Как найти уровень громкости звука

При покупке звукового оборудования, будь то наушники, микрофон, звуковая карта и т.д., вы выбираете его по тем или иным характеристикам, а кто-то просто по отзывам и совету продавца, потому что не особо разбирается в тех цифрах, что представлены в описании товара. Давайте же станем покупателями, которые делают свой выбор осознанно, покупая товар за его характеристики, а не репутацию. Поэтому данная статья будет посвящена звуку и тем его характеристикам, которые можно измерить и выразить в цифрах, на примерах устройств звукоусиления (наушников и акустических систем).

Вспомним школьный курс физики, который учил нас, что звук — это механическая волна, т.е. колебания, распространяющиеся в среде, и курс биологии, рассказывающий, что эти колебания воспринимаются нашим ухом и преобразуются в нервные импульсы, посылаемые в мозг и воспринимаемые как конкретные звуки. Звуковые волны – это волны сжатия и разряжения воздушной среды, в которой звук распространяется. Основными характеристиками звука являются его высота, определяемая частотой, и громкость, определяемая амплитудой. Если говорить о музыкальном звуке, то стоит добавить две характеристики: длительность и тембр.

Высота

Высота звука, как было сказано выше, определяется частотой колебаний. Причем зависимость эта не линейная, а представляет собой геометрическую прогрессию. Если говорить об инструменте, то частота зависит от толщины, длины и упругости струны, например.

Человеческое ухо способно воспринимать звуки в частотном диапазоне 16 — 20000 Гц, хотя верхняя граница незначительно изменяется с возрастом. Низкие звуки хорошо воспринимаются в любом возрасте. В музыке используется диапазон наиболее четкого восприятия звука: 16 – 4500 Гц.

Если говорить о наушниках, то чаще всего в их характеристиках можно встретить следующие цифры: 20 – 20000 Гц, которые и означают диапазон воспроизводимых частот. Эти цифры не несут практически никакой информации о звуке наушников и не позволяет сравнивать разные модели. Строго говоря, нет никаких стандартов по поводу измерения и указания частотного диапазона наушников, поэтому производитель может и не указывать этот параметр. Но некоторые покупатели являются жертвами маркетинга, и, когда видят, что указан расширенный диапазон, например, 15-21000 Гц, бегут приобретать модель с уникальными характеристиками. Хотя нижние и верхние границы они просто не услышат… Хотя границы частотного диапазона говорят о том, что окончательные спады АЧХ начинаются только у этих дальних границ, а не раньше. Поэтому заниженная нижняя граница позволяет надеяться, что нижний бас в данной модели хотя бы присутствует.

Громкость

Громкость звука – это отражение в восприятии силы звука. Громкость определяет уровень мощности, которая зависит от амплитуды звукового сигнала. Ухо воспринимает не мощность, а звуковое давление на барабанную перепонку, то есть звуковую энергию, приходящуюся на единицу площади, получаемую от источника, находящегося на расстоянии 1 метр.

Громкость выражается в децибелах (дБ). Минимальная громкость, которую слышит человек, называется порог слышимости. Громкость, при которой человек испытывает боль, называется болевым порогом. Интервал между порогом слышимости и болевым порогом Александр Бел поделили на 13 ступеней, создав, таким образом, шкалу звуковой мощности.

Что же такое 0 дБ? Это давление, оказываемое на ухо полностью неподвижной средой, что практически не достижимо. А вот 10 дБ соответствует средней громкости дыхания человека, 20 дБ – тиканью часов. Человеческое ухо вообще вещь довольно интересная, и воспринимает различные звуки по-разному. Например, звуки голоса и взлетающего самолета различаются в миллион раз по силе создаваемого давления. Таким образом, небольшое отличие по громкости в дБ (например рок-концерт 120 дБ и смертельные 160дБ) отличается по силе звукового давления в тысячи раз.

