Кривые равной громкости¶

Кривые равной громкости — графики, отображающие зависимость уровня звукового давления (в децибелах) от частоты звука при условии, что слушатель воспринимает эти звуки как одинаково громкие. Данные кривые являются стандартизированной характеристикой субъективного восприятия громкости человеческим ухом и лежат в основе акустических измерений и аудиотехники.

¶Физиологическая основа

Чувствительность человеческого слуха неравномерна по частотному диапазону. Ухо обладает наибольшей чувствительностью в области средних частот (примерно 2–5 кГц), где резонанс слухового прохода усиливает звуковое давление. К краям слышимого диапазона (низкие и высокие частоты) чувствительность резко падает. Это означает, что для того чтобы тон частотой 50 Гц воспринимался так же громко, как тон 1000 Гц, его физическая интенсивность должна быть значительно выше.

Особенность слуха состоит в том, что степень этой неравномерности зависит от уровня громкости. При тихом прослушивании (например, 20 фон) разница в чувствительности между средними и крайними частотами максимальна. При увеличении громкости (например, до 90 фон) кривые выравниваются, и частотная характеристика восприятия приближается к линейной.

¶История и стандартизация

Первые систематические измерения были проведены Харви Флетчером и Уайлденом Мунсоном в лабораториях Bell Labs в 1933 году. Полученные ими графики получили название кривых Флетчера — Мунсона. В 1937 году эти данные были приняты Американским национальным институтом стандартов (ANSI) как предварительный стандарт.

В 1956 году Д. У. Робинсон и Р. С. Дадсон из Национальной физической лаборатории Великобритании провели новые, более точные измерения, которые легли в основу стандарта ISO 226. Последняя крупная ревизия стандарта была выполнена в 2003 году на основе исследований, проведённых в Японии, Германии, Дании и США. Современные кривые, регламентированные ISO 226:2003, несколько отличаются от оригинальных данных Флетчера — Мунсона, особенно в области низких частот, где новые измерения показали более высокую чувствительность слуха.

¶Единицы измерения

Громкость в контексте кривых равной громкости измеряется в фонах. Уровень громкости в фонах численно равен уровню звукового давления в децибелах для эталонного тона частотой 1000 Гц. Например, если звук на частоте 100 Гц имеет уровень 60 дБ, но воспринимается так же громко, как тон 1000 Гц с уровнем 50 дБ, то его громкость составляет 50 фонов.

Для оценки субъективной громкости в относительных единицах используется другая шкала — соны. Один сон соответствует громкости тона 1000 Гц при уровне 40 дБ (40 фонов). Увеличение громкости на 10 фонов примерно соответствует удвоению ощущения громкости в сонах.

¶Практическое применение

¶Аудиотехника и звукозапись

Кривые равной громкости объясняют, почему при тихом прослушивании музыки кажется, что в миксе недостаёт низких и высоких частот. На этом эффекте основана работа схем громкой компенсации (loudness), которые поднимают крайние частоты при уменьшении громкости, а также кривых Флетчера — Мунсона в эквалайзерах.

¶Акустические измерения

Шумомеры используют частотные коррекции A, B и C, которые приближённо повторяют форму кривых равной громкости для уровней 40, 70 и 100 фонов соответственно. Наиболее распространённая коррекция А (шкала дБА) моделирует восприятие тихих звуков и используется в большинстве нормативов по шуму.

¶Слуховые аппараты

При настройке слуховых аппаратов учитывается неравномерность частотной чувствительности, чтобы компенсировать потери слуха на конкретных частотах в соответствии с индивидуальными кривыми равной громкости пациента.

¶Критика и ограничения

Кривые равной громкости являются усреднёнными данными, полученными на группах молодых людей с нормальным слухом. Индивидуальные различия могут быть значительными: возрастные изменения (пресбиакузис) приводят к снижению чувствительности на высоких частотах, а особенности анатомии ушной раковины и слухового прохода вносят дополнительные вариации. Кроме того, стандартные кривые построены для фронтального прихода звуковой волны в свободном поле и не учитывают эффекты дифракции головы и отражений в реальных помещениях.

¶Источники

• ISO 226:2003 «Acoustics — Normal equal-loudness-level contours»
• Fletcher H., Munson W. A. «Loudness, its definition, measurement and calculation» (1933)
• Robinson D. W., Dadson R. S. «A re-determination of the equal-loudness relations for pure tones» (1956)
• ГОСТ 17187-2010 «Шумомеры. Общие технические требования и методы испытаний»