Калібрування шумоміра у смартфоні чи ноутбуці

Мікрофон звичайного смартфона чи ноутбука, прямо з коробки, зазвичай зміщений на 5 – 15 дБ проти прокаліброваного шумоміра класу 2. Це не несправність: це неминучий наслідок використання пристрою, призначеного для телефонії та шумозаглушення, як вимірювального інструмента. Хороша новина: усунути більшу частину цієї похибки можна за п’ять хвилин, без особливого обладнання, і це наводить шумомір у браузері на цьому сайті в межі ±2 дБ від еталона у звичайних діапазонах праці й довкілля.

Ця сторінка описує три методи калібрування (від точного і практичного до імпровізованого), пояснює, як зафіксувати offset у налаштуваннях, і чесно говорить про те, чого споживча апаратура не вміє.

Чому калібрування важливе

Децибельна шкала прив’язана до сталого фізичного еталона: 0 дБ SPL = 20 мікропаскалів (мкПа) коливання тиску. Правильно прокалібрований шумомір під дією еталонного сигналу 94 дБ SPL показує точно 94 дБ. Будь-яке нижче значення означає вимірювальне зміщення — постійне зрушення між реальним рівнем звуку і цифрою на екрані.

У споживчій техніці домінують три джерела зміщення:

• Допуски чутливості мікрофона. MEMS-мікрофони у смартфонах і ноутбуках типово специфікують на −38 dBV/Pa ± 3 дБ. Ці ±3 дБ напряму перетворюються на ±3 дБ зміщення вимірювань ще до того, як втрутиться будь-який інший фактор.
• Підсилення передпідсилювача і масштабування АЦП. Ланцюг від мікрофона до цифрового семпла додає кілька децибелів варіабельності і не стандартизований між пристроями.
• Обробка в звуковому ланцюгу. Більшість операційних систем і браузерів накладають на вхід мікрофона автоматичне регулювання підсилення (AGC), ехозаглушення, шумозаглушення та еквалізацію. Кожне з них змінює зв’язок між кімнатним SPL і цифровим значенням семпла, часто нелінійно щодо рівня.

Шумомір цього сайту запитує мікрофон з вимкненою обробкою настільки, наскільки це дозволяє платформа (echoCancellation: false, noiseSuppression: false, autoGainControl: false у обмеженнях getUserMedia). Попри це залишкова обробка і допуски мікрофона роблять перше калібрування вигідним для кожного пристрою.

Метод 1 — Порівняння з референтним SLM (практичний стандартний вибір)

Маєте доступ до прокаліброваного шумоміра класу 2 (свого, колеги, від служби охорони праці) — це найпростіше і найнадійніше калібрування. Воно ловить зміщення в реальних умовах приміщення і займає близько п’яти хвилин.

1. Поставте обидва прилади поруч. Покладіть смартфон або ноутбук із нашим шумоміром біля референтного SLM, мікрофони на тій самій висоті й орієнтації, ідеально в межах 5 см.
2. Оберіть стабільне джерело середнього рівня. Ідеальне — стале широкосмугове джерело між 60 і 80 дБ: працюючий вентилятор, вентиляційна решітка, тоновий сигнал на гучномовці. Уникайте музики із сильними транзієнтами і дуже тихих середовищ, де домінує власний шум одного з приладів.
3. Налаштуйте обидва однаково. A-зважування, час Slow на обох. Slow усереднить короткі коливання, які інакше додавали б шум у порівняння.
4. Усередніть 30 – 60 секунд. Прочитайте обидва. Більшість референтних SLM показує поточний Leq; у нас дивіться на статистику Avg.
5. Обчисліть offset. Показ еталона мінус наш показ, у дБ. Якщо еталон показує 70 дБА, а ми 65 дБА — offset +5 дБ.
6. Виставте offset у налаштуваннях. Відкрийте меню шестерні, прокрутіть до «calibration offset», впишіть обчислене значення (зі знаком) і збережіть.

Друге 30-секундне порівняння після введення має звести обидва прилади у межі 1 дБ. Якщо різниця при стабільному джерелі лишається понад 2 дБ — частотна характеристика Вашого пристрою не пласка у спектрі тестового джерела: спробуйте широкосмугове (вентилятор, решітку), а не тональне (телевізор).

Метод 2 — Акустичний калібратор (золотий стандарт)

Гігієністи праці й акустичні дослідники калібрують поршнеформом або акустичним калібратором: пристроєм, що клацає на мікрофон і дає точний еталонний тон, зазвичай 94 дБ SPL або 114 дБ SPL на 1 кГц, простежний до національних еталонів (IEC 60942 клас 1 або 2).

Якщо у Вас є до нього доступ (наприклад, через службу охорони праці чи аудіовідділ):

1. Защепніть калібратор на мікрофон. Це складний крок на смартфоні чи ноутбуці, бо більшість споживчих отворів мікрофонів замалі, заглибокі або не вирівняні для адаптера. Допомагає поролоновий адаптер чи шматок скотчу, але герметичність ніколи не буде ідеальною.
2. Активуйте калібратор (94 дБ SPL, 1 кГц). Дайте нашому шумоміру попрацювати 30 секунд із A-зважуванням і Fast.
3. Обчисліть offset. 94 мінус те, що показує наш шумомір. Впишіть у налаштуваннях.

Метод калібратора за задумом найточніший, але форма споживчих мікрофонів обмежує, наскільки добре можна підключити калібратор до самої мембрани. Для більшості людей метод 1 (референтний SLM у тій самій кімнаті) дає результат, який неможливо відрізнити, з набагато меншою клопотою.

