[特殊字符] 简易分贝仪制作（基于麦克风 + Python）

一、基本原理

1. 什么是 dB SPL？

**声压级（Sound Pressure Level, SPL）**定义为：

$$\text{SPL (dB)}=20\cdot {\log }_{10}\left(\frac{p}{p_0}\right)$$

• $p$：声压值（单位 Pa，帕斯卡）
• $p_0=20\mu \text{Pa}=2\times 10^{-5}\text{ Pa}$：参考声压（人耳可感知的最小值）

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2. 麦克风音频信号如何转换成声压级？

麦克风采集的数字音频是归一化浮点数，范围通常是 [-1.0, 1.0]。我们不能直接将它用于 SPL 计算，必须先通过校准：

步骤：

1. 获取音频数据的 RMS（均方根）：

$$\text{RMS}=\sqrt{\frac{1}{N}\sum _{i=1}^N{x}_i^2}$$

2. 计算实际声压：

$$p=\text{RMS}\times K$$

其中 $K$ 是单位 RMS 对应的帕斯卡值（来自校准）。

3. 换算为 dB SPL：

$$\text{SPL}=20\cdot {\log }_{10}\left(\frac{p}{2\times 10^{-5}}\right)$$

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3. 校准方法

你需要一组参考数据：

• 参考 RMS 值（来自测试或估计）
• 该 RMS 对应的 SPL（例如，94 dB SPL 的声源）

计算换算因子：

$$K=\frac{p_{\text{参考}}}{{\text{RMS}}_{\text{参考}}}\text{其中}{p}_{\text{参考}}=2\times 10^{-5}\cdot 10^{{\text{SPL}}_{\text{参考}}/20}$$

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二、Python 实现代码

安装依赖

pip install sounddevice numpy

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实现代码：实时声压级（dB SPL）监测

import sounddevice as sd
import numpy as np

# ==== 校准参数 ====
# 假设你测得 RMS=0.05 时对应 94 dB SPL（可以通过实际测量获得）
ref_rms = 0.05
ref_db_spl = 94.0

# ==== 计算换算因子 ====
p0 = 2e-5  # 参考声压（Pa）
p_ref = p0 * 10**(ref_db_spl / 20)  # 计算参考声压（Pa）
pa_per_rms = p_ref / ref_rms       # 每单位 RMS 对应多少 Pa

# ==== 音频回调函数 ====
def audio_callback(indata, frames, time, status):
    if status:
        print("状态:", status)
    # 计算当前音频帧的 RMS
    rms = np.sqrt(np.mean(indata**2))
    # 转换为实际声压（Pa）
    p = rms * pa_per_rms
    # 转换为 dB SPL（加入极小值避免 log(0)）
    db_spl = 20 * np.log10(p / p0 + 1e-10)
    print(f"当前声压级: {db_spl:.2f} dB SPL")

# ==== 打开麦克风输入流 ====
print("实时声压级监测中（Ctrl+C 停止）")
with sd.InputStream(callback=audio_callback, channels=1, samplerate=44100, blocksize=1024):
    try:
        while True:
            sd.sleep(100)
    except KeyboardInterrupt:
        print("已停止")

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三、常见问题与说明

Q1: 如果没有校准器怎么办？

你可以估算校准值：

• 对着麦克风用正常说话音量讲话，记录 RMS（例如 0.03）
• 假设对应约 68 dB SPL（参考教室对话声）
• 将其设为参考点即可获得相对准确的 SPL 值

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Q2: 为什么要加 +1e-10？

为了避免在 RMS = 0 时出现 log(0) 错误。这个小数不会影响实际 SPL 计算。

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Q3: 能加图形界面吗？

当然！可以使用 matplotlib、tkinter 或 streamlit 实现实时图表显示和日志保存。如果你需要，我可以帮你扩展为可视化工具。

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✅ 总结

步骤	内容
获取音频	使用 sounddevice 采集
计算 RMS	np.sqrt(np.mean(indata**2))
校准换算	RMS → 声压（Pa）→ SPL（dB）
显示/存储	终端打印，或图形化界面