Громкость звука определяется амплитудой звуковых колебаний, а точнее — амплитудой давления в звуковой волне, которое оказывает влияние на воспринимаемую интенсивность звука. Звук представляет собой механические колебания среды (воздуха, воды, твердых тел), которые распространяются в виде волн. Когда объект (например, мембрана динамика или голосовые связки) вызывает колебания частиц среды, эти колебания создают изменения давления, которые воспринимаются нашими ушами как звук.
Разберём это более подробно:
1. Что такое амплитуда звуковых колебаний?
Амплитуда — это максимальное отклонение частиц среды от их положения покоя, которое происходит во время колебания. Когда мы говорим о звуковых волнах, амплитуда связана с максимальной разницей давления между сжатием и разряжением в воздухе. Чем больше амплитуда колебаний, тем сильнее сжатие и разрежение в воздухе, и, соответственно, тем громче звук.
2. Как амплитуда влияет на громкость?
Когда амплитуда звуковых волн увеличивается, колебания становятся более выраженными, создавая большее изменение давления в воздухе. Это воспринимается нами как более громкий звук. Таким образом, громкость звука прямо пропорциональна амплитуде звуковых колебаний.
3. Физическая величина, измеряющая громкость: уровень звукового давления
Громкость звука часто измеряется не в амплитуде напрямую, а в уровне звукового давления (SPL, Sound Pressure Level), который является логарифмической функцией амплитуды. Уровень звукового давления измеряется в децибелах (дБ) и рассчитывается по формуле:
Lp=20⋅log10(pp0)L_p = 20 cdot log_{10} left( frac{p}{p_0} right)
где:
LpL_p — уровень звукового давления в децибелах,
pp — амплитуда звукового давления,
p0p_0 — порог слышимости (минимальное звуковое давление, которое может воспринимать человеческое ухо), примерно 20×10−620 times 10^{-6} Паскаля.
Каждое увеличение уровня звукового давления на 20 дБ соответствует увеличению амплитуды давления в 10 раз. Таким образом, звуки на 60 дБ громче звуков на 40 дБ.
4. Как воспринимает человек громкость звука?
Человеческое восприятие громкости звука не является линейным, а логарифмическим. Это означает, что увеличение амплитуды звуковой волны в два раза не приведет к тому, что звук будет казаться в два раза громче. Чтобы звук стал в два раза громче, необходимо увеличить уровень звукового давления на примерно 10 дБ. Такой тип восприятия основан на законе Вебера-Фехнера, который описывает, как люди воспринимают изменения в интенсивности стимула.
5. Роль частоты в восприятии громкости
Частота звука также влияет на восприятие громкости. Человеческое ухо наиболее чувствительно к частотам в диапазоне от 1000 до 5000 Гц, и звук на этих частотах будет восприниматься как громче, чем на очень низких или высоких частотах при одинаковом уровне давления. Это явление связано с физиологическими особенностями слухового аппарата человека и отражается в так называемой кривой равной громкости.
6. Пример из жизни:
Когда вы увеличиваете громкость на динамике или в музыкальном проигрывателе, вы фактически увеличиваете амплитуду звуковых колебаний, что приводит к большему давлению на мембрану динамика и, следовательно, в воздухе. Это увеличивает уровень звукового давления, а значит, звук становится громче.
Например, если вы слушаете музыку на уровне 60 дБ, а потом увеличиваете громкость до 80 дБ, звук станет в 100 раз интенсивнее по амплитуде, но восприниматься он будет как в 10 раз громче.
7. Другие параметры, влияющие на восприятие громкости:
Хотя амплитуда давления является основным фактором, на восприятие громкости также влияют:
Длительность звука: более длинный звук может восприниматься как громче, даже если его пиковое давление такое же.
Тембр: звук с разными спектрами частот может восприниматься как более громкий даже при одинаковом уровне давления. Это связано с тем, как различные частотные компоненты звука влияют на слуховые клетки.
Окружающая среда: акустические свойства помещения (например, эхо или поглощение звука стенами) также могут повлиять на восприятие громкости.
Итог
Громкость звука определяется амплитудой звуковых колебаний, и в физическом плане она измеряется уровнем звукового давления, который зависит от амплитуды. Однако восприятие громкости у человека нелинейно и зависит от множества факторов, включая частоту звука, его длительность и особенности слуха.
