A-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 A-взвешивание путем анализа синусоидальной развертки (содержит звук)

А-взвешивание — наиболее часто используемая группа кривых , определенных в международном стандарте IEC 61672:2003 и различных национальных стандартах, касающихся измерения уровня звукового давления . ^[1] А-взвешивание применяется к уровням звука, измеренным прибором, чтобы учесть относительную громкость, воспринимаемую человеческим ухом, поскольку ухо менее чувствительно к низким звуковым частотам. Он используется путем арифметического добавления таблицы значений, перечисленных по октавным или третьоктавным полосам, к измеренным уровням звукового давления в дБ . Полученные измерения октавной полосы обычно суммируются (логарифмический метод), чтобы получить одно взвешенное значение по шкале А, описывающее звук; единицы измерения записываются как дБ(А). Другие наборы весовых значений – B, C, D и теперь Z – обсуждаются ниже.

Кривые изначально были определены для использования при различных средних уровнях звука, но A-взвешивание, хотя первоначально 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. Он также используется при измерении шума низкого уровня в аудиооборудовании, особенно в США. ^{[ не проверено в теле ]} В Британии, Европе и во многих других частях света радиовещательные компании и звукоинженеры ^{[ кто? ]} чаще используют взвешивание шума 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 были основаны взвешивания A, B и C, действительно действительны только для чистых одиночных тонов. ^{[ не проверено в теле ]}

История

Взвешивание по шкале А началось с работы Флетчера и Мансона , в результате которой в 1933 году они опубликовали набор контуров равной громкости . Три года спустя эти кривые были использованы в первом американском стандарте 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, попытались преодолеть трудности, связанные с разными уровнями, а работа BBC привела к взвешиванию CCIR-468, которое в настоящее время поддерживается как взвешивание шума ITU-R 468, что дает более репрезентативные показания по шуму. шум в отличие от чистых тонов. ^{[ нужна цитата ]}

Недостатки

А-взвешивание справедливо для представления чувствительности человеческого уха как функции частоты чистых тонов. A-взвешивание было основано на 40-фонных кривых Флетчера-Мансона , которые представляли собой раннее определение контура равной громкости для человеческого слуха. Однако, поскольку десятилетия практического опыта показали очень хорошую корреляцию между шкалой А и профессиональной глухотой в частотном диапазоне человеческой речи, ^{эта шкала используется во многих юрисдикциях} для оценки рисков профессиональной глухоты и других слуховых проблем. связанные с сигналами или разборчивостью речи в шумной обстановке.

Из-за очевидных 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. . В результате исследования были получены 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 недавнему принятию нового набора кривых, стандартизированного как ISO 226:2003. В отчете комментируются удивительно большие различия, а также тот факт, что исходные контуры Флетчера-Мансона лучше согласуются с недавними результатами, чем контуры Робинсона-Дэдсона, которые, по-видимому, различаются на целых 10–15 дБ, особенно в низкочастотных диапазонах. регионе по необъяснимым причинам. Отчет также показывает, что 40-фонный контур Флетчера-Мансона лучше согласуется с обновленным 60-фонным контуром, включенным в ISO 226:2003, который бросает вызов распространенному утверждению о том, что A-взвешивание представляет громкость только для тихих звуков. ^[3]

Тем не менее, A-взвешивание лучше соответствовало бы кривой громкости, если бы она падала гораздо более круто выше 10 кГц, и вполне вероятно, что этот компромисс возник потому, что на заре электроники было трудно построить крутые фильтры. ^{[ нужна ссылка ]} В настоящее время в таких ограничениях нет необходимости, о чем свидетельствует кривая ITU-R 468. Если используется A-взвешивание без дальнейшего ограничения диапазона, можно получить разные показания на разных приборах при наличии ультразвукового или близкого к ультразвуковому шуму. Поэтому для точных измерений необходимо использовать фильтр нижних частот 20 кГц в сочетании с кривой А-взвешивания в современных приборах. В стандарте IEC 61012 это определяется как взвешивание AU, и, хотя это очень желательно, оно редко применяется в коммерческих шумомерах.

