Рівень і гучність звуку

Будь-яка звукова хвиля, яка розповсюджується в просторі, може чинити на перешкоди (у тому числі і на наші барабанні перетинки), що зустрічаються, якийсь тиск. Люди, які бували на рок-концертах і стояли біля потужних колонок не з чуток знають, що воно може бути і дуже сильним. Ми суб'єктивно сприймаємо зміну тиску звукових хвиль у вигляді відчуття зміни гучності звуку. Максимальна зміна тиску в повітрі при розповсюдженні звукових хвиль в порівнянні з тиском за відсутності хвиль називається звуковим тиском. Як і будь-який інший, звуковий тиск вимірюється в Паскалях (Па).

Але в акустиці, при оцінці інтенсивності звукових хвиль частіше застосовується інше поняття - сила звуку. Воно показує потік звукової енергії, який кожну секунду проходить через квадратний сантиметр умовної площі, розташованої перпендикулярно напряму розповсюдження хвилі. Звуковий тиск і сила звуку знаходяться в квадратичній залежності. Тобто, сила звуку = звуковий тиск в квадраті. Сила звуку описує енергетичні властивості самої хвилі і вимірюється у ваттах/квадратний сантиметр (Вт/кв.см.). Така одиниця дуже зручна при деяких розрахунках - це єдина причина її введення.

Для того, щоб ми змогли почути той або інший звук, його сила повинна бути більше певного рівня. Цей рівень називається порогом чутності. Тобто, якщо звукова хвиля має малу інтенсивність - нижче за цей поріг, ми просто не сприймаємо її, і нам здається, що навколо стоїть повна тиша, хоча насправді повітря навколо коливається. Точно також справа йде і із звуками великої інтенсивності - ми чуємо звук тільки до певного рівня, який називається больовим порогом. Якщо сила звуку більша за цей рівень, то ми відчуваємо біль у вухах. Різниця між рівнями больового порогу і порогу чутності називається динамічним діапазоном слуху. Ми здатні сприймати зміни сили звуку у величезних межах: сила звуку больового порогу перевершує силу звуку порогу чутності в тисячу разів!

Наш слуховий апарат влаштований таким чином, що лінійна зміна сили звуку (або звукового тиску) не сприймається нами як лінійна зміна гучності. Гучність звуку і його сила зв'язані між собою хитрішою залежністю. Збільшення гучності в два рази відповідає збільшенню сили звуку в 100 разів (звукового тиску - в 10 разів), збільшення гучності в 3 рази відповідає збільшенню сили звуку вже в 10000 разів (звукового тиску - в 100 разів), а збільшення гучності в 4 рази відповідає зміні сили звуку в 100000000 разів (звукового тиску - в 10000 разів)! Така залежність називається логарифмічною, і саме із-за такої особливості нашого сприйняття зміна рівня (гучність) звуку прийнята вимірювати в логарифмічних одиницях - белах (Б).

Відмінність величин сили звуку в белах обчислюється за формулою: N=lg I1/I2 (про всяк випадок, нагадаємо, що lg - це десятковий логарифм, і він показує ступінь, в який зводиться число 10; тобто, якщо 10lg=100, то lg=2, інакше lg100=2), де N - зміна рівня звуку, а I1 і I2 - верхня і нижня межі сили звуку. Десятиразове збільшення сили звуку відповідає 1 Белу (lg10=1), а стократне збільшення відповідає двом Белам (lg100=2) і т.д. Словом, логарифмічна шкала дозволяє достатньо сильно «стискати» лінійну шкалу, зберігаючи при цьому достовірність. І саме така шкала повністю відповідає особливостям нашого слуху.

Зміна рівня звуку в один Бел однаково відбиває і зміну сили звуку, і зміну звукового тиску. Якщо ви підставите у вищенаведену формулу відповідні значення звукового тиску (пам'ятаючи, що сила звуку = звуковий тиск в квадраті), то набудете того ж самого значення зміни рівня в белах. Судіть самі:

N= lg I1/I2=lg (P1/P2)2=2lg P1/P2,
де P1 і P2 - верхня і нижня межі звукового тиску.

