Мы детально разобрали объем и восприятие звука. Но как точно определить, насколько громкими будут ваши колонки и достаточно ли их мощности, чтобы создать необходимый уровень звукового давления в заданной комнате?
Физика звука: Что такое громкость? Объективный анализ
Если вы хотя бы раз пробовали использовать музыкальную колонку, то наверняка столкнулись с тем, что определить качество звука бывает сложно, особенно если вы не обладаете достаточным опытом в области звукорежиссуры. Приятно, если у вас есть возможность послушать звук своих колонок в магазине, поскольку это может значительно упростить выбор, но что делать, если такая возможность отсутствует?
Считается, что чем больше ватт указано в характеристиках, тем громче будет звук, верно? Однако громкость на самом деле измеряется в децибелах…
Какова взаимосвязь между интенсивностью звука, измеряемой в децибелах или ваттах, и диапазонами частот? И что такое соотношение сигнал/шум? Все эти аспекты не сводятся к простому вопросу о том, насколько приятно звучит звук — это также технические характеристики, которые необходимо учитывать.
Также важно понимать, на сколько хорошо звучат музыкальные колонки и как они воспроизводят басовые ноты. Способен ли звук «оживить» вашу комнату, дом или даже целый район? Мы должны учитывать, как люди воспринимают звук и как производители динамиков принимают это во внимание, предлагая свои советы. В этой статье мы поможем вам разобраться в процессе выбора оптимального динамика для ваших нужд.
Что такое звук?
Начнем с небольшого экскурса в физику, чтобы вспомнить, что такое звук на самом деле. Звук представляет собой механическую вибрацию, которая распространяется через воздух, жидкости или твердые вещества в виде волн. Для нас, в обычной жизни, звук — это, прежде всего, вибрация давления в воздухе.
Когда давление в воздухе меняется, наши барабанные перепонки улавливают эти изменения, и именно так мы слышим звук!
Громкость звука напрямую пропорциональна величине колебаний давления — чем выше амплитуда колебаний, тем громче мы воспринимаем звук. На первый взгляд, это кажется простым. Однако здесь начинается взаимодействие физики и человеческих ощущений, что приводит к более сложным выводам.
Восприятие громкости
Во-первых, важно рассмотреть, что такое децибел. Существует мнение, что дБ либо как-то связывается с громкостью звука, однако на самом деле это универсальная мера, которая используется для описания значений в очень широком диапазоне intensities. Поскольку шкала децибелов логарифмическая, ее формула представляет собой логарифм отношения двух величин. Следовательно, это позволяет понять не столько абсолютную громкость звука, сколько его отношение к базовому уровню.
Например, когда мы говорим, что «громкость звука составляет 30 дБ», это означает, что громкость звука в 1 000 раз превышает порог слышимости человека. Однако даже при этих данных ситуация усложняется, поскольку изменения давления, которое мы воспринимаем в децибелах, не могут полностью объяснить наше восприятие звука, для этого существует фоновый уровень!
Важно начать с того, что различные частоты воспринимаются разными людьми по-разному. Не секрет, что чувствительность человеческого уха значительно варьируется в зависимости от частот. Поэтому громкость больше связана с личными ощущениями, чем с просто физическим давлением звуковых волн.
Фоновый уровень звука (из греческого “фон”) — это кривые интенсивности, основанные на среднем уровне восприятия звука у здоровых людей в возрасте 18-25 лет. Для этого даже существует специальный стандарт, такой как ГОСТ ISO 226, так что вы можете быть уверены — это дело официальное. Кроме того, были проведены тесты на людях с хорошим слухом.
Шкала фонового уровня отличается от традиционной шкалы децибелов тем, что сопоставляет значения интенсивности с чувствительностью человеческого слуха к различным частотам.
Например, тон с частотой 1000 Гц начинает быть слышимым при 0 децибел — это именно состояние на грани слышимости. Однако тон с частотой 20 Гц воспринимается лишь при уровне около 80 децибел.
Эта разница объясняет, почему для басовых колонок требуются мощные динамики для воспроизведения низких частот. Например, колонка JBL Partybox 310 оборудована двумя динамиками диаметром 176 мм для низких частот, а для высоких частот используются более мелкие динамики — 65 мм.
Интересно отметить, что общий график звуков разных языков попадает в диапазон, который соответствует нашему восприятию. Он составляет от 250 до 5000 Гц, что предоставляет дополнительный “усилитель” для понимания речи. И стоит упомянуть, что высокие частоты, такие как свист, могут быть довольно раздражающими, поскольку мы воспринимаем их более остро.
Кроме того, мы различаем громкость звуков нелинейно: наше ухо более чувствительно к тихим звукам по сравнению с громкими звуками.
Вот почему шкала громкости, обозначаемая в децибелах, является логарифмической, а не линейной. Это означает, что увеличение громкости в 10 раз соответствует добавлению 10 дБ, а увеличение в 100 раз — добавляет 20 дБ. Такое объяснение помогает понять, почему разница между громкой музыкой (110 дБ) и звуком оружия (200 дБ) не кажется такой значительной на уровне восприятия. Люди способны усвоить насколько громче может быть звук даже при уровне всего 100 дБ, но это также зависит от выбранной музыки.
