А-взвешивание

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

Воспроизвести медиа

Видео, иллюстрирующее A-взвешивание путем анализа синусоидальной развертки (содержит звук)

A-взвешивание является наиболее часто используемым из семейства 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, с целью 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.. Результирующие измерения октавной полосы обычно добавляются (логарифмический метод) для получения единственного значения, взвешенного по шкале А, описывающего звук; единицы записываются как дБ (А). Другие наборы значений весов - B, C, D и теперь Z - обсуждаются ниже.

Кривые первоначально было определенно для использования в различных средних уровнях звука, но А-взвешивание, хотя первоначально предназначено только для измерения звуков низкого уровня (около 40 Phon ), в настоящее время широко используются для измерения шума окружающей среды и промышленного шума , а также при оценке потенциального нарушения слуха и других шумовых воздействий на здоровье при всех уровнях звука; действительно, использование частотного взвешивания A теперь является обязательным для всех этих измерений, поскольку десятилетия полевого опыта показали очень хорошую корреляцию с профессиональной глухотой в частотном диапазоне человеческой речи. Он также используется при измерении шума низкого уровня в звуковом оборудовании, особенно в США. ^{[не проверено телесно ]}В Великобритании, Европе и многих других частях мира вещатели и звукорежиссеры^{[ кто? ]}чаще используютвзвешивание шума ITU-R 468, которое было разработано в 1960-х годах на основе исследованийBBCи других организаций. Это исследование показало, что наши уши по-разному реагируют на случайный шум, а кривые равной громкости, на которых основывались веса A, B и C, действительно действительны только для чистых одиночных тонов. ^{[ не проверено в теле ]}

История [ править ]

А-взвешивание началось с работы Флетчера и Мансона, результатом которой стало их опубликование в 1933 году набора контуров равной громкости . Три года спустя эти кривые были использованы в первом американском стандарте шумомеров . ^[2] Это ANSIСтандарт, позже пересмотренный как ANSI S1.4-1981, включал B-взвешивание, а также кривую A-взвешивания, признавая непригодность последнего для чего-либо, кроме измерений низкого уровня. Но с тех пор B-взвешивание вышло из употребления. В более поздних работах, сначала Цвикером, а затем Шомером, была сделана попытка преодолеть трудности, связанные с различными уровнями, и работа BBC привела к взвешиванию CCIR-468, которое в настоящее время поддерживается как взвешивание шума ITU-R 468, что дает более репрезентативные показания для шум в отличие от чистых тонов. ^{[ необходима цитата ]}

Недостатки [ править ]

A-взвешивание действительно для представления чувствительности человеческого уха как функции частоты чистых тонов, но только для относительно тихих уровней звука. Фактически, A-взвешивание основано на 40-фоновых кривых Флетчера – Мансона, которые представляют собой раннее определение контура равной громкости для человеческого слуха. Однако, поскольку десятилетия полевого 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, связанных с сигналами или разборчивость речи в шумной обстановке.

Из-за предполагаемых расхождений между ранними и более поздними определениями Международная организация по стандартизации(ISO) недавно пересмотрел свои стандартные кривые, как определено в ISO 226, в ответ на рекомендации исследования, координируемого Исследовательским институтом электросвязи Университета Тохоку, Япония. В ходе исследования были получены новые кривые путем объединения результатов нескольких исследований, проведенных учеными 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 и тот факт, что исходные контуры Флетчера-Мансона лучше согласуются с недавними результатами, чем контуры Робинсона-Дадсона, которые, по-видимому, различаются на целых 10–15 дБ, особенно в области низких частот. регионе по не объясненным причинам. К счастью,40-фоновая кривая Флетчера-Мансона особенно близка к современному стандарту ISO 226: 2003.^[3]

