Уровень и громкость звука

Любая звуковая волна, которая распространяется в пространстве, может оказывать на встречающиеся препятствия (в том числе и на наши барабанные перепонки) некое давление. Люди, которые бывали на рок-концертах и стояли около мощных колонок не понаслышке знают, что оно может быть и очень сильным. Мы субъективно воспринимаем изменение давления звуковых волн в виде ощущения изменения громкости звука. Максимальное изменение давления в воздухе при распространении звуковых волн по сравнению с давлением при отсутствии волн называется звуковым давлением. Как и любое другое, звуковое давление измеряется в Паскалях (Па).

Но в акустике, при оценке интенсивности звуковых волн чаще применяется другое понятие - сила звука. Оно показывает поток звуковой энергии, который каждую секунду проходит через квадратный сантиметр условной плоскости, расположенной перпендикулярно направлению распространения волны. Звуковое давление и сила звука находятся в квадратичной зависимости. То есть, сила звука = звуковое давление в квадрате. Сила звука описывает энергетические свойства самой волны и измеряется в ваттах/квадратный сантиметр (Вт/кв.см.). Такая единица бывает очень удобна при некоторых расчетах - это единственная причина ее введения.

Для того, чтобы мы смогли услышать тот или иной звук, его сила должна быть больше определенного уровня. Этот уровень называется порогом слышимости. То есть, если звуковая волна имеет малую интенсивность - ниже этого порога, мы просто не воспринимаем ее, и нам кажется, что вокруг стоит полная тишина, хотя на самом деле воздух вокруг колеблется. Точно также дело обстоит и со звуками большой интенсивности - мы слышим звук только до определенного уровня, который называется болевым порогом. Если сила звука больше этого уровня, то мы испытываем боль в ушах. Разница между уровнями болевого порога и порога слышимости называется динамическим диапазоном слуха. Мы способны воспринимать изменения силы звука в огромных пределах: сила звука болевого порога превосходит силу звука порога слышимости в тысячу раз!

Наш слуховой аппарат устроен таким образом, что линейное изменение силы звука (или звукового давления) не воспринимается нами как линейное изменение громкости. Громкость звука и его сила связаны между собой более хитрой зависимостью. Увеличение громкости в два раза соответствует увеличению силы звука в 100 раз (звукового давления - в 10 раз), увеличение громкости в 3 раза соответствует увеличению силы звука уже в 10000 раз (звукового давления - в 100 раз), а увеличение громкости в 4 раза соответствует изменению силы звука в 100000000 раз (звукового давления - в 10000 раз)! Такая зависимость называется логарифмической, и именно из-за такой особенности нашего восприятия изменение уровня (громкости) звука принято измерять в логарифмических единицах - белах (Б).

Различие величин силы звука в белах вычисляется по формуле: N=lg I1/I2 (на всякий случай, напомним, что lg - это десятичный логарифм, и он показывает степень, в которую возводится число 10; то есть, если 10lg=100, то lg=2, иначе lg100=2), где N - изменение уровня звука, а I1 и I2 - верхняя и нижняя границы силы звука. Десятикратное увеличение силы звука соответствует 1 белу (lg10=1), а стократное увеличение соответствует двум белам (lg100=2) и т. д. Словом, логарифмическая шкала позволяет достаточно сильно «сжимать» линейную шкалу, сохраняя при этом достоверность. И именно такая шкала полностью соответствует особенностям нашего слуха.

Изменение уровня звука в один бел одинаково отражает и изменение силы звука, и изменение звукового давления. Если вы подставите в вышеприведенную формулу соответствующие значения звукового давления (памятуя, что сила звука = звуковое давление в квадрате), то получите те же самые значения изменения уровня в белах. Судите сами:

N= lg I1/I2=lg (P1/P2)2=2lg P1/P2,
где P1 и P2 - верхняя и нижняя границы звукового давления.

