А-взвешивание

Кривые частотной характеристики, используемые при измерении уровня звукового давления

График A-, B-, C- и D-взвешиваний в диапазоне частот 10 Гц – 20 кГц

Видео, иллюстрирующее А-взвешивание путем анализа синусоидальной развертки (содержит аудио)

A-взвешивание является формой частотного взвешивания и наиболее часто используемой из семейства кривых, определенных в международном стандарте IEC 61672:2003 и различных национальных стандартах, касающихся измерения уровня звукового давления . ^[1] A-взвешивание применяется к уровням звука, измеренным с помощью приборов, в попытке учесть относительную громкость, воспринимаемую человеческим ухом, поскольку ухо менее чувствительно к низким звуковым частотам. Оно применяется путем арифметического добавления таблицы значений, перечисленных по октавным или третьоктавным полосам, к измеренным уровням звукового давления в дБ . Результирующие измерения октавных полос обычно добавляются (логарифмический метод), чтобы получить единое значение A-взвешивания, описывающее звук; единицы записываются как дБ(A). Другие наборы значений взвешивания — B, C, D и теперь Z — обсуждаются ниже.

Первоначально кривые были определены для использования при различных средних уровнях звука, но A-взвешивание, хотя изначально предназначалось только для измерения звуков низкого уровня (около 40 фон ), теперь обычно используется для измерения шума окружающей среды и промышленного шума , а также при оценке потенциального повреждения слуха и других последствий шума для здоровья на всех уровнях звука; действительно, использование A-частотного взвешивания теперь является обязательным для всех этих измерений, поскольку десятилетия полевого опыта показали очень хорошую корреляцию с профессиональной глухотой в диапазоне частот человеческой речи. Оно также используется при измерении шума низкого уровня в аудиооборудовании, особенно в Соединенных Штатах. ^{[ не проверено в теле ]} В Великобритании, Европе и многих других частях мира вещатели и звукорежиссеры ^{[ кто? ]} чаще используют шумовое взвешивание ITU-R 468 , которое было разработано в 1960-х годах на основе исследований BBC и других организаций. Это исследование показало, что наши уши по-разному реагируют на случайный шум, а кривые равной громкости, на которых основывались весовые коэффициенты A, B и C, на самом деле действительны только для чистых одиночных тонов. ^{[ не проверено на практике ]}

История

A-взвешивание началось с работы Флетчера и Мансона , которая привела к публикации ими в 1933 году набора контуров равной громкости . Три года спустя эти кривые были использованы в первом американском стандарте для измерителей уровня звука . ^[2] Этот стандарт ANSI , позже пересмотренный как ANSI S1.4-1981, включал B-взвешивание, а также кривую A-взвешивания, признавая непригодность последней для чего-либо, кроме измерений низкого уровня. Но с тех пор B-взвешивание вышло из употребления. Более поздние работы, сначала Цвикера, а затем Шомера, пытались преодолеть трудности, связанные с различными уровнями, а работа BBC привела к взвешиванию CCIR-468, в настоящее время поддерживаемому как шумовое взвешивание ITU-R 468, которое дает более репрезентативные показания по шуму, в отличие от чистых тонов. ^{[ необходима цитата ]}

Недостатки

A-взвешивание является допустимым для представления чувствительности человеческого уха как функции частоты чистых тонов. A-взвешивание было основано на 40-фоновых кривых Флетчера-Мэнсона , которые представляли собой раннее определение контура равной громкости для человеческого слуха. Однако, поскольку десятилетия полевого опыта показали очень хорошую корреляцию между шкалой A и профессиональной глухотой в диапазоне частот человеческой речи, ^{[ необходима ссылка ]} эта шкала используется во многих юрисдикциях для оценки рисков профессиональной глухоты и других слуховых проблем, связанных с сигналами или разборчивостью речи в шумной обстановке.

