Измерение уровня шума и уровня звукового давления (SPL)

Измерение уровня шума и уровня звукового давления (SPL - Sound Pressure Level) представляет определённый интерес для любителей звуковоспроизведения. Для этого используются специальные измерительные приборы - шумомеры или SPL-meter.
Данная тема посвящается освещению некоторых вопросов практического использования этих приборов.
На панели управления шумомера, как правило, имеется возможность выбора одного из трёх режимов взвешивания (weighting): А,В или С. Что это такое?
Приведу выдержку из книги Rupert Taylor "Шум".
"Возможно, одним из наиболее существенных вопросов акустики является зависимость поведения звука от его частоты. Нижняя частотная граница восприятия звука человеком составляет около 30 Гц., а верхняя — не выше 18 кГц.; поэтому шумомер должен был бы регистрировать звуки в том же диапазоне частот. Но тут возникает серьезное затруднение... чувствительность человеческого уха для различных частот далеко неодинакова; так, например, чтобы звуки с частотой 30 Гц. и 1 кГц. звучали одинаково громко, уровень звукового давления первого из них должен быть на 40 дБ. выше, чем второго ("Кривые равной громкости" - примечание автора темы). И следовательно, показания шумомера сами по себе, не многого стоят...
Этой проблемой занялись специалисты по электронике, и современные шумомеры снабжены корректирующими контурами, состоящими из отдельных цепочек, подключая которые можно снизить чувствительность шумомера к низкочастотным и очень высокочастотным звукам и тем самым приблизить частотные характеристики прибора к свойствам человеческого уха. Обычно шумомер содержит три корректирующих контура, обозначаемых А, В и С; наиболее полезна коррекция А (она наиболее точно соответствует графикам "кривых равной громкости" - примечание автора темы); коррекцию В применяют лишь изредка; коррекция С мало влияет на чувствительность в диапазоне 31,5 Гц — 8 кГц. (то есть, она не учитывает особенности звуковосприятия человеческого органа слуха, а предоставляет чисто техническую сторону вопроса, как на графиках основных акустических измерений: АЧХ, RT60, Импульс и т.д. - примечание автора темы).
В некоторых типах шумомеров используется еще коррекция D, которая позволяет считывать показания прибора прямо в единицах PN дБ, применяемых для измерения шума самолетов...
В настоящее время почти повсеместно уровень шума принимают равным уровню, измеренному в дБ при помощи шумомера с коррекцией А, и выражают его в единицах дБА. Хотя человеческое ухо воспринимает звук несравненно более утонченно, чем шумомер, и поэтому звуковые уровни, выраженные в дБА, ни в коей мере не соответствуют точно физиологической реакции, но простота этой единицы делает ее чрезвычайно удобной для практического применения.
Важнейший недостаток измерения громкости в дБА состоит в том, что при этом наша реакция на звуки низкой частоты недооценивается и совершенно не учитывается повышенная чувствительность уха к громкости чистых тонов.
К числу достоинств шкалы дБА следует, в частности, отнести то обстоятельство, что здесь, как мы увидим в следующей главе, удвоение громкости грубо соответствует увеличению уровня шума на 10 дБА. Однако даже эта шкала дает не более чем грубое указание на роль частотного состава шума, а так как эта характеристика шума часто чрезвычайно важна, то результаты измерений, проведенных с помощью шумомера, приходится дополнять данными, полученными при использовании других приборов".
При измерении уровня звукового давления, создаваемого аудиосистемой корректно использовать режим "С", поскольку, как уже говорилось выше, он более приемлем с точки зрения именно технической оценки. Этот режим позволяет более корректно оценивать НЧ диапазон.

   

Принцип работы шумомера и микрофона, в общем-то, идентичный - мембрана и преобразование её механических колебаний в электрические. Так вот, от размера и физических свойств этой мембраны зависит неравномерность и форма АЧХ прибора. То есть, на каких-то частотах будут отличия на какую-то определённую величину от изолинии в "+", на каких-то в "-", а на каких-то отличий не будет вовсе...
Например, при нахождении микрофона или шумомера в относительно влажной среде их мембрана начинает ржаветь, что, естественно, сказывается на показаниях в процессе проведения измерений. Поэтому хранить измерительные приборы рекомендуется в специальных чехлах/футлярах с вложенными внутрь пакетиками с силикагелем. Ну, и конечно, время от времени, требуется их метрологическая калибровка.
Чем выше класс прибора, тем неравномерность его АЧХ меньше, "завалы" по краям частотного диапазона плавнее, а сам частотный диапазон - шире.
Само собой, для уменьшения искажающего влияния неравномерности собственной АЧХ шумомера на результирующую АЧХ измерения перед началом работы необходимо компенсировать/нивелировать это негативное влияние. Именно для этого шумомер, микрофон и звуковая карта калибруются путём ввода в память софта их калибровочного файла (суть, собственного графика АЧХ) - при этом сам софт автоматически корректирует результирующий график АЧХ измерения в зеркальном отображении графиков АЧХ вспомогательного оборудования. Например, там, где на АЧХ шумомера, скажем, на частоте 1500 Гц. имеет место подъём на 0,5 дБ., программа автоматически опустит график результата измерения на этой частоте на 0,5 дБ. Если же, например, на частоте, скажем, 40 Гц. на АЧХ шумомера имеет место спад на 1 дБ., то софт автоматически поднимет график результата измерения на этой частоте на 1 дБ.

Обычно выдают протокол, состоящий из одной цифры - уровня шума в дБА, и заключение - удовлетворяет нормам или нет. Но это слишком упрощенный подход.
На самом деле, нормируются уровни шума в октавных полосах частот.
Очень часто бывает, что интегральный уровень шума в дБА удовлетворяет нормам, а в некоторых полосах частот есть существенные превышения.