Проверяем. Изменение звукового давления в 100 раз соответствует изменению силы звука в 10000 раз (I=P2). Подставляя эти значения в вышеприведенную формулу, мы получаем следующие вещи: lg 10000=4 бела (изменения силы звука); 2lg 100=2х2=4 бела (изменения звукового давления). Как видите, в обоих случаях мы получили одинаковые изменения уровня звука в белах.

Но на практике оказывается, что бел - это слишком большая величина для изменения уровня. Поэтому чаще применяется децибел (дБ) - десятая часть бела. То есть изменение уровня в децибелах будет вычисляться по формуле N=10 lg I1/I2 или N=20 lg P2/P2. Минимальный перепад уровня, который способно воспринять наше ухо, как раз равен одному децибелу. Это одна из главных причин введения такой системы измерения уровня. А весь динамический диапазон слуха составляет 120 дБ. Согласитесь, что гораздо удобней оперировать единицами, которые мы можем услышать.

Изменение уровня звука обычно оценивается в децибелах относительно порога слышимости. Когда говорят, что уровень звука в колонках равен ста децибелам, подразумевают, что колонки работают на уровне, превышающем порог слышимости на 100 дБ.

Для того, чтобы как-то почувствовать такой непростой способ измерения уровня звука (лишь отражающий парадоксальность нашего слухового восприятия), мы приведем таблицу со знакомыми вам звуковыми объектами и уровнями звука, которые они производят. Просмотрев эту таблицу, вы сможете более наглядно представить себе логарифмическую шкалу уровня.

Слуховой порог 0
Шепот на расстоянии 1 м 20
Шум в квартире 40
Шепот на расстоянии 10 см 50
Тихий разговор на расстоянии 1 м 50
Аплодисменты 60
Игра на акустической гитаре пальцами; звук на расстоянии 40 см 70
Тихая игра на фортепиано 70
Игра на акустической гитаре медиатором; звук на расстоянии 40 см 80
Шум в метро во время движения 90
Громкий голос на расстоянии 15 см 100
Фортиссимо (максимально энергичный пассаж) оркестра 100
Реактивный самолет на расстоянии 5 м 120
Барабанный бой на расстоянии 3 см 140

Кстати говоря, последняя строчка таблицы показывает уровень звука, превышающий болевой порог. Поэтому никогда не пытайтесь послушать звук барабана прямо у мембраны - ощущения будут очень неприятные.

Теперь давайте более подробно поговорим о громкости звука - нашем субъективном ощущении от звуковых волн, имеющих разный уровень (звуковое давление, силу). Наше ощущение громкости во многом зависит от частоты звука. Высокие и низкие звуки, имеющие одинаковый уровень, субъективно воспринимаются нами как звуки разной громкости. А значение уровня звука и субъективно слышимой громкости совпадают только на частоте 1000 Гц. На основании исследований человеческого слуха были построены графики, которые известны каждому звукорежиссеру как кривые равной громкости. На них изображены линии (они расположены через 10 дБ на частоте 1000 Гц), которые соответствуют одинаково воспринимаемой громкости на разных частотах (см. рисунок). Легко можно видеть, что мы гораздо лучше слышим на средних частотах. А вот на низких и высоких частотах чувствительность слуха притупляется.

Из графика кривых равной громкости следует важный для практической деятельности вывод. Посмотрите на рисунок - наиболее линейно мы воспринимаем звук при уровнях 80-90 дБ. То есть при таких уровнях громкости наши уши наиболее адекватно передают звуковую картину. Поэтому любые работы по корректировке звучания фонограмм лучше всего делать при достаточно высокой громкости звука в акустических системах - 80-90 дБ (примерно такой же уровень имеет шум в вагоне метро - см. таблицу). Если мы будем заниматься работой со звуком при меньших уровнях, то вероятность ошибки будет возрастать - ведь восприятие низких и высоких частот будет притупляться.