Calibración del micrófono de medición

Para realizar una medición científica con un micrófono , es necesario conocer su sensibilidad precisa (en voltios por pascal ). Dado que esta puede variar durante la vida útil del dispositivo, es preciso calibrar los micrófonos de medición periódicamente. Este servicio lo ofrecen algunos fabricantes de micrófonos y laboratorios de ensayo independientes. La calibración de micrófonos por laboratorios certificados debe ser trazable a patrones primarios de un Instituto Nacional de Metrología (o de otro tipo) signatario de la Cooperación Internacional para la Acreditación de Laboratorios ( ILAC) . Entre estos se incluyen el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido, el PTB de Alemania, el NIST de EE. UU. y el Instituto Nacional de Metrología de Australia , donde la calibración por reciprocidad (véase más adelante) es el método reconocido internacionalmente para obtener el patrón primario. Los micrófonos de referencia de laboratorio calibrados mediante este método se utilizan a su vez para calibrar otros micrófonos mediante técnicas de calibración por comparación (calibración secundaria), comparando la salida del micrófono de prueba con la del micrófono de referencia de laboratorio.

La sensibilidad de un micrófono varía con la frecuencia (así como con otros factores como las condiciones ambientales) y, por lo tanto, normalmente se registra como varios valores de sensibilidad, cada uno para una banda de frecuencia específica (véase el espectro de frecuencia ). La sensibilidad de un micrófono también puede depender de la naturaleza del campo sonoro al que está expuesto. Por esta razón, los micrófonos suelen calibrarse en más de un campo sonoro, por ejemplo, un campo de presión y un campo libre. Según su aplicación, los micrófonos de medición deben probarse periódicamente (cada año o cada pocos meses, normalmente) y después de cualquier evento potencialmente dañino, como una caída o la exposición a niveles de sonido que superen el rango operativo del dispositivo.

La calibración por reciprocidad es actualmente el estándar primario preferido para la calibración de micrófonos de medición. La técnica aprovecha la naturaleza recíproca de ciertos mecanismos de transducción, como el principio del transductor electrostático utilizado en los micrófonos de medición de condensador . Para llevar a cabo una calibración por reciprocidad, se utilizan tres micrófonos sin calibrar.${\displaystyle i}$,${\displaystyle j}$y${\displaystyle k}$se utilizan. Micrófonos${\displaystyle i}$y${\displaystyle j}$se colocan uno frente al otro con un acoplador acústico bien conocido entre sus diafragmas , lo que permite la transferencia acústica de impedancia${\displaystyle Z_{\text{ac}}}$para poder ser modelado fácilmente. Uno de los micrófonos es entonces accionado por una corriente.${\displaystyle I_{i}}$uno actúa como fuente de sonido y el otro responde a la presión generada en el acoplador, produciendo un voltaje de salida.${\displaystyle U_{j}}$lo que resulta en la impedancia de transferencia eléctrica${\displaystyle Z_{ij}}$Siempre que los micrófonos tengan un comportamiento recíproco, lo que significa que la sensibilidad en circuito abierto en V/Pa como receptor es la misma que la sensibilidad en m³ ^/ s/A como transmisor, se puede demostrar que el producto de los factores de transmisión${\displaystyle M_{i}}$,${\displaystyle M_{j}}$y la impedancia de transferencia acústica es igual a la impedancia de transferencia eléctrica.

${\displaystyle Z_{ij}={\frac {U_{j}}{I_{i}}}=M_{i}\;Z_{\text{ac}}\;M_{j}}$

Una vez determinado el producto de los factores de transmisión para un par de micrófonos, se repite el proceso con las otras dos posibles combinaciones de pares.${\displaystyle ik}$y${\displaystyle jk}$El conjunto de tres mediciones permite deducir el factor de transmisión de cada micrófono resolviendo tres ecuaciones simultáneas.

${\displaystyle M_{i}={\sqrt {{\frac {1}{Z_{\text{ac}}}}{\frac {Z_{ij}Z_{ik}}{Z_{jk}}}}}}$

La impedancia de transferencia eléctrica se determina durante el procedimiento de calibración midiendo la corriente y el voltaje, y la impedancia de transferencia acústica depende del acoplador acústico.

${\displaystyle Z_{\text{ac}}={\frac {p}{Q}}={\frac {F}{vS^{2}}}}$

Los acopladores acústicos más utilizados son los de campo libre , campo difuso y cámara de compresión. Para condiciones de campo libre entre los dos micrófonos, la presión sonora en el campo lejano se puede calcular y es la siguiente:

${\displaystyle Z_{{\text{ac}},\,{\text{free}}}={\frac {\rho _{0}\omega }{4\pi r}}e^{-{\frac {m}{2}}r}e^{-j(kr-{\frac {\pi }{2}})}}$

dónde${\displaystyle r}$es la distancia entre los micrófonos. Para condiciones de campo difuso, sigue

${\displaystyle Z_{{\text{ac}},\,{\text{diff}}}={\frac {\rho _{0}\omega }{\sqrt {\pi A}}}={\frac {\rho _{0}\omega }{4\pi d_{c}}}}$

dónde${\displaystyle A}$es el área de absorción equivalente y${\displaystyle d_{c}}$es la distancia crítica para la reverberación. Para condiciones de cámara de compresión, sigue lo siguiente:

${\displaystyle Z_{{\text{ac}},\,{\text{comp}}}={\frac {\rho _{0}c^{2}}{j\omega V_{0}}}}$

dónde${\displaystyle V_{0}}$es el volumen de aire en la cámara.

