Eller: Varför finns det så många olika instrument och skalor för att mäta ljudnivå?

"Det räcker väl bra med staplarna jag ser på datorskärmen?!"

Vi får ofta frågor på ljudmätning och vilket som är "rätt" nivå och varför man måste köpa ett dyrbart instrument att ha vid sidan av t.ex. datorn till sin redigering när det redan finns ett par "staplar" med en skala.

Här följer en förenklad förklaring som är uppdelad i tre huvuddelar.

1. Vad är ljud och hur fungerar vår hörsel
2. Teknisk bakgrund till ljudmätning
3. Olika mätinstrument och deras egenskaper 

Först skall vi definiera vad ljud är. Ljud är en tryckförändring i luften som, när den ligger inom ett visst tryckområde (nivå) och ett visst svängningstal (frekvens) uppfattas av människor som ljud. För att förstå hur komplex ljudmätning är så måste man förstå hur vår hörsel fungerar.

Örat och hjärnan fungerar som mikrofon och ljudprocessor och är inte ett linjärt ljudregistrerande organ. Tvärtom så är hörseln mycket olinjär och också behäftad med psykoakustiska fenomen som gör det hart när omöjligt att med mätinstrument mäta vår ljuduppfattning på ett fullständigt sätt.

Nivå och frekvens

Örat uppfattar ljudstyrka (nivå) på ett olinjärt sätt. Om man lägger på en spänning på t.ex. 2 volt över en högtalare så uppfattas nästa steg, 4 volt, som en nivåfördubbling av örat. Men sedan uppfattas inte 6 volt utan 8, 16, 32 osv som nivåfördubbling. Likadant är det med frekvens. Som gammal jazzmusikant är jag van att dela in frekvensen i oktaver. Varje oktav innebär en frekvensdubbling och uppfattas av örat som ett likvärdigt intervall. Tonen "normal-A" är 440 Hz och nästa "A" en oktav upp är 880Hz osv. Dessutom uppfattar örat höga och låga frekvenser olika beroende på vilken nivå de har. Detta åskådliggörs i det sk. Phon-diagrammet, nedan.

Det kan vara lite knepigt att förstå diagrammet men så här fungerar det:

Y-axeln visar ljudtrycket i dB relativt en fix nivå som brukar vara 20 mP vid 0 dB. X-axeln visar frekvensen. De olika "kälkbackarna" är örats uppfattningsförmåga vid olika nivåer och frekvenser. Vi ser då på den näst nedersta kurvan att örat behöver ett ljudtryck av10dB för att uppfatta 1000 Hz med en viss upplevd ljudstyrka. Men, örat behöver ett ljudtryck av 30 dB för att uppfatta 100Hz lika högt och ett ljudtryck av c:a 5 dB för att uppfatta 4 KHz lika högt som 1 Khz tonen. (Alltså lägre nivå, örat är i detta fall känsligare för högre frekvens)

Tittar vi på hela diagrammet så ser vi att ju lägre totala nivån blir desto sämre hör vi bas och diskant. Vi ser också att vid 1000 Hz så sammanfaller ljudtrycket med örats hörselkurva vid alla nivåer. Det är bl.a. därför som man använder 1000 Hz som referens-ton på många utrustningar.

Som om inte detta krångel med örats olinjäritet vore nog så är det så att vi uppfattar ljud starkare ju längre tonen varar. Ett klingande "C" i 10 mS låter svagare än samma ton när den ljudit i 1 sekund. Här börjar vi komma in på psykoakustiska fenomen och det är alltför komplicerat att behandla i denna skrivelse men jag kan nämna att vår ljuduppfattning av musik t.ex. har också att göra med om vi gillar musiken och från vilket håll den kommer etc. Alltså sådana parametrar som bl.a. har att göra med t.ex. surround-sound. Alltså fenomen som upplevs så subjektivt att de är mycket svåra att sätta ett mätvärde på. Den som är intresserad kan Googla på t.ex. E. Zwicker och R. Dolby. Det finns hyllmetrar skrivet och många olika metoder.

