Autor: Kurz: MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN Studiová technika II Jiří Schimmel MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 2 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Analýza v pásmech s konstantní relativní šířkou MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 3 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Analýza v kmitočtových pásmech • Zvukový signál je nejprve filtrován kmitočtovým filtrem a poté je zjištěna • hladina elektrického napětí • hladina akustického tlaku: uf, pf - efektivní hodnota nepětí resp. akustického tlaku v daném kmitočtovém pásmu 0 log20 p p L f f    0 log20 u u L f f    MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 4 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Analýza v pásmech s konstantní relativní šířkou • Měření hladiny akustického tlaku a dalších veličin v kmitočtových pásmech • Střední kmitočet fS a šířka pásma B roste logaritmicky (Constant Percentage Bandwidth, CPB). • Nejčastěji měření v 1, 1/3, 1/6, 1/12 a 1/24-oktávových pásmech. • Oktávová banka filtrů: fSi+1 = 2fSi, Bi+1 = 2Bi, fDi = 2–1/2fSi, fHi = 21/2fSi • Třetinooktávová banka filtrů: fSi+1 = 21/3fSi, Bi+1 = 21/3Bi , fDi = 2–1/6fSi, fHi = 21/6fSi • Obecně: fSi+1 = 21/nfSi, Bi+1 = 21/nBi , fDi = 2–1/2nfSi, fHi = 21/2nfSi MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 5 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Analýza v pásmech s konstantní relativní šířkou • Střední kmitočty oktávových a třetino-oktávových pásem (ISO 3): f [Hz] 25 50 100 200 400 800 1600 3150 6300 12500 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 40 80 160 315 630 1250 2500 5000 10000 20000 MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 6 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Analýza v pásmech s konstantní relativní šířkou PP PP indikátor indikátor PP indikátor PP indikátor PP indikátor PP indikátor MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 7 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Analýza v pásmech s konstantní relativní šířkou • CPB analýza bílého a růžového šumu MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 8 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Váhové filtry MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 9 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Váhové filtry • Úprava přenosové charakteristiky měřicího řetězce podle subjektivního vjemu hlasitosti zvuku člověkem. • Inverzní filtry ke křivkám stejné hlasitosti pro: • 40 Ph – váhový filtr typu A, • 70 Ph – váhový filtr typu B, • 100 Ph – váhový filtr typu C. • Váhový filtr typu D: inverzní křivka pro 40 Noy podle Kryterovy metody určující míru nepříjemnosti či obtěžování hladinou rušivosti (používaný v letecké dopravě). • Váhový filtr RLB (Revised Low-frequency B-curve): měření hlasitosti rozhlasového vysílání. • Inverzní křivka X: při měření ve filmovém a nahrávacím průmyslu (ISO 2969). • Váhový filtr Z (zero): bez korekce kmitočtové charakteristiky zvukoměru, nahradil nastavení Flat/Linear. MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 10 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Váhové filtry 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1 0 20 40 60 80 2 5 10 20 f [kHz] L[dBSPL] 10 fonů 100 120 práh slyšení 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 11 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Váhové filtry • Hladina zvuku – hladina akustického tlaku vážená váhovým filtrem: • typu A – LA [dBA], [dB(A)], pA – ef. hodnota akustického tlaku změřená s použitím váhového filtru typu A. • typu B – LB [dBB], [dB(B)], • typu C – LC [dBC], [dB(C)], • typu D – LD [dBD], [dB(D)]. • Vážená pásmová hladina akustického tlaku – hladina akustického tlaku, která odpovídá kmitočtové korekci váhového filtru (většinou typu A) v daném pásmu. 0 A A log20 p p L  MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 12 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Váhové filtry MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 13 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Váhové filtry • Srovnání váhových filtrů A a C MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 14 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Statistická analýza měření MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 15 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Statistická analýza měření • Hladiny zvuku u běžných průmyslových hluků v čase kolísají, někdy i v širokém rozsahu hodnot. • Hledáme statistické rozložení měřené veličiny a její momenty (střední hodnota, rozptyl, směrodatná odchylka, histogram, distribuční funkce, ...) 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 24:00 26:00 28:00 30:00 LAFmax(dt) MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 16 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Ekvivalentní hladina akustického tlaku • Ekvivalentní hladina akustického tlaku: střední hodnota hladiny akustické tlaku změřeného v určitém časovém intervalu T: • Ekvivalentní hladina zvuku A: • obdobně LBeq,T a LCeq,T.           