B-, C-, D-, G- и Z-веса

Согласно международному стандарту IEC 61672, частотная коррекция А должна быть установлена ​​на всех шумомерах и является аппроксимацией контуров равной громкости, приведенных в ISO 226 ^. не используются, но многие шумомеры предусматривают частотную коррекцию C, и ее установка обязательна - по крайней мере, для целей тестирования - на прецизионных шумомерах (класса один). D-частотное взвешивание было специально разработано для использования при измерении высокого уровня авиационного шума в соответствии со стандартом измерения 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, и этот эффект особенно выражен в районе 6 кГц. Это связано с тем, что отдельные нейроны из разных областей улитки внутреннего уха реагируют на узкие полосы частот, но более высокочастотные нейроны интегрируют более широкую полосу и, следовательно, сигнализируют о более громком звуке, когда им представлен шум, содержащий много частот, чем для одного чистого тона. того же уровня давления. ^{[ нужна цитата ]}

После внесения изменений в стандарт ISO, D-частотное взвешивание само по себе теперь должно использоваться только для реактивных двигателей без двухконтурного типа, которые встречаются только на военных самолетах, а не на коммерческих самолетах. По этой причине сегодня A-частотное взвешивание теперь обязательно для измерений легких гражданских самолетов, в то время как более точное взвешивание с поправкой на громкость EPNdB требуется для сертификации больших транспортных самолетов. ^[5] D-взвешивание является основой измерения, лежащего в основе EPNdB.

Z- или НУЛЕВАЯ частотная коррекция была введена в международный стандарт IEC 61672 в 2003 году и предназначалась для замены «плоской» или «линейной» частотной коррекции, часто устанавливаемой производителями. Это изменение было необходимо , поскольку каждый производитель измерителей уровня звука мог выбирать свои собственные точки среза низких и высоких частот (–3 дБ), что приводило к различным показаниям, особенно когда измерялся пиковый ^{уровень звука .} Это плоская частотная характеристика в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц ±1,5 дБ. ^{[6] [ не удалось проверить ]} Кроме того, C-частотное взвешивание с точками –3 дБ на частотах 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. ^[7]

Частотные характеристики B и D больше не описываются в основной части стандарта IEC 61672:2003, но их частотные характеристики можно найти в более старой версии IEC 60651, хотя она была официально отменена Международной электротехнической комиссией в пользу МЭК 61672:2003. Допуски частотной коррекции в IEC 61672 были ужесточены по сравнению с допусками в более ранних стандартах IEC 179 и IEC 60651, и, таким образом, приборы, соответствующие более ранним спецификациям, больше не должны использоваться для требуемых по закону измерений.

Измерения окружающей среды и другие измерения шума

Этикетка, относящаяся к портативному воздушному компрессору

Децибелы, взвешенные по шкале А , обозначаются сокращенно дБ(А) или дБА. Когда речь идет об акустических измерениях (калиброванный микрофон), то в качестве единиц измерения используется уровень звукового давления в дБ , соответствующий 20 микропаскалям = 0 дБ SPL. ^{[номер 1]}

Кривая А-взвешивания широко применяется для измерения шума окружающей среды и является стандартной для многих шумомеров. Система A-взвешивания используется при любом измерении шума окружающей среды (примеры включают шум проезжей части , железнодорожный шум, шум самолетов ). A-взвешивание также широко используется для оценки потенциального повреждения слуха , вызванного громким шумом, включая измерение дозы шума на работе. Уровень шума более 85 дБ(А) каждый день увеличивает фактор риска повреждения слуха.

Уровни звуковой мощности, взвешенные по шкале А, L _WA все чаще встречаются в рекламной литературе по бытовой технике, такой как холодильники, морозильники и компьютерные вентиляторы. Ожидаемый уровень звукового давления , который необходимо измерить на заданном расстоянии, как SPL с помощью шумомера , можно с некоторыми упрощениями рассчитать по уровню звуковой мощности . В Европе уровень шума по шкале А используется, например, для нормализации шума шин автомобилей.