Loudness

Uttrycket "loudness" har ingen bra svensk översättning. Man skulle kunna säga "mänsklig förmåga att uppfatta ljud" Det har forskats mycket runt detta och det finns många olika sätt att försöka mäta och åskådliggöra loudness. Det finns speciella instrument att mäta loudness och alla baserar sig på speciella algoritmer framför allt framforskade enligt E. Zwickers rön men också många andra framstående ljud forskare.

Vi kommer oftast i kontakt med ordet eftersom det finns en knapp på de flesta stereoförstärkare som heter "loudness". Det är en metod att justera frekvensgången i förstärkaren så att bas och diskant ökar när volymen minskas. Det infördes på tyska radiomottagare på 50-talet och har faktiskt exakt samma funktion på dagen stereoanläggningar. Avslutningsvis angående hörseln kan jag nämna att det finns ett stort antal sätt att mäta ljud med olika vägningskurvor för bl.a. brusmätningar för att vi skall få en hygglig modell av vad vi faktiskt uppfattar och därmed kunna återskapa ljud på ett så naturtroget (HiFi) eller häftigt (dunkadunka) sätt som möjligt.

Begreppet Decibel, (dB)

Enligt tidigare resonemang om örats olinjäritet så använder man oftast Decibel systemet som mätenhet för ljudnivåer. Decibel är en olinjär mätskala. Utan att gå in på den matematiska bakgrunden kan man säga att man jämför två spänningar eller två effektbelopp genom att säga att den ena nivån är si och så många gånger högre eller lägre än den andra. I dB skalan är 6 dB alltid en fördubbling av nivån. Skalan är också additiv så att 6+6 dB = 12dB och sålunda en fyrdubbling av nivån. Det är också mycket praktiskt att använda decibelskalan i mätinstrument eftersom skalan blir hanterbar i storlek även över stora nivåförändringar.

Bra hållvärden är:

1 dB är c:a 10% ökning

2 dB är c:a 25% ökning

3 dB är c:a 40% ökning

Örat uppfattar en ökning av c:a 3 dB som en förändring av nivån och uppfattar en ändring av 6dB som en fördubbling av ljudnivån. (Den som köper en stereoförstärkare med 50 watt uteffekt istället för 25 watt och tror att den låter dubbelt så starkt blir grymt besviken.)

En dB skala är alltså ett relativt sätt att mäta nivåer och kräver att man bestämmer en referensnivå motsvarande t.ex. 0 dB. (0 dB är EBU:s rekommendation, i USA-Japan och musikvärlden är det +4dB) Här varierar det också friskt mellan olika länder och tillverkare och TV/Radio stationer som vi snart skall se.

Det finns också olika sätt att ange referensnivån, 0 dB för decibelskalor.
Här följer de vanligaste:

dBm Referensen är 1mW över 600 Ω belastning

dBu Referensen är 0,775 volt, vilket motsvarar spänningen över 600 Ω belastning och effektutvecklingen 1 mW.

dBV Referensen är 1,00 volt

dBFS Referensen är absoluta maxnivån. Denna används oftast till mätning av digital audio

Att distribuera och mäta ljud

En mikrofon tar upp tryckförändringar i luften och omvandlar dem till elektrisk ström.

En högtalare är en omvänd dynamisk mikrofon och omvandlar elektrisk ström till akustiska ljudsvängningar och sätter luften i rörelse.

Vi mäter alltså strömmen (eller spänningen) och displayar den på ett lämpligt instrument. Det kan göras på två huvudsakligen olika sätt, nämligen Peak mätning och mätning av signalens medelvärde. Det sista benämns "rms" som betyder Root Mean Square och är vid sinussignal ungefär 0,7 x peakvärdet eller rättare (1/√2).

