Кривая равной громкости как найти

From Wikipedia, the free encyclopedia

An equal-loudness contour is a measure of sound pressure level, over the frequency spectrum, for which a listener perceives a constant loudness when presented with pure steady tones.^[1] The unit of measurement for loudness levels is the phon and is arrived at by reference to equal-loudness contours. By definition, two sine waves of differing frequencies are said to have equal-loudness level measured in phons if they are perceived as equally loud by the average young person without significant hearing impairment.

The Fletcher–Munson curves are one of many sets of equal-loudness contours for the human ear, determined experimentally by Harvey Fletcher and Wilden A. Munson, and reported in a 1933 paper entitled «Loudness, its definition, measurement and calculation» in the Journal of the Acoustical Society of America.^[2] Fletcher–Munson curves have been superseded and incorporated into newer standards. The definitive curves are those defined in ISO 226 from the International Organization for Standardization, which are based on a review of modern determinations made in various countries.

Amplifiers often feature a «loudness» button, known technically as loudness compensation, that boosts low and high-frequency components of the sound. These are intended to offset the apparent loudness fall-off at those frequencies, especially at lower volume levels. Boosting these frequencies produces a flatter equal-loudness contour that appears to be louder even at low volume, preventing the perceived sound from being dominated by the mid-frequencies where the ear is most sensitive.

Fletcher–Munson curves[edit]

The first research on the topic of how the ear hears different frequencies at different levels was conducted by Fletcher and Munson in 1933. Until recently, it was common to see the term Fletcher–Munson used to refer to equal-loudness contours generally, even though a re-determination was carried out by Robinson and Dadson in 1956, which became the basis for an ISO 226 standard.

It is now better to use the generic term equal-loudness contours, of which the Fletcher–Munson curves are now a sub-set,^[3] and especially since a 2003 survey by ISO redefined the curves in a new standard.^[4]

Experimental determination[edit]

The human auditory system is sensitive to frequencies from about 20 Hz to a maximum of around 20,000 Hz, although the upper hearing limit decreases with age. Within this range, the human ear is most sensitive between 2 and 5 kHz, largely due to the resonance of the ear canal and the transfer function of the ossicles of the middle ear.

Fletcher and Munson first measured equal-loudness contours using headphones (1933). In their study, test subjects listened to pure tones at various frequencies and over 10 dB increments in stimulus intensity. For each frequency and intensity, the listener also listened to a reference tone at 1000 Hz. Fletcher and Munson adjusted the reference tone until the listener perceived that it was the same loudness as the test tone. Loudness, being a psychological quantity, is difficult to measure, so Fletcher and Munson averaged their results over many test subjects to derive reasonable averages. The lowest equal-loudness contour represents the quietest audible tone—the absolute threshold of hearing. The highest contour is the threshold of pain.

Churcher and King carried out a second determination in 1937, but their results and Fletcher and Munson’s showed considerable discrepancies over parts of the auditory diagram.^[5]

In 1956 Robinson and Dadson produced a new experimental determination that they believed was more accurate. It became the basis for a standard (ISO 226) that was considered definitive until 2003 when ISO revised the standard on the basis of recent assessments by research groups worldwide.

Recent revision aimed at more precise determination – ISO 226:2003[edit]

Perceived discrepancies between early and more recent determinations led the International Organization for Standardization (ISO) to revise the standard curves in ISO 226. They did this in response to recommendations in a study coordinated by the Research Institute of Electrical Communication, Tohoku University, Japan. The study produced new curves by combining the results of several studies—by researchers in Japan, Germany, Denmark, UK, and the US. (Japan was the greatest contributor with about 40% of the data.)

This has resulted in the recent acceptance of a new set of curves standardized as ISO 226:2003. The report comments on the surprisingly large differences, and the fact that the original Fletcher–Munson contours are in better agreement with recent results than the Robinson–Dadson, which appear to differ by as much as 10–15 dB especially in the low-frequency region, for reasons not explained.^[6]

According to the ISO report, the Robinson–Dadson results were the odd one out, differing more from the current standard than did the Fletcher–Munson curves. The report states that it is fortunate that the 40-phon Fletcher–Munson curve on which the A-weighting standard was based turns out to have been in agreement with modern determinations.^[4]

The report also comments on the large differences apparent in the low-frequency region, which remain unexplained. Possible explanations are:^[4]

• The equipment used was not properly calibrated.
• The criteria used for judging equal loudness at different frequencies had differed.
• Subjects were not properly rested for days in advance, or were exposed to loud noise in traveling to the tests which tensed the tensor tympani and stapedius muscles controlling low-frequency mechanical coupling.

Side versus frontal presentation[edit]

Real-life sounds from a reasonably distant source arrive as planar wavefronts. If the source of sound is directly in front of the listener, then both ears receive equal intensity, but at frequencies above about 1 kHz the sound that enters the ear canal is partially reduced by the head shadow, and also highly dependent on reflection off the pinna (outer ear). Off-centre sounds result in increased head masking at one ear, and subtle changes in the effect of the pinna, especially at the other ear. This combined effect of head-masking and pinna reflection is quantified in a set of curves in three-dimensional space referred to as head-related transfer functions (HRTFs). Frontal presentation is now regarded as preferable when deriving equal-loudness contours, and the latest ISO standard is specifically based on frontal and central presentation.

Because no HRTF is involved in normal headphone listening, equal-loudness curves derived using headphones are valid only for the special case of what is called side-presentation, which is not how we normally hear.

The Robinson–Dadson determination used loudspeakers, and for a long time the difference from the Fletcher–Munson curves was explained partly on the basis that the latter used headphones. However, the ISO report actually lists the latter as using compensated headphones, though it doesn’t make clear how Robinson–Dadson achieved compensation.

