Calibrage du microphone de mesure - Measurement microphone calibration

Pour effectuer une mesure scientifique avec un microphone , sa sensibilité précise doit être connue (en volts par pascal ). Comme cela peut changer au cours de la durée de vie de l'appareil, il est nécessaire de calibrer régulièrement les microphones de mesure. Ce service est proposé par certains fabricants de microphones et par des laboratoires d'essais indépendants. L'étalonnage des microphones par des laboratoires certifiés devrait en fin de compte être traçable aux étalons primaires d' un institut de mesure (national) signataire de l' International Laboratory Accreditation Cooperation . Ceux-ci pourraient inclure le National Physical Laboratory au Royaume-Uni, le PTB en Allemagne, le NIST aux États-Unis et le National Measurement Institute, en Australie , où l'étalonnage de réciprocité (voir ci-dessous) est le moyen internationalement reconnu de réaliser l'étalon primaire. Les microphones étalons de laboratoire étalonnés à l'aide de cette méthode sont utilisés à leur tour pour étalonner d'autres microphones à l'aide de techniques d'étalonnage de comparaison (`` étalonnage secondaire ''), en référençant la sortie du microphone `` d'essai '' à celle du microphone étalon de laboratoire de référence.

La sensibilité d'un microphone varie avec la fréquence (ainsi qu'avec d'autres facteurs tels que les conditions environnementales) et est donc normalement enregistrée en plusieurs valeurs de sensibilité, chacune pour une bande de fréquences spécifique (voir spectre de fréquences ). La sensibilité d'un microphone peut également dépendre de la nature du champ sonore auquel il est exposé. Pour cette raison, les microphones sont souvent calibrés dans plusieurs champs sonores, par exemple un champ de pression et un champ libre. En fonction de leur application, les microphones de mesure doivent être testés périodiquement (chaque année ou plusieurs mois, généralement) et après tout événement potentiellement dommageable, tel qu'une chute ou une exposition à des niveaux sonores au-delà de la plage de fonctionnement de l'appareil.

Calibrage de réciprocité

L'étalonnage de réciprocité est actuellement la norme principale privilégiée pour l'étalonnage des microphones de mesure. La technique exploite le caractère réciproque de certains mécanismes de transduction comme le principe du transducteur électrostatique utilisé dans les microphones de mesure à condensateur . Pour effectuer un étalonnage de réciprocité, trois microphones étalonnés , et sont utilisés. Microphones et sont placés face à face avec un coupleur acoustique bien connu entre les diaphragmes , permettant à l' impédance de transfert acoustique d'être facilement modélisé. L'un des microphones est alors entraîné par un courant pour agir comme source de son et l'autre répond à la pression générée dans le coupleur, produisant une tension de sortie résultant de l'impédance de transfert électrique . À condition que les microphones aient un comportement réciproque, ce qui signifie que la sensibilité en circuit ouvert en V / Pa en tant que récepteur est la même que la sensibilité en m³ / s / A en tant qu’émetteur, on peut montrer que le produit des facteurs de transmission , , et l'impédance de transfert acoustique est égale à l'impédance de transfert électrique. ${\ displaystyle i}$${\ displaystyle j}$${\ displaystyle k}$${\ displaystyle i}$${\ displaystyle j}$ ${\ displaystyle Z_ {ac}}$${\ displaystyle I_ {i}}$${\ displaystyle U_ {j}}$${\ displaystyle Z_ {ij}}$${\ displaystyle M_ {i}}$${\ displaystyle M_ {j}}$

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

Après avoir déterminé le produit des facteurs de transmission pour une paire de microphones, le processus est répété avec les deux autres combinaisons possibles par paire et . L'ensemble de trois mesures permet alors de déduire le facteur de transmission du microphone individuel en résolvant trois équations simultanées. ${\ displaystyle ik}$${\ displaystyle jk}$

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

L'impédance de transfert électrique est déterminée pendant la procédure d'étalonnage en mesurant le courant et la tension et l'impédance de transfert acoustique dépend du coupleur acoustique.