Из-за предполагаемых расхождений между ранними и более поздними определениями Международная организация по стандартизации (ISO) пересмотрела свои стандартные кривые, определенные в ISO 226, в ответ на рекомендации исследования, координируемого Научно-исследовательским институтом электросвязи Университета Тохоку, Япония. ^[3] Исследование вывело новые кривые путем объединения результатов нескольких исследований, проведенных исследователями из Японии, Германии, Дании, Великобритании и США. (Япония внесла наибольший вклад, предоставив около 40% данных.) Это привело к принятию нового набора кривых, стандартизированных как ISO 226:2003 (впоследствии пересмотренных снова в 2023 году с изменениями в контурах равной громкости ISO 226 менее 0,5 дБ в диапазоне 20-90 фон). В отчете комментируются большие различия между результатами объединенного исследования и исходными контурами равной громкости Флетчера-Мэнсона, а также более поздними контурами Робинсона-Дэдсона, которые легли в основу первой версии ISO 226, опубликованной в 1987 году. Последующие исследования показали, что A-взвешивание лучше согласуется с обновленным 60-фоновым контуром, включенным в ISO 226:2003, чем с 40-фоновым контуром Флетчера-Мэнсона, что бросает вызов распространенному заблуждению, что A-взвешивание представляет громкость только для тихих звуков. ^[4]

Тем не менее, A-взвешивание было бы ближе к кривым равной громкости, если бы оно спадало более круто выше 10 кГц, и можно предположить, что этот компромисс мог возникнуть из-за того, что крутые фильтры было сложнее построить на заре электроники. ^{[ необходима цитата ]} В настоящее время нет необходимости в таком ограничении, как показано кривой ITU-R 468. Если A-взвешивание используется без дальнейшего ограничения полосы пропускания, можно получить разные показания на разных приборах, когда присутствует ультразвуковой или близкий к ультразвуковому шум. Поэтому для точных измерений требуется фильтр нижних частот 20 кГц, который должен быть объединен с кривой A-взвешивания в современных приборах. Это определено в IEC 61012 как AU-взвешивание и, хотя очень желательно, редко устанавливается на коммерческих шумомерах.

B-, C-, D-, G- и Z-весы

A-частотное взвешивание предписано международным стандартом IEC 61672 для установки на все шумомеры и является приближением к контурам равной громкости, приведенным в ISO 226. ^[5] Старые B- и D-частотные взвешивания вышли из употребления, но многие шумомеры предусматривают C-частотное взвешивание, и его установка предписана — по крайней мере, для целей тестирования — для прецизионных (класса один) шумомеров. D-частотное взвешивание было специально разработано для использования при измерении шума самолетов высокого уровня в соответствии со стандартом измерений IEC 537. Большой пик на кривой D-взвешивания не является особенностью контуров равной громкости, но отражает тот факт, что люди слышат случайный шум иначе, чем чистые тона, эффект, который особенно выражен около 6 кГц. Это происходит потому, что отдельные нейроны из разных областей улитки внутреннего уха реагируют на узкие полосы частот, но нейроны с более высокой частотой интегрируют более широкую полосу и, следовательно, сигнализируют о более громком звуке при предъявлении шума, содержащего много частот, чем при предъявлении одного чистого тона того же уровня давления. ^{[ необходима цитата ]}

После изменений в стандарте ISO, D-частотное взвешивание само по себе теперь должно использоваться только для реактивных двигателей небайпасного типа, которые встречаются только на военных самолетах, а не на коммерческих. По этой причине сегодня A-частотное взвешивание теперь является обязательным для измерений легких гражданских самолетов, в то время как более точное взвешивание с поправкой на громкость EPNdB требуется для сертификации больших транспортных самолетов. ^[6] D-взвешивание является основой для измерения, лежащего в основе EPNdB.

