近期，美国国家标准与技术研究院（NIST）向外界演示了一种更快、更准确校准某些类型麦克风的方法。该校准方法采用激光技术来测量麦克风振膜振动的速度，其性能足以超越现有的行业主流校准方法。总有一天，这种基于激光的校准方法可以实现商业化，成为一种全新的方法。

      并且，这种校准方式还可以在工厂和发电厂使用，成为这些场所实现麦克风灵敏准确校准的方式。这种商业系统的潜在用户，还包括需要通过声音监测工作场所或社区噪音水平或机器状况的组织机构。研究团队的这项成果发表在专业期刊JASA Express Letters上。

一个实验室标准麦克风。在激光测量期间，施加电信号会导致麦克风的振膜振动（来源：NIST）

      研究结果表明，传统的“比较校准”（comparison calibrations）涉及将客户的麦克风与已经通过其他方式校准过的实验室标准麦克风进行比较。NIST展示的新激光方法具有更低的不确定性，而且比目前校准麦克风的传方法快约30%。
      NIST科学家Richard Allen表示，过去业界一直在寻找利用激光技术的高精度校准方法，但始终没有实现。现在，我们的研究团队发现了一种更好的比较校准方法，并且在实践中得以验证。

麦克风将接收的声波转换为信号

      用行业术语解释，声音是在空气等介质中传播的压力波，而麦克风是一种将压力波转化为电信号的设备。为了校准麦克风，研究人员需要测量其对压力波的敏感程度。他们首先使用了一种称为“互换”（声音量测领域的最高标准）校准一组实验室标准麦克风。
      在“互换”校准中，两个麦克风通过一个称为声耦合器的小空心圆柱体相互连接。一个麦克风产生的声音被另一个麦克风接收。待一次测量完成后，麦克风的功能位置互换，原来的发射器充当接收器，反之亦然。
      麦克风有时用于产生声音，而不仅仅是接收声音。与用于电话会议或卡拉OK的麦克风不同，实验室标准麦克风既可以用作接收器又可以用作发射器，其本质是一个喇叭。实验过程中，研究人员使用了3个实验室标准麦克风，并重复上述过程。期间，通过交换麦克风的角色，研究人员可以确定每个麦克风的灵敏度，而无需事先校准麦克风。

NIST研究人员使用基于激光的麦克风校准设置。激光系统向下指向正在测量的麦克风（来源：NIST）

      新方法：少即是多

      传统的麦克风校准方法基于声学原理，依赖于声音通过介质的传输。相比之下，激光校准方法测量隔膜本身的物理振动。在最近的实验中，NIST研究人员使用了多普勒激光测振仪（这是一种商业仪器），可以将激光束照射到麦克风表面，其振膜以设定的频率振动。
      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。频率变化的原理与多普勒效应相同，就像窗外的救护车在接近时声音较高，在远离时声音较低。研究人员将来自振动计的信号转换为速度，这告诉他们隔膜在其表面上的那个点振动的速度。

多普勒激光测振仪用于麦克风校准原理图

      为了进行新的测试，NIST研究人员使用了9个实验室标准麦克风，每个麦克风的振膜直径为18.6毫米，大约是一张邮票的宽度。所有这些都在两个频率下进行了测试，250 赫兹和1000赫兹（比250赫兹高两个八度音阶）。
      研究人员首先测量了麦克风振膜的表面积。实验中，他们发现振膜中心的振动速度明显高于边缘附近。他们发现最好的方法是使用振膜中心仅占总表面积3%的一小部分数据。作为最后，研究人员将他们使用基于激光的校准测量的麦克风灵敏度与之前同一组麦克风使用黄金标准“互换”校准结果进行了比较。

麦克风特写，激光点击中麦克风振膜中心（来源：NIST）

      激光校准方法的结果令人印象深刻。虽然黄金标准互换校准法的不确定度最低，为0.03分贝 ，而传统的比较校准法的不确定度为0.08分贝，而基于激光的校准法的不确定度仅为0.05分贝。虽然不确定度不是最低的，但激光的校准方法却节省了大量时间，主要因为可以在露天进行。相比之下，在较高频率下进行传统的比较校准需要使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。
      为现有校准找到合适的替代方法NIST研究人员希望找到一种方法，将基于激光的校准系统发展成为高度准确的初级校准方法，可以与黄金标准互换校准法相媲美甚至优于后者。如果成功，基于激光的校准方法更快、更方便。
      在接下来的几个月里，研究团队将升级到更灵敏的激光多普勒振动计系统，并扩展校准的麦克风类型和频率范围。他们已经申请了一项临时专利，还将尝试将该方法转变为一种合适的主要麦克风的校准技术。