Что такое громкость?

У многих начинающих специалистов возникают некоторые трудности с пониманием такой характеристики, как "громкость". На самом деле в этом нет ничего сложного, и все, что вам нужно, это внимательно прочесть данный материал...

Апельсины или килограммы?

В чем можно измерять, например, массу? Да, в принципе, во всем, что угодно - хоть в килограммах, а хоть и в апельсинах. Ничего существенного от этого не поменяется, ведь мы можем перевести те же апельсины в килограммы и наоборот. Но если вы говорите, например, "10 апельсин" или "2,5 кг апельсин", что представляется более реальным в нашем воображении? Конечно, "10 апельсин".

А как быть с громкостью? Картина практически та же. В акустическом звуке мы можем оперировать такими стандартными физическими величинами, как интенсивность звуковой волны (пДж/м^2*с) или звуковое давление (Н/м^2). При описании аналогового сигнала можно без труда пользоваться теми же значениями уровня напряжения (В), силы тока (А) или мощности (Вт). То есть, они все подходят для описания уровня громкости точно так же, как и килограммы в массе.

Но, возвращаясь к примеру с массой, в данном случае нам лучше "переходить на апельсины". Почему? Громкость - это субъективная величина, описывающая слуховые восприятия человека, то есть его ауральные ощущения. Изменив, например, значение интенсивности в 1000 раз, вы получите ощущение примерно 30-кратного увеличения громкости. Из-за чего это происходит? Из-за того, что саму громкость мы воспринимаем нелинейно.

Поэтому ученые решили ввести промежуточные величины, которые просто являются более удобными в обращении и применении. Они связаны со стандартными физическими, но при этом близки к описанию ощущений.

Переход к децибелам

Изначально громкость измерялась в "неперах", основанных на натуральных логарифмах, то есть 1 непер соответствует изменению уровня громкости в "е" раз (е =2.518). Но на практике гораздо удобнее использовать не натуральные логарифмы, а десятичные. Они проще в вычислениях. Так был введен "Белл". 1 Белл - это очень крупная величина, и со временем в силу удобства стали широко использовать его 1/10-ю часть, или "децибел" (дБ). Причем она оказалась достаточно удобной, поскольку соответствует нашему минимальному ощущению изменения уровня громкости. Хотя последнее утверждение не всегда верно, вы часто можете встретить, что чувствительность человеческого уха составляет 1-2 дБ. Вопрос в той же нелинейности (представьте себе график логарифма).

Формула!

Тут будет совсем немножко математики... Объясним, чем так удобны децибелы и как этим исчислением пользоваться.

В этом примере мы вообще не станем привязываться к чему-то конкретному (интенсивности, мощности и т.п.), взяв на вооружение обычную формулу N=10*lg(Х1/Х2) (дБ), где Х1 и Х2 - это два значения какой-либо величины. И поставим такое задание: параметр Х изменился в 100 раз, чему это будет равно в децибелах?

Решение. Если параметр увеличился в 100 раз, то все решается как N=10*lg(100)= 20 дБ. Если же параметр уменьшится в 100 раз, то мы получим N=10*lg(0,01)= -20 дБ. То есть, можно ответить, что изменение параметра в 100 раз соответствует изменению на 20 дБ.

Причем, как вы можете увидеть, при Х1>Х2 мы получаем положительные значения в дБ, а при Х1<Х2 - отрицательные. Это очень важно понимать, поскольку очень часто у новичков возникает путаница со знаками. Сейчас мы развеем и ее.

Акустический звук

Как уже говорилось, в акустике мы оперируем такими величинами, как интенсивность и звуковое давление. Мы их измеряем и вставляем в формулу по вычислению децибелов, но с чем сравниваем? На самом деле с нижним порогом слышимости, который соответствует 1 пДж/м^2*с (интенсивность) или же 0.000002 Н/м^2 (звуковое давление). То есть, априори, мы всегда сравниваем большее с меньшим, поэтому получаем только положительные значения в дБ. В отличие от приведенной в предыдущем примере формулы, числовой коэффициент в расчете силы звука по значениям звукового давления равен 20, а не десяти, а высчитанное таким образом значение в Дб обозначается как дБ SPL.

Перед вами представлена стандартная таблица значений силы звука и наших ощущений. Благодаря ей вы поймете, почему так удобны децибелы. Ведь увеличение громкости на ту же величину в 100 Дб соответствует увеличению звукового давления в 100.000 раз, а интенсивности - в 10^10 раз. Оперировать такими порядками чисел не всегда удобно (да и вообще не нужно). Например, что вам скажет значение звукового давления в 6.32*10^-4 Н/м^2? Ничего, а на самом деле это сила звука в 50 дБ.

Аналоговый и цифровой звук

А вот в аналоговом и цифровом звуке мы в большинстве случаев будем оперировать отрицательными значениями в дБ. Это достаточно просто объяснимо - текущие (измеряемые) значения напряжения, силы тока или мощности мы сравниваем с опорными величинами, принятыми в телефонной связи, которые, в свою очередь, больше. То есть, если кому интересно, это Pоп = 1 мВт, Uоп = 0,775 B, I оп = 1,29 А. Причем мы имеем ряд других стандартов, в зависимости от чего вы можете столкнуться с дополнительными обозначениями: если опорное напряжение равно 1 В - это dBV (наше дБв), а при 0,775 В - dBu (Дб) и dBm (дБм).

Данные величины описывают уровень сигнала и имеют вторичное отношение к нашему понятию "громкости", но в силу своей универсальности они более приемлемы для описания текущих процессов. Ведь здесь, опять же, изменение в 100 Дб будет соответствовать изменению мощности в 10^10 раз или напряжения или тока в 10^5 раз.

На самом деле все чуть сложнее

В принципе, использование такой величины, как децибел, не является спасением ото всех бед. Дело в том, что мы воспринимаем громкость неравномерно и по отношению к частотам. Например, научным путем выяснено, что наиболее громко мы слышим частоты 700 Гц-6 КГц, то есть в среднем частотном диапазоне. Это имеет прямое отношение к человеческой физиологии и окружающей нас природе. Кстати, большинство музыкальных инструментов, изобретенных человеком, имеет ключевой спектр как раз в указанном диапазоне - 700 Гц-6 КГц, там же находятся и наши голоса.

Во-вторых, у каждой из характеристик звуковой волны измеряются ее пиковые, мгновенные и среднеквадратические значения. Последние являются наиболее важными для описания нашего ощущения громкости. Почему это так, мы рассмотрим в одном из следующих выпусков.

Кристофер,
christopher@tut.by