Итак, теперь, когда мы разобрались с тем, что такое громкость и как она воспринимается, следует выяснить, каким образом можно узнать, с какой громкостью будет звучать выбранная акустическая система, и достаточно ли этой громкости, чтобы заполнить звуком нужное помещение.
Физика звука? Что такое громкость? Разбор
Сегодня мы рассмотрим, на какие аспекты следует обратить внимание при выборе музыкальных колонок. Мы также выясним, почему мощность измеряется в ваттах и децибелах, а что представляет собой фон.
Если вы когда-либо сталкивались с задачей подбора музыкальной колонки, то, вероятно, заметили, что это не так просто, особенно если вы не являетесь специалистом в области звукового оборудования. Ладно, если есть возможность послушать звук в магазине, но что делать, если такой возможности нет? Как тогда определить, насколько хорошо будет звучать выбранная вами акустика?
Кажется, все просто — чем больше ватт, тем громче звук… Но ведь громкость измеряется в децибелах…
Что означают громкость в децибелах, мощность в ваттах и частотный диапазон — как это все связано? И что такое соотношение сигнал/шум? Не стоит забывать также и про то, что восприятие звучания — это во многом субъективное дело и зависит от индивидуальных предпочтений.
Каково качество звука, который воспроизводят музыкальные колонки? Насколько мощные басы? Смогут ли колонки эффективно заполнить звуком вашу комнату, дачу или даже целый район? Мы также рассмотрим, как организуют звук производители, превращая свои знания в практические рекомендации. Сегодня мы постараемся подобрать оптимальную акустику.
Для демонстрации мы будем использовать маленькую портативную Bluetooth-колонку JBL Partybox 310.
Что такое звук?
Для начала давайте кратко вспомним уроки физики и выясним, что такое звук. Звук — это механические колебания, которые могут распространяться через воздух, жидкости или твердые тела в виде волн. В большинстве случаев звук для нас представляет собой колебания давления в воздухе.
Когда давление изменяется, наши барабанные перепонки улавливают эти изменения, и мы воспринимаем звук! Следовательно, чем больше изменения давления, тем громче будет звук. На первый взгляд кажется, что это просто. Однако тут мы сталкиваемся с тем, что физика смешивается с нашими ощущениями, и все становится более сложным.
Восприятие громкости
Начнем с того, что такое децибелы. Многие думают, что это просто единица измерения громкости. На самом деле дБ — это унифицированная единица измерения, которая используется для обозначения величин в очень широких диапазонах. Децибелы отображаются по логарифмической шкале, и формула для их расчета выглядит следующим образом: логарифм отношения двух значений. То есть логарифм не просто показывает, насколько громкий звук, а насколько он мощнее базового уровня.
Например, утверждение о том, что громкость звука составляет 30 дБ, говорит о том, что интенсивность данного звука в 1000 раз превышает порог слышимости для человека. Но даже в этом случае не все так просто. Изменения давления в воздухе измеряются в децибелах, но наше восприятие громкости выражается другой величиной — фонах.
Дело в том, что разные частоты мы слышим по-разному. Чувствительность нашего слуха к различным частотам сильно различается. Поэтому громкость звука — это, скорее, отражение наших ощущений, чем просто измерение давления.
Фон (др.-греч. φωνή звук)
Фоны — это специальные кривые громкости, построенные на основе усредненных ощущений людей с нормальным слухом в возрасте от 18 до 25 лет. Для этого использовался стандарт ГОСТ, а также описание в стандарте ISO 226. Так что можете быть спокойны — все эти данные достаточно официальны. Участники эксперимента приходили в лабораторию с предварительно очищенными ушами.
Шкала фонов отличается от шкалы децибелов тем, что в ней значения громкости соотносятся с чувствительностью человеческого слуха на разных частотах.
Например, тон с частотой 1000 Гц мы начинаем слышать уже при 0 децибел, что соответствует порогу слышимости. Тогда как тон с частотой 20 Гц становится заметным только при громкости около 80 децибел.
Поэтому для акустических систем, воспроизводящих басы, необходимы большие, мощные динамики, способные управлять низкими частотами. В JBL Partybox 310, например, установлены два динамика размером 176 мм каждый. Кроме того, высокие частоты также воспроизводятся двумя динамиками меньшего диаметра — 65 мм.
