- визначення
- Електричний еквівалент звукового тиску
- Рівень звукового тиску і відстань до джерела звуку
- Облік неоднаковою чутливості органу слуху до звуків різних частот при вимірюванні рівня шуму
- Зважують фільтр типу А
- Зважують фільтр типу B
- Зважують фільтр типу C
- Зважують фільтр типу Z
- вимірювальні мікрофони
- шумоміри
- пристрій шумомера
визначення
Електричний еквівалент звукового тиску
Рівень звукового тиску і відстань до джерела звуку
Облік неоднаковою чутливості органу слуху до звуків різних частот при вимірюванні рівня шуму
Зважують фільтр типу А
Зважують фільтр типу B
Зважують фільтр типу C
Зважують фільтр типу Z
вимірювальні мікрофони
шумоміри
пристрій шумомера
Дивовижна річ наш слух! Наше вухо не тільки дозволяє нам чути, воно ще відповідає за здатність утримувати рівновагу і визначати просторове положення тіла. Людина здатна сприймати звукові хвилі в величезному діапазоні гучності. Ми чітко чуємо дуже тихий звук комара, що летить на відстані декількох метрів, і в той же час ми можемо відрізнити рев пропелерів турбогвинтового літака від реву турбін літака з двигунами турбовентиляторів.
Звук являє собою механічні коливання повітря або іншого середовища, що проводить звук. Комар викликає коливання повітря лише дуже малої амплітуди, в той час як турбогвинтовий двигун створює коливання величезною амплітуди. Звуковий тиск, як і будь-яке інше тиск, вимірюється в паскалях (Па) або інших одиницях для вимірювання тиску. Комар створює тиск за все в 20 мікропаскалей, в той час як найгучніший звук, який людина може чути без незворотного пошкодження слуху, має тиск в кілька сотень паскалів.
У зв'язку з тим, що діапазон гучності звуку такий великий, зручно користуватися логарифмічною шкалою для об'єднання і стиснення величезного діапазону амплітуд тисків, які здатне сприймати вухо людини. Навіть змінні резистори в показаному на малюнку пульті мікшера мають логарифмічну залежність між кутом повороту ручки і опором потенціометра, що дозволяє досягти природну, сприйняту як лінійну залежність зміни звуку від кута повороту ручки або від переміщення повзунка фейдера.
При поширенні звуку в повітрі, його тиск трохи збільшується і зменшується. Амплітуда цих змін тиску повітря визначає гучність звуку і називається амплітудою звукового тиску.
Цей конвертер дозволяє перетворювати одиниці звукового тиску в логарифмічні одиниці рівня звукового тиску, які використовується для вимірювання ефективного тиску звуку щодо еталонного тиску 20 мкПа.
Змінні резистори, використовувані в пульті мікшера для регулювання гучності, мають логарифмічну залежність опору від кута повороту або переміщення ручки лінійного змінного резистора.
визначення
Звуковий тиск - змінне надмірне миттєве тиск в точці, де є звукова хвиля і атмосферний тиск. Одиниця виміру тиску звуку в системі СІ - паскаль (Па). Іншими часто використовуваними одиницями вимірювання тиску є ньютон на квадратний метр (Н / м²), бар і Діна на квадратний сантиметр (дин / см²).
Рівень звукового тиску - виміряне за логарифмічною шкалою звуковий тиск, віднесене до еталонного тиску 20 мкПа, відповідного порогу чутності людини. Поріг чутності - це самий тихий звук, який може чути молода здорова людина. Рівень звукового тиску Lp вимірюється в децибелах і розраховується за формулою:
Тут p - середньоквадратичне значення звукового тиску і p ₀ - еталонне тиск звуку (зазвичай 20 мкПа або 0,00002 Па). Рівень звукового тиску є абсолютне значення, так як воно виміряна щодо іншого абсолютного значення - порога чутності. Отже, звуковий тиск в лінійних одиницях, таких як Паскаль, можна конвертувати в рівні звукового тиску в децибелах, якщо вказано еталонне значення тиску.