Headphones versus loudspeaker testing[edit]

Good headphones, well sealed to the ear, provide a flat low-frequency pressure response to the ear canal, with low distortion even at high intensities. At low frequencies, the ear is purely pressure-sensitive, and the cavity formed between headphones and ear is too small to introduce modifying resonances. Headphone testing is, therefore, a good way to derive equal-loudness contours below about 500 Hz, though reservations have been expressed about the validity of headphone measurements when determining the actual threshold of hearing, based on the observation that closing off the ear canal produces increased sensitivity to the sound of blood flow within the ear, which the brain appears to mask in normal listening conditions.^{[citation needed]} At high frequencies, headphone measurement becomes unreliable, and the various resonances of pinnae (outer ears) and ear canals are severely affected by proximity to the headphone cavity.

With speakers, the opposite is true. A flat low-frequency response is hard to obtain—except in free space high above ground, or in a very large and anechoic chamber that is free from reflections down to 20 Hz. Until recently,^[when?] it was not possible to achieve high levels at frequencies down to 20 Hz without high levels of harmonic distortion. Even today, the best speakers are likely to generate around 1 to 3% of total harmonic distortion, corresponding to 30 to 40 dB below fundamental. This is not good enough, given the steep rise in loudness (rising to as much as 24 dB per octave) with frequency revealed by the equal-loudness curves below about 100 Hz. A good experimenter must ensure that trial subjects really hear the fundamental and not harmonics—especially the third harmonic, which is especially strong as a speaker cone’s travel becomes limited as its suspension reaches the limit of compliance. A possible way around the problem is to use acoustic filtering, such as by resonant cavity, in the speaker setup. A flat free-field high-frequency response up to 20 kHz, on the other hand, is comparatively easy to achieve with modern speakers on-axis. These effects must be considered when comparing results of various attempts to measure equal-loudness contours.

Relevance to sound level and noise measurements[edit]

The A-weighting curve—in widespread use for noise measurement—is said to have been based on the 40-phon Fletcher–Munson curve. However, research in the 1960s demonstrated that determinations of equal-loudness made using pure tones are not directly relevant to our perception of noise.^[7] This is because the cochlea in our inner ear analyzes sounds in terms of spectral content, each «hair-cell» responding to a narrow band of frequencies known as a critical band. The high-frequency bands are wider in absolute terms than the low-frequency bands, and therefore «collect» proportionately more power from a noise source. However, when more than one critical band is stimulated, the signals to the brain add the various bands to produce the impressions of loudness. For these reasons Equal-loudness curves derived using noise bands show an upwards tilt above 1 kHz and a downward tilt below 1 kHz when compared to the curves derived using pure tones.

Various weighting curves were derived in the 1960s, in particular as part of the DIN 4550 standard for audio quality measurement, which differed from the A-weighting curve, showing more of a peak around 6 kHz. These gave a more meaningful subjective measure of noise on audio equipment, especially on the newly invented compact cassette tape recorders with Dolby noise reduction, which were characterized by a noise spectrum dominated by the higher frequencies.

BBC Research conducted listening trials in an attempt to find the best weighting curve and rectifier combination for use when measuring noise in broadcast equipment, examining the various new weighting curves in the context of noise rather than tones, confirming that they were much more valid than A-weighting when attempting to measure the subjective loudness of noise. This work also investigated the response of human hearing to tone-bursts, clicks, pink noise and a variety of other sounds that, because of their brief impulsive nature, do not give the ear and brain sufficient time to respond. The results were reported in BBC Research Report EL-17 1968/8 entitled The Assessment of Noise in Audio Frequency Circuits.

The ITU-R 468 noise weighting curve, originally proposed in CCIR recommendation 468, but later adopted by numerous standards bodies (IEC, BSI, JIS, ITU) was based on the research, and incorporates a special Quasi-peak detector to account for our reduced sensitivity to short bursts and clicks.^[8] It is widely used by Broadcasters and audio professionals when they measure noise on broadcast paths and audio equipment, so they can subjectively compare equipment types with different noise spectra and characteristics.

See also[edit]

Notes[edit]

References[edit]

External links[edit]

• ISO Standard
• Precise and Full-range Determination of Two-dimensional Equal Loudness Contours
• Fletcher–Munson is not Robinson–Dadson (PDF)
• Full Revision of International Standards for Equal-Loudness Level Contours (ISO 226)
• Test your hearing – A tool for measuring your equal-loudness contours
• Equal-loudness contour measurements in detail
• Evaluation of Loudness-level weightings and LLSEL JASA
• A Model of Loudness Applicable to Time-Varying Sounds AESJ Article

Кривые равной громкости и амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) наушников

О кривых равной громкости

Известно, что восприятие количества низких частот существенно зависит от громкости. В Hi-Fi усилителях и предусилителях часто встречается режим Loudness, поднимающий низкие частоты. Благодаря этому на тихой громкости низкочастотный регистр достаточно хорошо слышен.

На примере предусилителя Technics это выглядит как подъем низких и средних частот на 9 дБ.

Если использовать «басовитые» акустические системы в условиях тихого прослушивания, то получается естественный подъем на АЧХ, аналогичный включенному режиму Loudness.

Работа Loudness в Technics SE-A6

Наглядность и практичность исходных кривых равной громкости

Последняя модель кривых равной громкости вошла в международный стандарт ISO 226-2009.

По сути, сама по себе кривизна линий мало интересна, т.к. является своеобразным эквалайзером наших ушей и при воспроизведении записей с естественным уровнем громкости будет восприниматься ровно с акустической системы с «ровной» АЧХ.

При изменении уровня громкости субъективно тональный баланс будет меняться, но АЧХ в абсолютных величинах останется такой же ровной.

Такой вид графика используется в справочных материалах и не дает прямого наглядного применения для настройки аудиосистем.

Часто этот график используют для пояснения порога слышимости, и это оставляет иной информационный акцент, где мы условно или слышим низкие частоты, или не слышим и включаем настройку Loudness. На деле же это одно из применений этого графика.

Преобразование в практичный вид кривых равной громкости

Если все линии просто свести относительно одной частоты, то будет более наглядно видно, что от уровня громкости меняется восприятие низких и верхних частот.

