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, А-взвешивание 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 когда стимулируются более 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 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 ), 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 к фильмам 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.