Т.е. увеличение на сколько-то дБ приводит к увеличению восприятия громкости в несколько раз. Попробуем объяснить на конкретных цифрах:      

• Добавить 10 дБ = увеличить громкость в 2 раза.

• Добавить 20 дБ = увеличить громкость в 4 раза.

• Добавить 40 дБ = увеличить громкость в 16 раз.

• Добавить 60 дБ = увеличить громкость в 1 000 000 раз и так далее

Еще немного цифр.

• Увеличиваем расстояние до источника звука в 2 раза = минус 6 дБ.

• Увеличиваем расстояние до источника звука в 10 раз = минус 20 дБ.

Вы можете подумать, что это какая-то странная и непонятная зависимость. И будете правы, ибо она не линейная, а логарифмическая, то есть добавление единицы в несколько раз увеличивает результат.

Следует также отметить, что громкость — это характеристика субъективная, зависящая от частоты. Что интересно, человек воспринимает одинаковую громкость на разных частотах как звуки разной громкости.

Чувствительность

Чувствительность – параметр, который часто указывается производителями акустических систем. Для АС чувствительность – это интенсивность звукового давления, измеренная на расстоянии 1 м от источника звука частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Чувствительность — величина относительная и измеряется в децибелах относительно порога слышимости. Можно встретить такое обозначение — уровень характеристической чувствительности или SPL, указываемый в дБ/Вт*м.

Для характеристики наушников чувствительность указывается по отношению к мощности (дБ/мВт), что не совсем удобно. Гораздо удобнее выражать чувствительность относительно напряжения (дБ/В), тогда её можно брать прямо из АЧХ на частоте 1 кГц.

Если представлять чувствительность относительно напряжения, то можно оценить зависимость громкости звука от подаваемого напряжения (а изменение громкости источника – это и есть изменение напряжения). Сочетание высокой чувствительности и низкого сопротивления обеспечивают более высокую громкость, но, при этом вероятно появление лишних шумов в наушниках, которые будут слышны только тогда, когда не играет музыка, а некоторых это раздражает.

Мощность

Если снова обратиться к курсу физики, то мощность – это энергия, выделяемая в единицу времени. Поэтому более мощный звук не означает более громкий. Мощность – это скорее про механическую надежность акустической системы, а не про ее громкость. Поясним: мощность, указываемая производителем в паспорте динамика или системы, гарантирует, что при подаче сигнала данной мощности динамическая головка не выйдет из строя. То есть мощность – это не параметр звука, а технический параметр, который влияет на громкость.

Мощность акустической системы можно измерит разными способами и в разных условиях. Но наиболее важной характеристикой, указываемой производителем в описании акустических систем является значение мощности, указанной в Вт (RMS). Но стоит помнить о том, что громкость звука характеризуется всё же уровнем звукового давления, поэтому судить о громкости системы по показателю мощности не стоит.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ )

Что такое АЧХ? Это график, который показывает зависимость разницы амплитуд колебаний выходного и входного сигналов (вертикальная ось) от частоты (ось горизонтальная). За 0 дБ принимают амплитуду колебаний на частоте 1 кГц. Идеальная АЧХ – это прямая линия, которую встретить нереально, к сожалению. Поэтому чем более неравномерна кривая, тем больше искажений частот стоит ожидать от звука.

Что же означают цифры в описании неравномерности АЧХ устройства? Давайте разберем на примере. Если указано, например, 50 Гц — 16 кГц (±3 дБ), то это следует читать так: акустическая система на данном диапазоне имеет достоверное звучание, а на частотах, не попадающих в указанный диапазон, неравномерность резко увеличивается и АЧХ имеет «завал» (резкий спад характеристики).

Неравномерность АЧХ может выражаться в подъемах и спадах кривой. Так вот уменьшение уровня низких частот ведет к потере насыщенного звучания басов, а подъем вызывает гул. Если говорить о высоких частотах, при их завалах звук получается невнятным, а на подъемах будет раздражать свистом и шипящими звуками.