Но такое представление графика все равно не позволяет визуально дать ответ на вопрос — как именно меняется восприятие АЧХ конкретных наушников при изменении уровня воспроизведения музыки.

Если взять за основу определенный уровень (например 72 дБ SPL) и представить его в виде прямой линии, то остальные кривые мы получим как разность от этой линии. Таким образом мы получаем наглядную картину, как меняется наше восприятие АЧХ при изменении уровня громкости! Т.е. график, приведенный ранее, выпрямляется и переворачивается. По сути, эти кривые показывают настройку эквалайзера, которая накладывается на основную АЧХ наушников.

В этом нет никакого глобального открытия, но есть возможность наглядно применить эту зависимость на практике с наушниками.

Мы видим, что при повышении уровня громкости увеличивается отдача в области самых низких частот (желтые и красные кривые). А при понижении уровня наоборот отдача уменьшается (зеленые и синие кривые). Это очень похоже на ручку тембра низких частот. Если мы выставим уровень громкости ниже естественного, то будет ощущать недостаток баса, а если выше, то наоборот, избыток.

Одна из причин, почему кривые равной громкости не спешат использовать на практике – все линии рассчитываются под определенное звуковое давление. Естественный уровень при воспроизведении музыки варьируется от жанра, например инструментальная музыка обычно негромкая — 70-85 дБ SPL, а тяжелый металлический рок порой громче 100-110 дБ SPL.

Тем не менее, если мы построим графики для разных опорных уровней, распределение кривых «громче» и «тише» останутся такими же, с погрешностью около 1 дБ.

Возможно, отсутствие наглядности в исходном графике кривых равной громкости изначально давало ложное предположение о сложности применения этих кривых к заранее неизвестному уровню громкости. Так как погрешность измерений АЧХ наушников выше, чем 1 дБ, то это позволяет применять кривые равной громкости к любому разумному уровню громкости.

Таким образом, можно привязать график к относительному изменению АЧХ, а не определенному уровню в абсолютных величинах.

Относительное субъективное изменение количества низких частот не зависит от того, какое звуковое давление мы принимаем за исходно-ровное. При повышении уровня громкости на 12 дБ, мы получим относительную прибавку в 6 дБ на 40 Гц независимо от исходного уровня. В рамках обсуждения музыки мы можем принять нормой 72 дБ для живого исполнения или спокойных жанров, а для других жанров берем другие уровни.

Какую практическую пользу из этого можно извлечь?

Зная субъективное изменение АЧХ, можно подобрать наушники с наиболее субъективно ровной АЧХ под ту громкость, под которой производится прослушивание музыки.

Посмотреть подробные примеры >>

Кривые равной громкости

Для
нахождения соответствия между громкостью
и интенсивностью звука на разных частотах
пользуются кривыми
равной громкости
(рис.3). Их строят на основании средних
данных, полученных у людей с нормальным
слухом.

Нижняя
кривая соответствует интенсивностям
самых слабых слышимых звуков — порогу
слышимости. Для всех частот этой кривой
Е
= 0; для частоты 1 кГц интенсивность звука
I₀
= 10^-12
Вт/м².
Верхняя кри­вая соответствует порогу
болевого
ощущения.

Рис.3

Из кривых на рис.3
видно, что среднее человеческое ухо
наиболее чувствительно к частотам 2500
– 3000 Гц.

Каждая промежуточная
кривая отвечает одинаковой громкости,
но разной интенсивности звука для разных
частот. По отдельной кривой равной
громкости можно найти интенсивности,
которые при определенных частотах
вызывают ощущение этой громкости.

Используя
совокупность кривых равной громкости,
можно найти для разных частот громкости,
соответствующие определенной
интенсивности.

Пример.
Интенсивности звука частотой 100 Гц
соответствует L
= 60 дБ. Какова громкость этого звука?

На рис.3 находим
точку с координатами 100 Гц, 60 дБ. Точка
лежит на кривой соответствующей уровню
громкости 30 фон. Следовательно, громкость
звука равна 30 фон.

Аудиометрия

Метод
измерения остроты слуха называется
аудиометрией.

При
аудиометрии на приборе (аудиометре)
определяют порог слухового ощущения
на разных частотах. Полученная кривая
называется спектральной
характеристикой уха на пороге слыши­мости
или аудиограммой.

Сравнение аудиограммы
больного человека с нормальной кривой
порога слухового ощущения помогает
диагностировать заболевание органов
слуха.

Строение уха

Периферический
отдел органа слуха включает в своей
состав наружное, среднее и внутреннее
ухо (рис.4).

Рис.4. Схема строения
уха (для простоты улитка показана не в
спиральной, а в «раскрученной форме»).

Наружное
ухо состоит
из ушной
раковины и
наружного
слухового прохода
1 (рис.4). Ушная раковина у человека не
играет существенной роли для слуха. Она
способствует определению локализации
источника звука при его приближении
или удалении.

Слуховой
проход заканчивается барабанной
перепонкой
2, отделяющей наружное ухо от среднего.

Наиболее
существенной частью среднего
уха
являются слуховые косточки: молоточек
3, наковальня
4 и стремечко
5 с соответствующими мышцами, сухожилиями
и связками. Одна из этих косточек –
молоточек – вплетена своей рукояткой
в барабанную перепонку, другая сторона
молоточка сочленена с наковальней,
которая в свою очередь связана со
стремечком. Косточки осуществляют
передачу механических колебаний от
воздушной среды наружного уха к жидкой
среде внутреннего через мембраны
овального
(6) и круглого
(7) окна. Чтобы привести в движение
инерционную жидкость, нужно получить
выигрыш в давлении. Это достигается за
счет двух факторов. Во-первых, косточки
среднего уха (молоточек, наковальня и
стремечко) работают как рычаг,
обеспечивающий выигрыш в силе. Во-вторых,
площадь барабанной перепонки человека
значительно больше площади овального
окна, поэтому обе мембраны и связывающие
их косточки выполняют функцию
трансформатора давления.

