近日，日本产业技术综合研究所（AIST）（以下简称“产总研”）分析测量标准研究部门声波振动标准研究组的山田桂辅研究组附属、平野琴研究员、高桥弘宜主任研究员、野里英明研究组长，开发了一种液柱型声压发生装置，可实现超低频声音（次声波）的声压传感器灵敏度评估，识别频率可达0.01 Hz。
次声波是一种频率低于人类可以感知的超低频声音，与人可以听到声音的相比，它具有传播距离更远的特点。由于次声波的出现往往伴随着火山喷发或海啸等大规模自然现象的产生，因此AIST正在进行以远程监测这些自然现象为目的的次声波侦听网的建设和研究。
为了准确侦听次声波，需要对所用声压传感器的灵敏度进行评估。为此，AIST一直在对次声波侦听装置中所必须的麦克风（声压传感器之一）灵敏度进行评估。但是，由于传统的评估装置在结构上声压发生部分必须有间隙，因此随着频率降低，无法避免漏音，故无法确保评估所需的稳定声压。所以，以前AIST的设备受限于麦克风的灵敏度，其对次声波的评估极限为0.1 Hz。
而新开发的设备采用新的声压发生原理，可在较低频率范围内进行评估。由于声压是通过液柱振动产生和测量的，因此原则上不会发生泄漏。
通过使用该设备，研究人员成功地提升了麦克风的灵敏度，使其识别频率识别下限到达0.01 Hz，这比以前低了一个数量级。
通过新装置改造的麦克风可用作便携式基准传感器，声压灵敏度低至 0.01 Hz。 该基准传感器可用于评估测量现场使用的各种不同原理的传感器（例如麦克风和气压计）的灵敏度，从而提高了次声波侦听的可靠性。未来研究人员计划对包括气压计在内的多种现场侦听设备进行改造。
低于20 Hz且无法被人类感知到的声音称为次声波，它伴随着火山喷发、海啸和雪崩等大规模自然现象而产生。与可听见的声音相比，次声波因空气吸收而引起的衰减较小，并且可以传输很远的距离，因此可用于监测那些从近处侦听时很危险的自然现象。近年来，为了提高海啸预警的准确性，开发了用于侦听火山喷发所产生次声波的侦听网络。具体来说，此项研究正在根据比较多个位置侦听到的次声波形来估计灾害发生的位置，并通过将模拟产生的次声波形与侦听到的实际波形进行比较来分析灾害发生的机制。
除了麦克风外，气压计等具有不同原理的监测仪器也被用于次声波的侦听。由于这些声压传感器侦听不同设备时会表现出不同的灵敏度特性。因此，因此如果使用不同的音压传感器侦听同一自然现象，侦听结果可能会不一致。为了解决这个问题，有必要评估声压传感器的灵敏度，并对测量结果进行适当的校正。
音压传感器中有很多是无法从测量现场移动的。为了评估这些传感器的灵敏度，有必要将已知灵敏度的基准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。但是，目前没有所需灵敏度的基准传感器，因为没有为低于1 Hz频率范围内的声压传感器提供灵敏度校准服务。考虑到侦听范围的可扩展性和设备的便携性，研究人员认为麦克风是基准传感器的最佳选择，并着手评估基准麦克风。
AIST的计量和标准中心一直致力于通过对麦克风（一种声压传感器）进行灵敏度校准来确保声学测量的可靠性。过去，在对1 Hz到20 Hz的麦克风进行灵敏度评估时，采用了在设置麦克风的情况下驱动评估设备（激光活塞电话设备）的活塞并改变设备的内部音量的方法来产生声压。在激光活塞麦克风装置中，通过侦听麦克风输出的信号（电压等）来确定要评估的麦克风的灵敏度，同时通过测量活塞位移来计算产生的声压。
但是，随着频率的降低，在空气衰减的程度会减小，因此声音往往会通过活塞连接之间的间隙处泄漏，导致通过活塞位移计算的声压与实际产生的声压会有所不同。在以往的研究中，研究人员通过结合理论和实验数据来评估声音泄漏的影响，并通过为产生声压的发生器创建校正公式，从而扩展了可以评估的频率范围（见参考文献）。
但是，由于产生的声压会随着频率的降低而变得更小，因此在实际应用中麦克风评估的被限制在大约0.1Hz。因此，研究人员手开发了一种采用全新原理且不会产生音漏泄的评估装置。
这项研究和开发得到了日本科学振兴会和精密测量技术财团（2022~2023 财年）的科学研究补助金（21K04101）的支持。
AIST此次开发了一种采用全新音压发生原理的灵敏度评估装置，使得麦克风的灵敏度评估可以扩展到更低的频率范围。这使得从0.01 Hz开始的频率范围内的麦克风灵敏度评估成为可能，预计这将促进以防灾减灾为目的的次声波侦听网络的建设和发展。
新开发的装置基于液柱压力表的原理，由一个安装有待评估麦克风的圆柱体、一个附有振动器的水槽和一个用于测量液面位移的传感器组成。与以往的激光活塞麦克风装置不同，新装置的圆柱体气缸下端是用水密封的，因此原则上不会发生声音泄漏。
该装置在圆柱体气缸固定的情况下，通过振动器振动水槽，造成圆筒内外出现水位差，并产生压差的波动，这就是声压。由于产生的声压与水位差的变化成正比，因此可以通过测量圆筒内外液面的位移来计算圆筒内部的声压。 在这个装置中，如果圆柱体的横截面积与水槽的横截面积相比足够小，则圆筒内液面位移将远远小于圆筒外液面位移。因此，该系统实际上测量的是圆筒外液面的位移，而圆筒内液面位移是通过考虑气缸内部压力变化过程中的等温过程和绝热过程来计算的。当水槽振动时，被评估麦克风的灵敏度（V/Pa）是通过将被评估麦克风的电压（V）输出除以根据液位位移测量计算得出的声压（Pa）来确定的。
使用该设备，研究人员成功地评估了麦克风的灵敏度，最高可识别 0.01 Hz 的超低频声音（次声波）。 此外，为了确认评估结果的可靠性，研究人员还将其与使用传统激光活塞麦克风装置的评估结果进行了比较。结果发现，该设备的不确定度为0.1Hz至0.5Hz，不确定度等于或低于传统方法，并且可以确保与传统方法所覆盖的频率范围的连续性。然而，研究还发现，由于水振动的影响，圆柱体气缸中实际产生的声压要小于计算出的声压，因此很难在 0.5Hz以上的频率范围内评估灵敏度。 因此，研究人员计划在高于0.5Hz的频率范围内使用传统设备，而在低于0.5Hz的频率范围内使用新设备，通过采用新旧两种设备的方法来进行综合评估。
通过对加振部分的改进来增大产生的音压，并通过引入隔音箱来降低环境噪声，从而减少0.1Hz或更低频率范围内的不稳定性。此外，通过使用这次通过评估的麦克风作为基准，对包括气压计在内的多种声压传感器进行灵敏度评估，这些评估将在适合的现场环境下进行，从而实现不受传感器影响的一致性侦听结果。预计这将提高对自然现象的发生机制和发生位置的评估准确性。
这项技术的细节于2024年10月4日（夏令时间）发表在《Metrologia》期刊上。（DOI：10.1088/1681-7575/ad77da）
