Понимание звука и децибел
В любой дискуссии о понимании звука децибелы, несомненно, станут частью разговора. В отличие от почти всех других единиц измерения, децибел не является линейной шкалой. Другими словами, 1 децибел (также пишется как дБ) не составляет одну десятую амплитуды или мощности 10 дБ. В этой статье мы объясним, как работает шкала децибел, и предоставим некоторую справочную информацию, которая поможет вам понять, как работает шкала децибел.
Что такое звук?
Звук — это вибрация молекул воздуха, от которой вибрируют наши барабанные перепонки. Барабанная перепонка передает эти вибрации в среднее ухо через крошечные кости, называемые слуховыми косточками. Внутреннее ухо имеет форму, подобную раковине улитки, и содержит микроскопические волосковые клетки, которые преобразуют эти вибрации в мельчайшие электрические сигналы. Эти сигналы передаются на слуховой нерв, а затем в наш мозг. Каждое внутреннее ухо содержит примерно 18 000 волосковых клеток, все из которых, как говорят, умещаются на булавочной головке. Если волосковая клетка повреждена, она больше не вырастает и не восстанавливается.
Знакомство с децибелами
Единица децибел была создана в 1920-х годах компанией Bell Telephone Laboratories для описания потерь в кабелях связи, использовавшихся в первых телефонных системах. Исходной единицей измерения было MSC (стандартные кабельные мили) и представляло собой потерю сигнала на 1 милю кабеля на частоте 795,8 Гц, что было эквивалентно наименьшему заметному затуханию, обнаруживаемому средним слушателем.
Измерение децибел и уровня звука
При обсуждении уровней звука правильно использовать единицу измерения дБ SPL, дБ(SPL) или дБSPL. Ориентиром для любого утверждения является звуковое давление по сравнению с 0 дБ. 0 дБ определяется как воспринимаемый звук комара на расстоянии 10 футов от слушателя.
Поскольку дБ SPL выражает отношение, звуки могут быть тише, чем 0 дБ. Представьте, если хотите, что вы находитесь в пространстве, где измерялся звук, издаваемый этим первоначальным комаром. Если мы уберем комара, в помещении станет тише. Насколько тише, зависит от других источников шума. Электрический шум, создаваемый освещением, и шум, создаваемый системами отопления и охлаждения, вносят свой вклад. Если мы устраним как можно больше шумов, в комнате будет становиться все тише и тише.
Согласно Книге рекордов Гиннеса, самым тихим местом в мире в 2012 году была безэховая испытательная камера в Orfield Laboratories в Миннеаполисе. Уровень звука в этой комнате был измерен на уровне -13 дБА. В октябре 2015 года группа инженеров головного офиса Microsoft в Редмонде, штат Вашингтон, побила этот рекорд, проведя измерения в безэховой камере в здании 87. Группа независимых специалистов измерила уровень шума -20,35 дБА. Комната не только полностью изолирована от всех источников шума и вибрации, но и стены облицованы большими клиньями из акустической пены, предназначенными для поглощения звука.
На противоположном конце звукового спектра мы имеем 191 дБ SPL. Это уровень звука, при котором давление воздуха составляет 1 бар или 1 атмосферу. Линейный звук не может существовать выше этого уровня, потому что сторона волны с низким давлением достигает абсолютного вакуума. Есть более громкие шумы (например, ядерные взрывы), но они рассматриваются как волны давления, а не звуки.
Не все звуки воспринимаются одинаково
Человеческое ухо не одинаково чувствительно ко всем звукам. В 1933 году были опубликованы результаты исследования того, как наши уши воспринимают разные частоты. Исследователи Флетчер и Мансон выпустили набор кривых чувствительности человеческого слуха, основанных на частоте и амплитуде. Кривые были созданы путем поочередного воспроизведения чистого тона 1 кГц и тона другой частоты. Амплитуда тона 1 кГц регулировалась до тех пор, пока участники не чувствовали, что уровень этих двух сигналов был эквивалентен. Уровень регулировки был записан, и они перешли на другую частоту.
В 1937 году подобное тестирование было проведено Черчером и Кингом, но результаты сильно отличались от диаграмм Флетчера Мансона. Исследователи Робинсон и Дадсон повторили испытания в 1956 году с более новым оборудованием. Полученные результаты были приняты и определены нормальные контуры равного уровня громкости ISO 226. Они оставались стандартом до 2003 года, когда новые тесты изменили графики.
Кривые говорят нам о том, что наш слух наиболее чувствителен в диапазоне от 2 до 3 кГц, в зависимости от амплитуды. Мы менее чувствительны к высокочастотной информации около 10 кГц и 150 Гц примерно на 20 дБ. Мы все менее чувствительны к звукам ниже 150 Гц, но это явление уменьшается по мере увеличения громкости.
Как мы воспринимаем звук
В отрасли ходит множество заявлений об уровнях звука. Давайте поговорим и проясним пару самых распространенных.
3дБ в два раза громче. Нет. Нет, это не так. Изменение на 3 дБ представляет собой удвоение или уменьшение акустической энергии вдвое. Усилителю требуется в два раза больше мощности для воспроизведения тона на уровне 73 дБ, чем на уровне 70 дБ. Реальность такова, что большинство слушателей едва заметят изменение уровня на 3 дБ на всех слышимых частотах.
Если 3 дБ не в два раза громче, то что? На основе обширных испытаний было установлено, что изменение уровня на 10 дБ считается вдвое или в два раза громче.
Аудирование
Просто для развлечения и обучения ниже приведена серия тестовых сигналов, демонстрирующих нашу способность обнаруживать различия в амплитуде. Эти тесты созданы для того, чтобы сделать различия максимально заметными.
Тоны представляют собой синусоидальную волну с частотой 1 кГц, записанную с начальным уровнем -10 дБ от полной шкалы в 44,1 кГц, 16-битном несжатом формате файла .wav. Амплитуда (громкость) сигнала уменьшается на одну, две и три секунды на различную величину. Для большинства легко заметить снижение на 1 дБ на шаг. Многие смогут обнаружить снижение на 0,5 дБ за шаг. Снижение на 0,25 дБ на шаг плохо слышно.
Трек 1
1 кГц, амплитуда уменьшается на 1,0 дБ с интервалом в одну секунду
Трек 2
1 кГц с уменьшением амплитуды на 0,5 дБ с интервалом в одну секунду
Трек 3
1 кГц с уменьшением амплитуды на 0,25 дБ с интервалом в одну секунду
Теперь, основываясь на ваших результатах, опровергает ли этот тест приведенные выше утверждения о различиях в 3 дБ и 10 дБ? Нисколько. Как уже упоминалось, тесты предназначены для облегчения восприятия изменений уровня. Если бы вы прослушали песню, а затем через пять минут воспроизвели ту же песню снова, увеличив или уменьшив громкость на 0,5 дБ или 1 дБ, большинство людей не смогли бы обнаружить разницу.
Мы вернемся к децибелам в будущих статьях и объясним, как различные кривые рейтинга влияют на цифры, которые мы читаем, когда смотрим на измерения и характеристики шума аудиооборудования. А пока мы надеемся, что вам понравилась эта статья и тестовые версии.