Czym jest poziom głośności dźwięku? Więcej niż tylko decybele

Dziś zagłębimy się w temat poziomu głośności dźwięku – pojęcia, które łączy twarde dane fizyczne z subiektywnym ludzkim odczuwaniem.

Fizyka dźwięku: Energia i ciśnienie

Zanim przejdziemy do tego, co słyszymy, musimy zrozumieć, co tak naprawdę dociera do naszych uszu. Dźwięk to fala mechaniczna, która przenosi energię.

Dwie podstawowe wielkości fizyczne, które opisują "moc" dźwięku, to:

• Ciśnienie akustyczne: To niewielkie zmiany ciśnienia statycznego powietrza (czyli ciśnienia atmosferycznego) wywołane rozchodzeniem się fali dźwiękowej.

• Natężenie akustyczne: Określa ono ilość energii, jaką fala akustyczna przenosi w jednostce czasu przez jednostkę powierzchni. Wielkość tę określa się prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali. Oznacza to, że natężenie niesie ze sobą informację o ilości energii oraz o jej kierunku - jest to wielkość wektorowa.

W praktyce rzadko posługujemy się surowymi wartościami natężenia (w watach na metr kwadratowy) czy ciśnienia (w paskalach), ponieważ dla ludzkiego słuchu różnice w głośności nie są odbierane liniowo, lecz logarytmicznie. Z tego powodu stosowanie wartości liniowych byłoby niemiarodajne i nie oddawałoby rzeczywistego wrażenia akustycznego. Dlatego używamy skali logarytmicznej i jednostki zwanej decybelem (dB), która pozwala te różnice opisać w sposób zgodny z percepcją dźwięku.

Jak widać w tabeli, między szmerem liści a startem samolotu występuje różnica ponad miliona razy w wartościach ciśnienia akustycznego, a w ujęciu energetycznym – aż bilion razy w natężeniu dźwięku. Dzięki skali logarytmicznej możemy jednak opisać ten zakres w prostych liczbach od 20 do 130 dB, co znacznie ułatwia analizę i porównywanie poziomów hałasu.

Mówimy wtedy o Poziomie Ciśnienia Akustycznego (SPL - Sound Pressure Level), czyli wartości wyrażonej w decybelach (dB), która opisuje zmierzone przez mikrofon zmiany ciśnienia akustycznego. To właśnie ten parametr pozwala ilościowo analizować dźwięk. Jednak choć mikrofon rejestruje fizyczne wartości ciśnienia z dużą precyzją, nie „słyszy” dźwięku tak jak człowiek – nie uwzględnia bowiem subiektywnej percepcji, czułości ucha ani zależności od częstotliwości.

Ucho to nie mikrofon: Subiektywne wrażenie głośności

Tu docieramy do sedna sprawy. Dostarczona do ucha energia to jedno, a to, jak głośny wydaje nam się dźwięk – to drugie.

Ludzkie ucho jest niezwykle skomplikowanym instrumentem, który nie reaguje liniowo. Nasz aparat słuchu nie jest w stanie rozróżnić bardzo szybkich, chwilowych zmian natężenia fali. W praktyce nasz mózg "uśrednia" odbieraną energię.

Co najważniejsze, wrażenie głośności zależy nie tylko od natężenia, ale także od częstotliwości (wysokości) dźwięku.

Ewolucja wyposażyła nas w "filtry", które sprawiają, że pewne częstotliwości słyszymy znacznie lepiej niż inne.

• Zakres 1 kHz – 5 kHz: To pasmo, na które jesteśmy najbardziej wyczuleni. Dźwięki w tym zakresie wydają nam się najgłośniejsze przy tym samym poziomie energii. Dlaczego? Wynika to z charakterystyki przenoszenia układu słuchowego (m.in. rezonansu kanału słuchowego i błony bębenkowej). Ponadto, jest to zakres, w którym znajduje się większość kluczowych informacji w ludzkiej mowie (np. spółgłoski decydujące o zrozumieniu słów) oraz dźwięki ostrzegawcze (płacz dziecka).

• Niskie i bardzo wysokie tony: Abyśmy usłyszeli bardzo niski bas (np. 50 Hz) tak samo głośno jak ton 1 kHz, ten bas musi mieć znacznie wyższy poziom fizyczny (więcej decybeli SPL).

Czym więc jest Poziom Głośności Dźwięku?

Aby pogodzić świat fizyki (dB SPL) ze światem ludzkich wrażeń, wprowadzono pojęcie poziomu głośności dźwięku.

Poziom głośności dźwięku to miara psychoakustyczna, która określa, jak głośno człowiek odbiera dany dźwięk, w odniesieniu do dźwięku wzorcowego.

Jednostką poziomu głośności jest fon (phon).

Jak to działa? Skala fonów została "zakotwiczona" na częstotliwości 1 kHz (1000 Hz).

• Dla dźwięku o częstotliwości 1 kHz, poziom głośności w fonach jest liczbowo równy poziomowi ciśnienia akustycznego w decybelach (dB SPL). Czyli: ton 1 kHz o poziomie ciśnienia akustycznego60 dB ma poziom głośności 60 fonów.

• Dla innych częstotliwości wyznacza się go eksperymentalnie, pytając ludzi: "czy ten bas jest tak samo głośny, jak nasz sygnał wzorcowy 1 kHz?".

Krzywe jednakowej głośności (izofony)

Wyniki takich badań pozwoliły stworzyć tzw. krzywe izofoniczne (często nazywane krzywymi Fletchera-Munsona, choć dziś używamy nowszych norm ISO).

Krzywa o wartości np. 40 fonów pokazuje, jaki poziom ciśnienia akustycznego (w dB SPL) musi mieć dźwięk o każdej częstotliwości, aby był odbierany jako równie głośny jak ton 1 kHz o poziomie 40 dB SPL. Na wykresie wyraźnie widać, że przy niskich poziomach głośności ucho ludzkie jest dużo mniej czułe na niskie i wysokie częstotliwości, dlatego przy cichym słuchaniu bas i wysokie tony wydają się słabsze. Z tego powodu w dawnych wzmacniaczach stosowano przycisk „Loudness”, który kompensował te różnice, podbiając skraje pasma przy małej głośności.

Podsumowanie

Zrozumienie różnicy między fizycznym poziomem ciśnienia akustycznego odczuwalnym poziomem głośności jest kluczowe w wielu dziedzinach – od produkcji muzycznej, przez ochronę środowiska (hałas), aż po projektowanie systemów alarmowych. Pamiętajmy: to, co pokazuje miernik w decybelach, to tylko część obrazu - pełne wrażenie głośności powstaje dopiero w naszym uchu i mózgu.