des endroits tels que les usines et les centrales électriques. Les utilisateurs potentiels d'un tel système commercial pourraient inclure des organisations qui surveillent les niveaux de bruit sur le lieu de travail ou dans la communauté ou l'état des machines par le son.

"Il n'y a rien de tel sur le marché maintenant, pas que je sache, ", a déclaré Randall Wagner, scientifique du NIST. "Ce serait loin dans le futur - une sorte de gâteau dans le ciel - mais je vois ce travail comme ouvrant la porte à des applications commerciales."

Leurs travaux ont été publiés en ligne cette semaine dans Lettres Express JASA .

Les « étalonnages de comparaison » traditionnels consistent à comparer le microphone d'un client à un microphone standard de laboratoire qui a déjà été étalonné par d'autres moyens. La nouvelle méthode laser démontrée par le NIST a des incertitudes plus faibles et est environ 30 % plus rapide que la méthode de comparaison traditionnelle actuellement utilisée au NIST pour calibrer les microphones des clients.

« Les gens recherchaient une méthode d'étalonnage très précise qui utilise des lasers, et ils n'ont pas trouvé d'approche compétitive avec la méthode existante la plus précise, " a déclaré le scientifique du NIST Richard Allen. " Mais maintenant, nous avons trouvé un étalonnage de comparaison qui est meilleur que ceux utilisés dans la pratique courante. "

La norme « Standard »

Le son est constitué d'ondes de pression qui traversent un milieu tel que l'air. Un microphone est un appareil qui prend ces ondes de pression et les transforme en un signal électrique.

Pour calibrer un microphone, les chercheurs doivent mesurer sa sensibilité aux ondes de pression. Ils commencent par étalonner un ensemble de microphones standard de laboratoire à l'aide d'une technique appelée « méthode de réciprocité », l'étalon-or pour les étalonnages de microphones.

Dans un étalonnage de réciprocité, deux microphones sont reliés entre eux via un petit cylindre creux appelé coupleur acoustique. Un microphone produit un son que l'autre microphone capte. Après avoir effectué une mesure, les positions fonctionnelles des microphones peuvent être interverties, avec l'émetteur faisant office de récepteur et vice versa.

(Et oui, les microphones sont parfois utilisés pour produire des sons plutôt que simplement les recevoir. Contrairement aux microphones que vous pourriez utiliser pour une conférence téléphonique ou une soirée karaoké, les microphones standard de laboratoire peuvent fonctionner en tant que récepteur ou en tant qu'émetteur, essentiellement un haut-parleur.)

Ce processus est répété plusieurs fois en utilisant un total de trois microphones standard de laboratoire. En échangeant les rôles des microphones entre les mesures, les chercheurs peuvent être sûrs de la sensibilité de chacun des trois microphones sans avoir besoin d'un microphone préalablement calibré.

Une fois cet ensemble maître de microphones 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 l'étalonnage de haute précision des microphones des clients est un étalonnage de « comparaison » basé sur la réciprocité. 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 nouvellement calibré agit exclusivement en tant qu'émetteur et le microphone en cours de calibrage agit exclusivement en tant que récepteur.

C'est ce deuxième type d'étalonnage, l'étalonnage « comparatif », que les scientifiques du NIST ont entrepris de tester par rapport à la nouvelle méthode à base de laser.

Nouvelle méthode :moins c'est plus

Les méthodes traditionnelles d'étalonnage des microphones sont acoustiques :elles reposent sur la transmission du son à travers un support. En revanche, la nouvelle méthode d'étalonnage laser mesure les vibrations physiques du diaphragme lui-même.

Pour leur récente expérience, Les chercheurs du NIST ont utilisé un vibromètre laser Doppler, un instrument commercial qui projette un faisceau laser sur la surface d'un microphone dont le diaphragme 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 façon, de subtils changements de fréquence sont mesurés. (Ces décalages de fréquence fonctionnent selon le même principe que l'effet Doppler, ce qui fait que l'ambulance à l'extérieur de votre fenêtre sonne plus haut lorsqu'elle s'approche et plus grave lorsqu'elle s'éloigne.) Les chercheurs convertissent le signal du vibromètre en une vitesse, qui leur indique à quelle vitesse le diaphragme vibrait à ce point sur sa surface.

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

Ils ont commencé par mesurer sur toute la surface des diaphragmes. Ils ont constaté que la vitesse au centre des diaphragmes était significativement plus élevée que près des bords, où il n'y avait pratiquement pas de mouvement.

Finalement, ils ont découvert que la meilleure approche était d'utiliser les données d'une petite section au centre des diaphragmes qui ne représentaient que 3 % de la surface totale. L'idée d'utiliser uniquement 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 rendre les mesures de vitesse agréables et reproductibles est de mesurer au centre du diaphragme, " dit Wagner. " Au fur et à mesure que vous avancez vers les bords, nos mesures n'étaient tout simplement pas très reproductibles."

Comme dernière étape, Wagner et Allen ont comparé les sensibilités des microphones qu'ils ont mesurées avec les étalonnages au laser aux mesures qu'ils avaient précédemment prises en utilisant les étalonnages de réciprocité de référence avec le même ensemble de microphones. Le verdict?

"Les chiffres s'accordaient très bien, " a déclaré Wagner. "Ils étaient statistiquement indiscernables les uns des autres."

De plus, les incertitudes de la nouvelle méthode 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 la méthode de comparaison traditionnelle basée sur la réciprocité a une incertitude de 0,08 dB, la méthode de comparaison basée sur le laser a une incertitude de seulement 0,05 dB.

Wagner et Allen affirment que la méthode de comparaison laser fait gagner "un temps considérable" principalement parce qu'elle est réalisée à l'air libre. En revanche, la méthode traditionnelle du NIST pour faire une comparaison à des fréquences plus élevées nécessite de connecter deux microphones avec un coupleur acoustique, puis de remplir le coupleur d'hydrogène, qui prend 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 référence. En cas de succès, une méthode primaire au laser serait nettement plus rapide, puisque la méthode de réciprocité oblige les chercheurs à répéter les mesures plusieurs fois avec différentes combinaisons de microphones et de coupleurs acoustiques.

Pendant ce temps, Wagner pense que la méthode laser pourrait un jour être standardisée par un organisme de normalisation.

"Ce serait un signe d'acceptation consensuel, " a déclaré Wagner. Jusque-là, il a continué, « nous avons encore beaucoup de travail 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 ainsi que la gamme de fréquences. Ils ont déposé une demande de brevet provisoire, et ils essaieront également de transformer la méthode en une technique d'étalonnage primaire appropriée.

"Cette première tentative était en quelque sorte un exemple de passage devant les arbres et de vue des fruits vraiment bas, et en le saisissant, ", a déclaré Allen.

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

"Je suis au NIST depuis 30 ans, et je ne me souviens pas d'un projet qui rapprochait vibration et acoustique, " a déclaré Wagner.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.