Наприклад, якщо ми знаємо, що труба може створити тиск в 50 Па на відстані 50 см від вуха, то рівень тиску в децибелах L p визначається так:
Основний і рульової гвинти вертольотів створюють низькочастотний аеродинамічний шум
Електричний еквівалент звукового тиску
Для тих, хто знайомий з основами електроніки, буде цікаво описати аналогію між акустичними і електричними процесами. Акустичної аналогією електричної напруги U є звуковий тиск p. Аналогією електричної потужності є інтенсивність звуку, аналогією електричного струму є коливальна (акустична) швидкість частинок середовища v, а аналогією електричного опору R є акустичний імпеданс Z. Існує навіть акустичний ом - одиниця виміру акустичного імпедансу, який є відношенням акустичного тиску до акустичної об'ємної швидкості. Втім, акустичний ом - застаріла назва одиниці вимірювання акустичного імпедансу Па · с / м³. Закон Ома для акустики говорить, що швидкість часток прямо пропорційна звуковому тиску і обернено пропорційна акустичному импедансу:
Порівняйте це з законом Ома для ділянки електричного кола:
Відзначимо, що коливальна швидкість частинок середовища не є швидкістю звуку і швидкістю руху самого середовища! Навіть для дуже сильних звуків коливальна швидкість частинок більше, ніж на порядок менше швидкості звуку.
Звуковий тиск залежить не тільки від потужності джерела звуку, але і від акустичних властивостей приміщення, а також від відстані між джерелом і приймачем звуку. Звуковий тиск - це те, що ми реально чуємо і те, що вимірює шумомір, який часто називають також приладом для вимірювання рівня звуку. Сприйняття звуку людиною залежить від частоти і графік цієї залежності не є прямою лінією. Низькочастотні звуки Чи не здаються нам такими ж гучними, як звуки тієї ж сили, але більш високої частоти. Те ж можна сказати і про верхніх частотах діапазону звуків, який чує людина. Для обліку цієї різниці використовують різні вагові (коригувальні) фільтри, які ми розглянемо пізніше.
Потужність джерела звуку можна порівняти з потужністю електронагрівача. Потужність звуку - це акустична енергія, яка випромінюється джерелом звуку. Це абсолютна величина, яка не залежить від навколишнього середовища і відстані між джерелом і приймачем звуку. Вона характеризує тільки джерело звуку точно так же, як потужність електронагрівача визначає скільки енергії він може виділити в одиницю часу. Аналогічно, потужність електронагрівача не залежить від відстані між нагрівачем і людиною, який його використовує.
Приклади звукового тиску і рівня звукового тиску різних джерел звуку
Джерело звуку і відстань до слухача Звуковий тиск, Па Рівень звукового тиску, дБSPL щодо 20 мкПа ракета-носій Сатурн-5, 100 м 6300 170 світлошумова граната, менше 1 Л 2000 160 ракета-носій «Союз», 100 м 355 145 труба, 0,5 м 63 130 турбореактивний двигун, 100 м 20 120 турбовентиляторний двигун на злітному режимі, 100 м 2 100 завантажена автомагістраль, 10 м 2 100 неголосний розмова, 1 м 0.063 50 тиха кімната, в будь-якому місці кімнати 0.00063 30 поріг чутності на частоті 1 кГц, 1 см 0.00002 0 безлунна камера, в будь-якому місці камери 0.0000063 ... 0.000002 -10 ... -20
Ракета-носій Сатурн-5 в експозиції комплексу відвідувачів Космічного центру імені Кеннеді. Шум на видаленні 100 м від старту - 170 дБ.
