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结合IEC 61672-1简析声压级的时间计权

2018-12-14 22:20:09·  来源：海德声科 HEAD acoustics  
　
在声压的测量中一般都会使用传声器（microphone），其原理是利用压电传感器（piezoelectric sensor）将声信号转换为电信号并且记录下来。最后将相应的电压信号重
在声压的测量中一般都会使用传声器（microphone），其原理是利用压电传感器（piezoelectric sensor）将声信号转换为电信号并且记录下来。最后将相应的电压信号重新转换为压强信号存储下来，以便后续的处理工作。
 
在日常生活中我们经常会听到分贝（dB）这个词，这个单位本身并没有物理意义，而是一个比值。在声压级的计算中，使用的参考值为
代表人耳可以感受到的最低的声压强。
声级计所记录的声压
时间计权声压级（time-weighted sound pressure level）
在实际的测量过程中，声压是一个极速变化的值，若取单个值逐个计算声压级的话，由于人耳不能如此快速地跟随声压的变化，所以这样的结果不能反映出人的真实的感受，没有参考意义。在声压的实际处理过程中会用到两种计权方式，频率计权以及时间计权。频率计权是根据人耳对不同频率的信号感应不同而所采用的一种计权方式，将在后面的文章中详细阐述。时间计权一般使用于声级计，通常会和频率计权一起使用，在IEC 61672-1中规定了时间计权的计算方法。
其中：
是时间常数，对于Fast（F）或者Slow（S）计权，其值分别为125ms和1s，这里的时间常数并不等于时间平均声压级中的时间窗的大小。
是A计权等效声压。
将计算式进行变换之后
其中：
可以看作是瞬时声压的平方与指数函数的卷积。
时域的卷积对应与频域中的相乘，对该指数函数进行拉普拉斯变换得
该函数相当于是一个上面有一个实极点的低通滤波器，是一种IIR型滤波器，其可以通过一RC电路实现，这个方法又叫指数平均或者是RC平均。计算流程大概如下
时间计权声压级计算流程
使用时间计权的目的之一就是减缓声压的极速变化，这也就是为何此处会出现一个低通滤波器的原因。
IEC61672-1中指出，当一个4kHz的正弦信号骤停的时候，F计权声压级计算法应该以25dB每秒的速度衰减，S计权的衰减速度就介于3.4dB/s至5.3dB/s之间。如图示，绿色的曲线为F计权，红色的曲线为S计权，信号为4kHz正弦信号。结果显示，当信号突然从50dB增加到94dB时，F计权大概需要0.88s，S计权则需要大概6.82s。
4kHz正弦信号时间计权声压级
脉冲信号时间常数（Time weighting I）。上文提到，对于4kHz正弦信号突然从50dB涨到94dB，声级计反应所需要时间为0.88s，如果此时这个信号的持续时间不足0.88s，那这种时间常数将不能反映出正确的值。
所以在分析短促音的时候，经常会选用35ms的时间常数，分析结果如下：
时间计权F和时间常数35ms对比
现在很多研究表明，时间计权I不能够反映出脉冲音的响度等因素。所以IEC61672-1指出在使用时间计权I的时候还需要一些特殊的条件。比如添加一个特殊的信号检波器。在ArtemiS SUITE中的时间计权I中就有一个附加的1500ms延时的峰值检波器，用于存储送给它的信号，使其有足够的时间显示I时间计权信号。
时间平均声压级（time-average sound pressure level），又称为等效连续声级，反映的是一段时间内声压的大小，计算公式如下：
这里的T即平均时间间隔，不同于时间计权中的时间常数。
HEAD ArtemiS SUITE中声压级计算
在ArtemiS SUITE软件丰富的分析池中也包含了时间计权声压级的计算。
在计算汽车关门声的声压级的时候，采用不一样的时间常数，结果相差是比较大的。
汽车关门音时间信号
关门音声压级（时间计权F和时间计权S对比）
在这里如果选用时间计权S的话（图中黑色曲线），将不能反映出声压的变化。所以在处理时域变化较快的声音信号时，宜采用时间常数较小的分析方法，如时间计权F（图中绿色曲线）。
在ArtemiS中除了时间计权S，F这两个在IEC61672-1中规定的时间常数外。还可以选择时间常数I（用于脉冲信号分析），或者是自定义时间常数，以满足不同分析目的的需求。
在ArtemiS SUITE中为了节省计算量提高计算速度，其对原始数据还进行了降采样处理。因为在时间计权声压级的计算中含有低通滤波，本身就抑制了极速变化的过程。所以结合时间常数，进行适当的将采样处理，可以大量节省计算的时间。因为对于音频的采样频率一般都很高（大于40kHz），如果对所有的原始数据都进行处理，计算量会特别大。下图中为采用降采样处理之后与使用原始数据计算的结果对比，可见结果几乎完全一样。
降采样后数据与原始数据分析对比
HEAD 声级计
在HEAD的四通道数采前端SQbold以及即将面世的全新八通道数采SQuadriga III（firmware1.2）中将嵌入声级计功能，实时显示时间以及频率计权声压级。在声级计的设置中有Fast、Slow和Impulse三种时间常数可选。此外，还可以显示等效连续声级、声暴露级以及响度和尖锐度等心理声学参数。
文中所有图片均为ArtemiS SUITE计算绘制。
参考文献：
[1]IEC 61672-1: Electroacoustics-Sound lecel meters: Part 1: Specifications,2002-05
[2] NTi Audio: 声学基础：声压级中的时间计权，https://zhuanlan.zhihu.com/p/49925164
 
 
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