Тем не менее, A-взвешивание лучше соответствовало бы кривой громкости, если бы она упала намного круче выше 10 кГц, и вполне вероятно, что этот компромисс произошел из-за того, что крутые фильтры было трудно построить на заре электроники. ^{[ необходима цитата ]} В настоящее время не существует необходимости в таком ограничении, как показано на кривой ITU-R 468. Если A-взвешивание используется без дальнейшего ограничения диапазона, можно получить разные показания на разных приборах при наличии ультразвукового или близкого к ультразвуковому шуму. Поэтому для точных измерений требуется, чтобы фильтр нижних частот 20 кГц сочетался с кривой A-взвешивания в современных приборах. В МЭК 61012 это определено как взвешивание для всех единиц измерения и, хотя и очень желательно, редко применяется в коммерческих шумомерах.

B-, C-, D- и Z-веса [ править ]

Взвешивание частоты A требуется международным стандартом IEC 61672 для установки на все шумомеры и является приближением к контурам равной громкости, приведенным в ISO 226. ^[4] Старые значения частотного взвешивания B и D попали в категорию не используются, но многие измерители уровня звука предусматривают частотное взвешивание C, и его установка - по крайней мере, для целей тестирования - обязательна для прецизионных шумомеров (первого класса). D-частотный вес был специально разработан для использования при измерении высокого уровня авиационного шума в соответствии с IEC 537.эталон. Большой пик на кривой D-взвешивания не является признаком контуров равной громкости, но отражает тот факт, что люди слышат случайный шум иначе, чем чистые тона, эффект, который особенно выражен в районе 6 кГц. Это связано с тем, что отдельные нейроны из разных областей улитки во внутреннем ухе реагируют на узкие полосы частот, но нейроны с более высокими частотами объединяют более широкую полосу и, следовательно, сигнализируют более громкий звук, когда представлен шум, содержащий много частот, чем для одного чистого тона. того же уровня давления. ^{[ необходима цитата ]}После изменений в стандарте ISO, частотное взвешивание D теперь должно использоваться только для двигателей без байпаса, и поскольку они не устанавливаются на коммерческие самолеты, а только на военные, частотное взвешивание A теперь требуется для легких гражданских самолетов. измерений, в то время как более точное взвешивание с поправкой на громкость EPNdB требуется для сертификации больших транспортных самолетов ^[5]

Частотное взвешивание Z или ZERO было введено в Международном стандарте IEC 61672 в 2003 году и предназначалось для замены "плоского" или "линейного" частотного взвешивания, часто применяемого производителями. Это изменение было необходимо, так как каждый производитель шумомеров мог выбирать свои собственные точки отсечки низких и высоких частот (–3 дБ), что приводило к различным показаниям, особенно при измерении пикового уровня звука. Это плоская частотная характеристика от 10 Гц до 20 кГц ± 1,5 дБ. ^[6] Кроме того, взвешивание частоты C с точками –3 дБ на 31,5 Гц и 8 кГц не имело достаточной полосы пропускания, чтобы позволить разумно правильное измерение истинного пикового шума (Lpk).

Частотные весовые коэффициенты B и D больше не описываются в основной части стандарта IEC 61672: 2003, но их частотные характеристики можно найти в более раннем IEC 60651, хотя он был официально отозван Международной электротехнической комиссией в 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, таким образом, приборы, соответствующие более ранним спецификациям, больше не должны использоваться для требуемых законом измерений.

Измерения окружающего и другого шума [ править ]

Децибелы, взвешенные по шкале А , обозначаются как дБ (А) или дБА. Когда речь идет об акустических измерениях (калиброванный микрофон), то в качестве единиц измерения будут использоваться дБ SPL относительно 20 микропаскалей = 0 дБ SPL. dBrn регулируется не является синоним для дБ, но для дБ (в телекоммуникационном дБ означает «децибелы» , то есть регулировать взвешенную абсолютную мощность шума, который не имеет ничего общего с A-взвешиванием).