Om vi tittar på signaler med olika form, t.ex. sinussvängningar och fyrkantvågor så får vi på ett rms instrument olika utslag vid samma peaknivå. En fyrkantvåg kan ge samma utslag på ett rms instrument som på en Peakmeter!

Betraktar vi signalerna på ett oscilloscope enligt nedan så kan vi klart se att "U-RMSvid sinusvåg respektive fyrkantvåg inte stämmer.

Eller som det står i fysikböckerna: RMS värdet likställer växelströmmens energi med likströmmens energi. Om man alltså matar en lampa med 12 volt RMS växelström så lyser den lika starkt som en lampa som matas med 12 volt likström.

VU metern

Består oftast av ett vridspoleinstrument som har en viss tröghet. Det får inte vara långsammare än c:a 300 mS från pålagd signal till utslag (integrationstid). Skalan går från -20 VU till + 3 VU där 0 VU motsvarar 1.23 volt över en last av 600Ω. Vilket i sin tur motsvarar +4dBm

Idag används VU metern företrädelsevis till att justera in konstanta nivåer och INTE till att mäta "live audio". Den hinner helt enkelt inte med. man kan kallt räkna med 8-12 dB högre nivåer i vanligt musikmaterial när VU metern står och slår runt 0 VU.

Förr i tiden fanns det också sofistikerade VU metrar med inbyggda förstärkare som var helt annorlunda. Jag minns t.ex. de rörbestyckade Sennheisser instrument som vi hade när jag jobbade på Sony och mätte in bandspelare på 70 talet. Underbara instrument! Det är numera tyvärr en helt bortglömd teknik.

PPM metern (peak-to-peak meter)

Består av LED staplar, gasurladdningsdisplayer eller video/dataskärm.

Det här instrumentet är helt annorlunda i det att det är mycket snabbare än VU metern. Det är konstruerat för att mäta "live-programmaterial" och ge en betydligt mer exakt bild av spänningssprången.

Eftersom PPM metern är så snabb så har man ofta en långsammare "falltid" på staplarna. Det benämns vanligen "returntime". Detta för att man skall ha en chans att se vad värdet var i ett blixtsnabbt spänningssprång.

Det finns en mängd olika standarder på PPM instrument och jag skall räkna upp de vanligaste som ni kan komma i kontakt med.

PPM -EBU

Detta instrument är speciellt designat av European Broadcast Union. Skalan går från -12 dB till +12 dB och referensnivån "0" motsvarar +9dBu eller 2.15 volt. Integrationstiden är 10 mS och falltiden är c:a 10 dB/ sek. Instrumenttypen används mest för mätning i transmission.

PPM -BBC

Denna skala är framtagen och används av BBC. Integrationstiden är 10 mS och falltiden är c:a 10 dB/ sek. Skalan är graderad från 1 till 7 där varje steg motsvarar 4 dB.Referensnivån är "6" vilket motsvarar 1,95 volt.

PPM -NORDIC

Det här instrumentet är det som är vanligast hos oss i Sverige. Integrationstiden är 5 mS och falltiden är specificerad till 20 dB/2 sek. Skalan skall gå från - 42dB till +12 dB. Det finns dock en massa (även mycket fina) instrument där man kapat decibelskalan nertill och börjar mycket högre upp, kanske vid -20 dB eller högre. Det har betydelse beroende på vad instrumentet skall användas till. Man ser ju inte de mycket svaga nivåerna.

Dessa ovan nämnda tre typer är specificerade under normen IEC-268-10

PPM -DIN

Tysk standard. Stigtiden är specificerad till -3 dB på 3 mS. Falltiden är 1,5 sek. från 0 dB till -20 dB. Skalan går från -50 dB till +5dB och referensnivån är +6dBu eller 1,55 volt.

Sedan finns en uppsjö med varianter på analoga PPM metrar, t.ex. har en del stora TV bolag sina egna skalor. Lyckligtvis ser vi dessa mycket sällan i Sverige men i internationella sammanhang stöter man på dem.

Mätning av digitalt ljud.