Esta técnica permite medir la sensibilidad de un micrófono sin necesidad de compararlo con otro micrófono previamente calibrado, y en su lugar, permite la trazabilidad a magnitudes eléctricas de referencia como voltios y ohmios , así como a longitud , masa y tiempo . Si bien un micrófono calibrado determinado suele haber sido calibrado mediante otros métodos (secundarios), todos pueden rastrearse (a través de un proceso de difusión ) hasta un micrófono calibrado mediante el método de reciprocidad en un Instituto Nacional de Metrología. La calibración por reciprocidad es un proceso especializado y, dado que constituye la base del patrón primario para la presión sonora, muchos institutos nacionales de metrología han invertido importantes esfuerzos de investigación para perfeccionar el método y desarrollar instalaciones de calibración. También existe un sistema disponible comercialmente de Brüel & Kjær .

Para la acústica aérea, la técnica de reciprocidad es actualmente el método más preciso disponible para la calibración de micrófonos (es decir, presenta la menor incertidumbre de medición ). La calibración de reciprocidad en campo libre (para obtener la respuesta en campo libre, en contraposición a la respuesta de presión del micrófono) sigue los mismos principios y un método similar al de la calibración de reciprocidad de presión, pero en la práctica es mucho más difícil de implementar. Por ello, es más habitual realizar la calibración de reciprocidad en un acoplador acústico y, posteriormente, aplicar una corrección si el micrófono se va a utilizar en condiciones de campo libre; dichas correcciones están estandarizadas para micrófonos de laboratorio (IEC/TS 61094-7) y suelen estar disponibles en los fabricantes de la mayoría de los tipos de micrófonos comunes.

AEl pistónfono es un calibrador acústico (fuente de sonido) que utiliza un volumen de acoplamiento cerrado para generar una presión sonora precisa para la calibración de micrófonos de medición. Su principio se basa en unpistónaccionado mecánicamente que se mueve a una frecuencia cíclica específica, empujando un volumen fijo de aire al que está acoplado el micrófono bajo prueba. Se supone que el aire se comprimeadiabáticamentey elnivel de presión sonoraen la cámara puede calcularse a partir de las dimensiones físicas internas del dispositivo y laadiabáticos, que requiere quePVγsea una constante, dondePes la presión en la cámara,Ves el volumen de la cámara yγes la relación entre el calor específico del aire a presión constante y sucalor específicoa volumen constante. Los pistonfonos dependen en gran medida dela presión ambiente(siempre requieren una corrección a las condiciones de presión ambiente) y, por lo general, solo se fabrican para reproducir bajas frecuencias (por razones prácticas), típicamente 250 Hz. Sin embargo, los pistonfonos pueden ser muy precisos, con buena estabilidad a lo largo del tiempo.

Sin embargo, los pistonófonos disponibles comercialmente no son dispositivos calculables y deben calibrarse con un micrófono calibrado para que los resultados sean verificables. Si bien suelen ser muy estables con el tiempo, existen pequeñas diferencias en el nivel de presión sonora generado entre distintos pistonófonos. Dado que su salida también depende del volumen de la cámara (volumen de acoplamiento), las diferencias en la forma y el volumen de carga entre los distintos modelos de micrófono influyen en el nivel de presión sonora resultante, lo que requiere la calibración del pistonófono en consecuencia.

Los calibradores de sonido se utilizan de forma idéntica a los pistonófonos, proporcionando un campo de presión sonora conocido en una cavidad a la que se acopla un micrófono de prueba. Se diferencian de los pistonófonos en que funcionan electrónicamente y utilizan una fuente de baja impedancia (electrodinámica) para lograr un alto grado de independencia del volumen. Además, los dispositivos modernos suelen utilizar un mecanismo de retroalimentación para monitorizar y ajustar el nivel de presión sonora en la cavidad, de modo que este se mantenga constante independientemente del tamaño de la cavidad o del micrófono. Los calibradores de sonido normalmente generan un tono sinusoidal de 1 kHz; se elige esta frecuencia porque el nivel de presión sonora ponderado A es igual al nivel lineal a 1 kHz. Los calibradores de sonido también deben calibrarse periódicamente en un laboratorio de calibración acreditado a nivel nacional para garantizar la trazabilidad. Los calibradores de sonido tienden a ser menos precisos que los pistonófonos, pero son (nominalmente) independientes del volumen interno de la cavidad y de la presión ambiental.