- 开发了一种可以利用液柱振动产生和测量超低频声压的装置
- 成功评估麦克风灵敏度低至001 Hz的下限，比传统方法低一个数量级
- 为提高次声观测的可靠性做出贡献
开发的“液柱式声压发生器”概述
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
米乐m6官方网站 (AIST) 分析测量标准研究部，声波振动标准研究组，山田圭介研究组研究员，Koto Hirano，研究员，Hiroyoshi Takahashi，首席研究员，Hideaki Nozato，研究组组长是次声（次声）声压传感器灵敏度我们开发了液柱式声压发生器，可以进行低至001 Hz下限的评估。
次声是一种频率低于人类可感知的可听声音的声音，具有比可听声音传播更远的特点。由于声波与火山爆发和海啸等大规模自然现象同时发生，因此用于远程监测这些自然现象的次声观测网络的研究和开发正在进行中。
为了准确观测次声，需要评估所使用的声压传感器的灵敏度。 AIST 一直在对麦克风进行灵敏度评估，麦克风是用于次声观测的声压传感器之一。然而，由于传统评估设备的结构，产生声压的部分需要有间隙，因此频率越低，不可避免地会出现更多的声音泄漏，从而无法确保评估所需的稳定声压。因此，即使使用AIST拥有的设备，01Hz也是麦克风灵敏度评估的极限。
新开发的设备采用新的声压生成原理，可以在较低频率范围内进行评估。由于声压是利用液柱振动产生和测量的，因此原则上不存在声音泄漏。通过使用该设备，我们成功地评估了麦克风灵敏度低至 001 Hz 的下限，这比传统方法低了一个数量级。
用此设备评估的麦克风可用作便携式参考传感器，声压灵敏度低至 001 Hz。通过使用该参考传感器来评估不同原理的各种传感器的灵敏度，例如测量现场使用的麦克风和气压计，可以提高次声观测的可靠性。未来，我们计划评估各种现场观测设备，包括气压计。
该技术的详细信息将于 2024 年 10 月 4 日（英国夏令时间）公布。计量学
人类无法感知为声音的低于 20 Hz 的声音称为次声波，是由火山爆发、海啸和雪崩等大规模自然现象产生的。与可听声音相比，次声由于空气吸收而衰减较小，并且可以长距离传播，因此可以用来监测这些从附近观察有危险的自然现象（图1）。近年来，人们一直在研究建立一个观测网络来测量火山喷发引起的次声波并提高海啸预报的准确性。具体来说，正在研究通过比较在多个地点观测到的次声波形来估计发生位置，以及通过将模拟创建的次声波形与观测到的实际波形进行比较来分析灾害发生的机制，并且需要高度可靠的观测值。
次声观测不仅使用麦克风，还使用不同原理的测量仪器，例如气压计。这些声压传感器根据设备的不同表现出不同的灵敏度特性，因此当不同的声压传感器用于相同的自然现象时，观测结果可能不匹配。为了解决这个问题，需要评估声压传感器的灵敏度，然后对测量结果进行适当修正。
许多声压传感器无法从测量地点移出。为了评估这些传感器的灵敏度，需要将其灵敏度已知的参考传感器带到测量现场，并在施加相同声压时比较两者的输出。然而，对于1Hz以下频率范围的声压传感器没有灵敏度校准服务，因此存在没有已知灵敏度的参考传感器的问题。我们认为麦克风因其便携性和可扩展至可听范围而成为参考传感器的有力候选者，并且我们致力于评估参考麦克风。
Figure 1 Example of natural disaster monitoring using infrasound
AIST 计量标准中心一直致力于通过麦克风（一种声压传感器）的灵敏度校准来确保声学测量的可靠性。迄今为止，在评价从1Hz到20Hz的麦克风灵敏度时，使用了通过改变装置的内部容积来驱动设置有麦克风的评价装置(激光活塞电话装置)的活塞以产生声压的方法。激光活塞传声器装置通过测量活塞的位移来计算产生的声压，同时测量传声器输出的信号（电压等）来确定待评价传声器的灵敏度。然而，随着频率的降低，空气粘度的影响变小，这使得声音更容易通过活塞连接之间的间隙泄漏，导致根据活塞位移计算出的声压与实际产生的声压之间存在差异（见图）。在迄今为止的研究中，我们通过理论与实验相结合来估计声音泄漏的影响，并创建了所产生的声压的校正公式（参考文献），从而扩大了可评估的频率范围。然而，随着频率降低，产生的声压变得极小，因此其在麦克风评估中的应用仅限于01 Hz左右。 Therefore, we worked on developing an evaluation device that uses a new principle that eliminates sound leakage
这项研究和开发得到了日本学术振兴会和精密测量技术基金会（2022-2023 年）的科学研究补助金 (21K04101) 的支持。
AIST 现已开发出一种灵敏度评估设备，该设备采用新的声压生成原理，可以评估较低频率范围内的麦克风灵敏度。这使得可以在低至001 Hz下限的频率范围内评估麦克风的灵敏度，并有望促进用于防灾目的的基础设施声音观测网络的开发和研究。
新开发的装置应用了液柱压力计的原理，由装有待评估麦克风的气缸、装有激励器的水箱和用于测量液位位移的传感器部分组成（示意图）。 Unlike conventional laser piston phone devices, the bottom end of the cylinder is sealed with water, so in principle there is no sound leakage
该装置利用激振器使筒体固定的水箱产生振动，从而在筒体内外产生水位差，进而产生压差波动或声压。由于产生的声压与水位差波动成正比，因此通过测量圆筒内外水面位移即可计算出圆筒内的声压。如果将圆筒的截面积做得足够小于水箱的截面积，则内水面位移将远小于外水面位移。因此，利用该装置，实际测量的是外水面位移，并考虑缸内压力波动过程的等温和绝热过程来计算内水面位移。当水族箱振动时，待评估麦克风的灵敏度（V/Pa）可以通过将待评估麦克风输出的电压（V）除以根据液位位移测量计算出的声压（Pa）来确定。
使用此设备，我们成功地将麦克风灵敏度评估至下限 001 Hz。此外，为了确认评估结果的可靠性，我们还将其与使用传统激光活塞电话设备的评估结果进行了比较。结果表明，从01 Hz到05 Hz，该装置能够以等于或低于传统方法的不确定度进行评估，并且还确保了与传统方法覆盖的频率范围的连续性（图2）。然而，对于高于05 Hz的频率，由于水振动的影响，气缸内产生的实际声压低于计算声压，因此灵敏度评估很困难。今后，我们计划结合两种方法进行评估，对于高于05 Hz的频率使用传统装置，对于低于05 Hz的频率使用本装置。
图2 超低频范围灵敏度评估技术验证
*原始论文中的数字被引用或修改。
通过改进振动部分以增加产生的声压，并通过引入隔音箱以减少环境噪音，我们减少了 01 Hz 以下的剩余频率范围的变化。此外，我们计划使用这次评估的麦克风作为标准，在与观察现场相匹配的环境中评估包括气压计在内的各种声压传感器的灵敏度，从而无论使用哪种传感器都可以获得一致的观察结果。预计这将提高估计自然现象的机制和位置的准确性。
已出版的杂志：计量学
论文标题：使用液柱式声压发生器校准05 Hz以下的麦克风灵敏度
作者：山田圭介、平野琴、高桥博信和野里秀明
DOI：101088/1681-7575/ad77da