Контур равной громкости

ISO с частотой в Гц Контуры равной громкости

Контур равной громкости — это мера уровня звукового давления в частотном спектре, при котором слушатель воспринимает постоянную громкость при воспроизведении чистых устойчивых тонов. Единицей измерения уровней громкости является фон , которая определяется на основе контуров равной громкости. По определению, две синусоидальные волны разных частот считаются имеющими одинаковый уровень громкости, измеряемый в фонах, если они воспринимаются как одинаково громкие среднестатистическим молодым человеком без значительного нарушения слуха.

Кривые Флетчера -Мансона представляют собой один из многих наборов контуров одинаковой громкости для человеческого уха, определенных экспериментально Харви Флетчером и Уилденом А. Мансоном и описанных в статье 1933 года под названием «Громкость, ее определение, измерение и расчет» в журнале «Громкость, ее определение, измерение и расчет». Журнал Акустического общества Америки . Кривые Флетчера-Мансона были заменены и включены в новые стандарты. Окончательные кривые определены в стандарте ISO 226 Международной организации по стандартизации и основаны на обзоре современных определений, сделанных в различных странах.

Усилители часто имеют кнопку «громкости», технически известную как компенсация громкости , которая усиливает низкочастотные и высокочастотные компоненты звука. Они предназначены для компенсации кажущегося падения громкости на этих частотах, особенно на более низких уровнях громкости. Увеличение этих частот дает более ровный контур равной громкости, который кажется громче даже при низкой громкости, предотвращая доминирование воспринимаемого звука средними частотами, к которым ухо наиболее чувствительно.

Кривые Флетчера – Мансона

обычно Первое исследование на тему того, как ухо слышит разные частоты на разных уровнях, было проведено Флетчером и Мансоном в 1933 году. До недавнего времени термин Флетчера-Мансона использовался для обозначения контуров одинаковой громкости в целом, хотя повторное определение было проведено Робинсоном и Дадсоном в 1956 году, что стало основой для стандарта ISO 226.

Теперь предпочтение отдается общему термину «контуры равной громкости» , подмножеством которого теперь являются кривые Флетчера – Мансона. и особенно после того, как исследование ISO 2003 года пересмотрело кривые в новом стандарте.

Экспериментальное определение

Слуховая система человека чувствительна к частотам от примерно 20 Гц до максимум примерно 20 000 Гц, хотя верхний предел слуха снижается с возрастом. В этом диапазоне человеческое ухо наиболее чувствительно в диапазоне от 2 до 5 , во многом благодаря резонансу слухового прохода и передаточной функции косточек кГц среднего уха.

Флетчер и Мансон впервые измерили контуры одинаковой громкости с помощью наушников (1933). В своем исследовании испытуемые слушали чистые звуки на различных частотах и ​​с шагом интенсивности стимула более 10 дБ. Для каждой частоты и интенсивности слушатель также слушал эталонный тон частотой 1000 Гц. Флетчер и Мансон регулировали эталонный тон до тех пор, пока слушатель не почувствовал, что он имеет ту же громкость, что и тестовый тон. Громкость, будучи психологической величиной, трудно измерить, поэтому Флетчер и Мансон усреднили результаты по многим испытуемым, чтобы получить разумные средние значения. Самый низкий контур равной громкости представляет собой самый тихий слышимый тон — абсолютный порог слышимости . Самый высокий контур — болевой порог .

Черчер и Кинг провели второе определение в 1937 году, но их результаты и результаты Флетчера и Мансона показали значительные расхождения по частям слуховой диаграммы.

В 1956 году Робинсон и Дадсон пришли к новому экспериментальному выводу, который, по их мнению, был более точным. Он стал основой стандарта (ISO 226), который считался окончательным до 2003 года, когда ISO пересмотрела стандарт на основе недавних оценок исследовательских групп по всему миру.

Недавняя редакция направлена ​​на более точное определение – ISO 226:2023.

