聲級(jí)計(jì)（Sound Level Meter）或聲壓級(jí)計(jì)是最基本的聲學(xué)測(cè)量儀器，聲壓級(jí)（Sound Pressure Level?SPL）測(cè)量是其最基本的功能。對(duì)于很多功能單一的聲級(jí)計(jì)，人們也習(xí)慣稱為“分貝儀”或“噪音計(jì)”等。

* 聲級(jí)計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，包括噪聲測(cè)量，音頻與聲學(xué)安裝，室內(nèi)和建筑聲學(xué)，品質(zhì)控制，航空航天，科研等。

聲級(jí)計(jì)一般是手持式儀器，主要由主機(jī)和量測(cè)麥克風(fēng)（傳聲器）組成。

0x01 量測(cè)麥克風(fēng)

量測(cè)麥克風(fēng)可以將聲波造成的氣壓變化，也就是聲壓（Sound Pressure，單位 Pa），轉(zhuǎn)換為電壓（單位 V），其原理恰好與揚(yáng)聲器相反，是最常見的聲電轉(zhuǎn)換設(shè)備之一。

高精度聲級(jí)計(jì)一般采用真電容麥克風(fēng)（True Condenser Microphone），這類麥克風(fēng)的主要部件是傳感器（Capsul，俗稱咪頭）和前置放大器（Pre-Amplifier）。

咪頭的核心是兩層金屬膜（Diaphragm）（也有使用高分子材料），兩層膜片之間是空的，構(gòu)成了電容。當(dāng)外層膜片受聲波沖擊，其與內(nèi)層膜片之間的距離就會(huì)變化，從而改變電容，在電路中產(chǎn)生一個(gè)交流電，實(shí)現(xiàn)了聲電轉(zhuǎn)換。麥克風(fēng)咪頭產(chǎn)生的電壓非常微弱，前置放大器可以將其放大，放大后的信號(hào)再輸入儀器主機(jī)進(jìn)行下一步運(yùn)算處理。這類麥克風(fēng)通常還需要“幻象電源”等額外供電才能工作。

麥克風(fēng)性能

麥克風(fēng)將聲壓轉(zhuǎn)換為電壓的比率由靈敏度（Sensitivity）衡量，假設(shè)一支麥克風(fēng)收到 1 Pa 的聲壓時(shí)能輸出 24 mV 的電壓，那么這支麥克風(fēng)的靈敏度即為 24 mV/Pa。常見的靈敏度單位還有 dBV/Pa 等。

* 靈敏度只是一個(gè)聲電轉(zhuǎn)換系數(shù)，其數(shù)值大小并不直接反映麥克風(fēng)的好壞或精度。

衡量麥克風(fēng)性能的指標(biāo)還包括，頻率范圍，本底噪聲，最大聲壓級(jí)，平坦度，長期穩(wěn)定性等。

0x02 主機(jī)

聲級(jí)計(jì)的主機(jī)主要負(fù)責(zé)信號(hào)處理，結(jié)果顯示，同時(shí)提供交互界面、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)、供電等附屬功能。主機(jī)的電路設(shè)計(jì)，算法設(shè)計(jì)，外形設(shè)計(jì)等都會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。

麥克風(fēng)輸入主機(jī)的是不斷變化的交流信號(hào)，通過均方根電路（RMS）轉(zhuǎn)換為直流電平后再經(jīng)對(duì)數(shù)電路處理并輸出到屏幕，成為可讀的分貝值（dB）。這個(gè)值是均方根聲壓與參考聲壓之比的以 10 為底的對(duì)數(shù)的 20 倍。參考聲壓取值為人耳聽力閾值 20 μPa。寫成數(shù)學(xué)公式就是：

現(xiàn)代專業(yè)聲級(jí)計(jì)已經(jīng)不僅僅提供簡(jiǎn)單的聲壓級(jí)測(cè)量功能，而更像一個(gè)通用聲學(xué)測(cè)量平臺(tái)。通過算法和交互設(shè)計(jì)，還能實(shí)現(xiàn)如，實(shí)時(shí)頻譜、混響時(shí)間 RT60、噪聲曲線 NC、語言傳輸指數(shù) STIPA 等更深度的聲學(xué)測(cè)量。

