聲級計使用多種方法進行音頻噪聲測量。這些通常由濾波器的頻率響應(yīng)曲線來表征。雖然某些音頻濾波器旨在模仿人耳在各種聲級下的頻率響應(yīng)，但本文將重點介紹 Z 加權(quán)（未加權(quán)）音頻濾波器的詳細設(shè)計，該濾波器在 20 Hz 至 20 kHz 范圍內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng)。該濾波器可以與我之前的一篇文章中描述的寬帶電壓和電流表結(jié)合使用。
　　未加權(quán)（Z 加權(quán)）頻率響應(yīng)
　　未加權(quán)的平坦頻率響應(yīng)曲線如圖 1 所示。帶限濾波器頻率響應(yīng)范圍在 ITU 建議 ITU-R BS.468-4 中被指定為“掩?！?，用于測量音頻噪聲電壓電平。聲音廣播。國際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61672 將音頻上類似的平坦響應(yīng)定義為“Z 加權(quán)”或零加權(quán)。

　　ITU 未加權(quán)濾波器的頻率響應(yīng)范圍

　　圖 1.未加權(quán)濾波器的頻率響應(yīng)范圍。圖片由國際電聯(lián)提供
　　我們設(shè)計的濾波器的測量響應(yīng)必須適合面罩內(nèi)部，這需要在幾乎所有音頻范圍內(nèi)具有平坦的響應(yīng)。該技術(shù)給出了以 RMS 值測量的結(jié)果，可用于設(shè)計更低的噪聲水平。
　　非加權(quán)音頻濾波器的設(shè)計
　　未加權(quán)濾波器由兩個串聯(lián)的濾波器組成：
　　12 dB/倍頻程高通濾波器，-3dB 截止頻率接近 20 Hz
　　18 dB/倍頻程低通濾波器，-3 dB 截止頻率接近 20 kHz。

　　通過調(diào)整為具有 0.5 dB 峰值的巴特沃斯濾波器（頻率響應(yīng)曲線中沒有峰值）可以滿足模板要求。n階巴特沃斯濾波器的頻率響應(yīng)（以分貝數(shù)A表示）由下式給出：　A=10log10(1+Ω2n)　

　Ω取決于濾波器的類型：

　　低通濾波器：

  　Ω=ω/ωc　　

    高通濾波器：

     Ω=ωc/ω　　　　

    在哪里：

　　ω是信號頻率
　　ω c 是 -3 dB 截止頻率
　　該模板需要一個二階高通濾波器來提供從遠低于 1 Hz 到 22.4 Hz 的 12 dB/倍頻程上升響應(yīng)，以及一個三階低通濾波器來提供從 22.4 kHz 以上的下降響應(yīng)。

　　圖 2 顯示了調(diào)整后的巴特沃斯解決方案的示意圖。

　　準(zhǔn)巴特沃斯未加權(quán)音頻濾波器示意圖
　　圖 2.準(zhǔn)巴特沃斯未加權(quán)音頻濾波器示意圖（點擊放大）
　　調(diào)整濾波器響應(yīng)
　　過濾器使用 Sallen 和 Key 配置的等分量值版本。通過增加增益設(shè)置電阻器 R7 和 R12 的值，直到響應(yīng)峰值與兩端 1 kHz 時的響應(yīng)相比，達到 0.5 dB，調(diào)整就相當(dāng)容易完成。
　　R2 標(biāo)記為“測試時調(diào)整”。這意味著，當(dāng)濾波器連接到寬帶電壓表時，您可以將 1 kHz 時的 1 Vrms 輸入電壓表（當(dāng)然是在 1 V 范圍內(nèi)），并調(diào)整 R2 直到輸出也為 1 V。
　　輸出電阻補償
　　您可能很想知道圖 2 頂部中心附近的放大器 U1B。它在那里是因為 U2A 的輸出電阻與 C3 串聯(lián)，并且在遠高于 20 kHz 的頻率下，與 C3 的電抗相比，該電阻不可忽略，因此未實現(xiàn) 18 dB/倍頻程滾降。它不可忽略，因為負反饋會降低開環(huán)輸出電阻（數(shù)據(jù)表中未給出），但開環(huán)增益在高頻下相當(dāng)?shù)?，這與運算放大器的情況一樣。
　　對于TL072通用運放來說，100kHz時的開環(huán)增益僅為30左右，因此反饋不能太大地降低輸出電阻。LM4562 音頻運算放大器在這方面也好不到哪去。U1B提供較低的輸出電阻，可以滿足響應(yīng)要求。
　　系統(tǒng)靈活性和重用性設(shè)計
　　您可能還會注意到 J2。這使得頻繁使用該過濾器和其他外部過濾器變得更加容易。寬帶電壓表的第 4 塊添加了 5 針 DIN 插座，這樣不僅可以建立 GO 和 RETURN 信號連接，而且外部濾波器也可以從電壓表獲取直流電源。
　　外部濾波器可以具有帶插頭的飛線或其他插座，以便可以使用連接電纜。將引腳 1 和 5 的電線單獨屏蔽，以防止濾波器上的雜散電容耦合?？梢垣@得直徑相當(dāng)小的四芯單獨屏蔽電纜，并且屏蔽層當(dāng)然提供必要的第五導(dǎo)體。
　　圖 3 顯示了修改后的寬帶電壓表塊 4，其中包含 5 針 DIN 插座。值得保留 BNC 連接器，以便可以輕松連接測量儀器和實驗外部濾波器。

