Помните прибор из прошлого нашего рассказа, которым измеряли давление звука, создаваемого назойливыми мухами? Это фактически обычный манометр. Давайте, сделаем из него SPL-метр!
Для этого нам нужно будет прошить в него всего одну формулу для вычисления децибела, в которую прибор будет подставлять измеренное давление и вычислять децибелы по формуле:
dB = 20 x lg(измеренное давление/давление порога слышимости);
Порог слышимости всегда равен 0.0002дин/см2 или 20мкПа.
Прошиваем эту константу в алгоритм прибора. Все, SPL-метр готов! Теперь прибор будет выдавать уровень звукового давления в децибелах!
Звуковое давление – это переменное избыточное давление, возникающее в воздухе при прохождении звуковой волны. Единица измерения – паскаль (Па) или дин/см2;
Уровень звукового давления (Sound Pressure Level) – измеренное в логарифмических единицах значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению порога слышимости, равному 20мкПа (см. формулу вверху);
Итак, мы с вами обработали звук как давление или силу. Но в физике есть ещё понятие мощности. А мощность — это, упрощено говоря, квадрат силы. Например, мощность электрического тока можно выразить через квадрат силы тока или квадрат напряжения. Со звуком то же самое, мощность звуковой волны можно выразить через квадрат уровня звукового давления (SPL).
Что такое интенсивность звука?
Это мощность, которую переносит звуковая волна в направлении распространения. Измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2). Квадратный метр – это гипотетическая площадка в пространстве, через которую перпендикулярно её поверхности проходит поток звуковой энергии.
Звук на пороге слышимости (самый тихий звук) частотой в 1кГц обладает интенсивностью порядка одной миллиардной ватта на квадратный метр.
На этом месте физика со своими формулами и приборами заканчивается, переходим в кабинет психоакустика…
Громкость звука. Loudness.
Вот тут уже интереснее. Громкость – это субъективное ощущение звукового давления или интенсивности звука по шкале от тихих до громких звуков. Громкость звука сложным образом зависит не только от интенсивности, но и от частоты звука, продолжительности воздействия, формы колебания звуковых волн, локализации в пространстве и прочих факторов.
Практика показывает, что музыка и речь кажутся громче, чем узкополосный сигнал или чистый тон с таким же уровнем звукового давления. С громкостью все гораздо сложнее, так как люди по-разному её ощущают.
Как измерить субъективные ощущения громкости?
Прибора для измерения громкости нет. Его пытались сделать, но не получилось. Пришли к выводу, что мозг каждого человека и есть прибор для измерения громкости. Значит, надо спрашивать людей. Но прежде необходимо придумать единицу измерения.
Американский психолог С. Стивенсон предложил специальную единицу сон для оценки абсолютной громкости. 1 сон – это громкость чистого тона (синусоидального звука) с частотой 1000Гц и уровнем звукового давления (SPL) в 40dB относительно порога слышимости (20мкПа).
Есть еще одна единица, она называется фон. Это уже относительный уровень громкости, который тоже рассчитывается в логарифмических единицах. Уровень громкости чистого тона частотой 1000Гц в фонах численно равен SPL в децибелах. Для обоих единиц измерения громкости строятся графики, где на оси Y отложены значения SPL (dB), а на оси Х частоты в герцах.
Кривые на графиках сформированы в процессе психоакустических тестов на основе усреднённых ощущений громкости большого количества людей с нормальным слухом в возрасте от 18 до 25 лет. Всего проведено было 12 независимых исследований в различных странах в период с 1983 – 2009гг. Характер кривых громкости показывает, что люди с нормальным слухом наиболее чувствительны к звукам в диапазоне 2500-4000Гц.
При малом SPL субъективная оценка громкости сильно зависит от частоты – слух менее чувствителен к низким и высоким частотам. При большом SPL низкие, средние и высокие оцениваются по уровню громкости более равномерно. Подробнее о сонах, фонах и графиках громкости читайте в Сети.
А мы с вами вернемся в нашу комнату, сядем в кресло и включим аудиосистему.
Нам, меломанам все эти соны и фоны не нужны. В характеристиках акустических систем, усилителей звука и прочих компонентах нет значений в сонах/фонах.
У нас с вами только децибелы!
Значит, попробуем измерить ощущение громкости в децибелах, пользуясь SPL-метром, который мы смастерили из измерителя давления. Других приборов для измерения громкости не придумано.
Давайте поставим пластинку с Джорджем Бенсоном и установим регулятор громкости на усилителе так, чтобы прибор показал SPL на уровне 60dB.
Проведем эксперимент.
К установленной громкости мы привыкли: джаз-рок, все играет отлично, мухи сидят тихо...
Попробуем увеличить громкость так, чтобы по ощущениям стало в два раза громче. Покрутили регулятор вправо… вроде стало в два раза громче! Замеряем SPL. Было 60dB, стало 70dB.
Теперь установим регулятор громкости так, чтобы SPL-метр показал уровень звукового давления в 90dB. Стало громче. Слушаем тот же трек минуту. Пробуем увеличить громкость в два раза. Крутим регулятор. Вроде по ощущениям добились двойной громкости. Замеряем SPL: результат – 100dB. Опять разница в 10dB.
Заключаем, субъективное ощущение увеличенной в два раза громкости, вне зависимости от её начального уровня, дает прирост уровня звукового давления на 10dB.
Каждые +10dB SPL дают увеличение ощущаемой громкости в 2 раза.
Это правило работает более или менее точно. Этот тест описан во многих статьях и аудио словарях. И результаты его считаются общепринятыми.
Вот и все, что касается понятия громкости в наших звуковых делах. Завтра понедельник. Всем на работу…
Музыку выключаем, мух выпускаем!
___
Рассказы о децибеле и громкости написаны по материалам статей Роберта Харли, Гленна Уайта и Википедии.