По отношению к наушникам, АЧХ показывает их тональный баланс. Именно по АЧХ и стоит выбирать наушники для определенных целей (басы, вокал, классика и т.д.). Вид АЧХ наушников зависит от их импеданса и полного сопротивления усилителя.

Нелинейные искажения

Так как акустические системы представляют собой сложное устройство, в котором происходят усиления сигнала, то на выходе звук обязательно имеет нелинейные искажения, одними из которых являются искажения гармонические, придающие звучанию новый тембр и ведущие к звуковым потерям.

Измеряют гармонические искажения с помощью коэффициента гармоник (КГ), который измеряется в процентах или в децибелах. Соответственно чем выше коэффициент гармоник, тем хуже звучание. Числовое значение КГ акустической системы зависит от мощности входящего сигнала.

Итак, рассмотрев основные характеристики звука, можно сказать, что правило «Чем больше цифры — тем лучше», работает далеко не всегда. Поэтому либо осваивайте теорию и вперед со знанием дела выбирать нужное вам устройство, либо не вникайте и продолжайте доверять советам опытных продавцов-консультантов. Что же касается основных звуковых характеристик микрофона, то этот вопрос следует разобрать более подробно и посвятить отдельную статью, что и будет сделано в скором времени.

Удачных покупок и творческих успехов!

Уже отмечалось,
что объективная физическая характеристика
звуковой волны — интенсивность определяет
субъективную физиологическую
характеристику — громкость. Количественная
связь между ними устанавливается на
основе закона Вебера-Фехнера,
связывающего степень ощущения и
интенсивность вызвавшего его раздражителя:ощущение растет в арифметической
прогрессии, если интенсивность
раздражителя увеличивается в геометрической
прогрессии.

Другими
словами: физиологическая реакция(в рассматриваемом случае громкость)на раздражитель(интенсивность
звука)не прямо пропорциональна
интенсивности раздражителя,а
возрастает с ее увеличениемсущественно
слабее– пропорционально логарифму
интенсивности раздражителя.

Для
пояснения физиологической значимости
этого закона вспомним график логарифмической
функции y =
lgI (см. рис. 4).

При малых аргументах
I функция y = lgI
растет довольно быстро с увеличением
аргумента. Это означает, что небольшое
увеличение малой интенсивности (на
величину I )приводит к значительному увеличению
громкости (на величину
y₁
) – как только интенсивность
звука немного превысила пороговое
значение, уже возникает слуховое
ощущение. Если же интенсивность велика,
то ее дальнейшее увеличение на ту же
величину I
дает малый прирост громкости (на
величину y₂
)- при большой интенсивности звук
хорошо слышен и дальнейшее увеличение
интенсивности звука на возрастание
ощущения громкости сказывается
существенно слабее.

Для установления количественной связи
между интенсивностью и громкостью звука
введем уровень интенсивности звука(L)— величину, пропорциональную
десятичному логарифму отношения
интенсивности звукаI к интенсивности
на пороге слышимости I₀= 10^-12Вт/м²:

.
(3)

Коэффициент n в формуле (3) определяет
единицу измерения уровня интенсивности
звука. Обычно принимают n=10, тогда величина
Lизмеряется вдецибелах (дБ). На
пороге слышимости (I = I₀)
уровень интенсивности звукаL=0, а
на пороге болевого ощущения (I= 10
Вт/м²)L= 130 дБ. Если, например, интенсивность
звука составляет 10^-7Вт/м²(что соответствует нормальному разговору),
то из формулы (3) следует, что уровень
его интенсивности составляет 50 дБ.

Уровень громкости звука(часто
его называют простогромкостью)Е
связан с уровнем интенсивностиLсоотношением:

Е = kL,(4)

где k— некоторый коэффициент
пропорциональности, зависящий от частоты
и интенсивности звука.

