Приложение С (рекомендуемое). Объективный метод оценки слышимости тонов в шуме. Основной метод

Приложение С
(рекомендуемое)

Объективный метод оценки слышимости тонов в шуме. Основной метод

С.1 Введение

Если наличие слышимых тонов вызывает сомнение, то описываемый в настоящем приложении метод позволяет инструментально проверить их существование. Метод обеспечивает также определение рекомендуемых коррекций уровня шума на тональность. Метод состоит в инструментальной оценке тонов тем же способом, как это делает на слух средний слушатель. Метод основан на психоакустическом понятии критической полосы, когда ее ширину определяют так, что шум вне критической полосы не оказывает существенного влияния на слышимость тонов внутри полосы.

Метод включает в себя процедуры для оценки постоянных и переменных тонов, узкополосного шума, низкочастотных тонов и позволяет определить коррекции на тональность в диапазоне от 0 до 6 дБ.

С.2 Инструментальный метод

С.2.1 Общие положения

Метод состоит из трех этапов:

1) узкополосного частотного анализа (предпочтительно с использованием быстрого преобразования Фурье);

2) определения среднего уровня звукового давления тона(ов) и маскирующего шума внутри критической полосы вблизи тона(ов);

3) расчета слышимости тона и коррекции .

С.2.2 Частотный анализ

Узкополосный спектр измеряют на частотной характеристике А шумомера при линейном усреднении по меньшей мере в течение 1 мин ("длительное усреднение").

Эквивалентная полоса пропускания анализатора (далее - полоса анализатора) должна быть менее 5% ширины критической полосы. Ширина критических полос указана в таблице С.1.

Рекомендуется, чтобы измерительная аппаратура, включая анализатор спектра, была калибрована в децибелах относительно 20 мкПа и чтобы анализ был выполнен с применением временного окна Ханна.

Примечания

1 При использовании окна Ханна полоса анализатора составляет 1,5 разрешения по частоте. Разрешением по частоте называют расстояние в герцах между соседними линиями спектра.

2 При полосе анализатора, равной 5% ширины критической полосы, явно слышимый тон обычно проявляется как локальный максимум с уровнем по меньшей мере на 8 дБ выше маскирующего шума в усредненном спектре.

3 В редких случаях, когда имеется множество близких тонов (комплексный тон), может потребоваться высокое разрешение, чтобы безошибочно определить уровень маскирующего шума.

4 Если частота слышимых тонов в спектре изменяется более чем на 10% ширины критической полосы в течение времени усреднения, то может потребоваться подразделить период длительного усреднения на некоторое число коротких периодов усреднения.

С.2.3 Определение уровней звукового давления

С.2.3.1 Уровень звукового давления тона

Тон может быть идентифицирован визуально при узкополосном спектральном анализе. Уровни звукового давления тонов определяют по спектру.

Любые локальные максимумы спектра считают тоном, если их ширина по уровню 3 дБ от максимума (рисунок С.2) составляет менее 10% ширины критической полосы.

Уровни всех тонов с номерами i в критической полосе суммируют по энергии, чтобы получить общий уровень тона , дБ, в этой полосе по формуле

.

(C.1)

Примечание - Если тон представляет собой узкую полосу или частота тона варьируется, или частота тона не совпадает с частотой спектральной сетки анализатора, то тон может проявляться несколькими спектральными линиями в усредненном спектре. В таком случае уровень тона есть сумма по энергии всех линий вблизи тона с уровнями не более чем на 6 дБ ниже локального максимума спектра, корректированная на влияние применяемой функции окна (при использовании весовой функции Ханна из суммы по энергии вычитают 1,8 дБ).

Низкочастотные тоны (при наличии) целесообразно исследовать, если общий уровень тона выше порога слышимости. Если общий уровень тона в критической полосе ниже порога слышимости, то этой критической полосой следует пренебречь при оценке слышимости тонов.

С.2.3.2 Ширина и центральная частота критических полос

Ширина критических полос указана в таблице С.1.

Таблица С.1 - Ширина критических полос

Центральная частота , Гц	Ширина полосы
От 50 до 500	100 Гц
Св. 500	20%

Критическая полоса должна быть размещена так, чтобы ее центральная (среднеарифметическая) частота совпадала с частотой тона. Если в критической полосе имеется много тонов, то ее размещают симметрично относительно наиболее значительных тонов таким образом, чтобы разность между общим тональным уровнем и уровнем маскирующего шума (С.2.3.3) была максимальна.