Выявленные расхождения между ранними и более поздними определениями побудили Международную организацию по стандартизации (ISO) пересмотреть стандартные кривые в ISO 226. Они сделали это в ответ на рекомендации исследования, координируемого Научно-исследовательским институтом электросвязи Университета Тохоку, Япония. В ходе 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 по стандарту 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. частотный диапазон по необъяснимым причинам.

Согласно отчету ISO, результаты Робинсона-Дадсона были необычными и отличались от текущего стандарта больше, чем кривые Флетчера-Мансона. В отчете говорится, что к счастью, 40- фонная кривая Флетчера-Мансона, на которой был основан стандарт A-взвешивания, оказалась в соответствии с современными определениями.

В отчете также комментируются большие различия, очевидные в низкочастотной области, которые остаются необъяснимыми. Возможные объяснения:

• Используемое оборудование не было должным образом откалибровано.
• Критерии, используемые для оценки одинаковой громкости на разных частотах, различались.
• Субъекты не отдыхали должным образом в течение нескольких дней перед исследованием или подвергались воздействию громкого шума по дороге на тесты, что приводило к напряжению напрягающих барабанную перепонку и стременных мышц, контролирующих низкочастотную механическую связь.

Боковое и фронтальное представление

Реальные звуки из достаточно удаленного источника доходят до плоских волновых фронтов. Если источник звука находится непосредственно перед слушателем, то оба уха получают одинаковую интенсивность, но на частотах выше примерно 1 кГц звук, попадающий в слуховой проход, частично ослабляется тенью головы , а также сильно зависит от отражения от ушная раковина (наружное ухо). Звуки, смещенные от центра, приводят к усилению маскировки головы на одном ухе и незначительным изменениям в эффекте ушной раковины, особенно на другом ухе. Этот комбинированный эффект маскировки головы и отражения ушной раковины количественно выражается в наборе кривых в трехмерном пространстве, называемых передаточными функциями, связанными с головой (HRTF). Фронтальное представление теперь считается предпочтительным при получении контуров равной громкости, а последний стандарт ISO специально основан на фронтальном и центральном представлении.

Поскольку при обычном прослушивании через наушники не используется HRTF, кривые равной громкости, полученные с использованием наушников , действительны только для особого случая так называемого бокового представления , а это не то, как мы обычно слышим.

Для определения Робинсона-Дадсона использовались громкоговорители , и долгое время отличие от кривых Флетчера-Мансона частично объяснялось тем, что последние использовали наушники. Однако в отчете ISO фактически указано, что последние используют наушники с компенсацией , хотя не поясняется, как Робинсон-Дэдсон добился компенсации .

Тестирование наушников и громкоговорителей

Хорошие наушники, хорошо прилегающие к уху, обеспечивают ровную реакцию на низкочастотное давление на ушной канал с низкими искажениями даже при высокой интенсивности. На низких частотах ухо исключительно чувствительно к давлению, а полость, образующаяся между наушниками и ухом, слишком мала, чтобы создавать модифицирующие резонансы. Таким образом, тестирование наушников является хорошим способом получить контуры равной громкости ниже примерно 500 Гц, хотя были высказаны сомнения относительно достоверности измерений наушников при определении фактического порога слышимости, основанные на наблюдении, что закрытие ушного канала приводит к повышенная чувствительность к звуку кровотока в ухе, который мозг маскирует в нормальных условиях прослушивания. На высоких частотах измерения с помощью наушников становятся ненадежными, а близость к полости наушников серьезно влияет на различные резонансы ушных раковин (наружных ушей) и ушных каналов.

