NIST的实验表明，激光校准比一般常见的麦克风校准方法更精准快速

美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员首次演示了一种更快、更准确的方法来校准麦克风。

该技术使用激光来测量麦克风振膜的振动速度，其性能足以超越业内使用的主要校准方法之一。未来，基于激光的校准方法可以商业化成为一种全新的方法，在工厂和发电厂等地，对麦克风进行高灵敏度、低不确定性的现场校准。此类潜在商业用户可能包括通过声音监测工作场所、社区噪音水平和检查机器状况的企业。

“据我所知，目前市面上还没有这样的产品，”NIST研究员Randall Wagner说到，“这看起来像是遥远未来里不可思议的事，但我认为这项研究为之后的商业应用打开了大门。”

图中是一个放置在底座上的实验室标准麦克风(顶部有三条金银线的圆柱体)。在激光测量过程中，施加电信号会导致麦克风振膜振动。

他们的研究成果发表在JASA Express Letters网站上。

传统的“比较校准”是将客户的麦克风与已经通过其他方式校准的实验室标准麦克风进行比较。NIST展示的新激光校准方法具有更低的不确定性，比NIST目前用的传统比较法快约30%。

NIST科学家Richard Allen说:“人们一直在尝试寻找一种高度精确的激光校准方法，现在我们似乎寻找到了答案。”

麦克风的工作原理是将压力波或声音转换成电信号。NIST的研究人员最近首次成功演示了用激光进行校准的技术。激光从薄膜表面反射回来，当薄膜向内运动时，反射光的频率会降低。相反，当薄膜向外运动时，反射光的频率会变高。通过测量，研究人员可以提取有关隔膜速度的数据，然后将其与麦克风的电输入进行比较。通过使用“参考”麦克风(之前已经校准过)重复这个激光测试，研究人员可以比传统方法更准确、便捷地校准麦克风。

“金”标准

声音是通过空气等介质传播的压力波。麦克风是一种接收压力波并将其转化为电信号的设备。为了校准麦克风，研究人员需要测量它对压力波的敏感度。他们首先使用一种称为“互易法”（麦克风校准的黄金标准）的技术校准一组实验室标准麦克风。在互易校准中，两个麦克风通过一个叫做声耦合器的空心圆柱体相互连接。一个麦克风发出的声音被另一个麦克风接收。测量完成后，麦克风的功能位置可以互换，发射器充当接收器，反之亦然。

(是的，麦克风不仅仅需要接收声音，还被用来发出声音。与电话会议或KTV使用的麦克风不同，实验室标准麦克风既可以作为接收器，也可以作为发射器——其本质上是扬声器。)

这个过程总共使用3个实验室标准麦克风并重复几次。通过在测量期间交换麦克风的角色，研究人员可以在没有预先校准麦克风的情况下,确定每一个麦克风的灵敏度。一旦这组主麦克风校准完毕，就可以直接用于校准客户的麦克风。不同的实验室使用不同的方法来达到这一目的。在NIST，用于高精度校准客户麦克风的技术是基于互易性的校准。之所以被称为“基于互易性”，是因为它使用与互易性方法相同的设置，只是新校准的麦克风专门用作发射器，而正在校准的麦克风专门用作接收器。NIST的科学家们开始用这种基于激光的新方法来测试第二种类型的校准，即“比较”校准。

NIST的Richard Allen正在使用麦克风激光校准设置。激光系统指向被测麦克风。

新思路：少即是多

传统的声学麦克风校准方法依赖于声音通过介质的传输，而新的基于激光的校准方法，是在测量振膜本身的物理振动。

在最近的实验中，NIST的研究人员使用了激光多普勒测振仪，这是一种商用仪器，它将激光束照射到麦克风的表面，同时麦克风的振膜以设定的频率振动(参见动画视频)。

光束从隔膜表面反弹并与参考激光束重新组合。通过这种方式，可以测量频率的细微变化。(这些频率的变化与多普勒效应的原理相同，多普勒效应体现在当窗外的救护车靠近你时声音变高，离开时声音变低。)研究人员将测振仪的信号转换成速度，从而告诉他们隔膜在其表面某一点的振动速度。

为了进行新的测试，NIST的科学家们使用了九个名义上相同的实验室标准麦克风，每个麦克风都有一个直径为18.6 mm的振膜，大约有一枚邮票的宽度。所有测试都是在两个频率下进行的，250 Hz(对于钢琴演奏者来说，大约是中C下的B音)和1000Hz(两个高于250 Hz的八度音阶)。他们首先测量膈膜的整个表面积，发现膈膜中心的速度明显高于边缘。最终，他们发现最好的方法是使用仅占总表面积3%的膈膜中心的一小部分数据。仅使用中心部分的想法来自韩国和日本的一组研究人员最近的一篇论文。

Wagner说:“使速度测量表现良好且可重复的关键是在隔膜的中心进行测量。当你越来越接近边缘时，我们的测量结果不太可能重复。”

最后一步，Wagner和Allen将他们用激光校准测量的麦克风灵敏度结果与之前用“金标准”互易校准的结果进行了比较。结果如何呢？

“数字非常一致，”Wagner说，“从统计数据来看，他们一样有效。”

此外，新激光校准方法的不确定度令人印象深刻。金标准互易法的不确定度最低为0.03dB，传统的互易比较法的不确定度为0.08dB，而激光比较法的不确定度仅为0.05dB。

Wagner和Allen说，激光比较方法节省了“大量时间”，主要因为它是在户外进行的。相比之下，NIST在更高频率下进行的传统方法需要用声耦合器连接两个麦克风，然后在耦合器中填充氢气，每次测试需要20分钟。

这是一张麦克风的特写照片，激光点击中其振膜中心。

下一步研究计划

Wagner希望科学家们能找到一种方法，将基于激光的校准系统完善成一种高度精确的校准方法，可以超越标准互惠法。如果成功，新的校准方法将会快得多，因为互惠法需要研究人员用不同组合的麦克风和声耦合器重复测量多次。与此同时，Wagner认为激光法在未来可以通过标准组织进行标准化。

在接下来的几个月里，Wagner和Allen将升级到更灵敏的激光多普勒振动系统，并将开始扩大校准麦克风的类型和频率范围。他们已经申请了一项临时专利。艾伦说:“第一次尝试就像是穿过树林，看到挂得很低的果实，然后抓住它。”

Wagner说，这个实验是不同寻常的。在进行声学测量时，振动通常被认为是“有问题的”，因为它们会导致噪音水平的增加。但在本实验中，振动和声学测量是通过设计连接起来的。“我在NIST工作了30年，不曾记得有哪个项目能让振动和声学如此紧密地结合在一起，”Wagner说。