Другой важной
функцией среднего уха является ослабление
передачи колебаний в случае звука
большой интенсивности. Это осуществляется
рефлекторным расслаблением мышц косточек
среднего уха.

Среднее
ухо заполнено воздухом. Значительное
изменение давления окружающего воздуха
(например, связанное с изменением
высоты), действуя на перепонку, может
вызвать боль или даже ее разрыв. Для
избавления от таких перепадов давления
служит небольшая трубка — евстахиева
труба (12), которая соединяет полость
наружного уха с верхней частью глотки.
Евстахиева труба, с одной стороны,
достаточно велика, что позволяет
проходить воздуху и приспосабливаться
к большим изменениям давления, и, с
другой стороны, достаточно мала, чтобы
быстрые изменения давления, вызванные
звуковыми волнами, могли быть переданы
через барабанную перепонку.

Наружное
и среднее
ухо
относятся к звукопроводящей
системе.
Звуковоспринимающей
системой
является внутреннее
ухо.

Внутреннее
ухо в отличие
от наружного и среднего заполнено
жидкостью. Главной частью внутреннего
уха является
улитка 8,
преобразующая механические колебания
в электрический сигнал. Кроме улитки к
внутреннему уху относится вестибулярный
аппарат, который к слуховой функции
отношения не имеет.

Улитка
человека является костным образованием
и имеет форму конусной спирали. Полость
улитки делится двумя мембранами —
базилярной
(основной)
9
и тонкой вестибулярной
10 — на три
канала. Верхний и нижний каналы заполнены
жидкостью — перилимфой — и сообщаются
между собой у вершины улитки через
небольшое отверстие геликотрему
11.
Верхний канал отделен от полости среднего
уха мембраной
овального окна
(6), к которому прикреплено стремечко, а
нижний канал — мембраной
круглого окна
(7). Средний канал заполнен эндолимфой.

Внутри среднего
канала улитки на основной мембране
расположен кортиев орган, содержащий
рецепторные волосковые клетки. Рецепторные
клетки имеют вытянутую форму и одним
концом фиксированы на основной мембране,
а другим выходят в полость среднего
канала улитки. На этом конце рецепторных
клеток имеется по 60 – 70 волосков длиной
несколько микрометров. Каждая волосковая
клетка имеет синапсы с несколькими
окончаниями слуховых нейронов.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Громкость, вроде бы, простое понятие, но часто ли мы задумываемся о том, что громкость с интенсивностью звука (на различных частотах слышимого диапазона) связаны совсем не линейно? И часто ли вспоминаем об этой нелинейности в своем желании иметь акустические системы, как можно более линейно отыгрывающие весь этот диапазон?

Давайте начнем с определений. Итак: звуковое давление  — Sound Pressure Level (SPL) — это переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Иначе: в нашей упругой среде (воздух) колеблется источник звука, создавая волну. Чем интенсивнее волна, тем выше звуковое давление. При распространении звуковой волны звуковое давление в точке измерения не будет постоянным, поэтому учитывают среднеквадратичное значение этой величины. Звуковое давление измеряется в Паскалях относительно опорного давления Рspl = 20 мкПа (на частоте 1 кГц это соответствует порогу слышимости).

Практически это неудобно, тем более что диапазон слышимых звуков (по их интенсивности) достаточно широк, а измерять его лучше не линейной, а логарифмической шкалой. Поэтому популярной единицей измерения звукового давления стали децибелы SPL(в дБ)=20lg(P/20мкПа).

Это более практичная и понятная единица. Имея откалиброванный измерительный микрофон и соответствующий софт, можно измерить звуковое давление от динамической головки (акустической системы), что дает нам возможность определять и чувствительность динамиков. Однако, являясь субъективным ощущением, громкость все же имеет свои единицы измерения.

Абсолютной единицей громкости является сон — громкость непрерывного чистого синусоидального тона частотой 1 кГц, создающего звуковое давление 2 мПа., уровень же громкости выражают в относительных единицах — фонах. 1 фон равен уровню звукового давления в 1 дБ, создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук.

Кривые равной громкости (Флетчера-Мэнсона и Робинсона и Датсона)

Мы уже отметили, что громкость звука зависит не только от его давления, но и от частоты. Кривые равной громкости, отражающие особенности слуха человека в зависимости от высоты тона, были опубликованы Флетчером и Мэнсоном в 1933 г.

Пользоваться данным инструментом несложно. Достаточно на любой из линий выбрать две точки и к каждой провести горизонтальную линию (показывающую уровень звукового давления в децибелах) и вертикальную (опущенную на горизонтальную ось координат и определяющую частоту звука в герцах (килогерцах)). Громкость первого пересечения будет равна громкости второго пересечения (так как они лежат на одной линии равной громкости).

Например: громкость звука на 100 герцах при звуковом давлении 36-37 дБ будет равна громкости звука на 500 герцах при звуковом давлении 20 дБ. Далее мы видим, что линия идет горизонтально, поэтому та же громкость звука получится при давлении 20 дБ и на 1 и на 1,5 кГц, однако ближе к 2 кГц зависимость снова перестает быть линейной.

Таким образом, в целом чувствительность нашего слухового аппарата максимальна на средних частотах (что соответствует диапазону речи человека), а на более высоких и низких частотах она менее значима. Менее значима, кстати, и сама информация, передаваемая в этих диапазонах. На этих особенностях звуковосприятия строятся так называемые психоакустические модели, которые используют при разделении более и менее значимой аудиоинформации при работе кодеков сжатия звука с потерей информации. Об этом читайте «Форматы сжатия аудиоданных с потерями (lossy)».

Интересно, что Флетчером и Мэнсоном использовали при своих измерениях наушники, а несколько позже их коллеги Робинсон и Датсон повторили эксперимент, но используя акустические системы, и получили несколько скорректированные кривые. Кривые Робинсона и Датсона считаются более точными и в 1986 г. послужили основой стандарта ISO 226.

