Громкость звука и её восприятие человеком, что такое "громко" и "тихо"

Природа звука и его восприятие человеком

Равномерное колебание маятника вперёд-назад у настенных часов

Звук, по своей природе, является физическим явлением. Он представляет собой волны, которые появляются и распространяются в воздухе, когда колеблется какой-то предмет. Когда предмет колеблется, он вызывает колебания молекул воздуха рядом с собой. Эти молекулы начинают двигаться взад-вперёд, передавая колебания дальше своим соседям. Движение частиц воздуха можно сравнить с колебанием маятника настенных часов. В результате возникают чередующиеся области повышенного и пониженного давления, именно они и образуют звуковую волну. Органы слуха человека регистрируют звуковые волны и их физические характеристики, которые затем обрабатываются нашим мозгом и формируются в нашем сознании в совершенно иное явление, окрашенное яркими красками и затрагивающее наши чувства, его мы и называем звуком. Поэтому, когда мы говорим о громкости, важно учитывать не только физику, но и то, как человек воспринимает звук. В отдельных статьях вы можете узнать подробнее, что такое звук и как мы воспринимаем звук.

Амплитуда колебаний молекул воздуха

Амплитуда - это то, насколько далеко молекулы воздуха отклоняются от своего обычного (равновесного) положения при прохождении звуковой волны. Чем сильнее музыкант ударяет по струне гитары, тем больше энергии он ей передаёт, тем сильнее струна вибрирует и тем дальше отклоняется от своего привычного положения.

Амплитуда колебания маятника вперед-назад зависит от силы, которая привела его в движение

Таким образом, при сильном ударе, амплитуда колебания струны больше, чем если бы её просто легонько задели. Колебания струны передаются молекулам воздуха. Те начинают слегка колебаться в такт, отклоняясь от своего обычного положения примерно с такой же амплитудой. Амплитуда колебания струны и молекул воздуха теоретически может быть измерена в миллиметрах, микрометрах или нанометрах.

Такое колебание воздуха создаёт ряд акустических явлений или эффектов.

Звуковое давление

Когда молекулы воздуха двигаются вперед-назад, они создают области, где их плотность становится больше и области, где их плотность становится меньше. Зоны большей плотности - это области сжатия или повышенного давления. Зоны меньшей плотности - это области разрежения или пониженного давления. Эти колебания плотности и создают изменения давления в воздухе, то, что мы называем звуковым давлением. Чем больше амплитуда колебаний, тем выше звуковое давление и наоборот. Звуковое давление пропорционально амплитуде колебаний молекул воздуха. Звуковое давление измеряется в паскалях. Диапазон значений звукового давления является огромным, от 0.00002 (2 микропаскаля) и до 100 паскалей.

Интенсивность звука

В связи со звуковым давлением также говорят об интенсивности звука, характеризующей мощность или энергию, переносимую звуковой волной. Чем больше звуковое давление, тем выше интенсивность звука. Интенсивность измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²). Эта величина показывает, сколько энергии проходит через единицу площади за секунду.

Громкость звука, воспринимаемая человеком

Наши органы слуха улавливают, насколько сильно колеблется воздух, другими словами, насколько далеко отклоняются молекулы воздуха от своего обычного положения. Мозг преобразует эту информацию в ощущение громкости. Чем больше амплитуда колебаний, тем громче нам кажется звук. Таким образом, громкость звука – это наше субъективное ощущение, связанное с амплитудой колебаний, звуковым давлением и интенсивностью. Но громкость зависит не только от амплитуды, на неё влияют и другие факторы. Из сказанного ранее можно сделать вывод: громкость звука не существует как физическая величина, она существует только в нашем сознании.

Громкость звука - это субъективное восприятие человеком амплитуды колебаний воздуха.

Измерение громкости звука

Можно ли измерить громкость звука? Строго говоря, напрямую это сделать нельзя, ведь громкость - это субъективное ощущение, а не физическая величина. Мы можем измерить звуковое давление, как результат колебаний воздуха и соотнести полученное измерение с тем, какой громкости соответствует данное измерение в восприятии людей. Как уже говорилось выше, диапазон звукового давления является огромным. Если выражать воспринимаемую нами громкость в микропаскалях, которые получают в результате измерения звукового давления, то эти числа ничего не скажут обычному человеку. Например, 0.00002 паскаля - это порог слышимости, самый тихий звук, который способен уловить человек. А 2 паскаля - это громкая речь. А какова громкость звука при измеренном звуковом давлении 0.00525 паскалей и насколько она отличается от громкости при давлении 1.00111 паскалей? Такие величины сложно понять и оценить обычному человеку.

Децибелы

Громкость звука на рок-концерте достигает 120 дБ

Чтобы связать измеренное звуковое давление с тем, как человек воспринимает громкость, используется специальная единица измерения - децибел (дБ). Давление, измеренное в паскалях, преобразуется в децибелы по специальной математической формуле. Уровень звукового давления в децибелах - это логарифмическое соотношение звукового давления к порогу слышимости. Не углубляясь в математику и физику, можно сказать, что децибелы призваны выразить воспринимаемую человеком громкость звука на основании измеренного звукового давления в паскалях, но представить данные измерения в простых числах. При этом изменение уровня звука в децибелах не является линейным, т.е. увеличение на несколько децибелов означает многократное увеличение громкости.

ПРИМЕР: если уровень звука вырос с 60 до 70 дБ, это значит, что интенсивность звука увеличилась примерно в 10 раз, а не просто на 10%.

Предельные величины громкости звука

Самый тихий звук, который слышит человек равен 0 дБ (ноль децибел), при этом 0 дБ соответствует 0.00002 паскаля звукового давления. Таким образом, в природе может существовать звук, со звуковым давлением менее 0.00002 паскалей, но, органы слуха человека уже не могут его зафиксировать и человек его не может услышать. Максимально допустимая громкость звука, которую человек может воспринимать без вреда для себя, составляет 120 дБ, это соответствует звуковому давлению в 20 паскалей. Однако при длительном воздействии даже такой уровень может повредить слух.

Децибел А - скорректированный уровень звука

Оценить громкость звука только по децибелам, как и по паскалям, на самом деле непросто. Децибелы не учитывают все факторы, влияющие на наше ощущение громкости. В настоящее время часто используется измерение уровня звука dBA (децибел А) - это скорректированный уровень звука с учетом того, как наши органы слуха воспринимают разные частоты.

Чтобы понять, насколько громким является звук, можно запомнить несколько значений громкости звука, выраженной в децибелах и затем соотносить данные сведения с услышанными звуками. В следующей далее таблице 1 приведены примеры привычных нам звуков разной громкости и примерное значение измеренного звукового давления, выраженное в децибелах. Чтобы самостоятельно измерить звуковое давление или уровень звука, можно воспользоваться специальным прибором или установить на свой мобильный телефон приложение, которое позволяет измерять уровень звука.

Таблица 1. Знакомые нам звуки и их уровень громкости в децибелах

Заключение

Громкость звука - это не просто физическая величина, а результат сложного взаимодействия между звуковыми колебаниями и нашим восприятием. Хотя она связана с такими параметрами, как амплитуда, звуковое давление и интенсивность, в конечном итоге именно мозг решает, кажется ли нам звук громким или тихим. Понимание этой связи между физикой и ощущениями помогает не только глубже взглянуть на природу звука, но и осознаннее относиться к акустической среде вокруг нас — будь то шум улицы, шёпот собеседника или музыка в наушниках.

Что такое громкость звука и можно ли её измерить