В чем измеряется уровень громкости. Как измерить децибелы

Силой звука называется величина, измеряемая количеством энергии, ежесекундно протекающей через площадку в 1 см 2 , перпендикулярную к направлению звуковой волны .

Силу звука измеряют в эрг /см 2 · сек или в дж /м 2 сек.

Силе звука соответствует ощущение громкости, подобно тому, как частоте колебаний – высота тона .

Сила звука и громкость – понятия неравнозначные. Сила звука характеризует физический процесс независимо от того, воспринимается ли он слушателем или нет, громкость же – субъективное качество звука.

Рассмотрим теперь, от чего зависит сила звука, а следовательно, и его громкость. Запишем для этого колебания камертона последовательно несколько раз с некоторыми промежутками во времени. Звук камертона постепенно затихает, и это сейчас же отражается на графике его колебаний.

Как видно из графиков 1, 2, 3, период колебаний камертона не менялся: гребни и впадины на всех трёх графиках одинаково часты. Но по мере ослабления звука уменьшалась амплитуда колебаний. У самого сильного звука амплитуда была наибольшей (график 1); когда звук стал почти неслышимым, амплитуда колебаний оказалась маленькой (график 3). Когда камертон перестанет колебаться, график обратится в прямую линию.

Таким образом, мы видим, что сила звука связана с амплитудой колебаний.

Чем больше амплитуда колебаний, тем сильнее звук, чем меньше амплитуда, тем звук слабее .

Когда какое-нибудь тело звучит, то оно приводит в колебание окружающие частицы среды (например, частицы воздуха) и отдаёт им при этом часть своей энергии. Запас энергии в звучащем теле уменьшается, уменьшается амплитуда его колебаний, ослабевает звук.

При распространении в среде звук ослабевает по мере удаления от источника. Вся энергия, которая сначала была сосредоточена около одного центра – источника звука, по мере удаления от него будет распределяться на всё большее и большее число частиц среды; на долю каждой частицы будет приходиться всё меньше и меньше энергии. При распространении звуковых волн в изотропной среде поверхность распространяющейся волны будет сферой с центром О, практически совпадающим с источником звука. Поверхность сферы будет возрастать пропорционально квадрату расстояния от источника. Энергия, приходящаяся на каждую единицу площади поверхности сферы, будет изменяться обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука. Отсюда сила звука изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от источника звука. Меняется при этом и связанное с этой величиной ощущение громкости, что каждому известно из опыта.

Если направить звук вдоль трубы с одним и тем же поперечным сечением, то в этом случае распространяющийся звук почти не теряет своей силы. Малое ослабление звука с расстоянием можно наблюдать и в длинных узких коридорах.

Часто для переговоров на расстоянии применяются конусообразные трубы – рупоры. Рупор не даёт звуковым волнам рассеиваться во все стороны и заставляет их идти в одном направлении. Рупором можно воспользоваться также для того, чтобы собрать рассеянные звуковые волны. Приложим рупор к уху его узкой стороной, и звуки усилятся. На ухо действует вся энергия, пришедшая к внешней, широкой стороне рупора. Во сколько раз внешнее отверстие рупора по площади больше отверстия уха, во столько раз усилится и звук.

Наше ухо снабжено собственным рупором – ушной раковиной. Иногда, чтобы улавливать слабые звуки, мы увеличиваем этот рупор, прикладывая руку к ушной раковине.

Человеческое ухо обладает исключительной чувствительностью: оно улавливает звуки, которые в миллион раз слабее человеческого голоса обычной громкости. С другой стороны, человек привыкает переносить и такие сильные звуки, как артиллерийская канонада.

Однако наше ухо оказывается неодинаково чувствительным к звукам разной частоты: наиболее чувствительно оно к тонам, лежащим в пределах 1000–3000 гц. Чтобы звук был услышан в условиях наибольшей чувствительности (около 2000 гц), звуковые волны, как показывают современные измерения, должны приносить к уху за каждую секунду энергию не менее 5 триллионных долей эрга. Амплитуда колебаний частиц воздуха при этом оказывается меньше одной десятимиллиардной миллиметра. Интересно, что чувствительность глаза к энергии света такого же порядка, как и чувствительность уха к энергии звука.

Шумы создаются звуковыми волнами , возникающими при расширении и сжатии в воздухе и других средах. В системах кондиционирования и вентиляции шумы могут возникать и распространяться в воздухе, корпусах воздуховодов, передвигающихся по трубам жидкостях и т.д.

Шумы могут иметь различную частоту и интенсивность.

Скорость распространения звука

Шум распространяется с гораздо меньшей скоростью, чем световые волны. Скорость звука в воздухе - примерно 330 м/с. В жидкостях и твердых телах скорость распространения шума выше, она зависит от плотности и структуры вещества.

Пример: скорость звука в воде равна 1.4 км/с, а в стали - 4.9 км/с.