0x03 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)

計(jì)權(quán)又稱加權(quán)，包括頻率計(jì)權(quán)（Frequency Weighting）和時(shí)間計(jì)權(quán)（Time Weighting）。以最常見的聲壓級(jí)參數(shù) LAeq 為例。“L” 代表英文單詞 Level，即電平/級(jí)別的意思。

頻率計(jì)權(quán)

第二個(gè)字母“A”表示頻率計(jì)權(quán)為 A，此外頻率計(jì)權(quán)還有 C 或 Z，表示某些頻率的值被應(yīng)用了對(duì)應(yīng)的計(jì)權(quán)或?yàn)V波。聲壓級(jí)單位為 dB(A) 或 dBA 時(shí)，也表示該結(jié)果采用了 A 計(jì)權(quán)。

頻率計(jì)權(quán)跟人耳的聽覺系統(tǒng)有關(guān)，目的是將電信號(hào)修正為與人耳聽感相近的數(shù)值。

• 如果一個(gè)聲音要在整個(gè)頻帶上以均等的聲壓呈現(xiàn)，則適用上圖中的 Z 計(jì)權(quán)（不計(jì)權(quán)）曲線；

• 而人耳的物理聽覺則由 A 計(jì)權(quán)曲線表示，它基于?40 dB 等響曲線，實(shí)際聲學(xué)聲音比人耳聽覺包含更多的高頻與低頻內(nèi)容。A 計(jì)權(quán)是應(yīng)用最多的頻率計(jì)權(quán)；

• C 計(jì)權(quán)曲線基于 100 dB 等響曲線，代表的是當(dāng)聲音調(diào)高以后，人們開始對(duì)低頻也更為敏感的情況。

使用頻率計(jì)權(quán)的基本原則就是，當(dāng)進(jìn)行音頻測(cè)量以及不需要考慮人耳聽感的聲學(xué)測(cè)量時(shí)，使用 Z 計(jì)權(quán)。100 dB 以下的聲學(xué)測(cè)量適用 A 計(jì)權(quán)，超出 100 dB 時(shí)適用 C 計(jì)權(quán)。

* “聲學(xué)（Acoustic）”一詞表示“通過空氣傳播的聲音”。與之相對(duì)應(yīng)的是“音頻（Audio）”，指的是那些直接在纜線或音頻元器件中傳導(dǎo)的電學(xué)聲音。

時(shí)間計(jì)權(quán)

第三組字母“eq”代表****，這里還可能出現(xiàn)的字母有“F”，“S”或“I”，它們就是“時(shí)間計(jì)權(quán)”。

F = 快速（Fast），S = 慢速（Slow），I = 脈沖（Impulse）。

時(shí)間計(jì)權(quán)的目的是讓聲級(jí)計(jì)上測(cè)得的數(shù)值更容易閱讀，它讓快速變化的數(shù)值變得穩(wěn)定，使得顯示出的結(jié)果方便讀取。

量測(cè)麥克風(fēng)的采樣率可達(dá) 48 kHz，想象一下你的屏幕上每秒鐘閃過 48000 個(gè)數(shù)據(jù)， 這對(duì)人來說是毫無意義的。時(shí)間計(jì)權(quán)可以對(duì)這種突發(fā)的變化做出抑制，讓聲級(jí)計(jì)輸出更加穩(wěn)定的讀數(shù)。

IEC 61672-1 標(biāo)準(zhǔn)中描述了兩種不同的時(shí)間計(jì)權(quán)，快速（F）和慢速（S）?？焖儆?jì)權(quán)做出響應(yīng)比慢速計(jì)權(quán)更快。比如在安靜環(huán)境下，一個(gè)很響且持續(xù)的聲音被突然打開，F(xiàn) 計(jì)權(quán)顯示的聲壓級(jí)大約需要 0.6 s 即可刷新為新聲壓級(jí)，而 S 計(jì)權(quán)做出反應(yīng)則需要在約 5 s 之后。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的定義，這些值的得出是通過時(shí)間常數(shù) t，F(xiàn) 計(jì)權(quán)為 125 ms 而 S 計(jì)權(quán)是 1 s。若又突然將這個(gè)聲音關(guān)閉，F(xiàn) 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)將以 34.7 dB/s 的速率衰減，而對(duì) S 計(jì)權(quán)來說，這個(gè)速率是 4.3 dB/s。