Пожалуй, более объективно делать замеры в озвученном помещении (хотя мы не знаем его акустических свойств, а равно характеристик мониторов  Робинсона и Датсона).  Еще большую вариабельность в подобные измерения может вносить сам испытуемый, ведь индивидуальные особенности слуха тоже отрицать невозможно. Кстати, в медицине исследование индивидуальных характеристик звуковосприятия носит название «аудиометрия».

Для нас с вами из этого вытекают следующие выводы:

Тембральная окраска музыки на разной громкости будет разной. Думаю, каждый это знает на практике, ведь прослушивать музыку на низкой громкости, надо полагать, приходилось всем. И мы с вами знаем, что низких и высоких частот нам в этом случае не хватает, рука сама тянется к эквалайзеру. Это вполне нормально и не имеет ничего общего с привычкой прибавить басов на большой громкости.  Существуют усилители, имеющие даже специальную кнопку тонкомпенсации.

Индивидуальные особенности восприятия звука разными людьми тоже нужно учитывать. Кроме того, слух тренируется. Если вы не слышите какие-то особенности фонограммы, а другой человек слышит, ничего страшного. Это может иметь место. Возможно, после некоторого опыта прослушивания вы их услышите.

При этом объективным аппаратным ухом остается измерительный микрофон. Конечно, качество таких микрофонов может варьироваться, но в любом случае их характеристики более линейны, чем характеристики нашего органа слуха.

И последнее: микрофон микрофоном, а музыку слушаем мы всё же ушами, поэтому конечный результат правильного звучания должен оцениваться на слух.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО
ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСТ Р исо 226-2009

Акустика

СТАНДАРТНЫЕ КРИВЫЕ РАВНОЙ
ГРОМКОСТИ

ISO 226:2003
Acoustics — Normal equal-loudness-level contours
(IDT)

Предисловие

Цели и принципы стандартизации в
Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом
регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской
Федерации — ГОСТ Р
1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»

Сведения о стандарте

1 ПОДГОТОВЛЕН Автономной некоммерческой организацией
«Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем» (АНО
«НИЦ КД») на основе собственного аутентичного перевода стандарта, указанного в
пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 358 «Акустика»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по
техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2009 г. № 863-ст

4 Настоящий стандарт идентичен
международному стандарту ИСО 226:2003 «Акустика. Стандартные кривые равной громкости» (ISO 226:2003 «Acoustics — Normal
equal-loudness-level contours»)

При применении настоящего
стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов
соответствующие им национальные стандарты Российской Федерации и
межгосударственные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном
приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Информация об изменениях к
настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе
«Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячно
издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае
пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление
будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе
«Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты
размещаются также в информационной системе общего пользования — на
официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и
метрологии в сети Интернет

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Кривые в координатах «частота — уровень звукового давления»,
определяющие совокупность чистых тонов, воспринимаемых равными по громкости, выражают
фундаментальные свойства слуха человека и являются основой психоакустики. Порог
слышимости в свободном и диффузном звуковых полях и кривые равной громкости
были введены ИСО 226:1987.

Примечание —
Равные уровни громкости могут быть определены и для частотных полос шума.
Однако настоящий стандарт устанавливает кривые равной громкости только чистых
тонов, так как для построения кривых в частотных полосах недостаточно данных,
но он может быть применен для шума в третьоктавных/октавных полосах.

В ходе пересмотра настоящего стандарта ввиду необходимости
установления порогов слышимости и выявившейся недостаточности данных об уровнях
громкости принято решение разделить пороговые и не относящиеся к порогам
слышимости данные на два отдельных документа. Пороги слышимости установлены ИСО
389-7:1996 «Акустика. Опорный нуль для калибровки аудиометрического
оборудования. Часть 7. Опорные пороги слышимости в условиях свободного и
диффузного звукового поля» как части серии международных стандартов,
относящихся к опорным нулевым значениям для калибровки аудиометрического
оборудования. Кривые равной громкости представлены в настоящем стандарте. Они
уточнены по сравнению с ИСО 226:1987.

ГОСТ Р ИСО 226-2009

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ

Дата введения — 2010-12-01

1 Область применения

Настоящий стандарт устанавливает совокупности уровня
звукового давления (далее — УЗД) и частоты непрерывных чистых тонов, воспринимаемых
испытуемыми, равными по громкости. Устанавливаемые значения получены при
следующих условиях:

a) звуковое поле
при отсутствии испытуемого образовано свободно распространяющейся плоской
волной;

b) источник звука
находится прямо перед испытуемым;

c) звуковые сигналы
являются чистыми тонами;

d) УЗД
измеряют в точке расположения центра головы испытуемого, но при его отсутствии;

e) прослушивание
является бинауральным;

f)
испытуемыми являются люди с нормальным слухом в возрасте от 18 до 25 лет включительно.
В приложении А
в графическом виде и в табличном в приложении В приведены данные для третьоктавного
ряда частот от 20 до 12500 Гц включительно в соответствии с ИСО 266.

2 Нормативные ссылки

Следующий ссылочный стандарт является обязательным для
применения настоящего стандарта. Недатированную ссылку относят к последней
редакции ссылочного стандарта, включая его изменения. ИСО 266 Акустика.
Предпочтительные частоты (ISO
266, Acoustics — Preferred frequencies)

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с
соответствующими определениями:

3.1 человек с
нормальным слухом (otologically normal person): Человек с нормальным состоянием здоровья, не имеющий симптомов ушных
болезней, без серных пробок в ушных каналах, не подвергавшийся в прошлом
чрезмерному воздействию звука, токсичных для ушей веществ и не имеющий в роду
наследственной потери слуха.

3.2 свободное
звуковое поле (free sound field): Звуковое поле, в котором влиянием ограждающих поверхностей помещения на
звуковые волны можно пренебречь.

3.3 уровень
громкости (loudness level): Величина в фонах, численно равная УЗД опорного звука в децибелах,
созданного фронтально падающей плоской бегущей синусоидальной волной частотой
1000 Гц, громкость которого равна громкости оцениваемого звука.

3.4 соотношение
равной громкости (equal-loudness relationship): Кривая или функция, выражающая связь между уровнем громкости и УЗД
чистого тона на данной частоте.