Z- или ZERO частотное взвешивание было введено в международный стандарт IEC 61672 в 2003 году и было предназначено для замены "плоского" или "линейного" частотного взвешивания, часто устанавливаемого производителями. Это изменение было необходимо, поскольку каждый производитель измерителей уровня звука мог выбирать собственные точки среза по низкой и высокой частоте (–3 дБ), что приводило к разным показаниям, особенно при измерении пикового уровня звука ^{[ требуется ссылка ]} . Это плоская частотная характеристика между 10 Гц и 20 кГц ±1,5 дБ. ^{[7] [ неудачная проверка ]} Кроме того, C-частотное взвешивание с точками –3 дБ при 31,5 Гц и 8 кГц не имело достаточной полосы пропускания, чтобы обеспечить разумно правильное измерение истинного пикового шума (Lpk).

G-взвешивание используется для измерений в инфразвуковом диапазоне от 8 Гц до примерно 40 Гц. ^[8]

Частотные взвешивания B и D больше не описаны в тексте стандарта IEC 61672:2003, но их частотные характеристики можно найти в более старом стандарте IEC 60651, хотя он был официально отозван Международной электротехнической комиссией в пользу IEC 61672:2003. Допуски частотного взвешивания в IEC 61672 были ужесточены по сравнению с более ранними стандартами IEC 179 и IEC 60651, и поэтому приборы, соответствующие более ранним спецификациям, больше не должны использоваться для требуемых законом измерений.

Измерения шума окружающей среды и других факторов

Этикетка, относящаяся к переносному воздушному компрессору

A-взвешенные децибелы сокращенно обозначаются как дБ(А) или дБА. Когда речь идет об акустических (калиброванный микрофон) измерениях, то используемыми единицами будут дБ SPL, соотнесенные с 20 микропаскалями = 0 дБ SPL. ^{[nb 1]}

Кривая A-взвешивания широко применяется для измерения окружающего шума и является стандартной во многих шумомерах. Система A-взвешивания используется при любом измерении окружающего шума (примерами которого являются шум дорожного движения , железнодорожный шум, авиационный шум ). A-взвешивание также широко используется для оценки потенциального повреждения слуха , вызванного громким шумом, включая измерения дозы шума на работе. Уровень шума более 85 дБ(A) в день увеличивает фактор риска повреждения слуха.

Уровни звуковой мощности, взвешенные по шкале А, L _WA все чаще встречаются в рекламных проспектах для бытовых приборов, таких как холодильники, морозильники и компьютерные вентиляторы. Ожидаемый уровень звукового давления , который должен быть измерен на заданном расстоянии как SPL с помощью шумомера, может с некоторыми упрощениями быть рассчитан из уровня звуковой мощности . В Европе уровень шума, взвешенный по шкале А, используется, например, для нормализации шума шин автомобилей.

Шумовое воздействие на посетителей заведений с громкой музыкой обычно также выражается в дБ(А), хотя наличие высоких уровней низкочастотного шума не оправдывает этого.

Оборудование для воспроизведения звука и вещания

Хотя кривая A-взвешивания, широко используемая для измерения шума , как говорят, была основана на 40-фоновой кривой Флетчера-Мэнсона, исследования 1960-х годов показали, что определения равной громкости, сделанные с использованием чистых тонов, не имеют прямого отношения к нашему восприятию шума. ^[9] Это происходит потому, что улитка во внутреннем ухе анализирует звуки с точки зрения спектрального содержания, каждая волосковая клетка реагирует на узкую полосу частот, известную как критическая полоса. ^{[ необходима цитата ]} Высокочастотные полосы шире в абсолютном выражении, чем низкочастотные полосы, и поэтому «собирают» пропорционально больше мощности от источника шума. ^{[ необходима цитата ]} Однако, когда стимулируется более одной критической полосы, выходные сигналы различных полос суммируются мозгом , чтобы создать впечатление громкости. По этим причинам кривые равной громкости, полученные с использованием шумовых полос, показывают наклон вверх выше 1 кГц и наклон вниз ниже 1 кГц по сравнению с кривыми, полученными с использованием чистых тонов.