От чего зависит громкость звука
Это может быть увлекательно: вы не осознаете, насколько функции и основные направления деятельности классного руководителя могут быть взаимосвязаны с пониманием параметров звука.
Громкость звука зависит от таких факторов, как частота, длина волны, звуковое давление и энергия звукового потока. Начнем с самого важного.
Какие факторы определяют интенсивность звука? В физике давно известно, что она охватывает основные характеристики звуковой волны. Чем быстрее вибрации источника звука, тем выше частота и тем короче длина волны. Высокочастотные звуки мы воспринимаем как «мягкие», однако из-за их короткой длины волны воспринимаем на небольшом расстоянии. Напротив, низкочастотные звуки ощущаются как резкие и громкие, и они слышимы на большом расстоянии.
Акустическое давление и звуковой поток
Теперь поговорим о факторах громкости. Напомним, что она также зависит от звукового давления. Это давление, превышающее атмосферное, создается вибрирующим источником. Когда источник генерирует звуковые волны с большой амплитудой и низкой частотой, акустическое давление возрастает значительно.
Это давление, в свою очередь, создает звуковой поток. Он измеряется в Вт/м² и измеряет, проходимую кинетическую энергию через единицу площади в течение одной секунды. Чем выше акустическое давление, тем более интенсивен звуковой поток.
Громкость звука и его энергия
Насколько громким может быть звук, также рассматривается с точки зрения физики и определяется как поток звуковой энергии. Если принять во внимание увеличение энергии в 10 раз, громкость звука вырастет на 10 дБ. 1 бел — это единица измерения громкости, но для упрощения мы користуемся децибелами (1 дБ = 0,1 б).
Если мы обозначим изначальную энергию звука как E0, то при увеличении в 10 раз она становится 10 E0. Уровень интенсивности звука на этом этапе повысится на 10 дБ; при увеличении в 100 раз — на 20 дБ и так далее. Человеческое ухо имеет ограничения в диапазоне воспринимаемой звуковой энергии. Этот диапазон составляет 10 триллионов раз, или изменение интенсивности на 130 дБ. Минимальный уровень звуковой энергии составляет E0 = 10^-12 Вт/м², что зачастую не ощущается человеком кроме людей с отличным слухом. Все звуки классифицируются относительно E0, что помогает понять, являются ли они тихими или громкими.
Чтобы лучше понять данную концепцию, приведем примеры наиболее часто встречающихся звуков и сравним их интенсивность и уровень энергии. Эти примеры исходят из восприятия звука людьми на расстоянии нескольких метров.
Энергия звука (Ватт/м²)
От чего зависит громкость?
Итак, есть множество параметров, от которых зависит интенсивность звука. К ним относятся частота, амплитуда и личные особенности восприятия человека.
Также важен и расстояние от источника. Когда увеличивается расстояние до источника звука, содержание энергии в звуковой волне уменьшается прямо пропорционально.
Высокий звук достигается благодаря частым вибрациям источников звука, и именно эти свойства применяются для создания различных музыкальных инструментов.
Следует отметить, что постоянное воздействие шума может вызвать симптомы, такие как: нервное возбуждение, быстрая утомляемость и повышение артериального давления. При этом необходимо учитывать и воздействие шума на длительный срок, что может вести к негативным последствиям для здоровья.
В связи с этим часто применяются специальные шумоподавляющие наушники, которые, например, пользуются популярностью в строительной отрасли для защиты от громких шумов.
Также стоит отметить, что качество звуковых волн улучшается в твердых оболочках. Например, в воде звук распространяется в пять раз быстрее, чем в воздухе, что обусловлено физическими свойствами этих веществ.
Подводя итог, можно сказать, что изучение звука, его параметров и характеристик является частью физики, которая исследуется на уроках в школе.
Как можно измерить?
Обратите внимание, что восприятие звука может варьироваться от человека к человеку. Для того чтобы измерять звук, были разработаны специальные приборы.
Наиболее распространенный способ измерения звука — это использование датчиков. Датчик уровня звука определяет энергию звуковых волн, поступающих за единицу времени на единицу площади приемника. Эта величина называется интенсивностью звука и измеряется в мВт/м² (микроватт на квадратный метр).
Если вас интересует, как именно определяются децибелы и истинный уровень звукового сигнала, вы можете узнать это здесь. Каждые 6 дБ уровень сигнала увеличивается удвоением.
Почему эта величина имеет такое значение? Децибел демонстрирует логарифм отношения двух равных значений энергии, которые потом умножаются на 10. В отличие от этого, амплитуда сама по себе не является мерой энергии, следовательно, должна быть преобразована в соответствующее значение.