3.5 кривая
равной громкости (equal-loudness-level contour): График в
координатах «УЗД — частота», ординаты точек которого соответствуют частоте
чистых тонов, воспринимаемых равными по громкости.

3.6 стандартная
кривая равной громкости (normal equal-loudness-level contour): Кривая равной громкости, построенная по усредненным ощущениям людей с
нормальным слухом в возрасте от 18 до 25 лет включительно.

Примечание —
Метод построения стандартных кривых равной громкости приведен в приложении С.

3.7 порог
слышимости (threshold of hearing): УЗД, при котором испытуемый в 50 % случаев повторных испытаний,
соответствующих определенным условиям, правильно указывает наличие звука.

4 Формулы для построения стандартных кривых равной
громкости

4.1 Расчет УЗД по уровню громкости

УЗД L_p, дБ, чистого тона
частотой f, имеющий
уровень громкости L_N,
фон, рассчитывают по формуле

где

T_f — порог слышимости;

a_f — показатель экспоненты для ощущения громкости;

L_u — модуль передаточной функции линейной системы, нормированный на частоте
1000 Гц. Значения данных величин приведены в таблице 1.

Таблица
1 — Значения параметров для расчета стандартных кривых равной громкости по
формуле (1)

Частота f, Гц	af	LU, ДБ	Тf, дБ	Частота f, Гц	af	LU, ДБ	Тf, дБ
20	0,532	-31,6	78,5	630	0,259	0,3	3,0
25	0,506	-27,2	68,7	800	0,253	0,5	2,2
31,5	0,480	-23,0	59,5	1000	0,250	0,0	2,4
40	0,455	-19,1	51,1	1250	0,246	-2,7	3,5
50	0,432	-15,9	44,0	1600	0,244	-4,1	1,7
63	0,409	-13,0	37,5	2000	0,243	-1,0	-1,3
80	0,387	-10,3	31,5	2500	0,243	1,7	-А,2
100	0,367	-8,1	26,5	3150	0,243	2,5	-6,0
125	0,349	-6,2	22,1	4000	0,242	1,2	-5,4
160	0,330	-4,5	17,9	5000	0,242	-2,1	-1,5
200	0,315	-3,1	14,4	6300	0,245	-7,1	6,0
250	0,301	-2,0	11,4	8000	0,254	-11,2	12,6
315	0,288	-1,1	8,6	10000	0,271	-10,7	13,9
400	0,276	-0,4	6,2	12500	0,301	-3,1	12,3
500	0,267	0,0	4,4

Формулу (1) применяют на всех частотах для
значений уровня громкости, превышающих 20 фон, но меньших указанных ниже
пределов:

90 фон для частот от
20 до 4000 Гц;

80 фон для частот
от 5000 до 12500 Гц.

Вследствие недостатка экспериментальных данных для уровней
громкости менее 20 фон, а также для уровней громкости в интервале от 90 до 100
фон в диапазоне частот от 20 до 1000 Гц (имеются данные только одной
исследовательской организации для значения 100 фон) формула (1) может
служить лишь для ориентировочной оценки УЗД.

4.2 Расчет уровней громкости по УЗД

Уровень громкости L_N, фон,
чистого тона частотой f c УЗД L_p, дБ, рассчитывают по
формуле

где

T_f, a_f и L_u приведены no 4.1.

При расчете по формуле (2)
имеют место те же ограничения, что при расчетах по формуле (1).

Приложение
А
(обязательное)

Стандартные кривые равной громкости чистых
тонов при прослушивании
в условиях свободного звукового поля

Примечания:

1
График порога слышимости T_f
изображен пунктирной линией.

2
Кривая с уровнем громкости 10 фон изображена точками, так как недостаточно
данных в интервале от порога слышимости до 20 фон. Кривая с уровнем громкости
100 фон также изображена точками, так как для ее построения имеются данные
только одной исследовательской организации.

Рисунок А.1 —
Стандартные кривые равной громкости чистых тонов (бинауральное прослушивание
в свободном звуковом поле, фронтальное падение звука на испытуемого)

Приложение
В
(обязательное)

Таблицы стандартных кривых равной громкости
чистых тонов при прослушивании
в условиях свободного звукового поля

Таблица В.1 — УЗД, соответствующий заданному уровню
громкости чистых тонов, в диапазоне частот от 20 до 12500 Гц

Продолжение таблицы В.1

Окончание
таблицы В.1

Таблица В.2 — Уровни громкости, соответствующие
заданному УЗД чистых тонов в диапазоне частот от 20 до 12500 Гц

Приложение
С
(справочное)

Комментарии к методу построения стандартных кривых равной
громкости

С.1
Экспериментальные данные

Стандартные кривые
равной громкости чистых тонов при прослушивании в условиях свободного звукового
поля, устанавливаемые ИСО 226, получены по результатам 12 независимых
исследований [1] — [12]. В большинстве
случаев условия экспериментов по требованиям к испытательным воздействиям и
испытуемым лицам удовлетворяли рекомендуемым (см. [13]). Отклонения от
рекомендуемых условий испытаний могут быть признаны несущественными.
Отличительные особенности исследований приведены в таблице С.1.

С.2 Расчетные
формулы

Кривые равной
громкости строят в координатах «частота-УЗД». Поскольку экспериментальные
данные для построения кривых дискретны, они должны соответствующим образом
интерполироваться. Для этого строят модельную функцию, представляющую собой
соотношение равной громкости. Значения параметров этой функции получают по
экспериментальным данным методом наименьших квадратов.

Интерполяция по оси УЗД выполнялась с помощью модельной функции
громкости. Функция громкости представляет собой зависимость громкости звука от
его УЗД. В качестве модельной функции громкости чистого тона l могут быть взяты, очевидно, функции
различного вида. В настоящем стандарте использована функция:

где с — размерная постоянная;

r — звуковое давление чистого тона;

q — показатель
экспоненты восприятия громкости;

r_t — звуковое давление, соответствующее порогу
слышимости.

