Pengukuran suara adalah salah satu pengukuran yang penting untuk dilakukan dalam berbagai bidang. Misalkan saja otomotif, manufaktur, keselamatan kerja, riset dan sebagainya. Salah satu aspek yang penting dalam pengukuran adalah kalibrasi. Kalibrasi adalah proses dokumentasi dan penyesuaian hasil bacaan suatu alat pengukuran dengan referensi yang dapat ditelusuri. Biasanya referensi tersebut terkalibrasi oleh laboratorium metrologi yang dijadikan acuan di dunia.
Pengukuran akustik di udara dilakukan pada rentang frekuensi yang lebar, mulai dari infrasound hingga ultrasound. Dari sepersepuluh hertz hingga 200 kilohertz. Suara juga diukur pada dynamic range yang lebar, muladi dari 20 micropascal hingga 20 kilopascal. Oleh karena itulah untuk dapat melakukan pengukuran pada rentang frekuensi dan dinamik yang berbeda-beda, diperlukan jenis mikrofon yang berbeda-beda pula.
Kebanyakan mikrofon pengukuran maupun mikrofon referensi berjenis condenser. Condenser microphone seringkali dipilih karena respon frekuensinya yang cenderung datar dan stabilitas mekaniknya yang baik. Standard yang digunakan untuk mikrofon pengukuran adalah IEC61094-4 yang biasa disebut working standard microphones atau disingkat WS. Mikrofon WS dapat dikategorikan berdasarkan diameternya yaitu 23.77 mm, 12.7 mm dan 6.35 mm. Ketiga jenis tersebut berurutan disebut WS1, WS2 dan WS3.
Standar lainnya yang digunakan untuk Laboratory Standard Microphone atau disingkat LS adalah IEC61094-1. Sama seperti WS, LS juga dapat dikategorikan berdasarkan diameternya yaitu LS1 dengan diameter 23.77 mm dan LS2 dengan diameter 12.7 mm. Mikrofon LS didesain sehingga dapat digunakan pada coupler kalibrasi dan biasanya digunakan sebagai acuan nasional pada sebuah negara melalui lembaga metrologi nasional negara tersebut. Kedua standar diatas mengatur dimensi, sensitifitas, respon frekuensi, impedansi akustik, dynamic range, pengaruh lingkungan dan stabilitas.
Mikrofon condenser adalah transduser yang bersifat reciprocal. Mikrofon tersebut dapat bekerja sebagai mikrofon dengan mengkonversikan sinyal akustik menjadi elektrik, dan juga bekerja sebagai sumber suara dengan cara mengkonversikan input elektrik menjadi output akustik. Karena itulah mikrofon yang bersifat reciprocal ini dapat dikalibrasi menggunakan metoda kalibrasi reciprocity.
Sebelum kita membahas metoda kalibrasi, perlu dijelaskan mengenai medan suara dan jenis mikrofon yang digunakan untuk medan suara tersebut. Medan suara pada umumnya dapat dibagi menjadi tiga. Pada rongga yang memiliki dimensi lebih kecil dari seperempat panjang gelombang suara yang diukur, medan suara disebut dengan pressure-field. Medan ini terjadi contohnya pada coupler untuk mengkalibrasi mikrofon, telefon dan hearing aids. Medan suara pada ruang anechoic atau pada luar ruangan dimana suara berpropagasi tanpa halangan disebut free-field. Sedangkan tipe medan suara pada ruangan dengan sisi yang reflektif disebut diffuse-field.
Semua jenis mikrofon dapat mempengaruhi medan suara yang sedang diukurnya, termasuk mikrofon condenser. Agar mikrofon tidak mempengaruhi medan suara pada rongga, mikrofon yang digunakan idealnya harus memiliki diafragma yang kaku, atau dengan kata lain memiliki impedansi akustik yang tinggi. Untuk free-field, mikrofon yang dipilih idealnya memiliki diameter kurang dari 5-7% dari panjang gelombang. Pada prakteknya hal ini jarang terjadi, sehingga perubahan tersebut perlu diperhitungkan pada hasil pengukuran. Hal yang serupa terjadi pada diffuse-field, tetapi dengan perubahan yang relatif lebih kecil.
Perlu diperhatikan bahwa perubahan tekanan yang terjadi pada free-field dan diffuse-field hanya bergantung pada dimensi badan mikrofon. Sehingga pengaruh ini hanya perlu diukur sekali untuk semua mikrofon yang berjenis sama dan dapat diaplikasikan untuk mikrofon dengan model yang sama.
Kembali pada metoda kalibrasi reciprocity, metoda ini ditemukan pada tahun 1940-an. Metoda ini telah berkembang dan distandarisasi sehingga menjadi salah satu teknik kalibrasi yang paling sering digunakan untuk menentukan respon pada mikrofon pressure-field dan free-field. Basis dari kalibrasi ini dalah fungsi transfer dari dua mikrofon yang dipasangkan sebagai mikrofon dan sumber suara.
Kedua mikrofon dipasangkan pada coupler dengan kondisi akustik yang diatur dan diketahui dengan baik. Fungsi transfer yang adalah perbandingan antara tegangan output sensor dan arus input sumber suara diukur. Dari rasio tersebut, yang disebut electrical transfer impedance (Ze). Kemudian dengan mengetahui acoustic transfer impedance (Za), maka hasil kali dari kedua sensitivitas mikrofon dapat dinyatakan dengan hubungan seperti berikut:
Dimana M1 dan M2 adalah sensitivitas dari mikrofon 1 dan mikrofon 2, Ze/Za adalah perbandingan dari transfer impedance elektrik dan akustik.
Dengan menggunakan tiga mikrofon (1,2,3) dan dengan membuat tiga persamaan impedance ratio (A,B,C) untuk tiga kemungkinan kombinasi mikrofon (1-2, 1-3, 2-3), maka sensitivitas dari ketiga mikrofon dapat dihitung dengan menyelesaikan tiga persamaan berikut:
Berbagai lembaga metrologi nasional melakukan reciprocity calibration untuk laboratory standard microphones. Rentang frekuensi yang dilakukan biasanya adalah dari 20Hz hingga 10 kHz untuk LS1 dan 20Hz hingga 20 kHz untuk LS2. Beberapa institusi memiliki pengalaman untuk melakukan kalibrasi untuk rentang yang lebih tinggi maupun yang lebih rendah.