Рівень звукового тиску і відстань до джерела звуку
При вимірюванні рівня звукового тиску від певного джерела звук (не оточує шум), рівень звуку падає на 6 дБ при збільшенні відстані в два рази. Рівень звуку Lp2 в децибелах на відстані r₂ можна визначити за формулою:
Тут Lp1 - рівень звуку, виміряний на відстані r₁. Ця формула справедлива тільки для поширення звуку у вільному полі, коли він без відображень поширюється в усіх напрямках
Відповідно до закону оберненої пропорційності, рівень звукового тиску збільшується на 6 дБ при кожному подвоєнні відстані до джерела звуку. Відзначимо, що, наприклад, для труби при відстані 10 см від розтруба вухо почує звук 130 дБ, тобто голосніше, ніж звук, видаваний турбореактивним двигуном на відстані 40 м від слухача (128 дБ)
Облік неоднаковою чутливості органу слуху до звуків різних частот при вимірюванні рівня шуму
Наші вуха неоднаково сприймають звуки різних частот c однаковим рівнем звукового тиску. Наш орган слуху дуже чутливий в діапазоні частот приблизно від 500 до 6000 Гц і значно менш чутливий на більш низьких і більш високих частотах. Ця суб'єктивна оцінка гучності звуку також залежить від самої гучності. Природно припустити, що шумоміри повинні вимірювати те, що люди реально чують. Саме тому в шумомірах, які також часто називають вимірювачами рівня звуку (в англомовній літературі вони називаються sound level meter), використовується корекція за допомогою різних стандартних фільтрів, які враховують особливості слуховий сенсорної системи людини. У всіх шумомірах повинні бути встановлені стандартні взвешивающие фільтри і при вимірі має бути обраний фільтр, відповідний поставленої при вимірюванні задачі. Найчастіше в шумомірах використовуються стандартні взвешивающие фільтри з характеристиками (шкалами) А, С і Z.
Амплітудно-частотні характеристики зважують фільтрів: криві А (синя), В (зелена), C (червона) і Z (помаранчева)
Зважують фільтр типу А
Зважують фільтр А охоплює весь діапазон людського слуху. Форма кривої А схожа на те, як орган слуху людини сприймає гучність звуків в залежності від частоти. Зважують фільтр А входить до складу будь-якого шумомера. Значення рівня звуку, виміряний при використанні фільтра А, записується як LA = x дБ і позначається дБ (А), дБА або дБА. Застосування цього типу фільтра не завжди дозволяє отримати правильні результати в зв'язку з тим, що шумоміри, що працюють з таким фільтром, добре вимірюють тільки тихі звуки. Однак, якщо, наприклад, потрібно виміряти шум, створюваний вітрогенератором, прилад з включеним фільтром типу А буде повністю ігнорувати звуки в області низьких і інфранизьких частот. У той же час, вентрогенератори шумлять саме на низьких частотах від одного до декількох герц, причому рівень шуму під генератором перевищує 140 дБ. Виходить дуже велика корекція! Шум є, хоч його і не чути, але прилад показує, що він відсутній. Цим користуються виробники вітрогенераторів, які вказують в технічних характеристиках дані по шуму з використанням фільтра А.
Виробники вітрогенераторів вказують в технічних характеристиках результати вимірювання шуму з включеним зважують фільтром типу А, в результаті чого різко зменшуються низькочастотні компоненти шуму
Зважують фільтр типу B
Корекція за допомогою взвешивающего фільтра типу В використовується для середніх рівнів звукового тиску. Частотна характеристика цього фільтра схожа на характеристику типу А, але в області нижніх частот сигнал послаблюється менше. Цей фільтр тільки історичний інтерес, не описаний в сучасних стандартах і не входить до складу вимірювальних приладів.
Зважують фільтр типу C
В області верхніх частот (вище 1 кГц) частотна характеристика фільтра типу С аналогічна характеристикам фільтрів А і В, проте в області нижніх частот фільтр пропускає більшу частину шуму: його ослаблення там значно менше, ніж у фільтрів А і В. Цей тип взвешивающего фільтра і зазвичай використовується для вимірювання сильних шумів (вибухів, авіаційних двигунів, важкого устаткування). Результати вимірювань з фільтром З позначаються дБ (С), ДБС або ДБС.
Зважують фільтр типу Z
Фільтр типу Z означає відсутність частотної корекції (від англ. Zero -weighting - нульова корекція) в частотному діапазоні 10-20 000 Гц. Цей тип взвешивающего фільтра замінює старий термін «лінійне зважування» і використовується в нових стандартах вимірювання звуку і шуму. Шумомір, встановлений в режим вимірювання з коригувальним фільтром типу Z, не вводитиме корекцію в межах допусків, визначених класом вимірювального приладу.