Частота шума

Основной параметр шума - его частота (число колебаний в секунду). Единица измерения частоты - 1 герц (Гц), равный 1 колебанию звуковой волны в секунду.

Человеческий слух улавливает колебания частот от 20 Гц до 20000Гц. При работе систем кондиционирования учитывают обычно спектр частот от 60 до 4000Гц.

Для физических расчетов слышимая полоса частот делится на 8 групп волн. В каждой группе определена средняя частота: 62 Гц, 125 Гц, 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 2 кГц, 4 кГц и 8 кГц. Любой шум раскладывается по группам частот, и можно найти распределение звуковой энергии по различным частотам.

Мощность звука

Мощность звука какой-либо установки - это энергия, которая выделяется установкой в виде шума за единицу времени. Измерять силу шума в стандартных единицах мощности неудобно, т.к. спектр звуковых частот очень широк, и мощность звуков отличается на много порядков.

Пример: сила шума при поступлении в помещение воздуха под низким давлением равна одной стомиллиардной ватта, а при взлете реактивного самолета сила шума достигает 1000 Вт.

Поэтому уровень мощности звука измеряют в логарифмических единицах - децибелах (дБ). В децибелах сила шума выражается двух- или трехзначными числами, что удобно для расчетов.

Уровень мощности звука в дБ - функция отношения мощности звуковых волн возле источника шума к нулевому значению W 0 , равному 10 -12 Вт. Уровень мощности рассчитывается по формуле:

L w = 10lg(W/W0)

Пример: если мощность звука вблизи источника равна 10 Вт, то уровень мощности составит 130 дБ, а если мощность звука равна 0.001 Вт, то уровень мощности - 90 дБ.

Мощность звука и уровень мощности независимы от расстояния до источника шума. Они связаны лишь с параметрами и режимом работы установки, поэтому важны для проектирования и сравнения различных систем кондиционирования и вентиляции.

Уровень мощности нельзя измерить непосредственно, он определяется косвенно специальным оборудованием.

Уровень давления звука

Уровень давления звука L p - это ощущаемая интенсивность шума, измеряемая в дБ.

L p = P/P0

Здесь P - давление звука в измеряемом месте, мкПа, а P 0 = 2 мкПа - контрольная величина.

Уровень звукового давления зависит от внешних факторов: расстояния до установки, отражения звука и т.д. Наиболее простой вид имеет зависимость уровня давления от расстояния. Если известен уровень мощности шума L w , то уровень звукового давления L p в дБ на расстоянии r (в метрах) от источника вычисляется так:

L p = L w - lgr - 11

Пример: мощность звука холодильного блока равна 78 дБ. Уровень звукового давления на расстоянии 10 м от него равен: (78 - lg10 - 11) дБ = 66 дБ.

Если известен уровень звукового давления L p1 на расстоянии r1 от источника шума, то уровень звукового давления L p2 на расстоянии r2 будет вычисляться так:

L p2 = L p1 - 20*lg(r2/r1)

Пример: Уровень звукового давление на расстоянии 1 м от установки равно 65 дБ. Тогда уровень звукового давления на расстоянии 10 м от нее равен: (65 - 20*lg10) дБ = (65 - 20) дБ = 45 дБ..

Вообще, в открытом пространстве уровень звукового давления снижается на 6 дБ при увеличении расстояния до источника шума в 2 раза. В помещении зависимость будет сложнее из-за поглощения звука поверхностью пола, отражения звука и т.д.

Громкость шума

Чувствительность человека к звукам разной частоты неодинакова. Она максимальна к звукам частотой около 4 кГц, стабильна в диапазоне от 200 до 2000 Гц, и снижается при частоте менее 200 Гц (низкочастотные звуки).

Громкость шума зависит от силы звука и его частоты. Громкость звука оценивают, сравнивая ее с громкостью простого звукового сигнала частотой 1000Гц. Уровень силы звука частотой 1000Гц, столь же громкого, как измераемый шум, называется уровнем громкости данного шума. На приведенной ниже диаграмме показана зависимость силы звука от частоты при постоянной громкости.

При малом уровне громкости человек менее чувствителен к звукам очень низких и высоких частот. При большом звуковом давлении ощущение звука перерастает в болевое ощущение. На чатоте 1 кГц болевой порог соответствует давлению 20 Па и силе звука 10 Вт/кв.м.

Диаграмма кривых равной громкости

Шумовые характеристики оборудования

Шумовые характеристики оборудования представляют в виде таблиц, где содержатся:

1. уровень мощности шума в дБ с разбивкой по полосам частот
2. общий уровень звукового давления

Звуковое давление в помещениях нормируется санитарными нормативами, допустимые значения различны для разных частот. Шум, создаваемый системами вентиляции и кондиционирования, принимают на 5 дБ ниже допустимого уровня шума в помещении (СНиП 11-12-77).