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

Les coupleurs acoustiques couramment utilisés sont le champ libre, le champ diffus et la chambre de compression. Pour des conditions de champ libre entre les deux microphones, la pression acoustique dans le champ lointain peut être calculée et elle suit

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

où est la distance entre les microphones. Pour les conditions de champ diffus, suit ${\ displaystyle r}$

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

où est la surface d'absorption équivalente et est la distance critique pour la réverbération. Pour les conditions de chambre de compression suit ${\ displaystyle A}$${\ displaystyle d_ {c}}$

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

où est le volume d'air dans la chambre. ${\ displaystyle V_ {0}}$

La technique fournit une mesure de la sensibilité d'un microphone sans avoir besoin de comparaison avec un autre microphone précédemment calibré, et est à la place traçable à des grandeurs électriques de référence telles que les volts et les ohms , ainsi que la longueur , la masse et le temps . Bien qu'un microphone calibré donné ait souvent été calibré par d'autres méthodes (secondaires), tout peut être retracé (par un processus de diffusion ) jusqu'à un microphone calibré en utilisant la méthode de réciprocité dans un institut national de mesure. L'étalonnage par réciprocité est un processus spécialisé et, comme il constitue la base de l'étalon primaire de pression acoustique, de nombreux instituts nationaux de mesure ont investi des efforts de recherche importants pour affiner la méthode et développer des installations d'étalonnage. Un système est également disponible dans le commerce auprès de Brüel & Kjær .

Pour l'acoustique aérienne, la technique de réciprocité est actuellement la méthode la plus précise disponible pour l'étalonnage du microphone (c'est-à-dire qu'elle a la plus petite incertitude de mesure ). L' étalonnage de réciprocité en champ libre (pour donner la réponse en champ libre, par opposition à la réponse en pression du microphone) suit les mêmes principes et à peu près la même méthode que l'étalonnage de réciprocité de pression, mais en pratique, il est beaucoup plus difficile à mettre en œuvre. En tant que tel, il est plus courant d'effectuer un étalonnage de réciprocité dans un coupleur acoustique, puis d'appliquer une correction si le microphone doit être utilisé dans des conditions de champ libre; ces corrections sont normalisées pour les microphones standard de laboratoire (CEI / TS 61094-7) et sont généralement disponibles auprès des fabricants de la plupart des types de microphones courants.

Étalonnage à l'aide de pistons et de calibrateurs sonores

Un pistonphone est un calibrateur acoustique (source sonore) qui utilise un volume de couplage fermé pour générer une pression acoustique précise pour l'étalonnage des microphones de mesure. Le principe repose sur un piston entraîné mécaniquement pour se déplacer à une vitesse cyclique spécifiée, poussant sur un volume d'air fixe auquel le microphone sous test est couplé. L'air est supposé être comprimé de manière adiabatique et le niveau de pression acoustique dans la chambre peut, potentiellement, être calculé à partir des dimensions physiques internes de l'appareil et de la loi des gaz adiabatiques , qui exige que PVγ soit une constante, où P est la pression dans le chambre, V est le volume de la chambre, et γ est le rapport de la chaleur spécifique de l'air à pression constante à sa chaleur spécifique à volume constant. Les téléphones à piston sont fortement dépendants de la pression ambiante (nécessitant toujours une correction des conditions de pression ambiante) et ne sont généralement conçus que pour reproduire les basses fréquences (pour des raisons pratiques), typiquement 250 Hz. Cependant, les pistons téléphoniques peuvent être très précis, avec une bonne stabilité dans le temps.

Cependant, les pistons téléphoniques disponibles dans le commerce ne sont pas des appareils calculables et doivent eux-mêmes être étalonnés à l'aide d'un microphone étalonné si les résultats doivent être traçables; bien que généralement très stable dans le temps, il y aura de petites différences dans le niveau de pression acoustique généré entre les différents pistons. Étant donné que leur sortie dépend également du volume de la chambre (volume de couplage), les différences de forme et de volume de charge entre les différents modèles de microphone auront une influence sur le SPL résultant, exigeant que le pistonphone soit calibré en conséquence.

Les calibrateurs sonores sont utilisés de la même manière que les téléphones à piston, fournissant un champ de pression acoustique connu dans une cavité à laquelle un microphone de test est couplé. Les calibrateurs sonores sont différents des pistons en ce qu'ils fonctionnent électroniquement et utilisent une source à faible impédance (électrodynamique) pour produire un haut degré de fonctionnement indépendant du volume. En outre, les appareils modernes utilisent souvent un mécanisme de rétroaction pour surveiller et régler le niveau de pression acoustique dans la cavité afin qu'il soit constant quelle que soit la taille de la cavité / du microphone. Les calibrateurs sonores génèrent normalement une tonalité sinusoïdale de 1 kHz; 1 kHz est choisi car le SPL pondéré A est égal au niveau linéaire à 1 kHz. Les calibrateurs acoustiques doivent également être étalonnés régulièrement dans un laboratoire d'étalonnage accrédité au niveau national pour assurer la traçabilité. Les calibrateurs sonores ont tendance à être moins précis que les téléphones à piston, mais sont (nominalement) indépendants du volume interne de la cavité et de la pression ambiante.

Références