Кривая A-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 которого включают шум проезжей части , железнодорожный шум, авиационный шум ). А-взвешивание также широко используется для оценки потенциального повреждения слуха, вызванного громким шумом.

Измерения уровня шума, взвешенные по шкале А, все чаще встречаются в литературе по продаже бытовой техники, такой как холодильники, морозильники и компьютерные вентиляторы. В Европе уровень шума, взвешенный по шкале А, используется, например, для нормализации шума шин автомобилей.

А-взвешивание также используется для измерения дозы шума на работе. Уровень шума более 85 дБ (A) каждый день увеличивает фактор риска повреждения слуха .

Уровень шума для посетителей мест с громкой музыкой обычно также выражается в дБ (A), хотя наличие высоких уровней низкочастотного шума не оправдывает этого.

Оборудование для воспроизведения звука и вещания [ править ]

Хотя кривая A-взвешивания, широко используемая для измерения шума , как утверждается, была основана на 40-фоновой кривой Флетчера-Мансона, исследования 1960-х годов показали, что определения одинаковой громкости, сделанные с использованием чистых тонов, не имеют прямого отношения к наше восприятие шума. ^[7] Это связано с тем, что улитка нашего внутреннего уха анализирует звуки с точки зрения спектрального содержания, каждая «волосковая клетка» реагирует на узкую полосу частот, известную как критическая полоса. ^{[ необходима цитата ]} Полосы высоких частот шире в абсолютном выражении, чем диапазоны низких частот, и, следовательно, «собирают» пропорционально больше энергии от источника шума. ^{[ необходима цитата ]}Однако, когда стимулируется более одной критической полосы, мозг суммирует выходные сигналы различных полос, 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 по шкале А дают вводящие в заблуждение результаты, поскольку они не дают достаточного выделения области 6 кГц, где снижение шума имело наибольший эффект, и недостаточно ослабляют шум около 10 кГц и выше (конкретный пример - с Пилотный тон 19 кГц в FM-радиосистемах, который, хотя обычно и не слышен, недостаточно ослаблен A-взвешиванием, так что иногда одно оборудование может даже измерять хуже, чем другое, но тем не менее звучать лучше из-за различного спектрального содержания.

Таким образом, взвешивание шума по МСЭ-R 468 было разработано для более точного отражения субъективной громкости всех типов шума, а не тонов. Эта кривая, разработанная Исследовательским отделом BBC , была стандартизирована CCIR, а затем принята многими другими органами по стандартизации ( IEC , BSI ) и с 2006 ^{[Обновить]}года поддерживается ITU. Он стал широко использоваться в Европе, особенно в радиовещании, и был принят Dolby Laboratories, которые осознали его превосходную пригодность для своих целей при измерении шума на звуковых дорожках фильмов и компактных кассетных системах. Его преимущества по сравнению с A-взвешиванием менее признаны в США, где использование A-взвешивания все еще преобладает.^{[ необходима цитата ]} Он используется телевещательными компаниями в Великобритании, Европе и бывших странах Британской империи, таких как Австралия и Южная Африка.

Функциональная реализация некоторых общих весов [ править ]

Стандарт ^[8] определяет весовые коэффициенты ( ) в единицах дБ с помощью таблиц с пределами допуска (для обеспечения различных реализаций). Кроме того, стандарт описывает весовые функции ^[8] для вычисления весов. Весовая функция применяется к амплитудному спектру (а не к спектру интенсивности ) невзвешенного уровня звука. Смещения обеспечивают нормализацию до 0 дБ при 1000 Гц. Соответствующие весовые функции: ^[9]${\ Displaystyle А (е), С (е)}$${\ Displaystyle R_ {X} (е)}$${\ Displaystyle R_ {X} (е)}$

A [ править ]

