測定マイクの校正

Measurement_microphone_calibration

マイクロフォンで科学的な測定を行うには、その正確な感度を知る必要があります (ボルト/パスカル)。これはデバイスの寿命によって変化する可能性があるため、測定用マイクロホンを定期的に校正する必要がこのサービスは、一部のマイクロフォン メーカーおよび独立した試験機関によって提供されています。認定試験所によるマイクロフォンの校正は、最終的には、国際試験所認定協力機構に署名している (国立) 測定機関の一次標準にトレーサブルである必要がこれらには、英国の国立物理研究所、PTBが含まれる可能性がドイツのNIST、米国の NIST、およびオーストラリアの National Measurement Institute では、相互関係校正 (以下を参照) が一次標準を実現する国際的に認められた手段です。この方法を使用して校正された実験室標準マイクロフォンは、参照実験室標準マイクロフォンの出力に対する「テスト」マイクロフォンの出力を参照して、比較校正技術 (「二次校正」) を使用して他のマイクロフォンを校正するために順番に使用されます。
マイクの感度は周波数(および環境条件などの他の要因) によって変化するため、通常、特定の周波数帯域ごとにいくつかの感度値として記録されます (周波数スペクトルを参照)。マイクの感度は、マイクがさらされる音場の性質にも依存します。このため、マイクロホンは、圧力場や自由音場など、複数の音場で校正されることがよくアプリケーションに応じて、測定用マイクロホンは定期的 (通常は毎年または数か月) にテストする必要が

相反性のキャリブレーション
相反性校正は、現在、測定用マイクロホンの校正に好まれる主要な標準です。この技術は、コンデンサー測定マイクロフォンで使用される静電トランスデューサの原理など、特定の変換メカニズムの相反する性質を利用しています。相反校正を実行するために、3 つの校正されていないマイク I { i}
j
{ j}
と k
{ k}

使用されています。マイク I { i}
と j
{ j}

ダイアフラム間のよく知られた音響カプラーと向かい合って配置され、音響伝達インピーダンスを可能にします。 Z 交流
{ Z_{text{ac}}}

簡単にモデル化できます。次に、マイクロホンの 1 つが電流によって駆動されます。I 私
{ I_{i}}

音源として機能し、もう一方はカプラーで発生した圧力に応答して、出力電圧を生成します。う j
{ U_{j}}

その結果、電気伝達インピーダンスが発生しますZ I j
{ Z_{ij}}

. マイクロフォンの動作が相反する場合、つまり受信機としての V/Pa での開回路感度が送信機としての m³/s/A での感度と同じであることを意味します。M I
{ M_{i}}
M j { M_{j}}

であり、音響伝達インピーダンスは電気伝達インピーダンスと等しくなります。Z I j = う j I 私=M I Z
交流M j
{ Z_{ij}={frac {U_{j}}{I_{i}}}=M_{i};Z_{text{ac}};M_{j}}

マイクロフォンの 1 つのペアの伝送係数の積を決定したら、他の 2 つの可能なペアの組み合わせでプロセスを繰り返します。I k
{ ik}
と j k
{ jk}

. 次に、3 つの測定値のセットにより、3 つの連立方程式を解くことにより、個々のマイクロフォンの透過率を推定できます。M I = 1 Z
交流Z I j Z I k Z j k
{ M_{i}={sqrt {{frac {1}{Z_{text{ac}}}}{frac {Z_{ij}Z_{ik}}{Z_{jk}}}} }}

電気伝達インピーダンスは、校正手順中に電流と電圧を測定することによって決定され、音響伝達インピーダンスは音響カプラーに依存します。 Z 交流= p Q = ふ vS 2 { Z_{text{ac}}={frac {p}{Q}}={frac {F}{vS^{2}}}}

一般的に使用される音響カプラーは、自由音場、拡散音場、および圧縮チャンバーです。2 つのマイクロホン間の自由音場条件では、遠方音場の音圧を計算でき、次のようになります。 Z 交流 自由= ρ 0 ω
4π r e −
メートル2 e − j( kr − π 2)
{ Z_{{text{ac}}，，{text{free}}}={frac {rho _{0}omega}{4pi r}}e^{-{ frac {m}{2}}r}e^{-j(kr-{frac {pi }{2}})}}

どこ r { r}

マイク間の距離です。拡散フィールド条件については、次のとおりです。 Z 交流 差分= ρ 0 ω
πあ = ρ 0 ω
4π d c
{ Z_{{text{ac}}，，{text{diff}}}={frac {rho _{0}omega}{sqrt {pi A}}}={ frac {rho _{0}omega}{4pi d_{c}}}}