Данная функция
приведена в [14] и [15] и, несмотря на простоту,
хорошо описывает громкость чистого тона при условии отсутствия маскирующего
шума (см. [16]).

Кроме того, в [17]
отмечается, что при оценке громкости имеют место два процесса: «процесс
восприятия громкости» и «процесс численной оценки». В соответствии с этим
предложена двухзвенная модель, в которой результаты обоих процессов описаны
раздельным преобразованием звуковой энергии. Более того, в реальной слуховой
системе излученный источником звук преобразуется передаточной функцией
некоторой линейной системы, включающей в себя передаточную функцию головы
человека, передаточные функции наружного и среднего уха, а также линейной
механической части внутреннего уха. Передаточная функция данной линейной
системы исчерпывающе описывает передаточную функцию между источником звука и
восприятием громкости. В соответствии с вышесказанным процесс оценки громкости
представляют состоящим из трех частей:

— преобразование звука линейной системой;

— восприятие громкости;

— численная оценка громкости.

На рисунке С.1 приведена
блок-схема описанной модели.

Рисунок С.1 — Блок-схема модели процесса оценки громкости

Громкость в соответствии с данной моделью и функцией громкости (С.1) рассчитывают по формуле

где U — объединенная передаточная функция линейной системы;

с — объединенная размерная постоянная;

a — показатель экспоненты «процесса восприятия громкости»;

b и b — аналогичные параметры «процесса численной
оценки».

Соотношение равной громкости, зависящее
от звукового давления, может быть выражено так же, как функция частоты. Когда
громкость чистого тона частотой 1000 Гц равна громкости чистого тона частотой f, из формулы (С.2) может
быть получена формула

где r_f —
звуковое давление чистого тона на частоте f, когда его громкость равна громкости чистого тона,
имеющего частоту 1000 Гц и звуковое давление r_г;

r_tf
— звуковое давление, соответствующее порогу слышимости на частоте f;

r_tr —
звуковое давление, соответствующее порогу слышимости на частоте 1000 Гц;

a_f и
a_г
— показатели экспоненты для чистых тонов на частотах f и 1000 Гц
соответственно;

U_f — модуль передаточной функции линейной системы, нормированной на
частоте 1000 Гц так, что U₁₀₀₀ = 1.

При выводе формулы (С.3)
предполагалось, что параметры b и b «процесса численной оценки» не зависят от частоты. С
помощью полученных формул можно рассчитать УЗД чистого тона на частоте f, Гц, громкость которого
равна громкости чистого тона на частоте 1000 Гц.

Формула (С.3)
может быть преобразована в формулу (С.1)
заменой величин r_f, r_r, r_tf, r_tr и U_f на
L_f = 20 lg(r_f/r_o), L_N = 20 lg(r_r/r₀), T_f = 20 lg(r_t/r₀), T_r = 20 lg(r_tr/r₀) и L_u = 20 lg(U_f) соответственно, где r₀
= 20 мкПа, a_r принимают равным
0,25, пороговое значение Т_r — 2,4 дБ. Формула (С.3)
путем той же замены может быть преобразована в формулу (С.2).

Показатель экспоненты a_r на частоте 1000 Гц принимают
равным 0,25 по следующей причине. Типичное значение a_r, полученное с помощью метода оценки
абсолютного значения громкости АМЕ (Absolute Magnitude Estimation), равно 0,27 (0,54
для звукового давления) [15].
Громкость, полученная в АМЕ-эксперименте, правильно описывает выходной сигнал
двухзвенной модели. Таким образом, значение показателя экспоненты 0,27
соответствует a_г
b
в приведенных выше формулах, где b = 1,08. Данное значение b определено в [18].
Поэтому показатель экспоненты a_г на частоте 1000 Гц взят равным 0,25 (0,25 =
0,27/1,08).

С.3 Определение зависимых от частоты значений параметров
таблицы С.1

Кривые равной громкости могут быть построены, если в формуле
(С.1) известны значения зависящих от частоты параметров a_f, L_U и
T_f. Эти значения
рассчитаны по экспериментальным данным следующим образом.

a) Использованы
средние значения, за исключением результатов двух исследований [19, 21]. Пороги
слышимости для каждой частоты в диапазоне от 20 до 12500 Гц [3] — [9], [11],
[12],
[20],
[22],
[23]
представлены средними значениями результатов всех исследований, а затем
интерполированы функцией кубического В-сплайна. Результат представлен в таблице
С.1
значениями величины T_f. Число испытуемых лиц при вычислении
сплайна не учитывалось.

b) Значения a_f и L_U в формуле (1) определены по экспериментальным данным [1] — [12] нелинейным методом
наименьших квадратов. Применялась взвешенная величина стандартной ошибки, т. е.
стандартное отклонение делилось на корень квадратный из числа испытуемых лиц.
Полученные значения a_f
затем интерполировались кубическим В-сплайном. Результат представлен в таблице 1
значениями величины a_f.

c) Значения L_U повторно оценивались с помощью формулы (1) по найденным a_f. Новые значения L_U интерполировались кубическим В-сплайном.
Результат представлен в таблице 1 значениями величины L_U.

С.4 Оценка соответствия кривых равной громкости
экспериментальным данным

Оценка кривых равной громкости проведена в диапазоне частот от
20 до 12500 Гц, поскольку для частот выше 12500 Гц велик разброс
экспериментальных данных. На рисунке С.2 показаны экспериментальные
данные, стандартные кривые равной громкости, включая кривую порога слышимости [1] — [12],
[19]
— [23].

Примечания

1 Данные
измерений по звуковому давлению (ЗД) получены только для низких частот [см.
также таблицу С.1
и сноску b) в ней].

2
Графическими символами отмечены экспериментальные данные, кривые рассчитаны по
формуле (1).

