Meter Desibel Bunyi
English한국어Tiếng ViệtРусскийNederlandsFrançais简体中文繁體中文日本語EspañolPortuguêsDeutschItalianoBahasa IndonesiaعربيPolskiУкраїнськаSvenskaDanskBahasa Melayuעברית

By the Sound Decibel Meter Team

Sains bunyi: penjelasan desibel, frekuensi dan pendengaran

Setiap bacaan pada meter desibel ialah hujung yang kelihatan bagi rantaian fizik, pemprosesan isyarat dan psikoakustik. Memahami rantai itu membuat bacaan berguna — anda berhenti bertanya "adakah 90 dB itu kuat?" dan mula mengemukakan soalan yang lebih berguna: 90 dB berbanding rujukan apa, melalui penapis pemberat apa, disepadukan sepanjang tetingkap masa apa. Halaman ini membincangkan fizik gelombang bunyi, matematik skala desibel, empat pemberat frekuensi piawai, kontur kekuatan sama, integrasi masa, dan analisis spektrum FFT. Di hujungnya anda harus dapat membaca apa-apa angka bunyi yang diterbitkan dan tahu betul-betul apa yang dimaksudkan dan apa yang tidak.

Ini halaman teknikal terpanjang di laman. Jika anda di sini untuk belajar, baca dari atas ke bawah. Jika anda di sini mencari konsep tertentu, glosari merujuk silang ke bahagian halaman ini bagi setiap istilah.

Bunyi adalah gelombang tekanan

Bunyi ialah gelombang membujur variasi tekanan yang merambat melalui medium kenyal — biasanya udara. Sumber bergetar memampatkan udara di hadapannya, kemudian meregangkannya semasa bergerak kembali, dan corak pemampatan-peregangan itu bergerak keluar pada kelajuan bunyi (kira-kira 343 m/s dalam udara pada 20 °C, lebih perlahan dalam udara sejuk, lebih cepat dalam yang panas atau dalam medium lebih padat seperti air).

Kuantiti fizikal yang ditindakbalas mikrofon ialah tekanan — perbezaan antara tekanan udara tempatan serta-merta dan tekanan atmosfera stabil. Tekanan atmosfera lebih kurang 101,325 Pa (101 kPa); bunyi paling kecil yang boleh dikesan oleh telinga muda yang sihat — ambang dengar pada 1 kHz — ialah variasi tekanan kira-kira 20 mikropaskal (20 µPa), atau 20 × 10⁻⁶ Pa. Ambang sakit lebih kurang 20 Pa, sejuta kali lebih tinggi.

Nisbah sejuta dalam tekanan itu yang memotivasi skala desibel logaritma. Bekerja dengan paskal linear dalam julat itu menghasilkan angka yang menyusahkan (bandingkan 0,00002 dengan 20). Memampatkan julat secara logaritma menghasilkan 0 dB hingga 120 dB, jauh lebih mudah ditulis dan difikirkan.

Gelombang tekanan ada tiga deskriptor utama:

  • Amplitud — magnitud variasi tekanan. Memetakan ke kekuatan, dengan tak linear yang kuat (lihat kekuatan sama di bawah).
  • Frekuensi — bilangan kitar pemampatan-peregangan setiap saat, dalam hertz (Hz). Memetakan ke ketinggian nada, sekali lagi dengan tak linearan.
  • Fasa — di mana dalam kitaran gelombang sekarang. Sebahagian besar tidak relevan untuk pengukuran paras, penting untuk gangguan dan susunan berbilang mikrofon.

Untuk nada sinus tulen, tiga angka itu menggambarkan isyarat sepenuhnya. Bunyi sebenar hampir tidak pernah nada tulen — ia jumlah banyak komponen pada frekuensi berbeza, masing-masing dengan amplitud dan fasa sendiri, berubah-ubah secara berterusan dari masa ke masa.

Skala desibel

Desibel bukan unit — ia nisbah logaritma antara dua kuantiti, dijadikan angka berguna dengan rujukan kepada penyebut tetap. Untuk paras tekanan bunyi (SPL), rujukan piawai ialah 20 µPa. Diberi tekanan terukur p, SPL dalam desibel ialah:

L_p = 20 × log10( p / p_0 )       di mana p_0 = 20 µPa

Faktor 20 (bukan 10) kerana tekanan berkadar dengan punca kuasa dua keamatan, dan desibel ialah nisbah kuasa. Untuk keamatan akustik:

L_I = 10 × log10( I / I_0 )       di mana I_0 = 1 pW/m²

Di medan bebas, kedua-dua formula menghasilkan angka yang sama, sebab itulah orang menggunakannya secara saling tukar dan mengapa "dB" adalah jawapan bermakna tanpa menetapkan yang mana.