Суммирование источников шума

Шум от нескольких источников не соответствует сумме шумов от каждого источника в отдельности. Для двух находящихся рядом установок шум определяется следующим образом:

1. Если показатели уровня шума одинаковы , то суммарный уровень шума на 3 дБ превышает уровень шума каждой установки.
2. Если разница уровней шума превышает 10 дБ , суммарный уровень шума равен величине большего из двух шумов.

   Например, общий шум от двух установок с уровнями 30 и 60 дБ, равен 60 дБ.

3. Если разница уровней шума не более 10 дБ , нужно воспользоваться приведенной ниже таблицей. Вычисляем разность уровней шума установок.

Например, L 1 = 52 дБ, а L 2 = 48 дБ. Разность равна 4 дБ. В верхней строке таблицы найдем 4 дБ, тогда в нижней строке видим показатель 1.5 дБ. Прибавим этот показатель к большему уровню шума: 52 дБ + 1.5 дБ = 53.5 дБ . Это и будет общий уровень шума от двух установок.

Если источников шума более двух, метод расчета не меняется, и источники рассматриваются парами, начиная с самых слабых.

Например, есть четыре установки с уровнями шума 25 дБ, 38 дБ, 43 дБ и 50 дБ.

Сначала делаем подсчет для двух слабейших установок: 38 - 25 = 13 дБ. Разница больше 10 дБ, и эту установку вообще не учитываем.

Для установок 38 и 43 дБ: 43 - 38 = 5 дБ, поправка из таблицы равна 1.2 дБ. Суммарный шум трех установок: 43 + 1.2 = 44.2 дБ.

Теперь найдем полный шум всех установок. 50 - 44.2 = 5.8 дБ. Округляя разность уровней шума до 6 дБ, по таблице находим поправку 1.0 дБ.

Итак, общий уровень шума четырех установок равен 50 + 1 = 51 дБ.

Уровень интенсивности шума, выраженный в децибелах, не учитывает такую физиологическую, особенность слуха, как различную чувствительность к звукам разной частоты. Поэтому было введено понятие уровня громкости с единицей измерения фон. Уровень громкости в фонах определяют путем сравнения оцениваемого звука со звуком такой же воспринимаемой громкости частотой 1000 Гц (эталонный тон). Иными словами, для звука частотой 1000 Гц громкость в фонах равна громкости в децибелах:

Например, если синусоидальная волна частотой 100 Гц создаёт звуковое давление уровнем 60 дБ, то, проведя прямые, соответствующие этим значениям на диаграмме, находим на их пересечении изофону, соответствующую уровню громкости 50 фон. Это значит, что данный звук имеет уровень громкости 50 фон.

Сон

Шкала сонов является шкалой субъективной оценки и разработана в результате многочисленных тестов. Полученные экспериментальным способом оценки показывают, что громкость возрастает как кубический корень из интенсивности звука, то есть зависимость психологической оценки громкости (J) от физической интенсивности (мощности) звука (I) описывается формулой:

где k - коэффициент, зависящий от частоты.

1 сон соответствует громкости чистого тона частотой 1000 Гц с уровнем 40 дБ. При увеличении уровня на каждые 10 дБ значение громкости в сонах удваивается.

Звук	Громкость, соны	Уровень громкости, фоны
Порог слышимости	0	0
Шелест листьев	~ 0,02	10
Шепот	~ 0,15	20
Тиканье часов	~ 0,4	30
Тихая комната	~ 1	40
Тихая улица	~ 2	50
Разговор	~ 4	60
Шумная улица	~ 8	70
Опасный для здоровья уро­вень	~ 11,31	75
Пневматический молоток	~ 32	90
Поезд метро	~ 64	100
Громкая музыка	~ 128	110
Болевой порог	~ 256	120
Сирена	~ 512	130
Старт ракеты	~ 2048	150
Смертельный уровень	~ 16384	180
Шумовое оружие	~ 65536	200

Звуковые волны характеризуются скоростью распространения, звуковым давлением, интенсивностью, спектральным составом и рядом других величин.

Для образования единиц акустики, как и механики, достаточно трех основных единиц: длины L , массы M и времени T . Как правило, в акустике используется система единиц СИ. Вместе с тем на практике используются также и внесистемные единицы (децибел, фон, октава, атмосфера и др.) Перечислим здесь лишь некоторые из часто употребляемых акустических величин.

Скорость звука - фазовая скорость звуковых волн в упругой среде, обычно одинакова для всех частотных составляющих звука. Выражается в метрах в секунду (м/с ). Скорость звука в воздухе при температуре 0 С и давлении 1 атм (101325 Па) равна 331 м/с.

Звуковое давление р - переменная часть давления, возникающая при прохождении звуковой волны в среде. Распространяясь в среде, звуковая волна образует ее сгущения и разрежения, которые создают добавочные изменения давления по отношению к его средним значениям в среде.

Звуковое давление представляет собой переменную часть давления, т. е. колебания давления относительно среднего значения, частота которых соответствует частоте звуковой волны. Звуковое давление -- основная количественная характеристика звука .