Метод 3 — Базова лінія тиші (останній засіб)

Без референтного SLM і калібратора Ви можете прив’язати шумомір до відомого тихого рівня. Це найменш точний із трьох, але потрібен лише пристрій і тиха кімната.

1. Знайдіть тиху кімнату з відомим рівнем. Тиха спальня вночі типово лежить між 30 і 35 дБА; акустично оброблена домашня студія може бути на 25 дБА; читальний зал — між 35 і 40 дБА.
2. Дайте кімнаті заспокоїтися. Перестаньте ходити, тримайте пристрій нерухомим, попросіть присутніх про тишу. Поставте наш шумомір на Slow, A, на 60 секунд.
3. Порівняйте з очікуваним. Типова тиха спальня показує 30 – 35 дБА на прокаліброваному шумомірі. Якщо Ваш у такому місці показує 25 дБА — offset близько +5 до +8 дБ. Якщо показує 50 дБА — пристрій переоцінює на 15 – 20 дБ, offset від’ємний.

Метод грубий — спирається на Вашу класифікацію оточення — але для тих, у кого немає референтного матеріалу, він приводить калібрування до правильного порядку величини і запобігає абсурдним показам. Виразно краще, ніж не калібрувати взагалі.

Виставлення calibration offset

Маючи цифру, впишіть її у шумомір:

1. Клацніть на значок шестерні (верхній правий кут шумоміра).
2. Знайдіть поле calibration offset.
3. Впишіть offset зі знаком. Приклади: +5, якщо Ваш шумомір читає на 5 дБ нижче за еталон; -3, якщо на 3 дБ вище.
4. Збережіть.

Offset зберігається у локальному сховищі браузера для цього домену і цього пристрою, тож тримається між сесіями. Не синхронізується між пристроями: смартфонам і ноутбукам зазвичай потрібні різні значення, і навіть два телефони однієї моделі можуть відрізнятися на кілька дБ.

Якщо тестуєте кілька пристроїв, нотуйте offset для кожного. Іменовані профілі пристроїв — на дорожній карті; до того часу значення треба пам’ятати самим.

Коли калібрувати знову

Кілька ситуацій виправдовують повторну калібрацію:

• Новий пристрій або браузер. Звуковий ланцюг різниться між Chrome, Firefox і Safari, а також між версіями ОС. Після великого оновлення прокалібруйте, якщо покази дрейфують.
• Новий мікрофон. USB- і Bluetooth-мікрофони мають власне калібрування. Bluetooth особливо складний, бо кодек може зміщувати сприйнятий рівень нелінійно.
• Значні зміни температури або вологості. MEMS-мікрофони дрейфують з оточенням, але ефект малий (менше децибела) у звичайних умовах приміщення.
• Розбіжність із відомим еталоном. Якщо вимір при стабільному джерелі відхиляється від опублікованого еталона більше ніж на 5 дБ — прокалібруйте, перш ніж брати цю різницю за істину.

Щомісячна перевірка проти тієї ж референтної кімнати (той самий вентилятор, та сама кімната) — добра звичка, якщо шумомір використовуєте для рішень, які мають значення.

Що калібрування не може виправити

Три обмеження споживчої апаратури не усуваються offset’ом.

Насичення на верхньому краї

Більшість мікрофонів смартфонів і ноутбуків насичується — аналоговий каскад б’ється у стелю, і цифровий сигнал перестає бути пропорційним вхідному — між 95 і 110 дБ SPL. Понад точкою насичення шумомір недооцінює реальний рівень. Жоден offset цього не повертає: інформація втрачена ще до того, як дійшла до шумоміра.

Якщо Вам треба надійно міряти 100 дБА або більше, потрібен шумомір класу 2 (IEC 61672‑1) або спеціальний дозиметр. Наш браузерний шумомір — чудовий інструмент скринінгу нижче зони насичення.

Частотна характеристика

Ідеальний вимірювальний мікрофон має пласку відповідь від 20 Гц до 20 кГц. Мікрофони смартфонів і ноутбуків мають кілька децибелів піків і провалів у цій смузі: вони налаштовані на мову (200 Гц – 4 кГц) ціною глибокого басу й високих частот. Calibration offset — одне скалярне число; він не виправляє непласку характеристику.

На практиці шумомір достатньо точний з широкосмуговими джерелами в середньому діапазоні (трафік, розмова, вентиляція) і трохи менше — з дуже низькими або високими. C-зважування підсилює похибку у басі; A-зважування її пригнічує. При сумніві: A.

Часова інтеграція

Шумомір показує миттєві значення, зважені за часом; калібрування одного значення на стабільному рівні не гарантує точного Leq за годину, особливо при змінному шумі. Сторінка порад пояснює, коли це важливо.

Перевірка калібрування

Після введення offset зробіть тест на повторюваність:

1. Зробіть три виміри по 30 секунд на стабільному джерелі (той самий вентилятор, та сама відстань). Вони мають бути в межах 1 дБ.
2. Якщо значення дрейфують більш ніж на 1 дБ, джерело справді нестабільне або AGC пристрою лишається активним попри прапорці getUserMedia. Спробуйте інше джерело (вентиляційна решітка на 1 м зазвичай — одне з найнадійніших).
3. Порівняйте з другим еталоном, якщо доступний. Якщо два незалежні еталони збігаються в межах ±2 дБ — Ваше калібрування стоїть міцно.

Прокалібрований браузерний шумомір, використаний у своїх межах, достатній майже для всього, окрім формальної документації відповідності. Посібник, поради і таблиця порівнянь припускають, що Ви це зробили принаймні раз. Без калібрування всі покази на сайті зміщені на невідому, але, ймовірно, значну величину.