どこ あ { A}

は等価吸収面積、d c
{ d_{c}}

残響の臨界距離です。圧縮室の条件は次のとおりです Z 交流 コンプ= ρ 0 c2 ω Ⅴ 0
{ Z_{{text{ac}}，，{text{comp}}}={frac {rho _{0}c^{2}}{jomega V_{0}}} }

どこⅤ 0
{ V_{0}}

チャンバー内の空気量です。
この技術は、以前に校正された別のマイクロフォンと比較する必要なく、マイクロフォンの感度の測定を提供し、代わりに、ボルトやオーム、長さ、質量、時間などの基準電気量に追跡可能です。校正された特定のマイクロフォンは、他の (二次的な) 方法で校正されていることがよくありますが、すべて (普及のプロセスを通じて) 国立測定研究所で相互主義法を使用して校正されたマイクロフォンにまでさかのぼることができます。相互関係校正は専門的なプロセスであり、音圧の一次標準の基礎を形成するため、多くの国立測定機関は、この方法を改良し、校正施設を開発するために多大な研究努力を行ってきました。ブリュエル・ケアーからもシステムが市販されている。
空中音響の場合、相互関係法は現在、マイクロフォンの校正に使用できる最も正確な方法です (つまり、測定の不確実性が最小です)。自由音場の相反性キャリブレーション (マイクロホンの圧力応答ではなく、自由音場の応答を与えるため) は、圧力の相反性キャリブレーションと同じ原理とほぼ同じ方法に従いますが、実際には実装がはるかに困難です。そのため、音響カプラーで相反性キャリブレーションを実行し、マイクロフォンを自由音場条件で使用する場合は補正を適用するのがより一般的です。このような補正は、実験室標準のマイクロフォン (IEC/TS 61094-7) 用に標準化されており、一般的なマイクロフォン タイプのほとんどのメーカーから入手できます。

ピストンホンと音響校正器を使用した校正
あピストンフォンは、クローズド カップリング ボリュームを使用して測定マイクロホンの校正用の正確な音圧を生成する音響校正器 (音源) です。この原理は、指定された周期で動くように機械的に駆動されるピストンに依存しており、テスト対象のマイクロフォンが接続されている一定量の空気を押し出します。空気は断熱的に圧縮されると仮定さチャンバーの音圧レベルは寸法断熱ガスの法則から計算できる可能性がVはチャンバーγは定圧での空気の比熱と定容積での比熱の比です。ピストンフォンは大気圧に大きく依存し (常に大気圧条件への補正が必要です)、通常は (実際的な理由から) 低周波数 (通常は 250 Hz) を再現するように作られています。ただし、ピストンフォンは非常に正確で、長期にわたって安定しています。
ただし、市販のピストンホンは計算可能なデバイスではなく、結果を追跡できるようにするには、校正済みのマイクを使用してそれ自体を校正する必要が一般に、時間の経過とともに非常に安定していますが、異なるピストンフォン間で生成される音圧レベルにはわずかな違いがそれらの出力はチャンバーの容積 (カップリング ボリューム) にも依存するため、異なるモデルのマイクロフォン間の形状と負荷容積の違いは結果として得られる SPL に影響を与えるため、それに応じてピストンフォンを調整する必要が
サウンド キャリブレータはピストンホンと同じ方法で使用され、テスト マイクロフォンが接続されたキャビティ内に既知の音圧フィールドを提供します。サウンド キャリブレータは、電子的に動作し、低インピーダンス (電気力学的) ソースを使用して音量に依存しない高度な動作を実現するという点で、ピストンホンとは異なります。さらに、最新のデバイスは、多くの場合、空洞/マイクロフォンのサイズに関係なく一定になるように、フィードバックメカニズムを使用して空洞内の音圧レベルを監視および調整します。通常、サウンド キャリブレータは 1 kHz のサイン トーンを生成します。A ウェイテッド SPLは 1 kHz でのリニア レベルに等しいため、1 kHz が選択されます。音響校正器は、トレーサビリティを確保するために、全国的に認定された校正研究所で定期的に校正する必要がサウンド キャリブレータは、ピストンフォンよりも精度が低くなる傾向がありますが、(名目上) 内部キャビティの容積や周囲圧力とは無関係です。

参考文献
IEC 61094-2、第 2 版 （2009 年 2 月 20 日) 「測定用マイクロホン、パート 2」。測定用マイクロホンの圧力相反校正に関する IEC 規格
IEC 61094-5、第 1 版 （2001 年 10 月 16 日) 「測定用マイクロホン、パート 5」。測定用マイクロホンの比較校正に関するIEC規格”