Звуковое давление, как и всякое давление, измеряется в паскалях (1Па = 1 ньютон на м 2 ) и имеет размерность LMT . Иногда для характеристики звука применяется уровень звукового давления -- выраженное в дб отношение величины данного звукового давления р к пороговому значению звукового давления р о =2·10 -5 н/м 2 . При этом число децибел N=20 lg (p/p o ).

Звуковое давление в воздухе изменяется в широких пределах -- от 10 -5 н/м 2 вблизи порога слышимости до 10 3 н/м 2 при самых громких звуках, например шумах реактивных самолётов.

При значительном звуковом давлении наблюдается явление разрыва сплошности жидкости -- кавитация .

Звуковое давление следует отличать от радиационного давления звука .

Звуковое давление является наиболее важной характеристикой звука, потому что из всех акустических величин человеческое ухо воспринимает, в первую очередь, именно звуковое давление.

Акустическое радиационное давление (давление звукового излучения) - постоянное давление, испытываемое телом, находящимся в стационарном звуковом поле. Радиационное давление звука не следует смешивать со звуковым давлением , представляющим собой периодически меняющееся давление в среде, в которой распространяется звуковая волна.

Давление звука пропорционально плотности звуковой энергии и, следовательно, квадрату звукового давления. Оно мало по сравнению со звуковым давлением ; так, например, в звуковом поле в воздухе, в котором звуковое давление равно 10 2 н/м 2 , при нормальном падении звуковой волны на полностью отражающее звук препятствие Давление звука приблизительно равно 0,1 н/м 2 . Измерение радиационного давления звука производится радиометром . Зная величину давления звука, можно определить абсолютное значение интенсивности звука в данной среде.

Звуковая энергия W - энергия колебательного движения частиц упругой среды, заполняющей область звукового поля. Как и любая другая энергия, звуковая энергия выражается в джоулях (дж ) и имеет размерность LMT.

Плотность звуковой энергии w=dW/dV имеет размерность LMT и единицу измерения дж/м .

Поток звуковой энергии P=dW/dt , также как и звуковая мощность P=dW/dt - все эти энергетические величины выражаются в ваттах (Вт ) и имеет размерность LMT .

Интенсивность звука (плотность звуковой мощности), называемая также силой звука, - средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны в единицу времени: I=dР/dS, имеет размерность МТ.

Для плоской синусоидальной бегущей волны интенсивность звука

I = pv/2 = p 2 /2rc,

где р -- амплитуда звукового давления, v -- амплитуда колебательной скорости , r -- плотность среды, с -- скорость звука в ней. В сферической бегущей волне интенсивность звука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0 , т. е. потока звуковой энергии в среднем нет.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в вт/м 2 . Интенсивность звука оценивается также уровнем интенсивности по шкале децибел; число децибел

N = 10 lg (I/I 0 ) ,

где I -- интенсивность данного звука, I 0 = 10 -12 вт/м 2 .

Интенсивность звука и выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м ).

Акустическое сопротивление - физическая величина, аналогичная сопротивлению электрической цепи. Имеет размерность LMT и выражается в паскаль-секундах на кубический метр.

Спектр звука - частотная характеристика звука, описывающая его спектральный состав по отношению к какой-либо акустической величине (обычно звуковому давлению силе звука и т.д.). Как правило, в акустической практике приходится иметь дело со сплошными спектрами, когда энергия звуковых колебаний распределяется непрерывно в определенном диапазоне частот. Вместе с тем, при решении определенных задач (градуировка, прием-передача калибровочных сигналов и т.д.) возникает необходимость в использовании линейчатых - дискретных частотных составляющих спектра.

Некоторые акустические величины, связанные с восприятием звука человеком (интенсивность звука, звуковое давление, затухание звуковых волн и др.), имеют экспоненциальный характер изменения и вследствие этого могут изменяться по величине в очень широких пределах - на несколько порядков.

В свою очередь, человеческое ухо обладает огромным диапазоном восприимчивости: оно улавливает тишайший шелест листвы и одновременно выдерживает сотрясающие удары грома. Эта способность слухового восприятия человека описана в эмпирическом психофизиологическом законе Вебера-Фехнера следующим образом: ощущение пропорционально логарифму раздражения.

Если воздействие возрастает в 10 раз, его десятичный логарифм увеличивается на единицу и ощущение возрастает также на некоторую единицу. А при росте воздействия в миллион раз его логарифм, а вместе с тем и ощущение возрастают всего лишь на шесть тех же единиц. Из этого факта следует важный вывод: психофизиологический закон обусловливает изменение амплитуды и частоты воспринимаемых звуков в столь широких пределах, что использовать линейные шкалы практически невозможно и необходимо прибегать к логарифмическому масштабу. Но этот же закон делает применение в акустике логарифмических величин и их единиц вполне естественным.