Tiga peraturan praktikal jatuh terus dari matematik:

  • +3 dB menggandakan tenaga akustik. Dua sumber tidak koheren yang sama (setiap satu 60 dB) berjumlah 63 dB, bukan 66 dB. Tiga sumber yang sama berjumlah 60 + 10 log10(3) ≈ 64,8 dB.
  • +10 dB lebih kurang ×2 lebih kuat kepada pendengar manusia. Peningkatan keamatan 10× dimampatkan ke kira-kira ×2 kekuatan yang dirasai oleh tak linearan pendengaran manusia.
  • +6 dB menggandakan tekanan tetapi hanya menambah 4× keamatan. Ini penting untuk jarak: sumber titik di medan bebas menggandakan jaraknya dan SPL turun 6 dB.

Skala desibel juga ada varian yang mengelirukan pendatang baru:

  • dB SPL — skala tekanan yang dijelaskan di atas. Lalai untuk pengukuran akustik.
  • dB FS (decibel full scale) — digunakan dalam audio digital. 0 dB FS ialah nilai sampel digital maksimum boleh diwakili; semua yang lain negatif. Tidak boleh dibandingkan terus dengan dB SPL tanpa kalibrasi rujukan.
  • dB SWL (sound power level) — kuasa mutlak yang dipancarkan sumber, tidak kira di mana anda mengukurnya. Digunakan untuk penilaian peralatan.
  • dBA / dBC / dBZ — pemberat A, C, atau Z dikenakan pada pengukuran dB SPL. Sentiasa nyatakan pemberat bersama angka.

Frekuensi dan pic

Telinga manusia bertindak balas terhadap variasi tekanan dari kira-kira 20 Hz di hujung rendah ke kira-kira 20 kHz di hujung tinggi, dengan had atas menurun dengan usia (orang biasa berusia 60 tahun mendengar sehingga kira-kira 12 kHz). Di bawah 20 Hz adalah infrasonik (lebih dirasai daripada didengar); di atas 20 kHz adalah ultrasonik (wisel anjing kira-kira 25 kHz; ultrasonik perubatan dalam julat megahertz).

Dua skala digunakan untuk mengukur jeda frekuensi:

  • Oktaf — pengandaan frekuensi. 100 Hz ke 200 Hz adalah satu oktaf; 200 Hz ke 400 Hz seterusnya. Julat yang boleh didengar lebih kurang 10 oktaf.
  • Sepertiga oktaf — tiga jalur setiap oktaf, tradisional dalam pengukuran akustik kerana ia menghampiri resolusi frekuensi telinga. ISO 266 menentukan frekuensi tengah piawai (...100, 125, 160, 200, 250, 315, 400...).

Bunyi sebenar mempunyai kandungan jalur lebar: penyedut hampagas adalah tenaga tersebar di banyak jalur frekuensi; pemegang nada terpusat pada satu frekuensi. Sebahagian besar bunyi persekitaran adalah jalur lebar; kebanyakan nada muzik adalah pseudo-tonal (asas ditambah harmonik).

Pemberat frekuensi

Telinga manusia tidak sama-sama sensitif terhadap semua frekuensi — jauh dari itu. Nada 60 dB pada 1 kHz kedengaran jauh lebih kuat daripada nada 60 dB pada 50 Hz, kerana telinga lebih sensitif dalam julat pertengahan dan jauh kurang di hujung rendah (dan agak kurang di atas ~5 kHz).

Mikrofon pengukuran, secara reka bentuk, rata — outputnya elektrik berkadar dengan tekanan akustik di seluruh julat yang boleh didengar. Kerataan itu adalah titik permulaan yang betul, tetapi ia bermakna pengukuran mentah tidak mencerminkan bagaimana pendengar manusia mengalami bunyi. Untuk merapatkan jurang itu, meter paras bunyi mengenakan penapis pemberat frekuensi sebelum mengira paras.

Empat pemberat dipiawaikan dalam IEC 61672‑1, dinamakan secara sejarah dengan huruf:

Pemberat A

Menghampiri kontur kekuatan sama 40-phon yang songsang. Sangat meredam frekuensi di bawah 500 Hz (kira-kira −30 dB pada 50 Hz, −40 dB pada 20 Hz) dan sedikit di atas 6 kHz; hampir rata dalam julat 1 – 5 kHz tempat telinga paling sensitif. Digunakan untuk hampir semua bunyi kerja dan persekitaran (NIOSH, OSHA, WHO, ISO 1996, EU 2003/10/EC, Akta KKP Malaysia 1994).