T tL T T t T t p tp T L 0 10/)( 0 2 0 ,eq d10 1 log10d 1 log10  T tL T t T L 0 10/)( ,Aeq d10 1 log10 A     1 0 10/)d( ,eq 10 1 log10 N i tL T i N L     1 0 10/)d( ,Aeq A 10 1 log10 N i tL T i N L MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 17 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Mezní hladiny akustického tlaku • Maximální a minimální hladina akustického tlaku Lmax a Lmin – maximální a minimální hodnota zaznamenaná během celého měření. • Hladina špičkového akustického tlaku C – LCpeak: špičková hodnota akustického tlaku měřeného s filtrem C s definovanou odezvou na jednu periodu a půlperiodu harmonického signálu (ISO 61672-1). počet period testovacího signálu kmitočet testovacího signálu LCpeak – LC jedna jedna jedna 31,5 Hz 500 Hz 8000 Hz 2,5 dB 3,5 dB 3,4 dB kladná půlperioda záporná půlperioda 500 Hz 500 Hz 2,4 dB 2,4 dB MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 18 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Statistická analýza měření • Histogram: četnost výskytu daných hladin zvuku v průběhu měření. • Distribuční funkce: LN - pravděpodobnostní hladina     xtPtxF  ,     NN LtLPtLF  eq, L10L50L90 MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 19 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Statistická analýza měření 75 80 85 90 95 00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 L [dB(SPL)] t [s] MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 20 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Zvukoměr MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 21 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Zvukoměr • Zvukoměr (Sound Level Meter, SLM): přesné elektrické zařízení reagující na zvuk podobně jako lidský sluch a umožňující objektivní a reprodukovatelné měření hladin hluku. • Měřič efektivní hodnoty napětí na výstupu snímacího prvku s možností převodu efektivní hodnoty měřeného výstupního napětí snímače na hodnotu hladiny akustického tlaku. • Vlastnosti zvukoměrů jsou normalizovány (IEC 61672-1) a jsou stanoveny limitní tolerance, aby bylo možné naměřené veličiny srovnávat a měření reprodukovat. MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 22 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Zvukoměr MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 23 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Digitální zvukoměr přepínač rozsahů zesilovač A/D převodník výpočet efektivní hodnotyváhové filtry pásmové filtry P zobrazení časová konstanta detektor přebuzení záznam log MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 24 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Mikrofon zvukoměru • Elektrostatický měnič – kondenzátorový mikrofon: • nutnost polarizačního napětí (až 200 V), přiváděné přes zesilovač náboje, • předzesilovač musí být umístěn co nejblíže mikrofonu. • Výhody: • lehce dosažitelná konstantní kmitočtová charakteristika, • vysoká a stálá citlivost (nemění se ani po mnoha letech), • všesměrová charakteristika, • provozní stálost, • malé rozměry. MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 25 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Konstrukce mikrofonu zvukoměru • Mikrofon samotný představuje překážku ve zvukovém poli, vlivem odrazů a ohybů na pouzdře mikrofonu narůstá akustický tlak na vyšších kmitočtech • Průměr mikrofonu typicky 1/8“, 1/4“, 1/2“, 1“ • Mikrofony pro použití ve volném poli (free-field): měří skutečný akustický tlak, jako by mikrofon ve zvukovém poli nebyl (kompenzace kmitočtové odezvy na vyšších kmitočtech). Je nutné je orientovat směrem ke zdroji. • Tlakové mikrofony (pressure, pressure- field): měří skutečný akustický tlak na membránu (nemají kompenzaci) • Mikrofony pro použití v difúzním poli (diffuse-field) / v poli s náhodným dopadem (random-incidence): mají kompenzaci pro všesměrový dopad vlnění MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 26 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Citlivost mikrofonu • Citlivostí jsou násobeny změřené hodnoty napětí na výstupu mikrofonu: • Citlivost mikrofonu lze zjistit: • z kalibračního listu dodaného výrobcem (tištěný, elektronický), • pomocí technologií Electronic Datasheet (TEDS, ASD) – paměť umístěná v mikrofonu pro uložení informací (model, sériové číslo, citlivost, historie kalibrace).  SPL 0 ef P dBlog20 p U L   MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 27 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Konstrukce mikrofonu zvukoměru • Vliv zvýšení akustického tlaku se projevuje až na vysokých kmitočtech u ½” mikrofonu je kmitočtová charakteristika různých konstrukcí stejná až do cca 8 kHz. MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 28 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Ochrana mikrofonu proti větru • Při rychlostech větru od 3 m/s jsou ovlivněny hladiny akustického tlaku pod cca 40 dBSPL. • Větrná ochrana mikrofonu (windscreen): • akustický labyrint měnící dopad větru na membránu mikrofonu na všesměrový, • redukce zvukových artefaktů způsobených větrem o 15 dB, • snížení citlivosti mikrofonu na vyšších kmitočtech < 1 dB. MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 29 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Dynamický rozsah zvukoměru • Špatné nastavení dynamického rozsahu (předzesilovače zvukoměru) může změnit zpracovávaný signál: • při nastavení malého rozsahu může dojít k přebuzení vstupu, které způsobí limitaci signálu = vznik nelineárního zkreslení, • při nastavení velkého rozsahu nebude vlastní šum měřidla zanedbatelný vůči signálu a zkreslí naměřené hodnoty (viz sčítání hladin hluku). • Na hladinu rušivých napětí zvukoměru působí i vnější vlivy (elektromagnetické pole, vibrace, …). MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 30 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Vlastní šum zvukoměru MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 31 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Špatná volba rozsahu – velký rozsah MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 32 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Přebuzení zvukoměru MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 33 