Относительный уровень акустической величины с использованием логарифмического масштаба определяется как логарифм отношения данного значения Х величины к пороговому (исходному) значению Х этой величины. принятому за начало отсчета:

уровень величины = lg Х/Х .

Например, уровень интенсивности звука - это десятичный логарифм отношения данного значения интенсивности звука I к пороговому значению I интенсивности звука.

Относительный уровень обозначают буквой L с индексом, указывающим на вид акустической величины, например Lp - уровень звукового давления. В качестве исходных уровней принимают следующие:

• o уровень звукового давления - 20 мкПа;
• o уровень звуковой мощности - 10 -12 Вт;
• o уровень интенсивности звука - 0,01 Вт/м 2 .

При необходимости указать исходную величину ее значение помещают в скобках после обозначения логарифмической величины и букв re (начальные буквы слова referens). Например, для уровня звукового давления L p (re 20 мкПа)=20 дБ.

При использовании логарифмических величин для уровня величины указываются основание логарифмов (десять, корень квадратный из десяти, два и т.д.), пороговое значение величины и сам параметр (уровень звукового давления, уровень интенсивности звука и т.д.). Для количественной оценки уровней и других логарифмических величин применяются единицы бел и децибел.

Бел имеет два разных значения: одно - с основанием логарифма, равным десяти, а второе - с основанием, равным корню квадратному из десяти. Десятичное основание логарифма применяется для энергетических величин, а основание - для силовых величин.

Бел (Б) есть возрастание энергетической величины (звуковой мощности Р , энергии W , интенсивности I или другой энергетической величины) в 10 раз:

1 бел = lg (Р 2 /Р 1) при Р 2 = 10 Р 1 . (1.2.1)

Поскольку энергетические величины пропорциональны квадратам силовых величин (звукового давления, электрического тока и т.п.), бел также представляет возрастание силовой величины в = 3,162 раза.

Однако на практике наибольшее распространение получил не бел, а его дольная единица - децибел (дБ): 1дБ = 0,1 Б.

Децибел соответствует изменению энергетической величины в 10 0,1 = = 1,259 раза или силовой величины в = 1,121 раза. Существует также самостоятельное определение децибела: децибел - уровень звукового давления р , для которого выполняется соотношение 20 lg (р/р 0) = 1, где р 0 - пороговое звуковое давление, равное 20 мкПа.

Звуковая мощность - это количество звуковой энергии, излучаемой в единицу времени в ваттах.

Уровень звуковой мощности - логарифм отношения данной звуковой мощности к исходной звуковой мощности. Уровень звуковой мощности в децибелах равен десятикратному логарифму при основании, равном десяти от этого отношения:

L p = 10 lg(P/P 0),

где Р звуковая мощность, Вт, Р 0 пороговая звуковая мощность, Р 0 = 10 -12 Вт = 1 пВт, если нет другого указания.

Так как мощность акустического сигнала пропорциональна квадрату его амплитуды (мощность звука пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления), то усилению амплитуды сигнала в один бел соответствует величина

Один децибел, соответствующий изменению амплитуды в у 10 раз, представляет сравнительно малую величину. Поэтому в децибелах

Если бы А (щ) было отношением мощностей, то перед логарифмом в правой части (1.2.2) должен был бы стоять множитель 10. Так как А (щ) представляет собой отношение не мощностей, а выходной и входной величин (перемещений, скоростей, напряжений, токов и т. п.), то увеличение этого отношения в десять раз будет соответствовать увеличению отношения мощностей в сто раз, что соответствует двум белам или двадцати децибелам. Поэтому в правой части (1.2.2) стоит множитель 20.

Уровень интенсивности звука (уровень плотности потока звукового давления) - логарифм отношения данной интенсивности звука в указанном направлении к исходной интенсивности. Уровень интенсивности в децибелах равен десятикратному логарифму при основании, равном десяти от этого отношения. Если нет другого указания, за исходную интенсивность звука принимают 1 пВт/м 2 .

Уровень звукового давления - логарифм отношения данного звукового давления к исходному звуковому давлению. Уровень звукового давления в децибелах равен двадцати логарифмам этого отношения при основании, равном десяти. Если нет другого указания, тот за исходное звуковое давление в воздухе принимают 20 мкПа и 1 мкПа в других средах и предполагается, что звуковые давления выражены через средние квадратичные значения.

Помимо объективных акустических характеристик существуют также субъективные характеристики звука, характеризующие слуховое восприятие звуков человеком. К ним относятся: громкость звука, порог слышимости, порог болевого ощущения и другие.

Громкость звука - величина, характеризующая уровень слухового ощущения звука. Громкость звука сложным образом зависит от звукового давления (интенсивности звука), от частоты и формы звуковых колебаний. При неизменной частоте и форме колебаний громкость звука растет с увеличением звукового давления. Наибольшей чувствительностью человек обладает к звукам в интервале частот 1 - 5 кГц.