Если бы коэффициент kв формуле (4)
был постоянным, то уровень громкости
совпадал бы с уровнем интенсивности и
мог бы измеряться в децибелах.

Однако, из-за зависимости порога
слышимости от частоты уровень громкости
также изменяется с частотой. Например,
звук с уровнем интенсивности 20 дБ и
частотой 1000 Гц будет восприниматься
существенно более громким, чем звук с
тем же уровнем интенсивности, но частотой
100 Гц. Одинаковый уровень громкости на
этих частотах будет достигнут, если для

1000 Гц уровень интенсивности составляет
20 дБ, а для 100 Гц — 50 дБ. По этим причинам
для измерения уровня громкости вводится
особая единица, называемаяфоном.

Для частоты 1000 Гц считается, что уровень
интенсивности в децибелах и уровень
громкости в фонах совпадают (коэффициент
в формуле (4) k= 1). При других частотах
из области слышимости для перехода от
децибел к фонам необходимо вводить
соответствующие поправки. Этот переход
можно осуществить с помощью кривых
равной громкости (см. рис.3), полученных
на основании физиологических экспериментов.
Например, пусть для частоты 200 Гц уровень
интенсивности звука составляет 40 дБ.
Чему равен уровень громкости этого
звука? На рис.3 находим точку с координатами
200 Гц и 40 дБ. Она лежит на кривой,
соответствующей уровню громкости 20
фон, следовательно, для данной частоты
20 фон соответствует 40 дБ.

Определение порога слышимости на разных
частотах составляет основу аудиометрии— методов измерения остроты слуха.
Сравниваяаудиограммы (кривые,
аналогичные представленным на рис 3),
полученные для конкретных пациентов,
с усредненной нормой судят о характере
и степени развития нарушений слухового
аппарата.

Соседние файлы в предмете Физика

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Мы живем в очень громком мире. Уровень шума может быть особенно высоким в крупных городах, на шоссе, концертах и взлетных полосах. Если вам зачем-то понадобилось измерить громкость, вовсе не обязательно покупать специальный прибор (шумомер). Для бытового использования достаточно обычного смартфона.

Шумомер: измерение громкости на Android

Легко измерить уровень громкости можно с помощью приложения «Шумомер» для Android. Оно позволяет быстро и эффективно измерить уровень децибел в окружающей среде, при разговорах и во время разных мероприятий. Для этого необходимо только открыть программу.

Скачать «Шумомер»

• На главном экране приложения отображаются средние, самые высокие и самые низкие децибелы. Они меняются в зависимости от местоположения и измеряются в режиме реального времени.
• Особенностью приложения является возможность сравнить определенных уровней децибел с ситуациями в режиме реального времени. В частности, вы можете контролировать, превышают ли отображаемые децибелы болевой предел в 120 дБ или все еще находятся в рамках шума, характерного для спокойного разговора (приблизительно 40 дБ).

Dezibel X: измерение уровня громкости на iPhone

Пользователям iOS мы рекомендуем приложение Dezibel X. Речь также идет о программе для измерения уровня децибел, которое доступно для iPhone, iPad и Apple Watch. Кстати, программа также работает на Android. Особенностью приложения является уже откалиброванное «устройство» для измерения уровня децибел, которое может измерять громкость в диапазоне от 30 до 130 дБ. Результаты измерений программа выдает в виде графика.

Скачать Dezibel X для iOS

Скачать Dezibel X для Android

• Приложение может использоваться совместно с камерой устройства. После этого отдельные фотографии могут отображаться с актуальным на момент съемки числом децибел. Также снимками с уровнем громкости можно сразу поделиться.
• Dezibel X может быть синхронизировано с вышеупомянутыми устройствами через iCloud. Результаты измерений можно хранить довольно длительный период и экспортировать в различные форматы данных (PNG, CSV).

Sound Analyzer: измерение уровня громкости для профи

Уровень громкости звука

Полезное