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Špatná volba rozsahu – malý rozsah MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 34 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Časově vážená hladina akustického tlaku • Time-weighted sound level, IEC 61672-1: • 20násobek dekadického logaritmu poměru efektivní hodnoty akustického tlaku k referenčnímu akustickému tlaku; efektivní hodnota akustického tlaku se získá s využitím standardního kmitočtového a standardního časového vážení •  – exponenciální časová konstanta časového vážení •  – pomocná proměnná časové integrace do doby pozorování t • p() – okamžitý akustický tlak • p0 – referenční akustický tlak                      d 11 log20 2 0 t t ep p tL kvadrátor dolní propust (integrační článek) druhá odmocnina logaritmický zesilovač kmitočtově vážený vstup hladina v dB MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 35 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Časově vážená hladina akustického tlaku • Pomocí dolní propusti (integračního článku) s jedním reálným pólem na kmitočtu fc = 1/ • Slow (S) – 1 s (stacionární hluky) • Fast (F) – 125 ms (krátkodobě proměnné hluky) • Impulse (I) – 35 ms (impulsní hluky) • Za výpočet druhé mocniny signálu zařazen detektor signálu • rychlost poklesu je detektorem signálu zpomalena na 2,9 dB/s (časová konstanta 1500 ms) MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 36 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kvalitativní třídy zvukoměrů • Toleranční pásma modulové kmitočtové charakteristiky zvukoměrů: • class 1, • class 2. -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 1 10 100 1000 10000 100000 f [Hz] tolerance[dB] MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 37 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kvalitativní třídy zvukoměrů MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 38 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kalibrace měřicího řetězce MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 39 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kalibrace • Kalibrace = soubor úkonů, kterými se stanoví za specifikovaných podmínek vztah mezi hodnotami veličin, které jsou indikovány měřicím přístrojem a odpovídajícími hodnotami, které jsou realizovány etalony. • Kalibrace je metrologický úkon, který probíhá podle písemně daného postupu, ze kterého je vydán protokol, který se provádí v kalibračních lhůtách a jehož důležitým výsledkem je nejistota při kalibraci. • Justace (justování) = příprava měřidla k měření, zejména kompenzace na aktuální barometrický tlak. Není vydán protokol, nemá lhůty a není třeba stanovit nejistoty. • V praxi je justování nesprávně označováno jako kalibrace! MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 40 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kalibrace zvukoměru • Při kalibraci je na vstup mikrofonu přiveden harmonický zvukový signál známé hladiny akustického tlaku a zvukoměr podle ní a změřené efektivní hodnoty napětí na vstupu při justování spočítá převodní konstantu – citlivost: • Citlivostí jsou násobeny změřené hodnoty napětí na výstupu mikrofonu:  PaVef p U   SPL 0 ef P dBlog20 p U L   MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 41 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Způsoby kalibrace • Elektrická kalibrace: zajištění zobrazení správné velikosti elektrického napětí přivedeného na vstup zvukoměru, provádí se pomocí vnitřního zabudovaného zdroje kalibračního napětí. • Akustická kalibrace: zajištění zobrazení správné velikosti hladiny akustického tlaku přivedeného k ústí mikrofonu. Provádí se pomocí akustického kalibrátoru nebo pistonfonu. • Elektrostatická kalibrace: využívá toho, že kondenzátorový mikrofon je reciproční měnič, citlivost je změřena v celém kmitočtovém pásmu ve funkci akustického vysílače. • Reciproční kalibrace: primární standard kalibrace, využívá reciprocity měniče a známé akustické impedance, kterou jsou spojeny dva mikrofony. • Kalibrace ve zvukovém poli s náhodným dopadem zvuku: využívá měření činitele směrovosti zvukoměru pomocí známého zdroje zvuku. • Kalibrace v difúzním zvukovém poli: využívá referenčního zvukoměru. MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 42 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Akustická kalibrace pistonfonem • Pistonfon: píst kmitající do definovaného objemu uzavřeného membránou mikrofonu, do kmitočtu 250 Hz. • Akustický tlak vytvořený pístem v uzavřeném objemu: p – efektivní hodnota akustického tlaku, p00 – barometrický tlak, S – aktivní plocha pístu,  – Poissonova konstanta, h – výchylka pístu, V – objem komůrky. píst mikrofon  V S 00 22 p V Sh p  MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 43 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Akustická kalibrace pistonfonem MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 44 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Akustická kalibrace tónovým generátorem • Tónový kalibrátor: generátor s výstupem na piezoelektrický reproduktor vyzařující do měřicí komůrky, kmitočet 1000 Hz. • Kompenzace malých úniků tlaku, detekce nezasunutého mikrofonu, možnost použití více kalibračních hladin (94 dBSPL, 114 dBSPL) MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 45 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Akustická kalibrace tónovým generátorem MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 46 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Kalibrace zvukoměru MĚŘENÍ AKUSTICKÝCH VELIČIN STUDIOVÁ TECHNIKA II 47 Jiří Schimmel Masarykova univerzita, Filosofická fakulta Zvukový design a multimediální technologie Měření akustických veličin