在已經(jīng)廢棄的舊標(biāo)準(zhǔn) IEC 651 中還包括了脈沖時(shí)間計(jì)權(quán)（I），用于分析短促的脈沖聲。相較于 F 和 S 計(jì)權(quán)，I 計(jì)權(quán)更加不對(duì)稱，它響應(yīng)聲音的速度很快（時(shí)間常數(shù) t = 35 ms），而當(dāng)聲音減小時(shí)它衰減很慢（2.9 dB/s）。

上面提到的等效（“eq”）聲壓級(jí)反映的是一段時(shí)間內(nèi)接收聲音能量的均值，它比連續(xù)聲壓級(jí)更容易在顯示器上讀取。

下方聲壓級(jí)隨時(shí)間變化的曲線，藍(lán)色線以下的面積就表示能量。水平的紅色線劃出的區(qū)域也有同樣的面積，紅色線就是我們所說的 LAeq。它是整個(gè)曲線的等效值或能量的平均值。

聲壓級(jí)和頻譜

我們平常說的聲壓級(jí)是“寬頻帶聲壓級(jí)”，也就是聲級(jí)計(jì)測(cè)得的單一聲壓級(jí)值，這個(gè)值的計(jì)算用到了各個(gè)頻率（一般從 20 Hz - 20 kHz）的分量。它的單位一般是分貝（dB/dBSPL），這是一個(gè)對(duì)數(shù)單位。之所以用對(duì)數(shù)單位，是因?yàn)槁晧海▎挝?Pa）作為線性單位，難以反映人耳的實(shí)際聽感。

* 請(qǐng)注意，聲壓（Sound Pressure）≠ 聲壓級(jí)（Sound Pressure Level）

頻譜一般由聲級(jí)計(jì)的 RTA 實(shí)時(shí)頻譜功能測(cè)得，它代表聲音在各個(gè)頻率的分量。頻譜適合那些優(yōu)化音響系統(tǒng)或房間聲學(xué)的應(yīng)用。典型的 RTA 測(cè)量分辨率有 1/1 倍頻程和 1/3 倍頻程。

0x05 聲級(jí)計(jì)的分級(jí)

聲級(jí)計(jì)可以簡(jiǎn)單分為普通聲級(jí)計(jì)和精密聲級(jí)計(jì)，普通聲級(jí)計(jì)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都比較 ... 普通 ... 功能單一，價(jià)格也比較便宜，可以用于一般的噪聲大小評(píng)估。

各類專業(yè)場(chǎng)合出現(xiàn)更多的是精密聲級(jí)計(jì)。

根據(jù) GB/T 3785、IEC 61672 等標(biāo)準(zhǔn)，聲級(jí)計(jì)可分為一級(jí)（一型）和二級(jí)（二型），其主要區(qū)別在頻率響應(yīng)，工作溫度等。如二級(jí)聲級(jí)計(jì)的工作溫度范圍為 0℃ - 40 ℃，一級(jí)為 -10℃ - 50℃。

標(biāo)準(zhǔn)還根據(jù)功能將聲級(jí)計(jì)分為常規(guī)聲級(jí)計(jì)，積分平均聲級(jí)計(jì)和積分聲級(jí)計(jì)。一臺(tái)聲級(jí)計(jì)可以同時(shí)屬于這里的一種或多種類型。

* 常規(guī)聲級(jí)計(jì)至少應(yīng)能測(cè)量 A 頻率計(jì)權(quán)和 F 時(shí)間計(jì)權(quán)的聲級(jí)；積分平均聲級(jí)計(jì)至少應(yīng)能測(cè)量 A 頻率計(jì)權(quán)的時(shí)間平均聲級(jí)；積分聲級(jí)計(jì)至少應(yīng)能測(cè)量 A 頻率計(jì)權(quán)聲暴級(jí)。

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