Det är en metod som skiljer sig från analog mätning. Referensnivån, 0 dBFS, är satt till instrumentets högsta nivå. Anledningen är att digitalt ljud har en absolut högsta nivå där alla 24 bitarna är aktiva. (Det kan vanligen vara 16, 20 eller 24 bitar) Högre nivå än så kan man ju inte få. Instrumentet är ett peakvärdesinstrument med liknande ballistik som PPM-DIN standarden.

Man kan ju nu i praktiken inte ha normal referensnivå vid max utslag utan man har enats om att lägga en referensnivå motsvarande nivån man får vid analog till digital konvertering. Naturligtvis så kan inte Europa och USA enas om en standard utan i Europa har vi EBU-R68 vilket är -18 dBFS motsvarande 0 dBu och i USA har man SMPTE RP 155 vilket är -24dBFS.

Fasmätning

I stereo utsändningar är det otroligt viktigt att timingen mellan vänster och höger kanal är rätt. Det kallas för att "fasen" är rätt eller runt 0 grader.

Om fasen blir fel eller i värsta fall 180 grader fel så kommer kanalerna (om de innehåller samma ljud) att släcka ut varandra vid monomottagning.

Det finns två olika sätt att mäta fasfel på. Ett lättavläst instrument och ett mer komplicerat instrument som också ger en hel del övrig information om man lärt sig läsa av det rätt.

Fasmetern

Det här är ett långsamt instrument som uttrycker fasen i siffror från -1 till +1. Den matematiska bakgrunden är att instrumentet visar cosinusvärdet för fasvinkeln mellan signalerna. Om fasen är noll blir värdet +1 om fasen är 90º eller om endast en kanal är inkopplad så visar instrumentet 0 och om fasen är 180º visar instrumentet -1. Enkelt och mycket användbart.

Audio Vectorscope (Goniometer)

Det här är ett oscilloscope där höger kanal modulerar X-axeln och vänster kanal modulerar Y-axeln. Om återgivningen blir ett vertikalt streck så är signalerna helt i fas. Om signalerna ligger 180º fel så skapar det ett horisontellt streck. Om signalerna är sinusvågor och har 90º fasförskjutning och samma nivå så bildas en cirkel på displayen. Det här instrumentet är svårt att tolka men man kan få utmärkt information om fasfel, brum, balansproblem och mycket annat.

Summering.

Tro inte på billiga instrument! I allmänhet har man ingen aning om vad instrumentet relaterar till. På den uppsjö av dataredigeringar som finns är det ytterst få inbyggda instrument som kan betraktas som något annat än kaleidoskop. Likaså rackmonterade högtalare liksom billiga audiomixrar har ofta en enkel display. Dessa lysdiodstaplar är endast till för att justera in 1000 Hz vid (ungefär) referensnivå. Om det sedan bara står "0" vid referenspunkten så har du ingen aning om om det är 0 VU, 0dBu eller 0 dBV. Det vore bättre om tillverkarna tog bort det här tramset. På dataredigeringar vet man heller inte var någonstans i signalkedjan man mäter. Är det i datafilen? eller på datorns ljudkort? eller?

Enda sättet att göra rätt är att investera i en hyggligt bra PPM meter med nordisk skala och ett fasinstrument och mäta direkt på utgången. Först då kan man vara säker på att man relaterar till samma skala som TV bolagen och de stora produktionsbolagen använder. De som tar emot material på dessa företag är ofta mycket kunniga och noggranna så det vill till att man talar samma språk för att slippa lägga om ljudet i produktionen.

Slå ifrån allt vad limitrar och kompressorer heter när ni kontrollerar audionivåer. Om det ligger sådan utrustning i kedjan har man ingen aning om vad man får för resultat.

Tack Bo Söderberg SVT som korrläst och haft värdefulla kommentarer

© 2015-09-01 Protel

Denna skrift får inte kopieras och mångfaldigas utan skriftligt tillstånd från Protel