С динамиками все наоборот. Плоскую низкочастотную характеристику трудно получить, за исключением свободного пространства высоко над землей или очень большой и безэховой камеры , свободной от отражений до 20 Гц. До недавнего времени невозможно было достичь высоких уровней на частотах до 20 Гц без высокого уровня гармонических искажений . Даже сегодня лучшие динамики, вероятно, будут генерировать от 1 до 3% общих гармонических искажений, что соответствует 30–40 дБ ниже основной частоты. Этого недостаточно, учитывая резкий рост громкости (до 24 дБ на октаву) с частотой, определяемой кривыми равной громкости ниже примерно 100 Гц. Хороший экспериментатор должен убедиться, что испытуемые действительно слышат основные гармоники, а не гармоники, особенно третью гармонику, которая особенно сильна, поскольку ход диффузора динамика становится ограниченным, когда его подвеска достигает предела податливости. Возможный способ обойти проблему — использовать акустическую фильтрацию, например, с помощью резонансной полости, в настройке динамика. С другой стороны, ровную высокочастотную характеристику в свободном поле до 20 кГц сравнительно легко достичь с помощью современных динамиков, расположенных по оси. Эти эффекты необходимо учитывать при сравнении результатов различных попыток измерения контуров равной громкости.

Соответствие измерениям уровня звука и шума

Говорят, что кривая А-взвешивания , широко используемая для измерения шума , основана на 40-фонной кривой Флетчера-Мансона. Однако исследования 1960-х годов показали, что определение одинаковой громкости, выполненное с использованием чистых тонов, не имеет прямого отношения к нашему восприятию шума. 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 . Высокочастотные полосы в абсолютном выражении шире, чем низкочастотные, и поэтому «собирают» пропорционально больше мощности от источника шума. Однако когда стимулируются более одной критической полосы, сигналы в мозг добавляются к различным полосам, создавая 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.

В 1960-х годах были получены различные весовые кривые , в частности, как часть стандарта DIN 4550 для измерения качества звука , который отличался от кривой А-взвешивания, демонстрируя больший пик около 6 кГц. Это дало более значимую субъективную оценку шума аудиооборудования, особенно недавно изобретенных компактных кассетных магнитофонов с шумоподавлением Dolby , которые характеризовались спектром шума, в котором преобладали более высокие частоты.

BBC Research провела испытания на прослушивание, пытаясь найти лучшую комбинацию весовой кривой и выпрямителя для использования при измерении шума в вещательном оборудовании, исследуя различные новые весовые кривые в контексте шума, а не тонов, и подтвердив, что они гораздо более достоверны, чем A. -взвешивание при попытке измерить субъективную громкость шума. В этой работе также исследовалась реакция человеческого слуха на всплески тонов, щелчки, розовый шум и множество других звуков, которые из-за своей кратковременной импульсивной природы не дают уху и мозгу достаточно времени для реагирования. Результаты были опубликованы в исследовательском отчете BBC EL-17 1968/8, озаглавленном «Оценка шума в цепях звуковых частот» .

, Кривая взвешивания шума ITU-R 468 первоначально предложенная в рекомендации CCIR 468, но позже принятая многочисленными организациями по стандартизации ( IEC , BSI , JIS , ITU ), была основана на исследованиях и включает в себя специальный квазипиковый детектор для учета наших шумов. снижена чувствительность к коротким всплескам и щелчкам. Он широко используется вещательными компаниями и профессионалами в области аудио при измерении шума на трактах вещания и в аудиооборудовании, поэтому они могут субъективно сравнивать типы оборудования с различными спектрами и характеристиками шума.

См. также

• A-взвешивание
• Измерение качества звука
• Аудиограмма
• CCIR (ITU) 468 Взвешивание шума
• дБ(А)
• Взвешивание шума ITU-R 468
• Усталость слушателя
• Функция яркости , та же концепция в зрении
• Мел масштаб
• Чистотональная аудиометрия
• Кривые Робинсона – Дадсона
• Измеритель уровня звука
• Весовой фильтр

Ссылки

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

Внешние ссылки

• Стандарт ИСО
• Точное и полное определение двумерных контуров одинаковой громкости
• Флетчер-Мансон - это не Робинсон-Дэдсон (PDF)
• Полный пересмотр международных стандартов для контуров одинакового уровня громкости (ISO 226)
• Проверьте свой слух – инструмент для измерения контуров одинаковой громкости.
• Подробные измерения контура равной громкости
• Оценка весов уровня громкости и LLSEL JASA
• Модель громкости, применимая к изменяющимся во времени звукам Статья AESJ