При определении центральной частоты критической полосы существенными считают только тоны с уровнями не более чем на 10 дБ ниже максимального тона.

Примечание - Центральная частота критической полосы может изменяться непрерывно в диапазоне частот измерений. Низшая критическая полоса содержит частоты от 0 до 100 Гц.

С.2.3.3 Уровень звукового давления маскирующего шума в критической полосе

Средний уровень шума в критической полосе находят визуальным усреднением "спектральных линий шума" в узкой полосе частот, составляющей приблизительно от 0,5 до 1,0 ширины критической полосы (относительно центральной частоты ), не принимая во внимание все максимумы спектра, обусловленные наличием тонов и их возможных боковых составляющих в рассматриваемой полосе.

Примечание - Определение наличия и интенсивности тона проводят по С.4.

Общий уровень маскирующего шума , дБ, рассчитывают по среднему уровню шума в критической полосе по формуле

,

(C.2)

где - ширина критической полосы, Гц;

- полоса анализатора, Гц.

С.2.4 Расчет слышимости тона и коррекции

Слышимость тона , дБ, выражается превышением тона над маскирующим порогом слышимости (МТ) (рисунок С.1). Коррекцию прибавляют к значению эквивалентного уровня звука , чтобы получить корректированный на тональность оценочный уровень на временном интервале измерения. По разности между общим уровнем тона и общим уровнем шума в критической полосе - по графикам на рисунке С.1 могут быть получены значения величин и . Конкретные значения центральной частоты критической полосы и разности - задают соответствующую точку на рисунке С.1. Слышимость тона определяют по разности между - и маскирующим порогом слышимости, показанным на рисунке. Значения находят интерполяцией соответствующих значений графиков на рисунке С.1.

"Рисунок С.1 - Маскирующий порог слышимости (МТ) и графики для определения коррекции "

В альтернативе значение может быть рассчитано по формуле

,

(С.3)

где - общий уровень звукового давления тона в критической полосе, дБ;

- общий уровень звукового давления маскирующего шума в критической полосе, дБ;

- центральная частота критической полосы, Гц.

Коррекция , дБ, в зависимости от значения , дБ, равна:

- при >10	= 6;	(С.4)
- при 410	= - 4;	(С.5)
- при <4	= 0.	(С.6)

Примечание - может быть выражена нецелыми значениями.

Если одновременно имеется несколько тонов (или групп тонов) в разных критических полосах, то оценки должны быть сделаны для каждой из этих полос. Критическая полоса, содержащая наиболее значимые тоны (т.е. имеющие наибольшие значения ), определяет значения и .

С.3 Документация

Должна быть представлена следующая документированная информация:

a) для спектрального анализа:

- число усредненных спектров, продолжительность измерений и полоса анализатора;

- временное окно (например, Ханна), временная и частотная характеристики шумомера;

- один типичный спектр (по меньшей мере) с указанием положения критической полосы и среднего уровня шума в этой полосе;

b) для расчетов в определяющей критической полосе:

- информация о том, получены ли результаты посредством визуального контроля или путем автоматического расчета;

- границы критической полосы и диапазон частот для визуального усреднения или линейной регрессии (см. С.4.3);

- частоты и уровни тонов и общий уровень тона ( и в децибелах относительно 20 мкПа);

- уровень маскирующего шума в критической полосе ( в децибелах относительно 20 мкПа);

- слышимость тона , дБ;

- значение коррекции , дБ.

c) тоны в других критических полосах, на частотах которых может потребоваться внести коррекции.

С.4 Определение уровней тона и маскирующего шума

С.4.1 Общие положения

В настоящем разделе приведена методика определения уровней тонов и маскирующего шума в расчете на компьютерную обработку информации.

Примечание - От эксперта, выполняющего анализ спектра, зависит корректность результатов. Поэтому важно выбрать программное обеспечение так, чтобы был возможен визуальный контроль результатов. По крайней мере, требуется получить спектр с линиями, определяющими тоны, с соответствующими критическими полосами и линиями регрессии. Кроме того, полезно использовать цветные линии для выделения спектра шума, шумового интервала и тонов.

С.4.2 Шумовые интервалы

Шумовыми интервалами называют локальные максимумы в спектре, вероятно содержащие тоны. Шумовые интервалы определяют по следующему правилу.