Bentuk matematik adalah penapis analog 4-kutub, 4-sifar:

R_A(f) = (12194² × f⁴) / [ (f² + 20.6²) × √((f² + 107.7²)(f² + 737.9²)) × (f² + 12194²) ]
A(f) = 20 × log10( R_A(f) ) + 2.00 dB

Offset +2,00 dB menormalkan pemberat A ke 0 dB pada 1 kHz.

Pemberat C

Jauh lebih rata daripada A. Hanya meredam pada hujung melampau julat boleh didengar (kira-kira −3 dB pada 31,5 Hz dan pada 8 kHz; kira-kira −0,2 dB pada 50 Hz). Digunakan untuk pengukuran puncak (di mana tenaga puncak sebenar lebih penting daripada kekuatan yang dirasai), untuk sumber frekuensi rendah seperti konsert, subwoofer, dan guruh, dan secara sejarah untuk bunyi paras tinggi di mana tindak balas frekuensi telinga mendekati kontur 40 – 100 phon berbanding kontur 40-phon yang dihampiri pemberat A.

Pemberat B dan D

B ialah pemberat paras pertengahan, yang dimaksudkan untuk paras bunyi sederhana (50 – 60 phon). D khusus untuk bunyi pesawat. Kedua-duanya telah usang oleh piawai moden dan anda jarang menemuinya dalam amalan.

Pemberat Z

Pemberat sifar — tindak balas rata pada 10 Hz hingga 20 kHz. Digunakan untuk penyelidikan dan pengesahan instrumen. Menggantikan istilah "linear" atau "tidak terberat" yang lebih lama, yang tidak konsisten antara pengeluar.

Apabila ragu, gunakan pemberat A. Apabila mengukur sesuatu yang didominasi bes, juga laporkan pemberat C; jurang antara A dan C dengan sendirinya bersifat diagnostik bagi kandungan spektrum.

Kontur kekuatan sama

Kebergantungan frekuensi pendengaran manusia bukan satu lengkung tunggal — ia berbeza dengan paras. Pada SPL rendah, anda sangat tidak sensitif terhadap frekuensi rendah; pada SPL tinggi, lengkung mendatar.

Data eksperimen klasik adalah Fletcher dan Munson 1933, dengan semakan moden dipiawaikan sebagai ISO 226:2003. Kedua-duanya menghasilkan keluarga lengkung, masing-masing berlabel dengan nilai phon, di mana phon adalah SPL nada 1 kHz yang dirasakan sama kuat dengan nada ujian. Jadi kontur 40-phon memaparkan SPL yang diperlukan pada setiap frekuensi untuk berbunyi sekuat nada 40 dB SPL pada 1 kHz.

Beberapa implikasi praktikal:

  • Pemberat A memodelkan kontur 40-phon, jadi ia paling tepat untuk paras pendengaran sederhana (40 – 60 dB SPL). Pada paras tinggi (> 90 dB SPL), pemberat A kurang menimbang frekuensi rendah berbanding tindak balas telinga sebenar.
  • Phon adalah unit paras kekuatan, bukan kekuatan itu sendiri.
  • Sone ialah unit kekuatan yang dirasai, didefinisikan supaya pengandaan sone sepadan dengan pengandaan kekuatan yang dirasai. 1 sone = 40 phon. 2 sone = 50 phon (peraturan +10 phon = ×2 kekuatan).

Integrasi masa

Mikrofon melaporkan nilai tekanan serta-merta beribu-ribu kali sesaat. Melaporkan satu sampel sebagai "paras" tidak berguna — sebaliknya, meter paras bunyi mengira RMS terberat masa sepanjang masa integrasi terpilih:

p_rms(t) = sqrt( (1/τ) × integral( p²(s) × e^(-(t-s)/τ) ) ds )

Pemalar masa τ mendefinisikan kelajuan tindak balas:

  • Fast (F) — τ = 125 ms. Lalai untuk pengukuran persekitaran dan kerja.
  • Slow (S) — τ = 1000 ms. Untuk bunyi ambien stabil.
  • Impulse (I) — τ_attack = 35 ms, τ_decay = 1500 ms. Menangkap transien pendek (tembakan, pukulan tukul).