Рисунок С.2 — Кривые равной громкости чистых
тонов при стандартном прослушивании
в условиях свободного звукового поля

Приложение
ДА
(справочное)

Сведения о соответствии ссылочного
международного стандарта ссылочному национальному
стандарту Российской Федерации (и действующему в этом качестве
межгосударственному
стандарту)

Таблица
ДА.1

Библиография

[1] KIRK, В.
Horestyrke og genevirkning af infralyd. Institute of Electronic Systems, Aalborg
University, Aalborg, Denmark, 1983, pp. 1-111 (in Danish) ISSN 0106-0791

[2] MOLLER, H.,
ANDRESEN, J. Loudness of pure tones at low and infrasonic frequencies. J.
Low Freq. Noise and Vib., 3, 1984, pp. 78-87

[3] ВЕТКЕ,
К. and MELLERT, V. New measurements of
equal-loudness level contours. Proc. Inter-noise 89. 1989, pp. 793-796

[4] SUZUKI, S.,
SUZUKI, Y., KONO, S., SONE, Т., KUMAGAI, M., MIURA, H. and KADO,
H. Equal-loudness level contours for pure tone under free field listening
condition (I) — Some data and considerations on experimental conditions. J.
Acoust. Soc. Jpn. (E), 10, 1989, pp. 329-338

[5] FASTL, H.,
JAROSZEWSKI, A., SHORER, E. and ZWICKER, E. Equal loudness contours between 100
and 1000 Hz for 30, 50 and 70 phon. Acustica, 70, 1990, pp. 197-201

[6] WATANABE,
T. and MOLLER, H. Hearing threshold and equal loudness contours in free field
at frequencies below 1 kHz. J. Low Freq. Noise and Vib., 9, 1990, pp.
135-148; WATANABE, T, MOLLER, H. Low frequency hearing thresholds in pressure
field and in free field. J. Low Freq. Noise Vibr., 9, 1990, pp. 106-115

[7] POULSEN, T.
and THOGERSEN, L. Hearing threshold and equal loudness level contours in a free
sound field for pure tones from 1 kHz to 16 kHz. Proc. Nordic Acoust.
Meeting, 1994, pp. 195-198

[8] LYDOLF, M.
and MOLLER, H. New measurements of the threshold of hearing and equal-loudness
contours at low frequencies. Proceedings of the 8th International meeting on
Low Frequency Noise and Vibration, Gothenburg, Sweden, 1997, pp. 76-84

[9] TAKESHIMA,
H., SUZUKI, Y., KUMAGAI, M., SONE, Т., FUJIMORI, T. and MIURA, H.
Equal-loudness level measured with the method of constant stimuli —
Equal-loudness level contours for pure tone under free-field listening
condition (II). J. Acoust. Soc. Jpn. (E), 18, 1997, pp. 337-340

[10] BELLMANN,
M.A., MELLERT, V., RECKHARDT, С and REMMERS, H. Sound and vibration
at low frequencies. Joint meeting of ASA, EAAand DAGA, 1999, Berlin, Germany. J.
Acoust. Soc. Am., 105, 1999, p. 1297

[11] TAKESHIMA,
H., SUZUKI, Y., FUJII, H., KUMAGAI, M., ASHIHARA, K., FUJIMORI, T. and SONE, T.
Equalloudness contours measured by the randomized maximum likelihood sequential
procedure. Acustica — acta acustica, 87,2001, pp. 389-399

[12] TAKESHIMA,
H., SUZUKI, Y., ASHIHARA, K. and FUJIMORI, T. Equal-loudness contours between 1
kHz and 12.5 kHz for 60 and 80 phons. Acoust. Sci. Tech., 23, 2002, pp.
106-109

[13] ISO/TC
43/WG 1 Threshold of hearing, Preferred test conditions for determining hearing
thresholds for standardization. Scand. Audiol., 25, 1996, pp.
45-52

[14] ZWISLOCKI,
J.J. and HELLMAN, R.P. On the psychophysical law. J. Acoust. Soc. Am., 32,
1960, p. 924

[15] LOCHNER,
J.P.A. and BURGER, J.F. Form of the loudness function in the presence of masking
noise. J. Acoust. Soc. Am., 33, 1961, pp. 1705-1707

[16] HUMES,
L.E. and JESTEADT, W. Models of the effects of threshold on loudness growth and
summation. J. Acoust. Soc. Am., 90, 1991, pp. 1933-1943

[17] ATTENEAVE,
F. Perception and related areas. A study of science. Vol.4, S. Koch(ed.),
McGrawHill, New-York, 1962

[18] ZWISLOCKI,
J.J. Group and individual relations between sensation magnitudes and their
numerical estimates. Perception Psychophysics, 33, 1983, pp. 460-468

[19] ROBINSON,
D.W. and DADSON, M.A. A re-determination of the equal-loudness relations for
pure tones. British J. Appl. Phy., 7, 1956, pp. 166-181

[20] TERANISHI,
R. Study about measurement of loudness on the problems of minimum audible
sound. Researches of the Electrotechnical laboratory, No. 658, Tokyo, Japan,
1965

[21] BRINKMANN,
K. Audiometer-Bezugsschwelle und Freifeld-Horschwelle. Acustica, 28, 1973, pp.
147-154

[22] VORLANDER,
M. Freifeld-Horshwellen von 8 kHz-16 kHz. Fortschritte der Akustik-DAGA ’91,
Bad Honnef, DPG-GmbH, 1991, pp. 533-536

[23] POULSEN,
T. and HAN, L.A. The binaural free field hearing threshold for pure tones from
125 Hz to 16 kHz. Acustica — acta acustica, 86, 2000, pp. 333-337

[24] ZWICKER,
E. Psychoakustik. Hochschultext, Springer, Berlin, 1982

[25] TAKESHIMA, H., SUZUKI, Y., KUMAGAI, M.,
SONE, Т., FUJIMORI, T. and MIURA, H. Threshold of
hearing for pure tone under free-field listening conditions. J. Acoust. Soc.
Jpn. (E), 15, 1994, pp.
159-169

Ключевые слова: порог слышимости, уровень громкости, частота
чистого тона, уровень звукового давления, стандартные кривые равной громкости