Громкость звука и её измерение¶

Громкость — субъективная характеристика звука, отражающая восприятие его интенсивности слуховой системой человека. Громкость не тождественна физической величине звукового давления или интенсивности: она зависит как от объективных параметров акустической волны, так и от физиологических особенностей слуха, частоты колебаний и условий восприятия. Количественно громкость связывают с уровнем звукового давления, измеряемым в децибелах, а её воспринимаемую величину оценивают в фонах и сонах.

¶Физические основы

Звук представляет собой механические колебания упругой среды — воздуха, воды или твёрдого тела, — распространяющиеся в виде волны. Основными физическими характеристиками звука являются частота (измеряется в герцах), амплитуда и связанные с ней величины: звуковое давление (паскали), интенсивность (ватты на квадратный метр) и звуковая мощность источника.

Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления. Поскольку человеческое ухо воспринимает огромный диапазон интенсивностей — от пороговых значений до болевых, — для практических измерений используют логарифмическую шкалу. Уровень звукового давления (УЗД) выражается в децибелах (дБ) относительно опорного значения, обычно 20 микропаскалей, что приблизительно соответствует порогу слышимости на частоте 1 кГц.

Шкала децибел логарифмическая: рост уровня на 10 дБ означает увеличение интенсивности в десять раз, а звукового давления — примерно в 3,16 раза. Именно поэтому звуки, различающиеся по уровню на 20–30 дБ, воспринимаются как умеренно громкие и очень громкие, хотя физически их энергия различается в сотни и тысячи раз.

¶Восприятие и психоакустика

Громкость — величина субъективная. Её восприятие описывается в рамках психоакустики и зависит от нескольких факторов.

Во-первых, от частоты звука. Человеческое ухо наиболее чувствительно в диапазоне примерно от 2 до 5 кГц, что связано с резонансными свойствами наружного и среднего уха. На низких и очень высоких частотах для достижения той же громкости требуется значительно большая интенсивность. Эту зависимость отражают кривые равной громкости, впервые построенные американскими исследователями Харви Флетчером и Уайлдом Мансоном в 1933 году и уточнённые впоследствии.

Во-вторых, от длительности воздействия: очень короткие звуковые импульсы (менее 0,1 секунды) кажутся тише, чем длительные той же интенсивности.

В-третьих, от спектрального состава: сложные тоны и шумы воспринимаются иначе, чем чистые тоны. Кроме того, на оценку влияют маскировка (один звук заглушает другой), адаптация слуха и индивидуальные особенности человека, включая возрастные изменения слуха.

Для количественного описания воспринимаемой громкости используют две единицы:

• Фон — уровень громкости, равный уровню звукового давления чистого тона частотой 1 кГц, который воспринимается как столь же громкий. Шкала фонов совпадает с децибелами только на этой опорной частоте.
• Сон — единица субъективной громкости, при которой звук в 1 сон соответствует тону 1 кГц с уровнем 40 дБ. Удвоение воспринимаемой громкости соответствует росту примерно на 10 сонов.

¶Типичные уровни громкости

Ориентировочные значения уровня звукового давления для распространённых источников:

Длительное воздействие звуков выше 85 дБ способно вызывать необратимое повреждение слуха. Именно поэтому на производствах применяются нормы охраны труда, ограничивающие время работы в условиях повышенного шума, а также средства индивидуальной защиты — наушники и беруши.

¶Измерение

Для измерения уровня звука применяют шумомеры — приборы, включающие микрофон, усилитель, корректирующие фильтры и индикатор. Поскольку чувствительность слуха зависит от частоты, при измерениях используют частотные коррекции (взвешивающие фильтры):

• A — имитирует восприятие тихих звуков, наиболее распространена в санитарных нормах и бытовых измерениях;
• B и C — применяются для более высоких уровней и при оценке пиковых значений;
• Z — без коррекции, «линейная» характеристика.

Результат записывается, например, как дБА, что указывает на использование коррекции A. При измерении импульсных и переменных шумов учитывают также временные характеристики: «быстро», «медленно», «импульс».

¶Громкость в технике и культуре

В звукозаписи, радиовещании и кинематографе громкость — ключевой параметр, влияющий на разборчивость и комфорт восприятия. Существуют стандарты и рекомендации по нормализации громкости вещания, направленные на то, чтобы разные программы и рекламные блоки не различались по воспринимаемой громкости слишком сильно. В музыке динамика (изменение громкости) служит важным средством выразительности: от тихого пиано до мощного фортиссимо.

В бытовой технике регуляторы громкости присутствуют в телевизорах, радиоприёмниках, смартфонах и звуковых системах. Помимо удобства, они выполняют защитную функцию, ограничивая уровень звука, подаваемого в наушники, что особенно актуально для профилактики потери слуха у молодёжи.

¶Влияние на здоровье

Шумовое загрязнение — один из значимых факторов городской среды. Хроническое воздействие шума выше допустимых норм связывают с повышенным риском гипертонии, нарушений сна, снижения концентрации и стресса. Всемирная организация здравоохранения рекомендует ограничивать длительное воздействие шума в жилых помещениях и принимать меры по снижению уровня транспортного и промышленного шума. В России действуют санитарные нормы, устанавливающие допустимые уровни шума для жилых и общественных зданий, а также для рабочих мест.

Источники: учебные курсы по общей физике и акустике, материалы по психоакустике (кривые равной громкости Флетчера — Мансона), санитарные нормы по шуму, рекомендации Всемирной организации здравоохранения по шумовому воздействию.