Начало шумового интервала находят на положительном склоне локального максимума как спектральную линию с номером s, которая соответствует следующим условиям:

, дБ,

(С.7)

, дБ,

(С.8)

где - уровень звукового давления, соответствующий линии с номером s;

- уровень звукового давления, соответствующий линии с номером s - 1 и т.д.;

- критерий для распознавания тона, обычно принимаемый равным 1 дБ.

Примечание - Для нормального и гладкого спектра критерий = 1 дБ вполне надежен. Для нерегулярного спектра (например, спектра с коротким временем усреднения, как указано в С.2.2, примечание 4) значения критерия вплоть до 3 или 4 дБ могут дать лучшие результаты. Рекомендуется, чтобы значение критерия мог задавать пользователь программного обеспечения метода.

"Рисунок С.2 - Графическое представление тонов, шума и шумовых интервалов"

Конец шумового интервала находят на отрицательном склоне (на спаде) локального максимума как спектральную линию е, которая отвечает следующим условиям:

, дБ,

(С.9)

, дБ.

(С.10)

Предварительно шумовым интервалом считают зону между линиями s и е, включая их обе.

Поиск следующего шумового интервала начинают с линии номер е + 1.

Шумовой интервал может иметь только одно начало и один конец.

Указанная процедура должна быть выполнена при исследовании спектра в направлении от высоких частот к низким.

Окончательно шумовые интервалы находят, объединяя предварительно определенные шумовые интервалы при движении по спектру в обоих направлениях.

С.4.3 Тоны

Тоны находят внутри шумового интервала. Тон может присутствовать в спектре, если уровень звукового давления на любой частоте в шумовом интервале на 6 дБ или более выше уровня звукового давления линий s-1 и е+1.

Признаки тонов указаны в С.2.3.1. Это определение относится как к тонам, так и к узкополосному шуму. Ширина полосы пика определяется границами, в которых уровень звукового давления на 3 дБ ниже максимального уровня звукового давления в шумовом интервале (правило 3 дБ).

Если эта полоса уже 10% ширины критической полосы, то каждую линию спектра в полосе, которая ниже максимального уровня звукового давления не более чем на 6 дБ, считают тоном. Но за частоту тона принимают частоту линии с максимальным уровнем звукового давления в шумовом интервале.

Примечание - Если полоса по правилу 3 дБ шире 10% ширины критической полосы, то линии спектра не считают ни тонами, ни узкополосным шумом. Для этого феномена не существует коррекций, если только не имеет место тон с изменяющейся частотой, когда требуется применить краткосрочное усреднение.

Тоны с изменяющейся частотой могут проявляться как широкие (размытые) максимумы при длительном усреднении спектра. Ширина этих максимумов зависит от диапазона изменения частоты тона и времени усреднения. Если частота тона изменяется более чем на 10% ширины критической полосы на интервале усреднения, то 10%-ный критерий (см. С.2.3.1) должен быть отвергнут и всякая линия внутри широкого максимума должна быть признана тоном, или должно быть выполнено усреднение на коротком интервале.

С.4.4 Маскирующий шум

Все линии спектра, не относящиеся к шумовому интервалу, названные в С.2.3.3 "спектральными линиями шума", считают маскирующим шумом. Уровень маскирующего шума в критической полосе определяют по линии линейной регрессии, аппроксимирующей спектр. Частотный диапазон регрессии обычно принимают равным 0,75 ширины критической полосы относительно центральной частоты критической полосы.

Для нерегулярного спектра или спектра с широкими тональными максимумами частотный диапазон регрессии может быть расширен до 1 или до 2 ширины критической полосы. Это может повысить коэффициент корреляции для линии регрессии, аппроксимирующей спектр шума. Рекомендуется, чтобы частотный диапазон регрессии мог задавать пользователь программного обеспечения метода.

Для каждой частоты в критической полосе уровень шума определяют по линии регрессии. Общий уровень маскирующего шума , дБ, в критической полосе определяют как сумму по энергии уровней всех линий спектра в критической полосе с коррекцией на влияние применяемого окна по формуле

,

(C.11)

где - частотное разрешение, Гц;

- полоса анализатора, Гц.

С.5 Примеры

Примеры даны по результатам автоматической обработки следующих данных: число спектров 350, продолжительность измерений 2 мин.