A-взвешивание

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

Продолжительность: 10 секунд. 0:10

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

А-взвешивание — это форма частотного взвешивания , наиболее часто используемая из семейства кривых, определенных в международном стандарте IEC 61672:2003 и различных национальных стандартах, касающихся измерения уровня звукового давления . 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 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. Он также используется при измерении шума низкого уровня в аудиооборудовании, особенно в США. В Великобритании, Европе и многих других частях света радиовещатели и звукоинженеры 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.

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 . 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.

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, связанных с сигналами или разборчивостью речи в шумной среде.

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 принятию нового набора кривых, стандартизированного как ISO 226:2003 (впоследствии снова пересмотренного в 2023 году с изменениями в ISO 226, равных контурам громкости менее 0,5 дБ в диапазоне 20–90 фон). В отчете комментируются большие различия между результатами объединенных исследований и исходными контурами равной громкости Флетчера-Мансона, а также более поздними контурами Робинсона-Дэдсона, которые легли в основу первой версии ISO 226, опубликованной в 1987 году. Последующие исследования продемонстрировали, что A-взвешивание лучше согласуется с обновленным 60-фонным контуром, включенным в ISO 226:2003, чем с 40-фонным контуром Флетчера-Мансона, что бросает вызов распространенному заблуждению, что A-взвешивание представляет громкость только для тихих звуков.

Тем не менее, A-взвешивание было бы более близким к кривым равной громкости, если бы оно падало более круто выше 10 кГц, и вполне возможно, что этот компромисс мог возникнуть из-за того, что на заре электроники было труднее построить крутые фильтры. 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, частотно-взвешивание А должно быть установлено на всех шумомерах и является приближением к контурам равной громкости, приведенным в ISO 226. Старые частотные характеристики B и D вышли из употребления, но многие измерители уровня звука предусматривают частотную коррекцию C, и ее установка обязательна - по крайней мере, для целей тестирования - на прецизионные шумомеры (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.

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. 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 шумомеров мог выбирать свои собственные точки среза низких и высоких частот (–3 дБ), что приводило к различным показаниям, особенно при измерении пикового уровня звука. . Это плоская частотная характеристика в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц ±1,5 дБ. Кроме того, взвешивание по частоте C 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.

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

, взвешенные по шкале А, Децибелы обозначаются сокращенно дБ(А) или дБА. Когда речь идет об акустических измерениях (калиброванный микрофон), то в в дБ единиц измерения используется уровень звукового давления качестве .20 микропаскалей = 0 дБ SPL.

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 дозы шума измерение на работе. Уровень шума более 85 дБ(А) каждый день увеличивает фактор риска повреждения слуха.

взвешенные по шкале А, Уровни звуковой мощности, 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 говорят, 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. 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 диапазоны в абсолютном выражении шире, чем низкочастотные, и поэтому «собирают» пропорционально больше мощности от источника шума. Однако при стимуляции более чем одной критической полосы сигналы различных полос суммируются мозгом, 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.

Эта повышенная чувствительность к шуму в области 6 кГц стала особенно очевидной в конце 1960-х годов с появлением компактных кассетных магнитофонов и Dolby-B шумоподавления . 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 оказывает наибольший эффект, и не обеспечивают достаточного ослабления шума в районе 10 кГц и выше (конкретный пример - 19 кГц Пилотный тон в системах FM-радио, который, хотя обычно и не слышен, недостаточно ослабляется A-взвешиванием, так что иногда одно оборудование даже может измерять хуже, чем другое, но при этом звучать 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 ), а с 2006 г. , поддерживается МСЭ. 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 в звуковых дорожках фильмов и компактных кассетных системах. Его преимущества перед A-взвешиванием менее приняты в США, где использование A-взвешивания все еще преобладает. Он используется вещательными компаниями в Великобритании, Европе и бывших странах Британской империи, таких как Австралия и Южная Африка.

Реализация функций некоторых распространенных весов

Стандарт определяет веса ( $A(f),C(f)$) в единицах дБ по таблицам с пределами допуска (чтобы обеспечить возможность различных реализаций). Дополнительно стандарт описывает весовые функции $R_{X}(f)$ для расчета весов. Весовая функция $R_{X}(f)$ применяется к амплитудному спектру (а не спектру интенсивности ) невзвешенного уровня звука. Смещения обеспечивают нормализацию до 0 дБ при 1000 Гц. Соответствующими весовыми функциями являются:

А

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

Б

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

С

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

Д

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

Эквивалент передаточной функции

Кривые усиления могут быть реализованы с помощью следующих передаточных функций s-домена . Однако они не определяются таким образом, а определяются таблицами значений с допусками в стандартных документах, что позволяет реализовать различные реализации:

А

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

к _А ≈ 7,39705 × 10 ⁹

Б

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

к _Б ≈ 5,99185 × 10 ⁹

С

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

к _С ≈ 5,91797 × 10 ⁹

Д

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

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.)

См. 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

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.
• набора весовых фильтров Принципиальные схемы
• 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.