《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





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