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

Оборудование для воспроизведения и вещания звука

Хотя кривая А-взвешивания, широко используемая для измерения шума , как утверждается, основана на 40-фонной кривой Флетчера-Мансона, исследования 1960-х годов показали, что определение равной громкости, выполненное с использованием чистых тонов, не имеет прямого отношения к наше восприятие шума. ^[8] Это связано с тем, что улитка нашего внутреннего уха анализирует звуки с точки зрения спектрального содержания, причем каждая волосковая клетка реагирует на узкую полосу частот, известную как критическая полоса. ^{[ нужна цитата ]} Высокочастотные полосы шире в абсолютном выражении, чем низкочастотные, и поэтому «собирают» пропорционально больше мощности от источника шума. ^{[ нужна цитация ]} Однако, когда стимулируются более чем один критический диапазон, выходные сигналы различных диапазонов суммируются мозгом, чтобы создать впечатление громкости. По этим причинам кривые равной громкости, полученные с использованием полос шума, 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, взвешенные по шкале А, дают вводящие в заблуждение результаты, поскольку они не уделяют достаточного внимания области 6 кГц, где снижение шума дает наибольший эффект, и не обеспечивают достаточного ослабления шума в районе 10 кГц и выше (конкретным примером является Пилотный тон 19 кГц в системах FM-радио, который, хотя обычно и не слышен, недостаточно ослабляется A-взвешиванием, так что иногда одно оборудование даже измеряет хуже, чем другое, но все же звучит лучше из-за различного спектрального содержания.

Поэтому взвешивание шума ITU-R 468 было разработано для более точного отражения субъективной громкости всех типов шума, а не тонов. Эта кривая, возникшая в результате работы исследовательского отдела BBC , была стандартизирована CCIR , а затем принята многими другими органами по стандартизации ( IEC , BSI ) и с 2006 года ^{[обновлять]}поддерживается ITU. Он стал широко использоваться в Европе, особенно в радиовещании, и был принят лабораториями Dolby , которые осознали его превосходную пригодность для своих целей при измерении шума в звуковых дорожках фильмов и компактных кассетных системах. Его преимущества перед A-взвешиванием менее приняты в США, где использование A-взвешивания все еще преобладает. ^{[ нужна ссылка ]} Он используется вещателями в Великобритании, Европе и бывших странах Британской империи, таких как Австралия и Южная Африка.

Реализация функций некоторых распространенных весов

Стандарт ^[9] определяет весовые коэффициенты ( ) в дБ с помощью таблиц с пределами допуска (чтобы обеспечить возможность различных реализаций). Кроме того, стандарт описывает весовые функции ^[9] для расчета весов. Весовая функция применяется к амплитудному спектру (а не спектру интенсивности ) невзвешенного уровня звука. Смещения обеспечивают нормализацию до 0 дБ при 1000 Гц. Соответствующими весовыми функциями являются: ^[10] ${\displaystyle A(f),C(f)}$ ${\displaystyle R_{X}(f)}$ ${\displaystyle R_{X}(f)}$

А

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{A}(f)&={12194^{2}f^{4} \over \left(f^{2}+20.6^{2}\right)\ {\sqrt {\left(f^{2}+107.7^{2}\right)\left(f^{2}+737.9^{2}\right)}}\ \left(f^{2}+12194^{2}\right)}\ ,\\[3pt]A(f)&=20\log _{10}\left(R_{A}(f)\right)-20\log _{10}\left(R_{A}(1000)\right)\\&\approx 20\log _{10}\left(R_{A}(f)\right)+2.00\end{aligned}}}$^[9]

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

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{C}(f)&={12194^{2}f^{2} \over \left(f^{2}+20.6^{2}\right)\ \left(f^{2}+12194^{2}\right)}\ ,\\[3pt]C(f)&=20\log _{10}\left(R_{C}(f)\right)-20\log _{10}\left(R_{C}(1000)\right)\\[3pt]&\approx 20\log _{10}\left(R_{C}(f)\right)+0.06\end{aligned}}}$^[9]

Д

${\displaystyle {\begin{aligned}h(f)&={\frac {\left(1037918.48-f^{2}\right)^{2}+1080768.16\,f^{2}}{\left(9837328-f^{2}\right)^{2}[phone]\,f^{2}}}\\[3pt]R_{D}(f)&={\frac {f}{6.8966888496476\cdot 10^{-5}}}{\sqrt {\frac {h(f)}{\left(f^{2}+79919.29\right)\left(f^{2}+1345600\right)}}}\\D(f)&=20\log _{10}\left(R_{D}(f)\right).\end{aligned}}}$^[11]

Эквивалент передаточной функции

Кривые усиления могут быть реализованы ^[12] с помощью следующих передаточных функций s-области . Однако они не определяются таким образом, а определяются таблицами значений с допусками в стандартных документах, что позволяет использовать различные реализации: ^{[ нужна ссылка ]}

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 _Б ≈ 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

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

к _Д ≈ 91104,32

Значения k — это константы, которые используются для нормализации функции до коэффициента усиления 1 (0 дБ). Значения, перечисленные выше, нормализуют функции до 0 дБ на частоте 1 кГц, как они обычно используются. (Эта нормализация показана на изображении.)