Виробники програм для смартфонів пропонують безліч мобільних додатків для вимірювання шуму, які використовують вбудовані мікрофони або зовнішні мікрофони класу 2, наприклад такі, як показаний на цьому знімку. Як показують дослідження, такі програми забезпечують якісні виміри з відхиленням від вимірювань, виконаних приладом класу 1, в межах ± 2 дБ. Використання таких додатків, особливо з зовнішніми точними мікрофонами дозволить значно поліпшити якість досліджень шуму на робочих місцях і боротьбу з ним.
вимірювальні мікрофони
Здається, що виміряти будь-акустичне явище зовсім просто. Все, що потрібно - це взяти мікрофон, підключити його до якого-небудь вимірювального пристрою і вважати рівень в децибелах або паскалях. Все це, звичайно, так. Головна складність полягає у визначенні точності такого вимірювання. Точність вимірювань залежить від безлічі факторів навколишнього середовища, а також від якості вимірювального обладнання. Зокрема, на вимір впливатимуть численні відображення в вимірювальній установці, частотний діапазон вимірювань, зовнішні звуки, тип, якість, розмір і власний шум мікрофона, розташування мікрофона в вимірювальній установці і направлення його на джерело звуку, якість випробувального сигналу, калібрування мікрофона і якість вимірювального обладнання. Порівняйте, наприклад, вимірювання параметрів електроакустичної системи в ідеальних лабораторних умовах і в кінотеатрі, наповненому рухомими людьми. А адже в кінцевому підсумку нас цікавлять саме результати вимірювань в умовах експлуатації, а не в лабораторії! Як бачимо, виміряти звук дуже важко і для цього потрібне спеціальне обладнання.
Вимірювальні мікрофони в ідеалі повинні бути ненаправленими, мати плоску частотну характеристику і малий розмір. При введенні мікрофона в звукове поле важливо, щоб він залишався вірним вимірюється звукове поле. Відображення і дифракція, викликані самим мікрофоном, будуть впливати на отримані результати. Саме тому вимірювальні мікрофони роблять у формі тонкої довгої трубки з мікрофонним капсулем на кінці, яка забезпечує мінімальні дифракційні перешкоди, що вносяться корпусом і кріпленням мікрофона.
Щоб виміряти звук або шум за допомогою мікрофона, потрібно точно знати його чутливість, а оскільки чутливість змінюється протягом терміну служби мікрофона, необхідно регулярно калібрувати його самостійно або з використанням сервісу, пропонованого багатьма виробниками мікрофонів. Результати вимірювань повинні бути простежується, тобто вони повинні бути пов'язані з міжнародними стандартами по ланцюгу порівнянь із зазначенням невизначеностей на кожному етапі вимірювання. Вимірювальні мікрофони є найбільш точними, надійними і каліброваними пристроями. Їх характеристики точно визначені і їх поведінку протягом всього терміну служби стабільне і передбачуване.
Який мікрофон краще?
Якщо вимірювальні мікрофони такі хороші, виникає питання, чому ж вони зазвичай не використовуються для студійних записів. Причин тому кілька. При виборі мікрофона для конкретного завдання потрібно врахувати безліч чинників і плоска частотна характеристика - тільки один з них. Вимірювальні мікрофони зазвичай мають дуже маленькі капсулі, які шумлять сильніше їх побратимів більшого розміру. Це пов'язано з тим, що при вимірюванні сильних звуків і шумів власний шум мікрофона не дуже важливий. Однак, такі мікрофони не годяться, наприклад, для запису шепоту співака. Вимірювальні мікрофони ненаправлення і інженер звукозапису навряд чи захоче використовувати такий мікрофон в студії замість звичного кардіоїдну мікрофона. Також в ненаправленої мікрофонах відсутній ефект близькості (підкреслення низьких частот при наближенні мікрофона до джерела звуку). Тому навіть якщо співак звично стане співати, торкаючись губами мікрофона, щоб збагатити звук, у нього нічого не вийде і він попросить замінити мікрофон.
