Перейти к основному содержанию

Громкость звука

Амплитуда колебаний в нашем восприятии соответствует громкости звука:

громкость звука

Существуют различные способы физического (а не математического) выражения амплитуды звуковых колебаний, использующиеся в разных областях:

  • Интенсивность звука — скалярная физическая величина, характеризующая мощность (точнее, это мощность на единицу площади), переносимую звуковой волной в направлении её распространения. Единица измерения — ватт на квадратный метр (Вт/м2).
  • Звуковое давление — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения — паскаль (Па).
  • Громкость звука (Уровень звукового давления, SPL или sound pressure level) — воспринимаемая относительная сила звука. Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. На громкость звука также влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.


Интенсивность звука и Звуковое давление находятся в квадратичной зависимости, точнее:

1

где I — интенсивность звука, Вт/м2
p — звуковое давление, Па; 
Zs — удельное акустическое сопротивление среды; 
<>t — усреднение по времени.

Измерение громкости

Громкость звука является относительной величиной и определяется как измеренное по относительной шкале значение звукового давления, соотнесённое с опорным давлением PSPL = 20 мкПа, соответствующим порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц.

Единицей измерения громкости является децибел (дБ, dB) — относительная единица, подобная кратности или, например, процентам.

Величина, выраженная в децибелах, равна десятичному логарифму отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за точку отсчета, умноженному на десять (умножение на 10 переводит белы в децибелы):

2

где AdB — величина в децибелах, A — измеренная физическая величина, A0 — величина, принятая за точку отсчета.

В приведенной формуле дБ используется для оценки отношения интенсивности звука, однако, чаще для этого используется звуковое давление.

Таким образом, когда мы говорим о громкости звука в децибелах, мы имеем в виду отношение значения его звукового давления к «нулевой» или «опорной» величине (условный 0 дБ), которая составляет 20 мкПа и соответствует стандартному порогу слышимости (порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц). В этом случае используется формула:

3

В основном формула аналогична приведенной выше, только в качества точки отсчета указано 20 мкПа, а вместо 10 логарифм умножен на 20 (т.е. на 10 и на 2). Это отражает уже упомянутую выше квадратичную зависимость силы звука и звукового давления и используется формула lg xn = n · lg x. (Важнейшая особенность белов состоит в том, что они применяются только к отношению двух мощностей или двух энергий. Если же есть необходимость описания отношения двух амплитудных сигналов, например, напряжений, то возможно лишь опираться на отношение мощностей, ассоциированных с этими напряжениями. Мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока, а, например, сила звука - звукового давления. Порой неочевидно, что считать амплитудной величиной, а что энергетической. Напряжение, ток, импеданс, напряженности электрического или магнитного полей и размахи любых волновых процессов считаются амплитудными величинами. Когда происходит измерение в децибелах, то вычисляется логарифм отношения квадратов этих величин. Энергия, мощность и интенсивность являются энергетическими величинами, и в отношении логарифма они используются непосредственно.)

Приведем некоторые соответствия значений в децибелах увеличению звукового давления относительно порога слышимости:

6 дБ → в 2 раза (lg(2) = 0,30102999566),
9,5 дБ → в 3 раза (lg(3)= 0,47712125472),
12 дБ → в 4 раза (lg(4)= 0,60205999132),
20 дБ → в 10 раз (lg(10)= 1).

Таким образом, любое удвоение величины звукового давления выражается в увеличении его уровня на 6 дБ, как видно из следующей таблицы:

Отношение силы звука или электрической мощности ("энергетические" величины)

Децибелы

Отношение звукового давления, напряжения или тока ("амплитудные" величины)

Децибелы

1

0

1

0

2

3

2

6

3

4,8

3

9,5

4

6

4

12

5

7

5

14

6

7,8

6

15,6

7

8,5

7

16,9

8

9

8

18,1

9

9,5

9

19,1

10

10

10

20

100

20

100

40

1000

30

1000

60

10000

40

10000

80

100000

50

100000

100

1000000

60

1000000

120