Громкость звука данной частоты оценивают, сравнивая ее с громкостью чистого тона частотой 1000 Гц, вводя для этого логарифмическую величину «уровень громкости». Уровень громкости оценивают в фонах.

Фон есть уровень громкости, для которого уровень звукового давления равногромкого с ним звука стандартного чистого тона с частотой 1000 Гц равен 1 дБ. Для стандартного тона уровень громкости в фонах совпадает с уровнем звукового давления в децибелах.

Порог слышимости - звуковое давление, при котором слышны самые слабые звуки данной частоты. Наименьший порог слышимости соответствует частотам в интервале 1 - 5 Г кГц.

Порог болевого ощущения - звуковое давление, при котором нормальное слуховое ощущение переходит в болезненное раздражение органов слуха. В диапазоне частот 1 - 5 кГц порог болевого ощущения составляет около 120 дБ.

Ключевые слова : скорость звука, звуковое давление, плотность звуковой энергии, поток звуковой энергии, интенсивность звука, акустическое сопротивление, спектр звука, психофизиологический закон, уровень акустической величины, логарифмическая величина, логарифм, бел, децибел, громкость, порог слышимости, порог болевого ощущения.

Контрольные вопросы

• 1. Укажите диапазон звуковых волн.
• 2. Перечислите акустические величины и укажите единицу измерения.
• 3. Что такое спектр звука?
• 4. В чем состоит психофизиологический закон Вебера-Фехнера?
• 5. Почему в акустике целесообразно использовать логарифмические величины?
• 6. Что такое относительный уровень акустической величины?
• 7. Что такое бел?
• 8. Что такое децибел и как он связан с белом?
• 9. Дайте определение уровня звуковой мощности, уровня интенсивности звука, уровня звукового давления.
• 10. Что такое громкость звука?
• 11. Что такое порог слышимости?
• 12. Что такое порог болевого ощущения?

Сравнительное тестирование стереоколонок Edifier и Microlab (апрель 2014)

Мощность

Под словом мощность в разговорной речи многие подразумевают «мощь», «силу». Поэтому вполне естественно, что покупатели связывают мощность с громкостью: «Чем больше мощность, тем лучше и громче будут звучать колонки». Однако это распространенное мнение в корне ошибочно! Далеко не всегда колонка мощностью 100 Вт будет играть громче или качественней той, у которой указана мощность «всего» в 50 Вт. Значение мощности, скорее, говорит не о громкости, а о механической надежности акустики. Те же 50 или 100 Вт — это совсем не громкость звука , издаваемого колонкой. Динамические головки сами по себе имеют низкий КПД и преобразуют в звуковые колебания лишь 2-3% мощности подводимого к ним электрического сигнала (к счастью, громкости издаваемого звука вполне хватает для создания звукового сопровождения). Величина, которую указывает производитель в паспорте динамика или системы в целом, говорит лишь о том, что при подведении сигнала указанной мощности динамическая головка или акустическая система не выйдет из строя (вследствие критического разогрева и межвиткового КЗ провода, «закусывания» каркаса катушки, разрыва диффузора, повреждения гибких подвесов системы и т.п.).

Таким образом, мощность акустической системы - это технический параметр, величина которого не имеет прямого отношения к громкости звучания акустики, хотя и связана с ней некоторой зависимостью. Номинальные значения мощности динамических головок, усилительного тракта, акустической системы могут быть разными. Указываются они, скорее, для ориентировки и оптимального сопряжения между компонентами. Например, усилитель значительно меньшей или значительно большей мощности может вывести колонку из строя в максимальных положениях регулятора громкости на обоих усилителях: на первом - благодаря высокому уровню искажений, на втором - благодаря нештатному режиму работы колонки.

Мощность может измеряться различными способами и в различных тестовых условиях. Существуют общепринятые стандарты этих измерений. Рассмотрим подробнее некоторые из них, наиболее часто употребляемые в характеристиках изделий западных фирм:

RMS (Rated Maximum Sinusoidal power — установленная максимальная синусоидальная мощность). Мощность измеряется подачей синусоидального сигнала частотой 1000 Гц до достижения определенного уровня нелинейных искажений. Обычно в паспорте на изделие пишется так: 15 Вт (RMS). Эта величина говорит, что акустическая система при подведении к ней сигнала мощностью 15 Вт может работать длительное время без механических повреждений динамических головок. Для мультимедийной акустики завышенные по сравнению с Hi-Fi колонками значения мощности в Вт (RMS) получаются вследствие измерения при очень высоких гармонических искажениях, часто до 10%. При таких искажениях слушать звуковое сопровождение практически невозможно из-за сильных хрипов и призвуков в динамической головке и корпусе колонки.