Эта повышенная чувствительность к шуму в области 6 кГц стала особенно очевидной в конце 1960-х годов с появлением компактных кассетных магнитофонов и шумоподавления Dolby-B . Было обнаружено, что измерения шума с A-взвешиванием дают вводящие в заблуждение результаты, поскольку они не придают достаточного значения области 6 кГц, где шумоподавление оказывает наибольший эффект, и недостаточно ослабляют шум около 10 кГц и выше (конкретным примером является пилот-тон 19 кГц в системах FM-радио, который, хотя обычно неслышим, недостаточно ослабляется A-взвешиванием, так что иногда одно оборудование может даже показывать худшие результаты, чем другое, но при этом звучать лучше из-за различного спектрального содержания).

Поэтому было разработано шумовое взвешивание ITU-R 468 для более точного отражения субъективной громкости всех типов шума, в отличие от тонов. Эта кривая, которая появилась в результате работы, проделанной Исследовательским отделом BBC , была стандартизирована CCIR и позже принята многими другими органами по стандартизации ( IEC , BSI ) и, по состоянию на 2006 год ^{[обновлять]}, поддерживается ITU. Она стала широко использоваться в Европе, особенно в вещании, и была принята лабораториями Dolby , которые осознали ее превосходную пригодность для своих целей при измерении шума на звуковых дорожках фильмов и компакт-кассетных системах. Ее преимущества перед A-взвешиванием менее приняты в США, где использование A-взвешивания по-прежнему преобладает. ^{[ необходима цитата ]} Она используется вещателями в Великобритании, Европе и бывших странах Британской империи, таких как Австралия и Южная Африка.

Реализация функций некоторых общих весовых коэффициентов

Стандарт ^[10] определяет весовые коэффициенты ( ) в единицах дБ с помощью таблиц с допустимыми пределами (чтобы обеспечить разнообразие реализаций). Кроме того, стандарт описывает весовые функции ^[10] для расчета весовых коэффициентов. Весовая функция применяется к амплитудному спектру (не к спектру интенсивности ) невзвешенного уровня звука. Смещения обеспечивают нормализацию до 0 дБ при 1000 Гц. Соответствующие весовые функции: ^[11] ${\displaystyle A(f),C(f)}$ ${\displaystyle R_{X}(f)}$ ${\displaystyle R_{X}(f)}$

А

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{A}(f)&={12194^{2}f^{4} \over \left(f^{2}+20.6^{2}\right)\ {\sqrt {\left(f^{2}+107.7^{2}\right)\left(f^{2}+737.9^{2}\right)}}\ \left(f^{2}+12194^{2}\right)}\ ,\\[3pt]A(f)&=20\log _{10}\left(R_{A}(f)\right)-20\log _{10}\left(R_{A}(1000)\right)\\&\approx 20\log _{10}\left(R_{A}(f)\right)+2.00\end{aligned}}}$^[10]

Б

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{B}(f)&={12194^{2}f^{3} \over \left(f^{2}+20.6^{2}\right)\ {\sqrt {\left(f^{2}+158.5^{2}\right)}}\ \left(f^{2}+12194^{2}\right)}\ ,\\[3pt]B(f)&=20\log _{10}\left(R_{B}(f)\right)-20\log _{10}\left(R_{B}(1000)\right)\\&\approx 20\log _{10}\left(R_{B}(f)\right)+0.17\end{aligned}}}$

С

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{C}(f)&={12194^{2}f^{2} \over \left(f^{2}+20.6^{2}\right)\ \left(f^{2}+12194^{2}\right)}\ ,\\[3pt]C(f)&=20\log _{10}\left(R_{C}(f)\right)-20\log _{10}\left(R_{C}(1000)\right)\\[3pt]&\approx 20\log _{10}\left(R_{C}(f)\right)+0.06\end{aligned}}}$^[10]

