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频率计权的基本原理

频率计权的基本原理


声压级的频率计权

为什么要进行频率计权[1]?一是由于人耳耳道耳蜗等构造的差异,使得人耳对不同频率的声音信号有不同的响应;二是人耳对不同频率的声音的敏感度也不一样,所以对于同等声压但频率不同的声信号,人的感受也不同。声压的频率计权有ABCDGZ,其中A计权应用*为广泛。在标准IEC 61672中只保留了ACZ计权。下面,详细地介绍一下各个计权的异同以及应用。

频率计权的基本原理 

ACZ频率计权

1A频率计权

当声音不大即声压级不高的时候,比如在环境背景音或者一般的工作状态中,人耳对低频和高频的信号不是特别敏感,因此引入A计权来表示人耳的具体听觉。在标准IEC61672-1[2]中规定,A计权的计算如下:


2C频率计权

当声音变响之后,人耳可以识别到低频以及高频的信号,对这些信号也变得比较敏感时,计算如下:


3Z频率计权

Z计权就相当于是不计权,即


要实现频率C计权,首先需要设计一段在f1 和f4 分别拥有两个极点,以及在0Hz处有两个零点的传递函数。该函数频响曲线的幅值平方分别在fL=101.5Hz以及fH=103.9Hz处衰减一半(大约-3dB)。然后再通过C1000 常数进行修正使得在1000Hz处的响应值为0Hz。其在整个频率范围内也比较接近于线性不计权,即Z计权。A计权则是在C计权的基础上加上两个截止频率fA 102。45Hz的高通滤波器。


 

BDG频率计权

1BD频率计权

B计权在实际运用中很少使用,*新的标准中也不再包含此计权。D计权的设计原是针对飞机噪声的,D计权在6kHz处有一个峰值,那是因为人耳对随机噪音和某频率的纯音的区分度不同,这种效应在6kHz处尤为明显,其频响曲线如下所示。现在D计权只用于non-Bypass engines的噪声计权,但是这种引擎目前只在军用飞机上才会使用,对于一般的民用轻型飞机使用A计权即可。而对于大型的商用运输机,则有更加合适的EPNdB计权。


频率计权的基本原理 

2G频率计权

G计权主要用于次声测量的频率计权。参考ISO7196[3],次声滤波器的相位衰减在低于20Hz时为12dB/oct,在高于20Hz时为24dB/oct。频响如图:


 

等响曲线

声音在不同的频率处,即使声压级一样,响度也是不一样的。换言之,响度一样的声音,在不同频率处的声压级也是不一样的。将各个频率处相同响度的声压级连成一条线,那就是等响曲线,如图:


频率计权和等响曲线之间也是有一定关系的。比如A计权,有部分就是参照40phon等响曲线来的,这里40phon代表的是,在1000Hz处声压级为40dB(无计权)。所以,频率计权声压级在一定程度上也可以反映出响度的大小。

频率计权的基本原理 

振动的频率计权

除了在声压级的计算会使用到频率计权,在振动量级计算的时候,由于考虑到振动对人体的影响,也会使用到频率计权。对于不同的频率方向所使用的振动频率计权也会不一样。下表总结了在ISO 2631[4,5,6]以及ISO 5349[7]中所提及的几种频率计权。


 

在这些频率计权中,Wb 和W都表示对于人体任意姿势的Z方向的振动的计权,两者的计权曲线也比较相似,但Wb 计权更加适用于评价轨道交通中的舒适性。


频率计权的基本原理 

时间域/频率域计权

1时间域计权

即对时间信号施加一计权滤波器,在已知计权滤波器的传递函数的情况下,即可计算数字滤波器的分子分母系数,从而实现数字滤波器的设计[8]。

 

2频率域计权

即先对时间信号进行FFT计算,再在计算结果上添加计权,即参照计权(频响)曲线,对各个频率处的值进行修正。

 

通常情况下,这两种方法的分析结果没有显著的差别,但如果在分析的时候没有选用合适的参数,比如合适的窗函数,计算结果就会出现偏差。可对比下面两组例子,左图是使用Hanning窗进行分析的结果,右图是使用矩形窗(不加窗)的结果。

 

结果显示:使用Hanning窗时,两种计权顺序的结果只在低频处有细微的差异;而使用矩形窗的时候,两者差异较大。因为矩形窗在分析的时候存在比较大的能量泄漏,但如果在分析之前先对时域信号进行计权滤波,则可以有效地减少能量泄漏,其结果也和使用Hanning窗的分析结果更为接近。



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