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【振動噪音產學技術聯盟】107年度活動快報

  「振動噪音產學技術聯盟」於103年2月起獲科技部補助產學小聯盟計畫,聯盟與產業界互動經驗發現業界存有普遍現象:產品的振動噪音議題要求趨於嚴格;研發部門對於振動噪音知識不足,工程師不知如何有效應用引進的振動噪音分析、量測軟硬體等。
  可藉由【振動噪音產學技術聯盟】舉辦之研討會與教育訓練,來增加振動噪音相關知識與資訊;有這麼好康的活動,一定要把握機會呀!敬邀各界先進參加~


【振動噪音產學技術聯盟】107年度活動快報


時間活動主題地點
2018年11月9日聲學研討會成功大學
  • 聯盟粉絲團文章連結主辦單位:科技部、國立屏東科技大學「振動噪音產學技術聯盟」、國立臺北科技大學、國立彰化師範大學、正修科技大學、高苑科技大學、中華民國振動與噪音工程學會、臺灣聲學學會
  • 詳細活動資訊將於聯盟網站發布。
  • 為提供最佳活動品質,主辦單位保有變更活動內容之權利,活動訊息以本聯盟網站公告為主

《振動噪音科普專欄》聲音壓力位準 dB 和 dB(A)有甚麼不同?

許多人都會納悶噪音值的單位是dB,也就是分貝,為什麼有時候會看到有寫成dB(A)、或是dBA?噪音值的dBdB(A)有甚麼不同嗎?如果有不同的物理意義,肯定dB是不等於dBA,那麼為什麼要有dBdB(A)的單位差異?這樣的差異,又代表了怎樣的意義?

在先前的單元:【為什麼噪音值是「分貝」?】,已經介紹了「聲音壓力位準」(Sound Pressure Level, SPL),單位:dB,分貝(decibel)。分貝值更精確、完整的單位表示,應該寫成:dB re 20μPa,英文唸法:decibel with respect to 20 micro Pascal。中文說法:以20μPa為參考值的分貝值。

既然是dB的單位,為什麼要這麼囉嗦的寫成dB re 20μPa,及那樣繁瑣的唸法,爾後我們再另闢單元,來談甚麼是dB,以及其他物理量的分貝定義方式。

了解了「聲音壓力位準」,單位:dB,這個單元我們就來看表示成dBdB(A)的差異,以及隱含的物理意義。

首先,我們必須有個認知:聲音是由許多不同頻率的聲波所組成。當我們在量測聲音壓力時,是可以得到不同頻率的聲音壓力大小,我們將聲音壓力以dB「聲音壓力位準」表示。

通常我們量測得到一個聲音、或是噪音源的聲音,我們會取得各個頻率的dB值,將各個頻率的聲音dB值,累加起來就可得到一個噪音分貝值dB,所以,先就單位dBdB(A)的兩種「聲音壓力位準」,做說明:

1.     「聲音壓力位準」,單位為dB:是將所有不同頻率的聲音大小dB值,做累加,可以得到單一數值的噪音分貝dB值。也就是,包含了所有人耳可聽到聲音的頻率範圍,其不同頻率聲波音量的累加。
2.     A加權聲音壓力位準」(A-weighted Sound Pressure Level),單位為dB(A):是將每個不同頻率的聲音dB值,取A加權的「頻率加權函數」,再將經A加權後之各頻率的聲音dB值,累加起來的總dB分貝值,就是dB(A)

從以上的說明,又引申了相關的疑問:「不同頻率」怎麼界定呢?甚麼是「頻率加權函數」?又為什麼有「A加權的頻率加權函數」?如何而來呢?為什麼呢?

參考圖示,我們首先來看「不同頻率」的界定方式:

1.       「八音頻帶」(octave band):從31.5631252505001k2k4k8k16k,稱為「八音頻帶」的「中心頻率」(central frequency)
2.      「三分之一八音頻帶」(1/3 octave band, one-third octave band):在「八音頻帶」中,每兩個「中心頻率」之間,又都有兩個「中心頻率」值,在表中fc是「中心頻率」,所觀察到的所有頻率,從1012.516202531.5、、到16k20k,稱為「三分之一八音頻帶」的「中心頻率」。

有了「八音頻帶」及「三分之一八音頻帶」的「中心頻率」概念,我們再介紹不同的「頻率加權函數」,圖示以及表列中,列舉出3種「頻率加權函數」,包括:

1.          A加權(A-weighting)A加權係基於40 Phon等響度曲線,所定義的「頻率加權函數」。
2.          B加權(B-weighting)B加權係基於70 Phon等響度曲線,所定義的「頻率加權函數」。
3.          C加權(C-weighting)A加權係基於100 Phon等響度曲線,所定義的「頻率加權函數」。

由圖示以及表列數值,可觀察出:不同的中心頻率,不同的「頻率加權函數」,會有不同的「加權dB值」;大部分都是負值,有的加權值是0;在A加權,也有正的加權值。在此要特別注意:現今實務上都只有取A加權,其他的加權方式,已經不採用了。

了解了不同的「頻率加權函數」的定義,那要來談一下,為什麼要做「頻率加權」處理,由先前單元:【怎麼看「等響度曲線」?】,人耳對不同頻率純音的聽感有不同的靈敏度,大致是:人耳對低頻率的聲音較不靈敏,要比較大的音量才聽得見,在2kHz 4kHz附近,是人耳較靈敏的頻帶。

對實際量測到的「八音頻帶」或是「三分之一八音頻帶」的頻譜,取「頻率加權」處理,是要使得量測到的不同頻率之音量大小,可以調整到人耳對各頻率的聽感之響度是相同的。前述,A加權係基於40 Phon等響度曲線,所定義的「頻率加權函數」,就是應用到一般音量的評估,而B加權及C加權分別是應用到較高音量的評估,不過,為了簡化及避免混淆,現在都只採用A加權

圖示右下方,以白色直條圖顯示原始的不同中心頻率的聲音dB值,係採用具有「三分之一八音頻帶」功能的噪音計所取得的聲音頻譜。將每個中心頻率的dB值累加起來,可得到沒有加權的「聲音壓力位準」,Lp=73.5dB

接著,要取得「A加權聲音壓力位準」,La=72.8 dB(A),需要對原始量測每個中心頻率的dB值,與對應的「A加權的頻率加權函數」相加,可觀察:低頻率減得多,高頻率減得少,在1000Hz,加權值為0,即沒有增減,在1250~5000Hz的中心頻率,是微量dB的增加。

做這樣的「A加權的頻率加權函數」處理:是要使得量測到的不同頻率之音量大小,可以調整到人耳對各頻率的聽感,有相同的響度感受。

以同樣的作法,只是「頻率加權函數」的B加權及C加權之不同,就可分別得到「B加權聲音壓力位準Lb=72.1 dB(B)及「C加權聲音壓力位準Lc=72.5 dB(C)。因此,可知相同的量測到之聲音頻譜,取不同的「頻率加權」處理,dB值的總量是會有差異的。

本單元探討了dBdB(A)分別是「聲音壓力位準」及「A加權聲音壓力位準」的表示單位。也說明了「頻率加權函數」的緣由及應用方式,希望對讀者有幫助。需注意的是,現今實務上都只有取A加權,其他的加權方式,已經不採用了。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.04.05





《振動噪音科普專欄》怎麼看「等響度曲線」?


每一本介紹噪音的教科書,都會看到「等響度曲線」(Loudness Contour)這張圖示,甚麼是響度(Loudness)?甚麼是等響度(equal Loudness)?響度的物理意義?等響度的物理意義?跟響度有甚麼差別呢?為什麼圖示水平軸頻率的座標不是線性的(linear),而是對數的(logarithmic)?為什麼垂直軸要採用dB的單位?

這個單元就針對圖示的「等響度曲線」來進行說明,分項討論如下:

1.          「等響度曲線」:圖示有0~90的等響度曲線,每一條曲線,代表有相同的「響度」(Loudness),響度單位為Phon,中文寫成「(ㄈㄥˇ)
2.          水平軸:是頻率軸,以Hz為單位。最低及最高頻率分別為2020k=20,000Hz,是一般認定人耳可聽到的聲音頻率範圍(audible frequency range)。圖示中以藍色圈標示的頻率,從31.5631252505001k2k4k8k16k,稱為「八音頻帶」(octave band)的「中心頻率」(central frequency),可以看到兩兩個頻率是呈倍數的比例。在每兩個中心頻率之間,又都有兩個頻率值,在頻率軸上,所觀察到的所有頻率,從202531.5、、到16k20k,稱為「三分之一八音頻帶」(1/3 octave band, one-third octave band)的中心頻率。頻率軸可以看出以「對數座標」(logarithmic scale)表示,因為人耳對聲音頻率的感覺是倍數的關係。
3.          垂直軸:是「聲音壓力位準」(sound pressure level, SPL),單位顯示為dB,在先前單元【為什麼噪音值是「分貝」?】已經有說明,是對一個「聲音壓力參考值」,Pref=20μPa,是1000Hz的純音時,當20μPa的聲音壓力值是人耳剛好可以聽到聲音的量值,所以就採用Pref=20μPa。在1,000Hz0 Phon位置,對應的「聲音壓力位準」為0 dB,注意的是0 dB,不是沒有聲音,是「聲音壓力」等於「聲音壓力參考值」,P=Pref。如果,P<PrefdB值會是負值;如果,P>PrefdB值就是正值。如果,P=10 PrefdB值剛好20,也就是「聲音壓力」每相差10倍,「聲音壓力位準」dB值差異是20dB
4.          0 Phon等響度曲線,也是「人耳聽力閥值曲線」:此閥值曲線是以「純音」(pure tone),也就是單一頻率的聲音撥放,逐漸增大音量,直到人耳可以聽到該聲音,所需要的聲音壓力大小,例如:100Hz的純音,人耳在20dB時,才聽得到此聲音。從「人耳聽力閥值曲線」(hearing threshold curve)可以看出人耳對低頻率的聲音較不靈敏,要比較大的音量才聽得見,在2kHz 4kHz附近,是人耳較靈敏的頻帶,接近-10 dB的音量大小,人耳就可聽見。
5.          10 Phon等響度曲線:在1,000Hz的純音,當音量調到10dB時,人耳聽到此聲音的感覺,恰好是1,000Hz純音,音量0 dB的兩倍響度的感覺;也就是10 Phon響度,是0 Phon響度,有兩倍響度的感覺。要取得10 Phon等響度曲線,同樣是依序撥放不同頻率的純音,慢慢調大音量,使得人耳聽到的響度與1,000Hz純音,音量10 dB的響度相同,就取得了10 Phon的等響度曲線。例如:200Hz純音,25dB的聲音,與1,000Hz純音,音量10 dB的聲音,兩者有相同的響度;餘此類推。
6.          0,10,20,…,90 Phon等響度曲線:也就是依照前述,以不同頻率之純音,對人耳做純音的聽感測試,會有相同響度的感覺,就是「等響度曲線」的意義。圖示曲線只顯示到90 Phon的等響度曲線,還有100110 Phon的等響度曲線。在此補充,20 Phon10 Phon的兩倍響度,而10 Phon0 Phon的兩倍響度,所以,20 Phon0 Phon4倍響度;餘此類推。
7.          40 Phon等響度曲線:是接近「A加權聲音壓力位準」(A-weighted SPL)的頻率加權函數曲線,因為人耳對不同頻率,有不同響度的聽覺感受,所以,取40 Phon等響度曲線,作為A加權的頻率加權函數,這樣的A加權處理方式,在使得量測到的不同頻率之音量大小,可以調整到人耳對各頻率的聽感之響度是相同的。至於如何取得考量頻率效應的「聲音壓力位準」的分貝值dB,或是「A加權聲音壓力位準」的分貝值dB(A),我們再另闢單元討論。

到這裡,我們從「等響度曲線」的圖示,觀察到許多聲音的背景知識,特別是了解到人耳對不同頻率的純音之聽覺感受,簡要的綜合如下:

1.          在頻率之水平軸,呈現「對數座標」,因為人耳對聲音頻率的感覺,是倍數的關係,在先前單元【音階標準頻率】,就提到音樂的音階頻率,人們對於音高頻率的聽感是倍數的感覺,而「半音」音階的頻率比剛好是21/12次方=1.059463
2.          在垂直軸的「聲音壓力位準」,代表音量的大小,單位為dB。會採用dB的單位,是因為實際的聲音物理量,在先前單元【代表聲音的物理量是甚麼?】討論過,已知是「聲音壓力」,單位Pa。但是,聲音壓力的量值大小,與人耳聽覺感受,並沒有明顯的對應關係。如果,以dB來表示聲音大小,以1000Hz的純音而言,音量大小相差10dB,就大約是兩倍響度的差異。所以音量大小都以dB來表示,容易感受聲音的量值範圍。
3.          知道如何取得「等響度曲線」,就可以知道:「0 Phon等響度曲線」,也就是「人耳聽力閥值曲線」(hearing threshold curve)
4.          A加權聲音壓力位準」是參考「40 Phon等響度曲線」,設定其頻率加權函數,以實際所量測的聲音頻譜,考量了人耳對不同頻率聽感的頻率加權處理,而求得dB(A)是「A加權聲音壓力位準」,我們再另闢單元討論。

本文由「等響度曲線」的圖示,來看人耳對不同頻率的純音之聽覺感受,希望對讀者有幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.04.04