Д

${\displaystyle {\begin{aligned}h(f)&={\frac {\left(1037918.48-f^{2}\right)^{2}+1080768.16\,f^{2}}{\left(9837328-f^{2}\right)^{2}[phone]\,f^{2}}}\\[3pt]R_{D}(f)&={\frac {f}{6.8966888496476\cdot 10^{-5}}}{\sqrt {\frac {h(f)}{\left(f^{2}+79919.29\right)\left(f^{2}+1345600\right)}}}\\D(f)&=20\log _{10}\left(R_{D}(f)\right).\end{aligned}}}$^[12]

Эквивалент передаточной функции

Кривые усиления могут быть реализованы ^[13] с помощью следующих функций передачи s-домена . Однако они не определяются таким образом, а определяются таблицами значений с допусками в документах стандартов, что позволяет использовать различные реализации: ^{[ необходимая цитата ]}

А

${\displaystyle H_{\text{A}}(s)\approx {k_{\text{A}}\cdot s^{4} \over (s+129.4)^{2}\quad (s+676.7)\quad (s+4636)\quad (s+76617)^{2}}}$

к _А ≈ 7,39705 × 10 ⁹

Б

${\displaystyle H_{\text{B}}(s)\approx {k_{\text{B}}\cdot s^{3} \over (s+129.4)^{2}\quad (s+995.9)\quad (s+76617)^{2}}}$

к _В ≈ 5,99185 × 10 ⁹

С

${\displaystyle H_{\text{C}}(s)\approx {k_{\text{C}}\cdot s^{2} \over (s+129.4)^{2}\quad (s+76617)^{2}}}$

к _С ≈ 5,91797 × 10 ⁹

Д

${\displaystyle H_{\text{D}}(s)\approx {k_{\text{D}}\cdot s\cdot \left(s^{2}+6532s+4.0975\times 10^{7}\right) \over (s+1776.3)\quad (s+7288.5)\quad \left(s^{2}+21514s+3.8836\times 10^{8}\right)}}$

кД ≈ _91104,32

Значения k являются константами, которые используются для нормализации функции до коэффициента усиления 1 (0 дБ). Перечисленные выше значения нормализуют функции до 0 дБ на частоте 1 кГц, как они обычно используются. (Эта нормализация показана на рисунке.)

Смотрите также

• Шум
• Шум сигнала
• Взвешивание шума ITU-R 468
• M-взвешивание
• Псофометрическое взвешивание
• Измерение качества звука
• Шумовое загрязнение
• Регулирование уровня шума
• Высота над головой
• Измерение грохота
• Фильтр взвешивания
• Кривая взвешивания
• Функция световой эффективности , световой эквивалент
• ЛКФС

Примечания

1. dBrn adjustable — это не синоним dB(A), а dBa. (В телекоммуникациях dBa обозначает «децибелы adjustable», т.е. взвешенную абсолютную мощность шума, которая не имеет ничего общего с A-взвешиванием.)