　　添加 5 針連接器的寬帶電壓表原理圖

　　圖 3.修改寬帶電壓表的塊 4 以添加 5 針連接器（點擊放大）
　　未加權(quán)音頻濾波器設(shè)計的測量結(jié)果
　　圖 4 顯示了準(zhǔn)巴特沃斯濾波器的測量頻率響應(yīng)。分貝刻度很大，以便顯示頻率范圍兩端的小峰值。相對于 1 V，噪聲水平為 -50 dB，并且由于電壓表增益切換的布置方式，施加到濾波器的信號始終可以在 100 mV 和 1 V 之間，除了敏感的范圍。

　　巴特沃斯濾波器未加權(quán)音頻響應(yīng)

　　圖 4.準(zhǔn)巴特沃斯未加權(quán)濾波器的頻率響應(yīng)
　　使用切比雪夫濾波器的替代音頻濾波器設(shè)計
　　使用切比雪夫濾波器在技術(shù)上會更優(yōu)越。這些濾波器的頻率響應(yīng)在超出指定高度的峰值時增益可能會急劇下降。設(shè)計此類濾波器的數(shù)學(xué)有些復(fù)雜，因此教科書中給出了預(yù)先計算的結(jié)果。其中之一是 Don Lancaster 撰寫的“有源濾波器食譜”（ISBN 9780750629867）。
　　圖 5 顯示了使用切比雪夫構(gòu)建塊的未加權(quán)音頻濾波器的示意圖。不要忘記調(diào)整 R2 的值，如上所述。

　　切比雪夫未加權(quán)濾波器的示意圖

　　圖 5.切比雪夫未加權(quán)濾波器的示意圖（點擊放大）
　　圖 6 顯示了切比雪夫濾波器的測量頻率響應(yīng)。該曲線在前 4 dB 衰減范圍內(nèi)的斜率稍顯陡峭。
　　切比雪夫未加權(quán)濾波器響應(yīng)
　　圖 6.切比雪夫濾波器的頻率響應(yīng)

　　圖 7 顯示了插入切比雪夫濾波器的寬帶電壓表的整體頻率響應(yīng)。電壓表本身的帶寬比濾波器的帶寬寬得多，因此它對濾波響應(yīng)沒有影響。

　　圖 7.帶切比雪夫濾波器的寬帶電壓表的頻率響應(yīng)
　　人耳響應(yīng)的加權(quán)
　　Z 加權(quán)平坦頻率響應(yīng)的替代方案是 A 加權(quán)響應(yīng)，它對應(yīng)于耳科正常人耳對 40 phon 級別聲音的敏感度。聲級計標(biāo)準(zhǔn) IEC 61672-1 中規(guī)定了“A 計權(quán)”。圖 8 顯示了標(biāo)準(zhǔn)定義的 A、C 和 Z 權(quán)重的頻率響應(yīng)曲線。
　　A、C 和 Z 加權(quán)的頻率響應(yīng)范圍的比較

　　圖 8. A、C 和 Z 加權(quán)的頻率響應(yīng)比較。圖片由Comsol提供
　　它與 RMS 計一起使用，并且傳統(tǒng)上用于測量其他不應(yīng)該的東西，因為它嚴重低估了 40 方以上的低頻聲音的影響。例如，它會將 100 phon 20 Hz 信號低估 40 dB。
　　相反，噪音水平為 40 方的音響系統(tǒng)將是一個非常嘈雜的系統(tǒng)；一個好的系統(tǒng)不會超過 30 phon。A 加權(quán)將 30 phon 的 20 Hz 信號電平高估 5 dB。但 A 權(quán)重的使用已經(jīng)非常成熟，以至于沒有人愿意做出任何改變。
　　測量音頻噪聲時選擇濾波器響應(yīng)
　　了解您正在設(shè)計或使用的音頻噪聲測量設(shè)備的頻率響應(yīng)非常重要。根據(jù)您的應(yīng)用，您可能需要使用 A 加權(quán)濾波器來模擬人耳的響應(yīng)。但是，您需要始終記住，這會嚴重過濾低頻信號。