Untuk bunyi yang berbeza secara ketara dari masa ke masa, SPL terberat masa berkelip. Sebahagian besar piawai pengawal selia menggunakan paras berterusan setara (Leq atau LAeq untuk A-terberat) — SPL stabil yang menyampaikan jumlah tenaga akustik yang sama seperti isyarat berubah-ubah sebenar:

LAeq,T = 10 × log10( (1/T) × integral( 10^(LA(t)/10) ) dt )

Leq adalah setara tenaga, aditif merentas masa, dan dasar setiap piawai bunyi kerja moden. Deskriptor statistik lain kadang-kadang digunakan untuk bunyi komuniti:

  • L10, L50, L90 — paras yang dilepasi 10 %, 50 %, 90 % daripada tempoh pengukuran. L10 adalah paras "puncak biasa"; L90 adalah paras "latar".
  • Lden — purata terberat siang-petang-malam digunakan dalam pemetaan bunyi komuniti EU. Mendenda paras petang +5 dB dan paras malam +10 dB.
  • Lmax, Lpeak — maksimum kejadian tunggal. Lmax adalah terberat masa; Lpeak adalah puncak tekanan tak terberat serta-merta.

FFT dan analisis spektrum

Bentuk gelombang tekanan dalam domain masa boleh diubah ke domain frekuensi menggunakan Transformasi Fourier Pantas (FFT). FFT mengambil tetingkap sampel audio dan menghasilkan spektrum kompleks yang menunjukkan amplitud dan fasa setiap bin frekuensi dalam tetingkap.

Beberapa sifat FFT yang setiap pengguna patut tahu:

  • Resolusi bin = sample_rate / FFT_size. Kadar sampel 48 kHz dengan FFT 2048-titik memberi 23,4 Hz setiap bin — halus untuk muzik dan pertuturan, kasar untuk analisis frekuensi rendah di mana resolusi 1-Hz mungkin diperlukan.
  • Fungsi tetingkap — mendarab sampel masa dengan tetingkap (Hann, Hamming, Blackman, Kaiser) sebelum FFT mengurangkan kebocoran spektrum dengan kos lobus utama yang lebih lebar. Visualizer kami menggunakan tetingkap Hann.
  • Ketidakpastian masa-frekuensi. Tetingkap FFT yang lebih besar memberi resolusi frekuensi yang lebih halus tetapi resolusi masa lebih kasar. Tiada cara untuk memiliki kedua-duanya — Heisenberg, dikenakan pada akustik.

Untuk pengukuran persekitaran dan kerja, analisis sepertiga-oktaf lebih berguna daripada FFT jalur sempit. Penganalisis sepertiga-oktaf mengelompokkan bin FFT ke dalam jalur yang bermakna secara perseptual (sama yang lebih kurang diselesaikan oleh telinga), yang menjadikan spektrum yang dihasilkan boleh dibaca dan setanding dengan lengkung penilaian bunyi piawai (NC, RC, NR).

Visualizer pada meter kami memaparkan FFT jalur sempit untuk tujuan diagnostik — itu menjadikan sumber tonal melompat sebagai puncak tunggal. Untuk analisis frekuensi formal, gunakan SLM Kelas 2 dengan jalur sepertiga-oktaf terbina dalam.

Mengikatnya kembali ke meter

Setiap angka pada meter desibel ialah hasil daripada:

  1. Pensampelan tekanan udara di mikrofon (halaman kalibrasi merangkumi apa yang boleh tersilap di sini).
  2. Pemberat A pada isyarat digital (atau C, atau Z, bergantung pada tetapan).
  3. Mengkuadratkan, pemberat masa (Fast / Slow / Impulse), dan mengakar untuk menghasilkan tekanan RMS.
  4. Mengambil 20 × log10 daripada nisbah ke 20 µPa.
  5. Menambah offset kalibrasi pengguna.

Mengetahui rantai tidak mengubah bacaan, tetapi memberitahu mengapa dua meter boleh tidak bersetuju: kalibrasi mikrofon yang berbeza, pemberat berbeza, masa integrasi berbeza, nilai rujukan berbeza. Apabila angka tidak sepadan, jawapannya hampir selalu di suatu tempat dalam rantai ini.

Untuk tafsiran praktikal bacaan — apa yang dianggap kuat, apa yang selamat, regulasi apa yang terpakai — lihat jadual perbandingan, halaman kesihatan pendengaran, dan halaman piawai tempat kerja. Untuk definisi istilah, glosari ialah indeks belakang ke halaman ini.

Open the decibel meter

Related articles