Смотрите также

• Шум
• Шум сигнала
• Взвешивание шума ITU-R 468
• M-взвешивание
• Псофометрическое взвешивание
• Измерение качества звука
• Шумовое загрязнение
• Регулирование шума
• Высота над головой
• Измерение шума
• Весовой фильтр
• Кривая взвешивания
• Функция светоотдачи , эквивалент света
• ЛКФС

Примечания

1. dBrn с поправкой — это синоним не дБ(А), а дБа. (В телекоммуникациях дБа означает «скорректированный в децибелах», т.е. взвешенную абсолютную мощность шума, которая не имеет ничего общего с A-взвешиванием.)

Рекомендации

1. Мейер-Биш, Кристиан (2005). «[Измерение шума]». Медицина/Науки . 21 (5): 546–550. дои : 10.1051/medsci/2005215546 . ISSN  0767-0974. ПМИД  15885208.
2. Пьер-младший, Ричард Л. Ст.; Магуайр, Дэниел Дж. (июль 2004 г.). «Влияние измерений уровня звукового давления с взвешиванием по шкале А на оценку шумового воздействия» (PDF) . Проверено 13 сентября 2011 г.
3. «Точное и полное определение двумерных контуров равной громкости» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2007 г.
4. Римелл, Эндрю; Мэнсфилд, Нил; Паддан, Гурмаил (2015). «Разработка цифровых фильтров для частотных характеристик (A и C), необходимых для оценки риска работников, подвергающихся воздействию шума». Промышленное здоровье . 53 (53): 21–27. doi : 10.2486/indhealth.2013-0003. ПМК 4331191 . PMID  25224333. S2CID  13997453. 
5. «ZIP-файл BIP_2_2_jb» (PDF) .
6. Лауэр, Аманда; Эль-Шаркави, Абдель-Монем М.; Крайчман, Дара; Эдельштейн, Уильям (2012). «Акустический шум МРТ может нанести вред экспериментальным и домашним животным». Журнал магнитно-резонансной томографии . 36 (3): 743–747. дои : 10.1002/jmri.23653 . PMID  22488793. S2CID  7436249.
7. 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), Реферат 34 – Technischer Arbeitsschutz, Lärmschutz. стр. 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 колебаний 10 Гц и 25 Гц при высокой частоте вращения, повышении и понижении температуры может привести к повышению частоты вращения. 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)
8. Бауэр, Б.; Торик, Э. (1966). «Исследования по измерению громкости». Транзакции IEEE по аудио и электроакустике . 14 (3): 141–151. дои : 10.1109/ТАУ.1966.1161864.
9. IEC 61672-1:2013 Электроакустика. Шумомеры. Часть 1. Технические характеристики . МЭК. 2013.
10. «Уравнения частотного взвешивания» . Перекрестный спектр. 2004. Архивировано из оригинала 17 июня 2011 г.
11. Аартс, Рональд М. (1 марта 1992 г.). «Сравнение некоторых показателей громкости для тестов прослушивания громкоговорителей» . Общество аудиоинженеров . 40 (3): 142–146. Архивировано из оригинала 27 октября 2022 г. Проверено 27 октября 2022 г.
12. «Брифинг по измерению шума». Product Technology Partners Ltd. Архивировано из оригинала 30 июня 2008 г.

дальнейшее чтение

• Справочник аудиоинженера , 2-е изд. 1999 г., под редакцией Майкла Талбота Смита, Focal Press
• Введение в психологию слуха , 5-е изд., Брайан Си Джей Мур, Elsevier Press

Внешние ссылки

• Брифинг по измерению шума. Архивировано из оригинала 25 февраля 2013 г.
• Схема A-взвешивающего фильтра для измерения звука. Архивировано 31 декабря 2016 г. на Wayback Machine.
• Принципиальные схемы набора весовых фильтров
• Справочное определение аудио AES pro для «взвешивающих фильтров»
• Уравнения частотного взвешивания
• A-взвешивание в деталях
• Уравнение взвешивания A и онлайн-расчет
• Исследования по измерению громкости с помощью CBS с использованием полос шума, статья IEEE 1966 г.
• Сравнение некоторых показателей громкости для тестов прослушивания громкоговорителей (Aarts, JAES, 1992). PDF-файл, содержащий алгоритм для фильтров ABCD.