Громкость, звуковое давление и кривые равной громкости

Громкость, вроде бы, простое понятие, но часто ли мы задумываемся о том, что громкость с интенсивностью звука (на различных частотах слышимого диапазона) связаны совсем не линейно? И часто ли вспоминаем об этой нелинейности в своем желании иметь акустические системы, как можно более линейно отыгрывающие весь этот диапазон?

Давайте начнем с определений. Итак: звуковое давление  — Sound Pressure Level (SPL) — это переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Иначе: в нашей упругой среде (воздух) колеблется источник звука, создавая волну. Чем интенсивнее волна, тем выше звуковое давление. При распространении звуковой волны звуковое давление в точке измерения не будет постоянным, поэтому учитывают среднеквадратичное значение этой величины. Звуковое давление измеряется в Паскалях относительно опорного давления Рspl = 20 мкПа (на частоте 1 кГц это соответствует порогу слышимости).

Практически это неудобно, тем более что диапазон слышимых звуков (по их интенсивности) достаточно широк, а измерять его лучше не линейной, а логарифмической шкалой. Поэтому популярной единицей измерения звукового давления стали децибелы SPL(в дБ)=20lg(P/20мкПа).

Это более практичная и понятная единица. Имея откалиброванный измерительный микрофон и соответствующий софт, можно измерить звуковое давление от динамической головки (акустической системы), что дает нам возможность определять и чувствительность динамиков. Однако, являясь субъективным ощущением, громкость все же имеет свои единицы измерения.

Абсолютной единицей громкости является сон — громкость непрерывного чистого синусоидального тона частотой 1 кГц, создающего звуковое давление 2 мПа., уровень же громкости выражают в относительных единицах — фонах. 1 фон равен уровню звукового давления в 1 дБ, создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук.

Кривые равной громкости (Флетчера-Мэнсона и Робинсона и Датсона)

Мы уже отметили, что громкость звука зависит не только от его давления, но и от частоты. Кривые равной громкости, отражающие особенности слуха человека в зависимости от высоты тона, были опубликованы Флетчером и Мэнсоном в 1933 г.

Пользоваться данным инструментом несложно. Достаточно на любой из линий выбрать две точки и к каждой провести горизонтальную линию (показывающую уровень звукового давления в децибелах) и вертикальную (опущенную на горизонтальную ось координат и определяющую частоту звука в герцах (килогерцах)). Громкость первого пересечения будет равна громкости второго пересечения (так как они лежат на одной линии равной громкости).

Например: громкость звука на 100 герцах при звуковом давлении 36-37 дБ будет равна громкости звука на 500 герцах при звуковом давлении 20 дБ. Далее мы видим, что линия идет горизонтально, поэтому та же громкость звука получится при давлении 20 дБ и на 1 и на 1,5 кГц, однако ближе к 2 кГц зависимость снова перестает быть линейной.

Таким образом, в целом чувствительность нашего слухового аппарата максимальна на средних частотах (что соответствует диапазону речи человека), а на более высоких и низких частотах она менее значима. Менее значима, кстати, и сама информация, передаваемая в этих диапазонах. На этих особенностях звуковосприятия строятся так называемые психоакустические модели, которые используют при разделении более и менее значимой аудиоинформации при работе кодеков сжатия звука с потерей информации. Об этом читайте «Форматы сжатия аудиоданных с потерями (lossy)».

Интересно, что Флетчером и Мэнсоном использовали при своих измерениях наушники, а несколько позже их коллеги Робинсон и Датсон повторили эксперимент, но используя акустические системы, и получили несколько скорректированные кривые. Кривые Робинсона и Датсона считаются более точными и в 1986 г. послужили основой стандарта ISO 226.

Пожалуй, более объективно делать замеры в озвученном помещении (хотя мы не знаем его акустических свойств, а равно характеристик мониторов  Робинсона и Датсона).  Еще большую вариабельность в подобные измерения может вносить сам испытуемый, ведь индивидуальные особенности слуха тоже отрицать невозможно. Кстати, в медицине исследование индивидуальных характеристик звуковосприятия носит название «аудиометрия».

Для нас с вами из этого вытекают следующие выводы:

Тембральная окраска музыки на разной громкости будет разной. Думаю, каждый это знает на практике, ведь прослушивать музыку на низкой громкости, надо полагать, приходилось всем. И мы с вами знаем, что низких и высоких частот нам в этом случае не хватает, рука сама тянется к эквалайзеру. Это вполне нормально и не имеет ничего общего с привычкой прибавить басов на большой громкости.  Существуют усилители, имеющие даже специальную кнопку тонкомпенсации.

Индивидуальные особенности восприятия звука разными людьми тоже нужно учитывать. Кроме того, слух тренируется. Если вы не слышите какие-то особенности фонограммы, а другой человек слышит, ничего страшного. Это может иметь место. Возможно, после некоторого опыта прослушивания вы их услышите.

При этом объективным аппаратным ухом остается измерительный микрофон. Конечно, качество таких микрофонов может варьироваться, но в любом случае их характеристики более линейны, чем характеристики нашего органа слуха.

И последнее: микрофон микрофоном, а музыку слушаем мы всё же ушами, поэтому конечный результат правильного звучания должен оцениваться на слух.