PMPO (Peak Music Power Output — пиковая музыкальная мощность). В данном случае мощность измеряется подачей кратковременного синусоидального сигнала длительностью менее 1 секунды и частотой ниже 250 Гц (обычно 100 Гц). При этом не учитывается уровень нелинейных искажений. Например, мощность колонки равна 500 Вт (PMPO). Этот факт говорит, что акустическая система после воспроизведения кратковременного сигнала низкой частоты не имела механических повреждений динамических головок. В народе единицы измерения мощности Вт (PMPO) называют «китайскими ваттами» из-за того, что величины мощности при такой методике измерения достигают тысячи Ватт! Представьте себе - активные колонки для компьютера потребляют из сети переменного тока электрическую мощность 10 В*А и развивают при этом пиковую музыкальную мощность 1500 Вт (PMPO).

Наравне с западными существуют также советские стандарты на различные виды мощности. Они регламентируются действующими по сей день ГОСТ 16122-87 и ГОСТ 23262-88. Эти стандарты определяют такие понятия, как номинальная, максимальная шумовая, максимальная синусоидальная, максимальная долговременная, максимальная кратковременная мощности. Некоторые из них указываются в паспорте на советскую (и постсоветскую) аппаратуру. В мировой практике эти стандарты, естественно, не используются, поэтому мы не будем на них останавливаться.

Делаем выводы: наиболее важным на практике является значение мощности, указанной в Вт (RMS) при значениях коэффициента гармоник (THD), равного 1% и менее. Однако сравнение изделий даже по этому показателю очень приблизительно и может не иметь ничего общего с реальностью, ведь громкость звука характеризуется уровнем звукового давления. Поэтому информативность показателя «мощность акустической системы» — нулевая .

Чувствительность

Чувствительность — один из параметров, указываемых производителем в характеристике акустических систем. Величина характеризует интенсивность звукового давления, развиваемого колонкой на расстоянии 1 метра при подаче сигнала частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт. Измеряется чувствительность в децибелах (дБ) относительно порога слышимости (нулевой уровень звукового давления равен 2*10^-5 Па). Иногда используется обозначение — уровень характеристической чувствительности (SPL, Sound Pressure Level). При этом для краткости в графе с единицами измерений указывается дБ/Вт*м либо дБ/Вт^1/2*м. При этом важно понимать, что чувствительность не является линейным коэффициентом пропорциональности между уровнем звукового давления, мощностью сигнала и расстоянием до источника. Многие фирмы указывают характеристики чувствительности динамических головок, измеренные при нестандартных условиях.

Чувствительность — характеристика, более важная при проектировании собственных акустических систем. Если вы не осознаете до конца, что означает этот параметр, то при выборе мультимедийной акустики для PC можно не обращать на чувствительность особого внимания (благо указывается она не часто).

АЧХ

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ ) в общем случае представляет собой график, показывающий разницу величин амплитуд выходного и входного сигналов во всем диапазоне воспроизводимых частот. АЧХ измеряют подачей синусоидального сигнала неизменной амплитуды при изменении его частоты. В точке на графике, где частота равна 1000 Гц, принято откладывать на вертикальной оси уровень 0 дБ. Идеален вариант, при котором АЧХ представлена прямой линией, но таких характеристик в реальности у акустических систем не бывает. При рассмотрении графика нужно обратить особое внимание на величину неравномерности. Чем больше величина неравномерности, тем больше частотных искажений тембра в звучании.

Западные производители предпочитают указывать диапазон воспроизводимых частот, который представляет собой «выжимку» информации из АЧХ: указываются лишь граничные частоты и неравномерность. Допустим, написано: 50 Гц - 16 кГц (±3 дБ). Это значит, что у данной акустической системы в диапазоне 50 Гц - 16 кГц звучание достоверное, а ниже 50 Гц и выше 15 кГц неравномерность резко увеличивается, АЧХ имеет так называемый «завал» (резкий спад характеристики).

Чем это грозит? Уменьшение уровня низких частот подразумевает потерю сочности, насыщенности звучания басов. Подъем в области НЧ вызывает ощущения бубнения и гудева колонки. В завалах высоких частот звук будет тусклым, неясным. Подъемы ВЧ означают присутствие раздражающих, неприятных шипящих и свистящих призвуков. У мультимедийных колонок величина неравномерности АЧХ обычно выше, чем у так называемой Hi-Fi акустики. Ко всем рекламным заявлениям фирм-производителей об АЧХ колонки типа 20 - 20000 Гц (теоретический предел возможности) нужно относиться с изрядной долей скептицизма. При этом часто не указывается неравномерность АЧХ, которая может составлять при этом немыслимые величины.

Поскольку производители мультимедийной акустики часто «забывают» указать неравномерность АЧХ акустической системы, встречаясь с характеристикой колонки 20 Гц - 20000 Гц, надо держать ухо востро. Существует большая вероятность купить вещь, не обеспечивающую даже более или менее равномерную характеристику в полосе частот 100 Гц - 10000 Гц. Сравнивать диапазон воспроизводимых частот с разными неравномерностями нельзя вовсе.

