測定マイクの校正

マイクロホンを使用して科学的な測定を行うには、その正確な感度（ボルト/パスカル単位）を知っておく必要があります。これはデバイスの寿命とともに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あります。このサービスは、一部のマイクロホン製造業者と独立した試験機関によって提供されています。認定された研究所によるマイクロホンの校正は、最終的には国際試験所認定協力機構（International Laboratory Accreditation Cooperation ）に加盟している（国立）計測研究所の一次標準まで追跡可能である必要があります。これには、英国の国立物理学研究所、ドイツのPTB、米国のNIST 、オーストラリアの国立計測研究所などがあり、これらの研究所では、相互性校正（下記参照）が一次標準を実現するための国際的に認められた手段となっています。この方法を使用して校正された研究所標準マイクロホンは、比較校正技術（「二次校正」）を使用して他のマイクロホンを校正するために順番に使用され、「テスト」マイクロホンの出力を参照用研究所標準マイクロホンの出力と比較します。

マイクロフォンの感度は周波数によって（また環境条件などの他の要因によっても）変化するため、通常は特定の周波数帯域ごとに複数の感度値として記録されます（周波数スペクトルを参照）。マイクロフォンの感度は、マイクロフォンがさらされる音場の性質によっても異なります。このため、マイクロフォンは圧力場と自由音場など、複数の音場で校正されることがよくあります。測定用マイクロフォンは、用途に応じて定期的に（通常は 1 年または数か月ごと）、また落下やデバイスの動作範囲を超える音量にさらされるなど、損傷の可能性があるイベントが発生した後にもテストする必要があります。

相反性校正は現在、計測用マイクロホンの校正に好まれている主要な標準です。この技術は、コンデンサ計測用マイクロホンで使用される静電トランスデューサ原理などの特定の変換メカニズムの相反性を利用します。相反性校正を実行するには、校正されていないマイクロホン、およびの 3 つを使用します。マイクロホンと は、ダイアフラムの間によく知られている音響カプラ を挟んで向かい合うように配置します。これにより、音響伝達インピーダンスを簡単にモデル化できます。マイクロホンの 1 つは電流によって駆動されて音源として機能し、もう 1 つはカプラで生成された圧力に反応して出力電圧を生成し、その結果、電気伝達インピーダンスが得られます。マイクロホンの動作が相反的である場合、つまり受信機としての開回路感度 (V/Pa) が送信機としての感度 (m ³ /s/A) と同じである場合、伝達係数、、および音響伝達インピーダンスの積が電気伝達インピーダンスに等しいことが示されます。 ${\displaystyle i}$${\displaystyle j}$${\displaystyle k}$${\displaystyle i}$${\displaystyle j}$ ${\displaystyle Z_{\text{ac}}}$${\displaystyle I_{i}}$${\displaystyle U_{j}}$${\displaystyle Z_{ij}}$${\displaystyle M_{i}}$${\displaystyle M_{j}}$

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

1 組のマイクロフォンの伝達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とに対してこのプロセスを繰り返します。3つの測定値のセットを使用して、3 つの同時方程式を解くことで、個々のマイクロフォンの伝達係数を推定できます。 ${\displaystyle ik}$${\displaystyle jk}$

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

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に依存します。

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

一般的に使用される音響カプラは、自由音場、拡散音場、圧縮室である。2つのマイクロホン間の自由音場条件では、遠距離音場の音圧は次のように計算できる。

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

ここで、マイク間の距離は拡散音場条件では次のようになる。 ${\displaystyle r}$

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

ここで、は等価吸収面積、は残響の臨界距離である。圧縮室の条件は次のようになる。 ${\displaystyle A}$${\displaystyle d_{c}}$

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

チャンバー内の空気量は どこにありますか。${\displaystyle V_{0}}$

この技術により、以前に校正された別のマイクロフォンと比較することなくマイクロフォンの感度を測定でき、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まで追跡可能です。特定の校正済み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多いですが、すべて（普及プロセスを通じて）国立計測研究所で相反法を使用して校正されたマイクロフォンまで追跡できます。相反法の校正は専門的なプロセスであり、音圧の一次標準の基礎となるため、多くの国立計測研究所が、この方法の改良と校正施設の開発に多大な研究努力を費やしてきました。ブリュエル・ケアーからもシステムが市販されています。

空気伝播音響の場合、相反性技術は現在、マイクロホンの校正に利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も小さい）。自由音場相反性校正（マイクロホンの圧力応答ではなく、自由音場応答を得るため）は、圧力相反性校正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、音響カプラで相反性校正を実行し、マイクロホ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一般的です。このような補正は、実験室標準マイクロホン（IEC/TS 61094-7）用に標準化されており、一般的なマイクロホンのほとんどのタイプのメーカーから一般に入手できます。

あピストンフォンは、密閉された結合容積を使用して測定用マイクの較正用の正確な音圧を生成する音響較正器 (音源) です。原理は、ピストンが機械的に駆動されて指定された周期速度で移動し、テスト対象のマイクが結合されている一定量の空気を押し出すことに依存しています。空気は断熱的に、チャンバー内の音圧レベルは断熱気体の法則から計算できます。PVγが定数であることが求められます。ここで、Pはチャンバー内の圧力、V はチャンバーの容積、γ は一定圧力での空気の比熱と比熱。ピストンフォンは周囲圧力に大きく依存し (常に周囲圧力条件への補正が必要)、通常は低周波数 (実用上の理由から)、通常は 250 Hz のみを再生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、経時的にも安定性が良好です。

ただし、市販のピストンフォンは計算可能なデバイスではないため、結果を追跡可能にするには、校正済みのマイクを使用してピストンフォン自体を校正する必要があります。一般的には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あります。出力はチャンバーの容積 (結合容積) にも依存するため、異なるマイクのモデル間の形状と負荷容積の違いは、結果として得られる SPL に影響を及ぼし、それに応じてピストンフォンを校正する必要があります。

音響校正器はピストンホンと同じように使用され、テスト マイクが結合されたキャビティ内に既知の音圧場を提供します。音響校正器は、電子的に動作し、低インピーダンス (電気力学) 音源を使用して、音量に大きく左右されない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、最近のデバイスでは、多くの場合、フィードバック メカニズムを使用してキャビティ内の音圧レベルを監視および調整し、キャビティ/マイクのサイズに関係なく一定になるようにしています。音響校正器は通常、1 kHz の正弦波を生成します。1 kHz が選択されるのは、A 特性 SPLが 1 kHz での線形レベルに等しいためです。また、音響校正器は、トレーサビリティを確保するために、国家認定の校正研究所で定期的に校正する必要があります。音響校正器はピストンホンよりも精度が低い傾向がありますが、内部キャビティの容積や周囲圧力には (名目上) 左右されません。