Как откалибровать шумомер на телефоне или ноутбуке

Микрофон потребительского телефона или ноутбука «из коробки» способен выдавать уровни шума, отличающиеся на 5 – 15 dB от калиброванного шумомера Класса 2. Это не дефект — это неизбежное следствие использования устройства, спроектированного под голосовые звонки и подавление фонового шума, в роли измерительного прибора. Хорошая новость: уменьшить большую часть этой ошибки — задача на 5 минут, специальное оборудование не нужно, и браузерный шумомер этого сайта приходит в согласие с эталоном в пределах ±2 dB для типичных средовых и профессиональных диапазонов.

Эта страница описывает три метода калибровки (по убыванию точности и удобства), объясняет, как задать сдвиг калибровки в нашей панели настроек, и честно говорит о пределах того, что способно потребительское оборудование.

Зачем нужна калибровка

Шкала децибелов привязана к фиксированному физическому эталону: 0 dB SPL = 20 микропаскалей (µPa) колебания давления. Корректно откалиброванный шумомер при опорном сигнале 94 dB SPL показывает ровно 94 dB. Любое другое значение — измерительное смещение, постоянная разница между уровнем реального звука и числом на экране.

В потребительском оборудовании доминируют три источника смещения:

• Допуск чувствительности микрофона. MEMS-микрофоны телефонов и ноутбуков обычно специфицированы как −38 dBV/Pa ± 3 dB. Этот разброс ±3 dB напрямую превращается в ±3 dB измерительного смещения ещё до прочих факторов.
• Усиление преампа и масштабирование АЦП. Тракт сигнала от микрофона через аналоговый front-end до значения цифрового сэмпла добавляет несколько dB вариабельности и не стандартизован между устройствами.
• Обработка аудиоконвейера. Большинство современных операционных систем и браузеров применяют автоматическое усиление (AGC), эхоподавление, шумоподавление и эквализацию к входу микрофона. Каждое из этих воздействий меняет связь между SPL в комнате и значением сэмпла, нередко нелинейно по уровню.

Браузерный шумомер этого сайта запрашивает микрофон с отключённой обработкой там, где платформа это поддерживает (echoCancellation: false, noiseSuppression: false, autoGainControl: false в ограничениях getUserMedia). Тем не менее остаточная обработка платформы и допуски микрофона делают разовую калибровку полезной для каждого устройства.

Метод 1 — Сравнение с эталонным SLM (практичный по умолчанию)

Если у Вас есть доступ к калиброванному шумомеру Класса 2 (Ваш, коллеги, отдела EHS) — это самая простая и надёжная калибровка. Она ловит смещение под реальным комнатным сигналом и занимает около пяти минут.

1. Поставьте оба прибора рядом. Расположите свой телефон или ноутбук, на котором запущен наш шумомер, бок о бок с эталонным SLM, микрофоны на одной высоте и в одной ориентации, желательно ближе 5 cm друг к другу.
2. Выберите стабильный источник умеренного уровня. Источник постоянного белого шума на 60 – 80 dB — идеален: вентилятор, вентиляционный канал, гудок громкой связи. Избегайте музыки с громкими транзиентами и слишком тихих сред, где шумовой пол любого из приборов доминирует.
3. Настройте оба прибора одинаково. A-коррекция, временная коррекция Slow на обоих. Slow усредняет короткие колебания, которые иначе сделают сравнение шумным.
4. Усредняйте 30 – 60 секунд. Следите за обоими показаниями. Большинство эталонных SLM показывает текущее Leq; в нашем шумомере смотрите на статистику Avg.
5. Вычислите сдвиг. Показание эталона минус наше показание, в dB. Если эталон показывает 70 dBA, а наш — 65 dBA, сдвиг +5 dB.
6. Введите сдвиг в настройках. Откройте меню шестерёнки, прокрутите до «Calibration offset», введите вычисленное значение со знаком. Сохраните.

Второе сравнение по 30 секунд после ввода сдвига должно показать оба прибора в пределах 1 dB друг от друга. Если они отличаются больше чем на 2 dB на стабильном источнике — частотная характеристика Вашего устройства не плоская в спектре источника. Попробуйте широкополосный источник (вентилятор или HVAC), а не тональный (телевизор).

Метод 2 — Акустический калибратор (золотой стандарт)

Промышленные гигиенисты и акустические исследователи калибруют пистонфоном или акустическим калибратором — устройством, надевающимся на микрофон и выдающим точный опорный тон, обычно 94 dB SPL или 114 dB SPL на 1 kHz, прослеживаемый к национальным метрологическим стандартам (IEC 60942 Класс 1 или Класс 2).

Если у Вас есть доступ (например, в команде EHS или аудиоинженерии):

1. Наденьте калибратор на микрофон. Это неловкий шаг для телефона или ноутбука: большинство микрофонных портов слишком мелкое, утоплено или off-axis для коуплера калибратора. Помогает кусок переходной поролонки или ленты, но идеального уплотнения не будет.
2. Включите калибратор (94 dB SPL, 1 kHz). Запустите наш шумомер 30 секунд с A-коррекцией, Fast.
3. Вычислите сдвиг. 94 минус Ваше показание. Введите в настройках.

Метод калибратора — самый точный по концепции, но форма потребительских микрофонов ограничивает, насколько надёжно можно сцепить калибратор с фактической диафрагмой. Большинству пользователей Метод 1 (эталонный SLM в той же комнате) даёт неотличимые результаты с заметно меньшими хлопотами.

Метод 3 — Базовый уровень тишины (последний резерв)

Если у Вас нет ни эталонного SLM, ни калибратора — можно якорить шумомер по известному тихому уровню. Это наименее точный из трёх методов, но требует только Ваше устройство и тихую комнату.

