А-взвешивание - A-weighting

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

Воспроизвести медиа

Видео, иллюстрирующее A-взвешивание с помощью анализа синусоидальной развертки (содержит аудио)

А-взвешивание является наиболее часто используемым семейство кривых определено в международном стандарте IEC 61672: 2003 и различные национальные стандарты, относящиеся к измерению уровень звукового давления. ^[1]А-взвешивание применяется к уровням звука, измеренным прибором, с целью учета относительного громкость воспринимается человеческим ухом, так как ухо менее чувствительно к низким звуковым частотам. Он используется путем арифметического добавления таблицы значений, перечисленных октава или третьоктавных диапазонов, 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.

Изначально кривые были определены для использования при разных средних уровнях звука, но с А-взвешиванием, хотя изначально предназначались только для измерения низкоуровневых звуков (около 40 телефон ), в настоящее время обычно используется для измерения окружающий шум и промышленный шум, а также при оценке потенциала нарушение слуха и другие влияние шума на здоровье на 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 в теле ]} В Великобритании, Европе и многих других частях мира вещатели и звукорежиссеры^{[ВОЗ? ]} чаще используют ITU-R 468 взвешивание шума, который был разработан в 1960-х годах на основе исследований BBC и другие организации. 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

А-взвешивание началось с работы Флетчер и Мансон что привело к их публикации в 1933 г. контуры равной громкости. Три года спустя эти кривые были использованы в первом американском стандарте для измерители уровня звука.^[2] Этот ANSI Стандарт, 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.^{[нужна цитата ]}

Недостатки

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-фоновой Кривые Флетчера – Мансона что представляет собой раннее определение контур 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 пересмотрела 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, стандартизированных 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.^{[нужна цитата ]} В настоящее время нет 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 IEC 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

Взвешивание частоты A требуется международным стандартом IEC 61672 для установки на все шумомеры и является приближением к контурам равной громкости, указанным в ISO 226.^[4] Старые частотные весовые коэффициенты B и D вышли из употребления, но многие измерители уровня звука предусматривают частотное взвешивание C, и его установка - по крайней мере, для целей тестирования - обязательна - по крайней мере, для целей тестирования - к прецизионным шумомерам (первого класса). D-частотное взвешивание было специально разработано 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 потому, что отдельные нейроны из разных регионов улитка в внутреннее ухо реагируют на узкие полосы частот, но нейроны с более высокими частотами объединяют более широкую полосу и, следовательно, сигнализируют более громкий звук, когда они представлены шумом, содержащим много частот, чем для одного чистого тона того же уровня давления.^{[нужна цитата ]} После внесения изменений в стандарт 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. измерения, в то время как более точное взвешивание с поправкой на громкость EPNdB требуется для сертификации большого транспортного самолета^[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 C-частоты с точками –3 дБ на 31,5 Гц и 8 кГц не имело достаточной полосы пропускания, чтобы обеспечить 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

Этикетка переносного воздушного компрессора

A-взвешенный децибелы сокращены дБ (А) или же дБА. Когда речь идет об акустических измерениях (калиброванный микрофон), используются единицы измерения. дБ SPL относительно 20 микропаскалей = 0 дБ SPL. дБн скорректированный не является синонимом для дБА, а для дБа (в телекоммуникациях дБа означает «скорректированные децибелы», т. е. взвешенную абсолютную мощность шума, которая не имеет ничего общего с А-взвешиванием).

Кривая A-взвешивания широко применяется для окружающий шум измерение и является стандартным для многих шумомеров. Система взвешивания A используется при любом измерении шума окружающей среды (примеры которых включают шум проезжей части, железнодорожный шум, авиационный шум ). А-взвешивание также широко используется для оценки потенциала нарушение слуха вызванный 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 доза шума измерения на работе. Уровень шума более 85 дБ (A) каждый день увеличивает фактор риска нарушение слуха.

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

Аудио-воспроизведение и вещательное оборудование

Хотя кривая A-взвешивания широко используется для измерение шума, как говорят, было основано 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 нашему восприятию шума.^[7] Это потому, что улитка во внутреннем ухе анализирует звуки с точки зрения спектрального содержания, каждая «волосковая клетка» реагирует на узкую полосу частот, известную как критическая полоса.^{[нужна цитата ]} Полосы высоких частот шире в абсолютном выражении, чем диапазоны низких частот, и поэтому «собирают» пропорционально больше энергии от источника шума.^{[нужна цитата ]} Однако, когда стимулируется более одной критической полосы, выходные сигналы различных полос суммируются мозг чтобы произвести 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 компакт-кассета рекордеры и Подавление шума 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 - 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.

ITU-R 468 взвешивание шума поэтому был разработан для более точного отражения субъективной громкости всех типов шума, а не тонов. Эта кривая, полученная в результате работы, выполненной BBC Исследовательский отдел и был стандартизирован CCIR а позже принят многими другими органами по стандартизации (IEC, BSI ) и по состоянию на 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 по сравнению с A-взвешиванием менее признаны в США, где использование A-взвешивания все еще преобладает.^{[нужна цитата ]} Он используется вещательными компаниями в Великобритании, Европе и бывших странах Британской империи, таких как Австралия и Южная Африка.

Функциональная реализация некоторых общих весов

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

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

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]

Эквивалент передаточной функции

Кривые усиления могут быть реализованы^[11] следующим s-доменом передаточные функции. Однако они не определены таким образом, а определены таблицами значений с допусками в стандартах, что позволяет реализовать различные варианты:^{[нужна 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_А ≈ 7.39705×10⁹

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 ≈ 5.99185×10⁹

C

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

k_C ≈ 5.91797×10⁹

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

В k значения 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.)

Смотрите также

• 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

Рекомендации

• Справочник звукоинженера, 2nd Ed 1999, отредактировал Майкл Талбот Смит, Focal Press
• Введение в психологию слуха 5-е изд., Брайан К. Дж. Мур, Elsevier Press

внешняя ссылка

• Брифинг по измерению шума. Архивировано из оригинал 25 февраля 2013 г.
• Схема A-взвешивающего фильтра для измерений звука
• Набор фильтров для взвешивания Принципиальные схемы
• AES pro audio reference определение "весовых фильтров"
• Уравнения частотного взвешивания
• А-взвешивание в деталях
• А-взвешивание Уравнение 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-файл, содержащий алгоритм для фильтров ABCD