Reciprocity method: characterization of small acoustic components, pressure and free-field reciprocity calibration of microphones
Méthode de réciprocité : caractérisation de petits composants acoustiques, étalonnage des microphones en pression et en champ libre
Abstract
The absolute calibration of the microphones for acoustic measurements requires primary standard microphones. These standard microphones are themselves calibrated using sophisticated protocol (reciprocity calibration) according to the current standards. These standards have been improved all-over the past ten years but some questions remain unclear. In the same way, the appropriate characterization of the artificial ears, required for the calibration of the audiometers, has not been developed yet.
This outlines the lacks in the calibration of standard microphones (in terms of precision) and in the settings of the widely used medical devices. The practical, technical and scientific stakes are therefore of great importance and the studies to be carried out require deepened investigations. Therefore the purpose of this work deals with the reciprocity method for both the free-field calibration and the pressure calibration.
The aim of the first part of this work is to adapt and improve the pressure reciprocity method. The adaptation of this method leads to a technique for characterizing the input behavior of small acoustic components such as small tubes, slits, and cavities (used in the artificial ear). Improving the measurement uncertainties on the microphone efficiency in the highest frequency range led to suggest both an improved model for the microphone and a global modeling for the calibration device in order to study the influence of the radial modes in the cavity on the calibration results.
The second part of this work arises from a key comparison, at an international level, dealing with free-field microphone calibration techniques. This key comparison has required a complete revision of the experimental calibration device at LNE, of the acquisition processes, and of the signal filtering methods required by the extremely low acoustic levels. This work led to undertake more advanced works on both analytical and experimental studies on the concept of acoustic center for microphones.
Some of the results obtained here lay the basis for future works which should enable to improve the modeling for reducing the uncertainties and also for foreseeing the implementation of methods dedicated to the metrology of future MEMS sensors.
This outlines the lacks in the calibration of standard microphones (in terms of precision) and in the settings of the widely used medical devices. The practical, technical and scientific stakes are therefore of great importance and the studies to be carried out require deepened investigations. Therefore the purpose of this work deals with the reciprocity method for both the free-field calibration and the pressure calibration.
The aim of the first part of this work is to adapt and improve the pressure reciprocity method. The adaptation of this method leads to a technique for characterizing the input behavior of small acoustic components such as small tubes, slits, and cavities (used in the artificial ear). Improving the measurement uncertainties on the microphone efficiency in the highest frequency range led to suggest both an improved model for the microphone and a global modeling for the calibration device in order to study the influence of the radial modes in the cavity on the calibration results.
The second part of this work arises from a key comparison, at an international level, dealing with free-field microphone calibration techniques. This key comparison has required a complete revision of the experimental calibration device at LNE, of the acquisition processes, and of the signal filtering methods required by the extremely low acoustic levels. This work led to undertake more advanced works on both analytical and experimental studies on the concept of acoustic center for microphones.
Some of the results obtained here lay the basis for future works which should enable to improve the modeling for reducing the uncertainties and also for foreseeing the implementation of methods dedicated to the metrology of future MEMS sensors.
L'étalonnage absolu des microphones de mesure en acoustique repose sur l'obtention d'étalons primaires, eux-mêmes étalonnés suivant un protocole sophistiqué (méthode de réciprocité) et conformément aux normes en vigueur ; ces normes ont fait l'objet d'améliorations au cours des dernières décennies mais laissent toujours des zones d'ombre. Parallèlement, la caractérisation appropriée des oreilles artificielles, nécessaire au réglage des audiomètres et par suite à leur étalonnage, fait aujourd'hui défaut.
Ce propos met en cause la précision de l'étalonnage des étalons de mesure de pressions acoustiques et l'insuffisance des réglages d'appareils médicaux largement utilisés. Les enjeux pratiques, techniques et scientifiques ont donc leur importance et les études à mener comportent des exigences qui nécessitent des recherches approfondies. C'est ainsi que les thèmes abordés font appel ici à la méthode de la réciprocité en cavité et en champ libre.
Dans la première partie du travail, l'objectif recherché est d'adapter et d'améliorer la méthode de réciprocité en cavité. L'adaptation de cette méthode conduit à une technique de mesure d'impédances d'entrée de petits éléments acoustiques, tels que des tubes, fentes, cavités (utilisés dans l'oreille artificielle). L'amélioration des incertitudes de mesure des efficacités recherchée pour les hautes fréquences a conduit à proposer une modélisation améliorée d'un microphone ainsi que du dispositif d'étalonnage dans sa globalité de manière à étudier l'influence des modes radiaux dans la cavité sur les résultats de l'étalonnage.
La deuxième partie de ce travail trouve son origine dans une comparaison clé à l'échelle internationale portant sur les techniques d'étalonnage des microphones en champ libre. Cette comparaison clé a nécessité une refonte complète du dispositif expérimental du LNE, des techniques d'acquisitions et des méthodes de filtrage des perturbations liées aux faibles niveaux acoustiques mis en jeu. Ce travail a conduit à entreprendre des études plus approfondies sur les plans analytique et expérimental du concept de centre acoustique d'un microphone.
Certains résultats obtenus posent les bases des travaux futurs qui devraient permettre de poursuivre la modélisation pour réduire les incertitudes mais également pour prévoir la mise en oeuvre des méthodes adaptées à la métrologie des capteurs du futur qui seront fabriqués par des procédés relevant des microtechnologies.
Ce propos met en cause la précision de l'étalonnage des étalons de mesure de pressions acoustiques et l'insuffisance des réglages d'appareils médicaux largement utilisés. Les enjeux pratiques, techniques et scientifiques ont donc leur importance et les études à mener comportent des exigences qui nécessitent des recherches approfondies. C'est ainsi que les thèmes abordés font appel ici à la méthode de la réciprocité en cavité et en champ libre.
Dans la première partie du travail, l'objectif recherché est d'adapter et d'améliorer la méthode de réciprocité en cavité. L'adaptation de cette méthode conduit à une technique de mesure d'impédances d'entrée de petits éléments acoustiques, tels que des tubes, fentes, cavités (utilisés dans l'oreille artificielle). L'amélioration des incertitudes de mesure des efficacités recherchée pour les hautes fréquences a conduit à proposer une modélisation améliorée d'un microphone ainsi que du dispositif d'étalonnage dans sa globalité de manière à étudier l'influence des modes radiaux dans la cavité sur les résultats de l'étalonnage.
La deuxième partie de ce travail trouve son origine dans une comparaison clé à l'échelle internationale portant sur les techniques d'étalonnage des microphones en champ libre. Cette comparaison clé a nécessité une refonte complète du dispositif expérimental du LNE, des techniques d'acquisitions et des méthodes de filtrage des perturbations liées aux faibles niveaux acoustiques mis en jeu. Ce travail a conduit à entreprendre des études plus approfondies sur les plans analytique et expérimental du concept de centre acoustique d'un microphone.
Certains résultats obtenus posent les bases des travaux futurs qui devraient permettre de poursuivre la modélisation pour réduire les incertitudes mais également pour prévoir la mise en oeuvre des méthodes adaptées à la métrologie des capteurs du futur qui seront fabriqués par des procédés relevant des microtechnologies.
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