1. Найдите известное тихое пространство. Тихая спальня ночью обычно 30 – 35 dBA; акустически обработанная домашняя студия может быть 25 dBA; читальный зал библиотеки обычно 35 – 40 dBA.
2. Дождитесь стабилизации. Перестаньте ходить, держите устройство неподвижным, попросите присутствующих помолчать. Запустите наш шумомер на 60 секунд с временной коррекцией Slow и A-коррекцией.
3. Сравните с ожидаемым значением. Типичная тихая спальня даёт 30 – 35 dBA на калиброванном приборе. Если Ваш шумомер показывает 25 dBA в пространстве, которое Вы бы назвали «тихая спальня» — сдвиг около +5 до +8 dB. И наоборот, если показывает 50 dBA — устройство переоценивает на 15 – 20 dB, и сдвиг отрицательный.

Метод грубый — он предполагает, что Вы корректно классифицируете комнату, — но для тех, у кого нет эталонного оборудования, выводит калибровку на правильный порядок и предотвращает абсурдные показания. Намного лучше отсутствия калибровки.

Установка сдвига калибровки

Получив число, введите его в шумомер:

1. Нажмите значок шестерёнки (верхний правый угол шумомера).
2. Найдите поле Calibration offset.
3. Введите сдвиг со знаком. Примеры: +5, если Ваш шумомер показывает на 5 dB ниже эталона; -3, если на 3 dB выше.
4. Сохраните.

Сдвиг сохраняется в localStorage браузера для этой источника и устройства, поэтому помнится между сессиями. Он не синхронизируется между устройствами — телефоны и ноутбуки обычно требуют разных сдвигов, и даже два телефона одной модели могут отличаться на несколько dB.

Если Вы хотите проверять несколько устройств — храните сдвиг каждого отдельно. В дорожной карте есть пункт о именованных профилях по устройству; пока что нужно помнить число каждого.

Когда повторно калибровать

Несколько ситуаций оправдывают перекалибровку:

• Новое устройство или новый браузер. Аудиоконвейер различается между Chrome / Firefox / Safari и между версиями ОС. Перекалибруйте после крупного обновления ОС, если показания плывут.
• Новый микрофон. Внешние USB- или Bluetooth-микрофоны имеют свою калибровку. Bluetooth особенно коварный: кодек меняет воспринимаемый уровень нелинейно.
• Существенные изменения температуры или влажности. MEMS-микрофоны дрейфуют со средой, но эффект мал (доли dB) для типичных внутренних условий.
• Расхождение с известным эталоном. Если измерение расходится с публикуемым эталоном более чем на 5 dB на стабильном источнике — перекалибруйте, прежде чем считать расхождение реальным.

Ежемесячная сверка с одним и тем же эталонным пространством (тот же вентилятор в той же комнате) — хорошая привычка, если шумомер используется для решений, которые имеют значение.

Что калибровкой не исправить

Три ограничения потребительских микрофонов нельзя обойти сдвигом калибровки.

Максимальный SPL — клиппинг

Большинство микрофонов телефонов и ноутбуков клиппят — то есть аналоговый front-end насыщается, и цифровой сигнал перестаёт быть пропорциональным входу — где-то между 95 и 110 dB SPL. Выше точки клиппинга шумомер недосчитывает реальный уровень. Сдвиг это не исправит — информация теряется ещё до того, как шумомер её увидит.

Если Вам нужно надёжно измерять 100 dBA или громче, нужен шумомер Класса 2 (IEC 61672‑1) или специализированный дозиметр. Наш браузерный шумомер — отличный инструмент скрининга ниже диапазона клиппинга.

Частотная характеристика

Идеальный измерительный микрофон имеет плоскую характеристику от 20 Hz до 20 kHz. Микрофоны телефонов и ноутбуков имеют пики и провалы в несколько dB по этому диапазону — спроектированы для голоса (200 Hz – 4 kHz) в ущерб низкочастотному гулу и высокочастотному «воздуху». Сдвиг калибровки — единственный скаляр; он не компенсирует неплоскую частотную характеристику.

На практике это означает, что наш шумомер довольно точен на широкополосных среднечастотных источниках (трафик, разговор, HVAC) и менее точен на сильно низкочастотных или высокочастотных. C-коррекция усиливает низкочастотную ошибку; A — подавляет. В сомнении — A-коррекция.

Временная интеграция

Шумомер показывает временно-взвешенные мгновенные значения; калибровка одного значения на стабильном уровне не гарантирует точную интеграцию Leq за час, особенно при переменном шуме. Страница советов разбирает, когда это важно.

Проверка калибровки

После задания сдвига сделайте проверку повторяемости:

1. Снимите три 30-секундных показания на стабильном источнике (тот же вентилятор, то же расстояние). Каждое должно попадать в 1 dB от других.
2. Если показания плывут более чем на 1 dB, источник на самом деле не стабилен или AGC устройства всё ещё активен, несмотря на флаги getUserMedia. Попробуйте другой источник (HVAC-канал на 1 m обычно самый надёжный).
3. Сделайте кросс-сверку с другим эталоном, если он есть. Если два независимых эталона совпадают в 2 dB — Вашей калибровке можно доверять.

Калиброванный браузерный шумомер, используемый в пределах своих ограничений, достаточен почти для всего, кроме формальной документации соответствия. Руководство, советы и таблица сравнения предполагают, что эта процедура выполнена один раз — без калибровки каждое показание на сайте смещено на неизвестную, но, скорее всего, нетривиальную величину.