шумоміри
Шумоміри використовуються для акустичних вимірювань шуму і звуків. Сучасний шумомір - зазвичай невеликий поміщається в руці переносний прилад з вимірювальним мікрофоном. Прилад вимірює звуки приблизно так само, як ми їх чуємо. До складу будь-якого шумомера входить вимірювальний мікрофон, схема обробки сигналу і блок відображення інформації (дисплей). Діафрагма конденсаторного мікрофона, який найчастіше використовується в портативних вимірі, переміщається у відповідь на зміну тиску повітря, викликаного звуковими хвилями. Цей рух приводить до зміни ємності мікрофонного капсуля - тобто до перетворення звукового тиску в електричний сигнал, який посилюється і обробляється приладом. Оскільки чутливість мікрофона в вольтах на паскаль відома, прилад може точно перетворити виміряний на виході мікрофона напруга назад в Паскалі, а потім розрахувати рівень звукового тиску PSPL за формулою
де P - тиск, розраховане за напругою на виході мікрофона і P₀ = 2 • 10⁻⁵ Па - поріг чутності. Тиск звуку в децибелах відображається на дисплеї спільно з іншою інформацією, яку шумоміри можуть виміряти.
Стандарти, в тому числі і російський стандарт ГОСТ Р 53188.1-2008 (МЕК 61672-1: 2002) поділяють шумоміри на два класи. Прилади, що відносяться до обох класів, мають однакову функціональність. Їх відмінність лише в тому, що прилади 1-го класу краще приладів 2-го класу, так як у них ширше частотний діапазон і вони забезпечують більш високу точність. Вимірювачі 1-го класу - дорожче. Якого класу вибрати прилад залежить від того, для чого він потрібен. Для багатьох вимірів цілком підійде прилад 2-го класу. Наприклад, якщо потрібно оцінити звуковий тиск на рок-концерті, щоб не допустити його підвищення за гранично допустиме значення, цілком підійде прилад 2-го класу. Однак якщо прилад потрібен для подання до суду речові докази або результатів експертизи, краще скористатися приладом 1-го класу. Відзначимо, що як прилади 2-го класу, так і прилади 1-го класу повинні регулярно калібрувати.
У всіх шумомірах встановлюється зважують фільтр типу А. Багато приладів також забезпечені фільтрами типу С і Z, про які ми говорили вище. Фільтр типу А слід завжди використовувати для вимірювання виробничого шуму на робочому місці. Фільтр типу А був спочатку розроблений тільки для вимірювання щодо тихих звуків з рівнем звукового тиску до 40 дБ. Однак в нових стандартах рекомендується використовувати його для вимірювання будь-яких величин звукового тиску.
Вимірювання рівня шуму
пристрій шумомера
Будь шумомір складається з наступних елементів
- мікрофон
- Блок обробки, до складу якого зазвичай входять:
- предусилитель
- зважують фільтри
- Смугові фільтри для частотного аналізу, що дозволяють представити результати вимірювання у вигляді спектра частот
- Підсилювач
- середньоквадратичний детектор
- Інтегратор, який необхідний у зв'язку з тим, що вимірюваний звук зазвичай не постійний
- Аналого-цифровий перетворювач (АЦП)
- дисплейний блок
- батарея
- корпус
Цифровий шумомір Wensn WS1361. 1 - вітрозахисний ковпачок з акустичного поролону; 2 - кришка батарейного відсіку; 3 - задня кришка з батарейним відсіком; 4 - електронний блок з дисплеєм і клавіатурою; 5 - трубка з електретний конденсаторним мікрофоном; 6 - ковпачок мікрофона; 7 - вимірювач в зборі
Автор статті: Анатолій Золотков
Ви маєте труднощі в перекладі одиниці виміру з однієї мови на іншу? Колеги готові вам допомогти. Опублікуйте питання в TCTerms і протягом декількох хвилин ви отримаєте відповідь.
Який мікрофон краще?