Перевіряємо. Зміна звукового тиску в 100 разів відповідає зміні сили звуку в 10000 разів (I=P2). Підставляючи ці значення у вищенаведену формулу, ми одержуємо наступні речі: lg 10000=4 Бела (зміни сили звуку); 2lg 100=2х2=4 Бела (зміни звукового тиску). Як бачите, в обох випадках ми одержали однакові зміни рівня звуку в Белах.

Але на практиці виявляється, що Бел - це дуже велика величина для зміни рівня. Тому частіше застосовується децибел (дБ) - десята частина біла. Тобто зміна рівня в децибелах обчислюватиметься за формулою N=10 lg I1/I2 або N=20 lg P1/P2. Мінімальний перепад рівня, який здатне сприйняти наше вухо, якраз рівний одному децибелу. Це одна з головних причин введення такої системи вимірювання рівня. А весь динамічний діапазон слуху складає 120 дБ. Погодьтеся, що набагато зручніше оперувати одиницями, які ми можемо почути.

Зміна рівня звуку звичайно оцінюється в децибелах щодо порогу чутності. Коли говорять, що рівень звуку в колонках рівний ста децибелам, мають на увазі, що колонки працюють на рівні, що перевищує поріг чутності на 100 дБ.

Для того, щоб якось відчути такий непростий спосіб вимірювання рівня звуку (лише що відображає парадоксальність нашого слухового сприйняття), ми приведемо таблицю із знайомими вам звуковими об'єктами і рівнями звуку, які вони проводять. Проглянувши цю таблицю, ви зможете наочніше уявити собі логарифмічну шкалу рівня.

Слуховий поріг 0
Шепіт на відстані 1 м 20
Шум в квартирі 40
Шепіт на відстані 10 см 50
Тиха розмова на відстані 1 м 50
Аплодисменти 60
Гра на акустичній гітарі пальцями; звук на відстані 40 70
Тиха гра на фортепіано 70
Гра на акустичній гітарі медіатором; звук на відстані 40 80
Шум в метро під час руху 90
Гучний голос на відстані 15 см 100
Фортіссімо (максимально енергійний пасаж) оркестру 100
Реактивний літак на відстані 5 м 120
Барабанний бій на відстані 3 см 140

До речі кажучи, остання строчка таблиці показує рівень звуку, що перевищує больовий поріг. Тому ніколи не намагайтеся послухати звук барабана прямо у мембрани - відчуття будуть дуже неприємні.

Тепер давайте детальніше поговоримо про гучність звуку - нашому суб'єктивному відчутті від звукових хвиль, що мають різний рівень (звуковий тиск, силу). Наше відчуття гучності багато в чому залежить від частоти звуку. Високі і низькі звуки, що мають однаковий рівень, суб'єктивно сприймаються нами як звуки різної гучності. А значення рівня звуку і суб'єктивно чутної гучності співпадають тільки на частоті 1000 Гц. На підставі досліджень людського слуху були побудовані графіки, які відомі кожному звукорежисеру як криві рівної гучності. На них зображені лінії (вони розташовані через 10 дБ на частоті 1000 Гц), які відповідають однаково сприйманій гучності на різних частотах (див. малюнок). Легко можна бачити, що ми набагато краще чуємо на середніх частотах. А ось на низьких і високих частотах чутливість слуху притупляється.

З графіка кривих рівної гучності виходить важливий для практичної діяльності висновок. Подивіться на малюнок - найлінійніше ми сприймаємо звук при рівнях 80-90 дБ. Тобто при таких рівнях гучності наші вуха найадекватніше передають звукову картину. Тому будь-які роботи по коректуванню звучання фонограм краще всього робити при достатньо високій гучності звуку в акустичних системах - 80-90 дБ (приблизно такий же рівень має шум у вагоні метро - див. таблицю). Якщо ми займатимемося роботою із звуком при менших рівнях, то вірогідність помилки зростатиме - адже сприйняття низьких і високих частот притуплятиметься.