Decybele a głośność

W jednym z pierwszych postów starałem się wytłumaczyć czym jest decybel. Jeżeli ktoś nie jest jeszcze zaznajomiony z jego definicją, polecam lekturę wspomnianego artykułu. Pomocny w interpretacji wykresów może okazać się post o podziałce logarytmicznej. Jeżeli zrozumiemy decybele (co wcale nie jest tak trudne jak się wydaje), prędzej czy później (lepiej prędzej) należy zdać sobie sprawę z tego, że poziom ciśnienia akustycznego podany w dB SPL nie jest jednoznaczny z tym jak głośno dźwięk słyszymy. 

Czym jest głośność?

Najprościej mówiąc głośność pozwala uszeregować dźwięki od najcichszych do najbardziej donośnych. Jest to cecha wrażeniowa (psychologiczna) i nie możemy jej podać w jednostkach fizycznych takich jak np. Pascal (a więc również dB SPL; 0dB= 20 μPa).

Głośność a częstotliwość

Człowiek jak już wiemy zaczyna słyszeć dźwięki od pewnego poziomu ciśnienia akustycznego (przyjęło się, że 0dB to20 μPa). Okazuje się, że wraz ze zmianą częstotliwości dźwięku, próg ten zmienia się. Co to oznacza? Na podstawie badań przeprowadzonych przez Fletchera i Munsona (opublikowanych już w roku 1933) wyznaczone zostały linie jednakowego poziomu głośności. Wynika z nich, że dźwięk o częstotliwości 4 kHz o poziomie ciśnienia akustycznego np. 94 dB SPL (1 Pa) nie jest postrzegany tak samo głośny jak np. dźwięk 150 Hz o identycznym poziomie ciśnienia akustycznego 94 dB SPL (1 Pa). Podobne badania przeprowadziło wielu innych badaczy, min. Robinson i Dadson (1956 r.), których wyniki zostały przyjęte jako norma ISO 226 (z pewnymi zmianami przyjęta jako ISO 226:2003 obowiązuje obecnie). Przyjrzyjmy się poniższemu wykresowi.

Rys. Krzywe jednakowego poziomu głośności, na podstawie F. Alton Everest, „Podręcznik akustyki”, Sonia Draga 2003, str. 75

Z wykresu można odczytać wiele ciekawych informacji. Jak z niego korzystać? Poszczególne linie łączą punkty o takich samych poziomach głośności (głośność, a więc odczucia - psychoakustyka, nie fizyka!). Przykładowo najniżej położona linia reprezentuje próg słyszalności. Na podstawie badań przeprowadzonych na grupie ochotników stwierdzono, że aby człowiek był w stanie usłyszeć ton prosty (sinus) o częstotliwości 1 kHz, poziom ciśnienia akustycznego musi wynosić ok. 0 dB. Aby usłyszeć dźwięk o częstotliwości 300 Hz, potrzeba już 10 dB, natomiast do odebrania wrażenia słuchowego wywołanego tonem o częstotliwości 20 Hz, poziom ciśnienia akustycznego musi wynosić prawie 80 dB (tak, 60 dB czy nawet 70 dB nie będzie w ogóle słyszalne!).

Ponieważ jak się okazało ucho ludzkie różnie reaguje na dźwięki w zależności od ich częstotliwości, wprowadzono jednostkę fon. Fony są reprezentowane przez linie na powyższym wykresie (izofony). Izofony przedstawiają (łączą) taki poziom ciśnienia w decybelach, który niezależnie od częstotliwości wywoła u słuchacza wrażenie takiej samej głośności. Dlatego fon jest jednostką głośności 

Aby prościej było wyobrazić sobie jak częstotliwość przekłada się na wysokość dźwięku, przesłuchajmy przykładowo fal sinusoidalnych 1 kHz, 4 kHz oraz 150 Hz. 

Aby upewnić się, że rozumiemy zagadnienie, przeanalizujmy poziom głośności 50 fonów (izofona przebiegającą przez punkt 1kHz, 50 dB).

Według badań przeprowadzonych przez Robinsona i Dadsona (o które oparty jest wykres), słuch najbardziej wyczulony jest na częstotliwość 4000 Hz (słyszymy nawet ujemne decybele!). Najmniej natomiast dla częstotliwości 20 Hz. Jeżeli odsłuchalibyśmy sinusoidy 1 kHz o poziomie 50dB, a następnie chcielibyśmy posłuchać sinusoidy 4 kHz o takiej samej głośności, musiałaby ona mieć poziom już tylko ok. 43 dB. Chcąc usłyszeć sinusa o takim samym poziome głośności ale częstotliwości 20 Hz, musiałby mieć on poziom aż ok. 98 dB! Aż tak nieliniowy jest ludzki słuch. Dlatego nie można powiedzieć, że poziom ciśnienia w decybelach to to samo co głośność dźwięku.

Aby przekonać się o tym na własnej skórze (uchu) przeprowadźmy mały eksperyment. Musimy zapewnić sobie ciszę w pomieszczeniu, w którym będziemy słuchali przykładu! Postępujmy zgodnie z poleceniami w poniższym filmiku.

Różnica głośności, którą musimy uzupełnić aby móc usłyszeć końcowe powtórzenia tonu 100 Hz to ok 30dB.*

Wracając do pierwszego wykresu, możemy odczytać również, że im głośniejsze dźwięki, tym słuch jest bardziej liniowy dla niskich częstotliwości (proszę porównać jak stroma jest izofona 0 fonów w zakresie 20 Hz – 200 Hz, w porównaniu do izofony np. 110 fonów).

Ponadto ciekawym zjawiskiem jest zejście izofony 0 fonów poniżej 0 dB.

A jednak ujemne dB SPL

Zgodnie z wynikami obserwacji  Fletchera i Munsona, człowiek słyszy ujemne decybele. Pojawia się zatem pytanie, czy poziom 0 dB jest właściwie dobrany? Według mnie nie. Skoro izofona 0 fonów dochodzi do ok. -3 dB (ok 14  μPa), to właśnie ten poziom powinien definiować 0 dB, a nie 20 μPa jak to ma miejsce obecnie. No ale tak zostało przyjęte, być może ze względu na łatwiejsze rachunki (łatwiej policzyć wielokrotności 20 niż 14). W praktyce osoby dorosłe i tak nie są już w stanie usłyszeć tak niskiego poziomu ciśnienia akustycznego, dlatego fakt ten nie powinien stanowić żadnego problemu. Jednak dobrze jest mieć świadomość takiego stanu rzeczy.

Mam nadzieję, że rozjaśniłem nieco problem jakim jest związek pomiędzy decybelami, a głośnością dźwięku. Jak zawsze zapraszam do komentowania.

--
* W praktyce będzie to mniej niż 30 dB, ponieważ w warunkach domowych trudno jest wyeliminować tło akustyczne, które może być na poziomie nawet kilkudziesięciu dB. W warunkach komory bezechowej, byłoby to rzeczywiście 30 dB.

____________________________________________________________________

Wszelkie prawa zastrzeżone 
Copyright © Michał Pytko 2010