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{A}(f)&={12194^{2}f^{4} \over \left(f^{2}+20.6^{2}\right)\ {\sqrt {\left(f^{2}+107.7^{2}\right)\left(f^{2}+737.9^{2}\right)}}\ \left(f^{2}+12194^{2}\right)}\ ,\\[3pt]A(f)&=20\log _{10}\left(R_{A}(f)\right)-20\log _{10}\left(R_{A}(1000)\right)\\&\approx 20\log _{10}\left(R_{A}(f)\right)+2.00\end{aligned}}}$^[8]

B [ править ]

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

C [ править ]

${\displaystyle {\begin{aligned}R_{C}(f)&={12194^{2}f^{2} \over \left(f^{2}+20.6^{2}\right)\ \left(f^{2}+12194^{2}\right)}\ ,\\[3pt]C(f)&=20\log _{10}\left(R_{C}(f)\right)-20\log _{10}\left(R_{C}(1000)\right)\\[3pt]&\approx 20\log _{10}\left(R_{C}(f)\right)+0.06\end{aligned}}}$^[8]

D [ править ]

${\displaystyle {\begin{aligned}h(f)&={\frac {\left(1037918.48-f^{2}\right)^{2}+1080768.16\,f^{2}}{\left(9837328-f^{2}\right)^{2}+11723776\,f^{2}}}\\[3pt]R_{D}(f)&={\frac {f}{6.8966888496476\cdot 10^{-5}}}{\sqrt {\frac {h(f)}{\left(f^{2}+79919.29\right)\left(f^{2}+1345600\right)}}}\\D(f)&=20\log _{10}\left(R_{D}(f)\right).\end{aligned}}}$^[10]

Эквивалент передаточной функции [ править ]

Кривые усиления могут быть реализованы ^[11] с помощью следующих передаточных функций в s-области . Однако они не определены таким образом, они определены таблицами значений с допусками в стандартных документах, что позволяет реализовать различные варианты: ^{[ необходима ссылка ]}

A [ править ]

${\displaystyle H_{A}(s)\approx {k_{A}\cdot s^{4} \over (s+129.4)^{2}\quad (s+676.7)\quad (s+4636)\quad (s+76655)^{2}}}$

k _A ≈ 7,39705 × 10 ⁹

B [ править ]

${\displaystyle H_{B}(s)\approx {k_{B}\cdot s^{3} \over (s+129.4)^{2}\quad (s+995.9)\quad (s+76655)^{2}}}$

k _B ≈ 5,99185 × 10 ⁹

C [ править ]

${\displaystyle H_{C}(s)\approx {k_{C}\cdot s^{2} \over (s+129.4)^{2}\quad (s+76655)^{2}}}$

к _С ≈ 5,91797 × 10 ⁹

D [ править ]

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

k _D ≈ 91104,32

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

См. Также [ править ]

• Шум
• Сигнальный шум
• ITU-R 468 взвешивание шума
• Псофометрическое взвешивание
• Измерение качества звука
• Шумовое загрязнение
• Регулирование шума
• Высота
• Измерение грохота
• Фильтр взвешивания
• Кривая взвешивания
• Функция яркости , световой эквивалент
• LKFS

Ссылки [ править ]

• Справочник звукоинженера , 2-е издание 1999 г., отредактировал Майкл Талбот Смит, Focal Press
• Введение в психологию слуха, 5-е изд., Брайан Си-Джей Мур, Elsevier Press

Внешние ссылки [ править ]

• Брифинг по измерению шума . Архивировано из оригинала на 2013-02-25.
• Схема A-взвешивающего фильтра для измерений звука
• Принципиальные схемы блока взвешивающего фильтра
• AES pro audio reference определение "весовых фильтров"
• Уравнения частотного взвешивания
• А-взвешивание в деталях
• Уравнение A-взвешивания и онлайн-расчет
• Исследования по измерению громкости CBS с использованием шумовых полос, статья IEEE 1966 г.
• Сравнение некоторых показателей громкости для тестов прослушивания громкоговорителей (Aarts, JAES, 1992) PDF, содержащий алгоритм для фильтров ABCD