Существуют также интересные факты относительно этих кривых. Если на графике отложить звук различных языков, то окажется, что диапазон, в котором расположена человеческая речь, как раз попадает в «провал» на графике, примерно от 250 до 5000 Гц. Это означает, что у нас природа одарила нас своего рода «аппаратным усилителем» речи. Мы лучше всего слышим свистящие и призвуковые звуки, именно поэтому они так нас раздражают.
Кроме того, мы воспринимаем громкость нелинейно. Это означает, что тихие звук мы различаем гораздо лучше, чем громкие.
Поэтому и шкала громкости в фонах, которая по сути и является тем, что большинство из нас называет децибелами, тоже не линейная, а логарифмическая. Это подразумевает, что если громкость увеличивается в 10 раз, то мы наблюдаем увеличение на 10 дБ, а если в 100 раз — на 20 дБ. В итоге это объясняет, почему разница между громкой музыкой на уровне 110 децибел и, скажем, звуком шумового оружия, который может достигать 200 дБ, кажется не такой уж и значительной в терминах децибелов. Хотя, в целом, мы понимаем, что 100 дБ могут быть вполне достаточно, чтобы вызвать дискомфорт, и многое зависит от особенностей услышанной композиции.
Что такое частота звука?
Частота звука — это количество колебаний, происходящих за определенный период времени, обычно за секунду. Измеряется в герцах. Если мы говорим о колебаниях в одну секунду, это соответствует одному герцу (Гц). Учитывая, что звук распространяется в воздухе со скоростью около 350 метров в секунду или около 1250 км/ч, легко понять, что частота и скорость находятся в связи друг с другом. Эта связь позволяет вычислить длину звуковой волны: чем больше частота, тем меньше длина волны, и наоборот.
Традиционно считается, что человеческий слух способен воспринимать диапазон частот от 20 Гц до 20 кГц, то есть от 20 колебаний в секунду до 20 000.
Не все частоты одинаково громкие
Однако природа наделила нас с вами довольно избирательным слухом. Исследования в области психоакустики показывают, что лучше всего человек воспринимает звуки, представляющие для него наибольшую важность — человеческую речь. Эти звуки располагаются в диапазоне частот около 3000 Гц, где мы достигаем максимальной чувствительности слуха.
На других частотах чувствительность слуха уменьшается, образуя плавные кривые. Эти кривые показывают, как громкость воспринимается человеком при одинаковых амплитудах звуковых колебаний. Эти данные важны не только для инженерии акустических систем, но и для понимания природы звукового восприятия. Они были получены статистическим путем на основании мнений большого количества респондентов, что дает возможность создать более точные картины того, как мы воспринимаем звук. В честь авторов этой разработки линии равной громкости называются кривыми Флетчера-Мэнсона.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)
Что такое АЧХ? Это график, показывающий зависимость разницы амплитуд колебаний между выходным и входным сигналом (по вертикальной оси) от частоты (по горизонтальной оси). В качестве базового уровня принято считать 0 дБ на частоте 1 кГц. В идеале АЧХ представляет собой прямую линию, но на практике это невозможно. Чем более неровная кривая, тем больше искажений частот ожидает звук от этой системы.
Что же означают цифры в описании неравномерности АЧХ устройства? Давайте возьмем для примера обозначение 50 Гц — 16 кГц (±3 дБ). Это следует понимать так: акустическая система имеет примерно одинаковое звучание в этом диапазоне частот, в то время как на частотах, выходящих за указанные границы, неравномерность значительно усиливается, что приводит к ухудшению качества звука.
Неравномерность АЧХ может проявляться в виде взлетов и спадов кривой. Так, уменьшение уровня низких частот ведет к потере насыщенности басов, а увеличение вызывает неприятный гул. В случае высоких частот завалы приводят к неясному звуку, тогда как повышенные частоты могут вызвать резкие свистящие и шипящие звуки.
Что касается наушников, АЧХ показывает их тональный баланс. При выборе наушников для определенных целей (басы, вокал, классика и т.д.) именно АЧХ следует принимать во внимание. Внешний вид АЧХ наушников зависит от их импеданса и полного сопротивления усилителя.