Кроме того, для оценки интенсивности звука в различных условиях часто применяются такие устройства, как шумомеры, позволяющие замерять уровне шума в разных средах.
Человеческое ухо является довольно сложным биологическим датчиком, которое способно распознавать звуки, различающиеся по своему характеру на миллионы единиц.
Также в России принят специальный стандарт для установления равных звуковых кривых, известный как ГОСТ Р ИСО 226-2009, описывающий акустику и стандартные кривые равной громкости.
Существует не менее трех методов измерения громкости: на основе максимума пика, на основании среднего уровня сигнала и по методу ReplayGain. Из вышеуказанных методов ReplayGain можно считать наиболее эффективным, так как он воспроизводит уровень громкости, воспринимаемого человеком, учитывая физиологические и когнитивные особенности нашего слуха.
В настоящее время применяются несколько методов физического определения амплитуды звуковых колебаний, что находит свое применение в различных областях.
Тест на усвоение материала урока
Если вы хотите проверить свои знания по теме, представленной в этом уроке, вы можете пройти короткую викторину, состоящую из нескольких вопросов. Важно отметить, что только один ответ может быть правильным для каждого вопроса. После того как вы сделаете свой выбор, система автоматически перейдет к следующему вопросу. Баллы, которые вы получите, будут зависеть от правильности ваших ответов и времени, затраченного на них. Учитывайте, что вопросы в викторине будут каждый раз различаться, также как и варианты ответов.
Не забудьте включить cookies, JavaScript и iframe для корректной работы страницы. Если вы увидите это сообщение неопределенное время, возможно, настройки вашего браузера не позволяют нашему порталу функционировать как следует.
Пришло время перейти к теме озвучивания и его особенностей.
Мощность
Если вы запомнили информацию из уроков физики, мощность означает количество энергии, выделяемой за единицу времени. Следовательно, более высокий уровень звука не всегда указывает на большую громкость. Мощность в основном связана с механической надежностью акустической системы, а не с ее громкостью. Чтобы проиллюстрировать это, можно сказать, что номинальная мощность, указанная производителем в техническом паспорте громкоговорителя или системы, обеспечивает гарантию того, что такой уровень мощности не приведет к выходу из строя динамика. Правильно, мощность – это технический параметр, который влияет на громкость звука, но не является её показателем.
Мощность акустической системы можно измерять разными способами и при разных условиях, однако наиболее важной характеристикой, которую указывают производители в описаниях колонок, остается значение мощности в ваттах (RMS). Но при этом важно понимать: уровень звукового давления представляет собой меру интенсивности звука, и не следует основываться на величине мощности для оценки громкости системы.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)
Что же такое RMS? Это график, показывающий разницу амплитуд выходного и входного сигналов (вертикальная ось) в зависимости от частоты (горизонтальная ось). Амплитуда колебаний на частоте 1 кГц принимается по умолчанию равной 0 дБ. Идеальная АЧХ выглядела бы как прямая линия, однако в реальности это недостижимо. В итоге, чем более изогнута кривая, тем больше можно ожидать частотных искажений.
Что значит информация о неровности АЧХ динамика? Давайте разберем пример: если указано значение от 50 Гц до 16 кГц (±3 дБ), это ознаменует, что акустическая система адекватно воспроизводит звук в этом диапазоне, но за пределами этого диапазона возникают заметные искажения, приводящие к резкому снижению частотной характеристики.
Проблема нерегулярностей в частотной характеристике заметна как на высоких, так и на низких участках графика. Уменьшение уровня низких частот ведет к потере насыщенности басов, тогда как увеличение их уровня может вызвать гул. Что касается высоких частот, их недостаток может сделать звук нечетким, тогда как избыток вызывал бы излишнее шипение и свист.
В контексте наушников АЧХ служит для отображения тонального баланса устройства. В зависимости от формы АЧХ можно будет выбрать наушники, подходящие для конкретной музыкальной категории — будь то бас, вокал или классическая музыка. Характеристика АЧХ наушников зависит от их импеданса, а также импеданса подключаемых усилителей.
Нелинейные искажения
Так как динамики являются сложными устройствами с процессом усиления звукового сигнала, выходное звучание непременно подвергается нелинейным искажениям, включая гармонические искажения, которые влияют на тембр звука и могут вызывать дополнительные потери.
Гармонические искажения измеряются коэффициентом гармонических искажений (THD), который выражается в процентах или децибелах. Чем выше уровень этих искажений, тем хуже становится звук. Это значение THD динамика будет зависеть от силы поступающего сигнала.
Итак, обсудив основные характеристики звука, можно прийти к выводу, что правило «чем выше числа, тем лучше» не всегда актуально. Поэтому изучайте теорию и сознательно подходите к выбору нужного оборудования или доверяйтесь рекомендациям опытных продавцов. Отметим, что основные характеристики звука у микрофонов — это тема, которая требует более глубокой проработки и, вероятно, будет предметом следующей статьи, которую мы представим в ближайшем будущем.
Желаем вам удачных покупок и прекрасного творчества!
