А-взвешивание

А-взвешивание началось с работы Флетчера и Мансона, результатом которой стала их публикация в 1933 году набора контуров равной громкости . Три года спустя эти кривые были использованы в первом американском стандарте шумомеров . ^[2] Этот стандарт ANSI , 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 Цвикера, а затем Шомера, 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 ]}

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 проблем со слухом, связанных с сигналами или слухом. разборчивость речи в шумной обстановке.

Из-за предполагаемых расхождений между ранними и более поздними определениями Международная организация по стандартизации (ISO) недавно пересмотрела свои стандартные кривые, как они определены 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 развития электроники. ^{[ необходима цитата ]} В настоящее время не существует необходимости в таком ограничении, что демонстрирует кривая ITU-R 468. Если A-взвешивание используется без дальнейшего ограничения диапазона, можно получить разные показания на разных инструментах 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.

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 шумомеры предусматривают частотное взвешивание C, и его установка требуется - по крайней мере для целей тестирования - на прецизионные шумомеры (первого класса). 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 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 потому , что отдельные нейроны из разных областей улитки в внутреннем ухе реагировать на узкие полосы частот, но более высокие нейроны частоты интегрировать более широкая полосу и , следовательно , сигнал более громкий звук , когда представлены шумом , содержащие 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, теперь требуется взвешивание частоты A для измерений легких гражданских самолетов, в то время как для сертификации больших транспортных самолетов требуется более точное взвешивание с поправкой на громкость EPNdB ^[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, поскольку 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 при 31,5 Гц и 8 кГц не имело достаточной полосы пропускания, чтобы обеспечить разумно правильное измерение истинного пикового шума (Lpk).

Взвешивание частот B и D больше не описывается 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.

Этикетка переносного воздушного компрессора

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.

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 равной 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. ^{[ Требуется цитата ]} Полосы высоких частот шире в абсолютном выражении, чем диапазоны низких частот, и поэтому «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 для области 6 кГц, где снижение шума имело наибольший эффект, и недостаточно ослабляют шум около 10 кГц и выше (конкретный пример - 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 стандарту ITU-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 ), а с 2006 г.^{[Обновить]}, 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 перед A-взвешиванием менее распространены в США, где использование A-взвешивания все еще преобладает. ^{[ необходима цитата ]} Он используется вещательными компаниями в Великобритании, Европе и бывших странах Британской империи, таких как Австралия и Южная Африка.

Стандарт ^[8] определяет веса (${\ Displaystyle А (е), С (е)}$) в единицах дБ по таблицам с пределами допуска (для обеспечения разнообразия реализаций). Дополнительно в стандарте описаны весовые функции.${\ Displaystyle R_ {X} (е)}$^[8] для расчета весов. Весовая функция${\ Displaystyle R_ {X} (е)}$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]

А

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

B

${\ displaystyle {\ begin {align} R_ {B} (f) & = {12194 ^ {2} f ^ {3} \ over \ left (f ^ {2} + 20.6 ^ {2} \ right) \ { \ sqrt {\ left (f ^ {2} + 158,5 ^ {2} \ right)}} \ \ left (f ^ {2} + 12194 ^ {2} \ right)} \, \\ [3pt] B ( е) & = 20 \ log _ {10} \ left (R_ {B} (f) \ right) -20 \ log _ {10} \ left (R_ {B} (1000) \ right) \\ & \ приблизительно 20 \ log _ {10} \ left (R_ {B} (f) \ right) +0,17 \ end {align}}}$

C

${\ displaystyle {\ begin {align} R_ {C} (f) & = {12194 ^ {2} f ^ {2} \ over \ left (f ^ {2} + 20.6 ^ {2} \ right) \ \ \ left (f ^ {2} + 12194 ^ {2} \ right)} \, \\ [3pt] C (f) & = 20 \ log _ {10} \ left (R_ {C} (f) \ right) -20 \ log _ {10} \ left (R_ {C} (1000) \ right) \\ [3pt] & \ приблизительно 20 \ log _ {10} \ left (R_ {C} (f) \ right) + 0,06 \ конец {выровнено}}}$^[8]

D

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

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 стандартах, что позволяет реализовать различные варианты: ^{[ необходима цитата ]}

А

${\ Displaystyle H_ {A} (s) \ приблизительно {k_ {A} \ cdot s ^ {4} \ over (s + 129,4) ^ {2} \ quad (s + 676,7) \ quad (s + 4636) \ четырехъядерный (s + 76655) ^ {2}}}$

k _A ≈ 7,39705 × 10 ⁹

B

${\ Displaystyle H_ {B} (s) \ приблизительно {k_ {B} \ cdot s ^ {3} \ over (s + 129,4) ^ {2} \ quad (s + 995,9) \ quad (s + 76655) ^ {2}}}$

k _B ≈ 5,99185 × 10 ⁹

C

${\ Displaystyle H_ {C} (s) \ приблизительно {k_ {C} \ cdot s ^ {2} \ over (s + 129,4) ^ {2} \ quad (s + 76655) ^ {2}}}$

к _С ≈ 5,91797 × 10 ⁹

D

${\ displaystyle H_ {D} (s) \ приблизительно {k_ {D} \ cdot s \ cdot \ left (s ^ {2} + 6532s + 4.0975 \ times 10 ^ {7} \ right) \ over (s + 1776,3 ) \ quad (s + 7288.5) \ quad \ left (s ^ {2} + 21514s + 3.8836 \ times 10 ^ {8} \ right)}}$

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.)

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

• Справочник звукоинженера , 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

• 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 измерений громкости для тестов прослушивания громкоговорителей (Aarts, JAES, 1992) PDF, содержащий алгоритм для фильтров ABCD