Нелинейные искажения, коэффициент гармоник

Кг — коэффициент гармонических искажений. Акустическая система представляет собой сложное электроакустическое устройство, которое имеет нелинейную характеристику усиления. Поэтому сигнал по прошествии всего звукового тракта на выходе обязательно будет иметь нелинейные искажения. Одними из самых явных и наиболее простых в измерении являются гармонические искажения.

Коэффициент — величина безразмерная. Указывается либо в процентах, либо в децибелах. Формула пересчета: [дБ] = 20 log ([%]/100). Чем больше величина коэффициента гармоник, тем обычно хуже звучание.

Кг колонок во многом зависит от мощности подаваемого на них сигнала. Поэтому глупо делать заочные выводы или сравнивать колонки только лишь по коэффициенту гармоник, не прибегая к прослушиванию аппаратуры. К тому же для рабочих положений регулятора громкости (обычно это 30..50%) значение производителями не указывается.

Полное электрическое сопротивление, импеданс

Электродинамическая головка имеет определенное сопротивление постоянному току, зависящее от толщины, длины и материала провода в катушке (такое сопротивление еще называют резистивным или реактивным). При подаче музыкального сигнала, который представляет собой переменный ток, сопротивление головки будет меняться в зависимости от частоты сигнала.

Импеданс (impedans) — это полное электрическое сопротивление переменному току, измеренное на частоте 1000 Гц. Обычно импеданс акустических систем равен 4, 6 или 8 Ом.

В целом величина полного электрического сопротивления (импеданс) акустической системы ни о чем, связанном с качеством звучания того или иного изделия, покупателю не скажет. Производителем указывается этот параметр лишь, чтобы сопротивление учитывали при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем рекомендуемое значение нагрузки усилителя, в звучании могут присутствовать искажения или сработает защита от короткого замыкания; если выше, то звук будет значительно тише, нежели с рекомендуемым сопротивлением.

Корпус колонки, акустическое оформление

Одним из важных факторов, влияющих на звучание акустической системы, является акустическое оформление излучающей динамической головки (динамика). При конструировании акустических систем производитель обычно сталкивается с проблемой в выборе акустического оформления. Их насчитывается больше десятка видов.

Акустическое оформление делится на акустически разгруженное и акустически нагруженное. Первое подразумевает оформление, при котором колебание диффузора ограничивается только жесткостью подвеса. При втором колебание диффузора ограничивается помимо жесткости подвеса еще упругостью воздуха и акустическим сопротивлением излучению. Также акустическое оформление делится на системы одинарного и двойного действий. Система одинарного действия характеризуется возбуждением звука, идущего к слушателю, посредством только одной стороны диффузора (излучение другой стороны нейтрализуется акустическим оформлением). Система двойного действия подразумевает использование в формировании звука обеих поверхностей диффузора.

Поскольку на высокочастотные и среднечастотные динамические головки акустическое оформление колонки практически не влияет, мы расскажем о наиболее распространенных вариантах низкочастотного акустического оформления корпуса.

Очень широко применима акустическая схема, получившая название «закрытый ящик». Относится к нагруженному акустическому оформлению. Представляет собой закрытый корпус с выведенным на фронтальную панель диффузором динамика. Достоинства: хорошие показатели АЧХ и импульсная характеристика. Недостатки: низкий КПД, необходимость в мощном усилителе, высокий уровень гармонических искажений.

Но вместо того, чтобы бороться со звуковыми волнами, вызванными колебаниями обратной стороны диффузора, их можно использовать. Наиболее распространенным вариантом из систем двойного действия является фазоинвертор. Представляет собой трубу определенной длины и сечения, вмонтированную в корпус. Длину и сечение фазоинвертора рассчитывают таким образом, что на определенной частоте в нем создается колебание звуковых волн, синфазные с колебаниями, вызванными фронтальной стороной диффузора.

Для сабвуферов широко применяется акустическая схема с общепринятым названием «ящик-резонатор». В отличие от предыдущего примера диффузор динамика не выведен на панель корпуса, а находится внутри, на перегородке. Сам динамик непосредственного участия в формировании спектра низких частот не принимает. Вместо этого диффузор лишь возбуждает звуковые колебания низкой частоты, которые потом многократно увеличиваются по громкости в трубе фазоинвертора, выполяющего роль резонансной камеры. Достоинством этих конструктивных решений является высокий КПД при малых габаритах сабвуфера. Недостатки проявляются в ухудшении фазовых и импульсных характеристик, звучание становится утомляющим.

Оптимальным выбором будут колонки среднего размера с деревянным корпусом, выполненные по закрытой схеме или с фазоинвертором. При выборе сабвуфера следует обратить внимание не на его громкость (по этому параметру даже у недорогих моделей обычно имеется достаточный запас), а на достоверное воспроизведение всего диапазона низких частот. С точки зрения качества звучания, наиболее нежелательны колонки с тонким корпусом или очень маленьких размеров.