Нелинейные искажения
Акустические системы представляют собой сложные устройства, и в процессе усиления сигнала на выходе мы неизбежно получаем нелинейные искажения. Одним из видов таких искажений являются гармонические искажения, которые придают звуку новые тембры и могут вести к отдыху звуковых потерь.
Гармонические искажения измеряются с помощью коэффициента гармоник (КГ), который выражается в процентах или децибелах. Чем выше коэффициент гармоник, тем ниже качество звука. Значение КГ акустической системы зависит от мощности входящего сигнала.
Таким образом, рассматривая основные характеристики звука, можно с уверенностью сказать, что правило, согласно которому чем выше цифры, тем лучше, работает не всегда. Поэтому вы можете либо углубленно изучить теорию и выбрать подходящее устройство, либо полагаться на советы опытных консультантов в магазинах. Что касается основных характеристик звука микрофонов, этот вопрос заслуживает тщательного рассмотрения и может быть предметом отдельной статьи, что мы и сделаем в ближайшее время.
Желаем вам удачных покупок и творческих успехов!
Условия, необходимые для существования звука
Для существования звука необходимы:
1. Источник звука.
2. Среда.
3. Слуховой аппарат.
4. Частота 16–20000 Гц.
5. Интенсивность.
Теперь давайте перейдем к характеристикам звука. Первая характеристика — высота звука. Высота звука — это характеристика, которая определяется частотой колебаний. Чем выше частота у тела, производящего колебания, тем выше звук. Возьмем, например, линейку, зажатую в тиски. Как мы уже упоминали, мы могли видеть колебания, но не слышать звука. Если мы укоротим линейку, то мы начнем слышать звук определенной высоты. Мы можем сделать линейку еще короче, и тогда звук станет еще более высоким (по частоте). Такое же явление наблюдается и с камертонными. Если взять больший камертон (так называемый демонстрационный) и ударить по его ножкам, мы увидим колебания, но звука не услышим. Ударив по другому камертону, мы услышим звук определенной высоты. Следующий камертон — это настраиваемый камертон, который используется для согласования музыкальных инструментов; он создает звук, соответствующий ноте ля, известной как 440 Гц.
Тембр
Следующая характеристика — тембр звука. Тембр — это окраска звука. Как можно проиллюстрировать эту характеристику? Тембр — это тот аспект, благодаря которому мы можем различить два идентичных звука, исполненные различными музыкальными инструментами. Все знают, что нот всего семь. Если мы услышим одну и ту же ноту ля, играемую на скрипке и на фортепиано, мы сможем мгновенно определить, какой инструмент её произвел. Именно эту особенность — окраску звука — и характеризует тембр. Следует отметить, что тембр зависит от многих извлекаемых колебаний, помимо основного тона. Звуковые волны, как правило, достаточно сложны, и состоят из набора отдельных колебаний, что называется спектром колебаний. Воспроизведение дополнительных колебаний (обертонов) и формирует тот уникальный звук, который наблюдается у разных голосов или инструментов. Тембр — это один из самых значительных и заметных аспектов звука.
Еще одной характеристикой является громкость. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний. Давайте рассмотрим этот аспект и убедимся, что громкость действительно связана с амплитудой колебаний. Возьмем камертон и проведем эксперимент: если ударить по нему легким движением, амплитуда колебаний будет небольшой, и звук будет тихим. Если же ударить по камертону сильно, звук будет гораздо громче — это связано с увеличением амплитуды колебаний. Восприятие звука — это субъективный процесс, и оно зависит от состояния слухового аппарата и самочувствия человека.
Список дополнительной литературы:
- А так ли хорошо знаком вам звук? // Квант. — 1992. — № 8. — С. 40-41.
- Кикоин А. К. О музыкальных звуках и их источниках // Квант. — 1985. — № 9. — С. 26-28.
- Элементарный учебник физики под ред. Г. С. Ландсберга. Т. 3. – М., 1974.
Видеоурок: Звуковые волны. Источники звука. Характеристики звука (Ерюткин Е. С.) по предмету Физика за 9 класс.