Ссылки

1. Мейер-Биш, Кристиан (2005). "[Измерение шума]". Médecine/Sciences . 21 (5): 546–550. doi : 10.1051/medsci/2005215546 . ISSN  0767-0974. PMID  15885208.
2. Пьер, младший, Ричард Л. Ст.; Магуайр, Дэниел Дж. (июль 2004 г.). «Влияние измерений уровня звукового давления с А-взвешиванием во время оценки воздействия шума» (PDF) . Получено 13 сентября 2011 г.
3. "Точное и полнодиапазонное определение двумерных контуров равной громкости" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2007-09-27.
4. "Эксперимент по громкости общих шумов окружающей среды с учетом низкочастотных компонентов вплоть до инфразвука". Архивировано из оригинала 29.03.2023.
5. Раймелл, Эндрю; Мэнсфилд, Нил; Паддан, Гурмейл (2015). «Проектирование цифровых фильтров для частотных весов (A и C), необходимых для оценки риска работников, подвергающихся воздействию шума». Industrial Health . 53 (53): 21–27. doi :10.2486/indhealth.2013-0003. PMC 4331191 . PMID  25224333. S2CID  13997453. 
6. "BIP_2_2_jb ZIP-файл" (PDF) .
7. Лауэр, Аманда; Эль-Шаркави, АбдЭль-Монем М.; Крайчман, Дара; Эдельштейн, Уильям (2012). «Акустический шум МРТ может нанести вред подопытным и сопутствующим животным». Журнал магнитно-резонансной томографии . 36 (3): 743–747. doi : 10.1002/jmri.23653 . PMID  22488793. S2CID  7436249.
8. Ратцель, Ю.; Байер, О.; Брачат, П.; Хоффманн, М.; Янке, К.; Кизель, К.-Дж.; Менерт, К.; Шек, К.; Вестерхаузен, К.; Крапф, К.-Г.; Херрманн, Л.; Блаул, Дж., ред. (февраль 2020 г.) [26 февраля 2016 г.]. «Tieffrequente Geräusche inkl. Infraschall von Windkraftanlagen und anderen Quellen - Bericht über Ergebnisse des Messprojekts 2013-2015» (на немецком языке) (3-е изд.). Карлсруэ, Германия: Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW), Referat 34 – Technischer Arbeitsschutz, Lärmschutz. С. 10–11, 13, 17, 22–24, 27–28, 32–33, 38–39, 43–44, 49, 90 . Проверено 7 июня 2021 г. п. 90: Für den Bereich des Infraschalls gibt es eine eigene Frequenzbewertung, die so genannte G-Bewertung. Entsprechend bewertete Pegel werden als dB(G) – «Dezibel G» – angegeben. Bekannter ist die A-Bewertung von Geräuschen als dB(A) – «Dezibel A» –, die dem Hörempfinden des Menschen nachempfunden ist. G-Bewertung имеет частоту вращения 20 Гц. Частота 10 Гц и 25 Гц может быть более высокой, чем 10 Гц и 25 Гц. Zweck der G-Bewertung ist es, eine Situation im Hinblick auf Tiefe Frequenzen bzw. Узнайте больше о характеристиках. Ein Nachteil ist, dass Frequenzen unterhalb 8 Hz и oberhalb 40 Hz kaum mehr einen Beitrag leisten.[1] (104 страницы)
9. Бауэр, Б.; Торик, Э. (1966). «Исследования по измерению громкости». Труды IEEE по аудио и электроакустике . 14 (3): 141–151. doi :10.1109/TAU.1966.1161864.
10. IEC 61672-1:2013 Электроакустика. Шумомеры. Часть 1. Технические характеристики . IEC. 2013.
11. "Уравнения взвешивания частот". Cross Spectrum. 2004. Архивировано из оригинала 2011-06-17.
12. Аартс, Рональд М. (1992-03-01). "Сравнение некоторых мер громкости для тестов прослушивания громкоговорителей" . Audio Engineering Society . 40 (3): 142–146. Архивировано из оригинала 2022-10-27 . Получено 2022-10-27 .
13. "Брифинг по измерению шума". Product Technology Partners Ltd. Архивировано из оригинала 2008-06-30.

Дальнейшее чтение

• Справочник звукорежиссера , 2-е изд. 1999 г., под редакцией Майкла Тэлбота Смита, Focal Press
• Введение в психологию слуха, 5-е изд., Брайан С. Дж. Мур, Elsevier Press

Внешние ссылки

• Брифинг по измерению шума. Архивировано из оригинала 25.02.2013.
• Схема фильтра взвешивания А для аудиоизмерений Архивировано 2016-12-31 на Wayback Machine
• Схемы цепей весовых фильтров
• AES pro audio справочное определение «взвешивающих фильтров»
• Уравнения взвешивания частот
• A-взвешивание в деталях
• Уравнение A-Weighting и онлайн-расчет
• Исследования по измерению громкости методом CBS с использованием шумовых полос, статья IEEE 1966 г.
• Сравнение некоторых показателей громкости для тестов прослушивания громкоговорителей (Aarts, JAES, 1992) PDF-файл, содержащий алгоритм для фильтров ABCD