Объяснение уровня звукового давления (SPL): значение, измерение и применение в аудио

Звук — часть нашей повседневной жизни. Мы слышим его в разговорах, музыке, объявлениях и даже в фоновом шуме оживлённой улицы. Но задумывались ли вы, как измерить, насколько громок звук? Для этого и существует уровень звукового давления, или SPL. SPL — это научный способ описать «силу» звука с помощью единицы, называемой децибел (дБ). В этом материале объясняется, что означает SPL, как он измеряется, почему это важно и как влияет на такие вещи, как проектирование акустики и безопасность слуха.

Что означает SPL?

Наиболее распространённая физическая величина для измерения звука — это звуковое давление. Величина звукового давления обычно описывается уровнем звукового давления (SPL). Он показывает, насколько сильна звуковая волна — или, проще, насколько громок звук для нашего уха.

SPL рассчитывают как отношение эффективного звукового давления к опорному звуковому давлению (2×10⁻⁵ Па), берут десятичный логарифм этого отношения и умножают на 20. Единица измерения — децибел (дБ). Диапазон звуковых давлений, который слышит человеческое ухо, составляет от 2×10⁻⁵ Па до 20 Па, что соответствует 0–120 дБ SPL.

Однако вычисления в децибелах коварны: небольшое увеличение дБ означает значительное увеличение воспринимаемой громкости. Например, звук 60 дБ — это не просто вдвое громче, чем 30 дБ, а гораздо громче.

Почему SPL важен?

SPL — ключевая величина для оценки громкости звука. Он используется в мониторинге окружающего шума, звукоинженерии и тестировании продукции. В аудиоиндустрии конструкторы акустики используют SPL, чтобы оценивать, насколько громко играет их изделие. Более высокий SPL означает, что колонка может создать более громкий звук при меньшей подводимой мощности.

В школах и офисах SPL помогает проектировать звуковые системы так, чтобы сообщения оставались разборчивыми даже в шумных местах. В области охраны труда чрезмерный шум (высокий SPL) может повредить слух, и шумомеры используются для проверки безопасности рабочих мест.

В личном использовании знание безопасных уровней SPL помогает избежать потери слуха из-за громкой музыки или наушников.

Как измеряется SPL?

SPL обычно измеряют специальным прибором, называемым шумомером (Sound Level Meter, SLM). Этот прибор улавливает изменения давления воздуха, вызванные звуком, и отображает результат в децибелах (дБ SPL).

В реальных испытаниях звук может быстро меняться. Поэтому важны настройки временного взвешивания. Разные режимы используют для разных ситуаций, чтобы отразить, как уровень звука меняется во времени:

1. Slow — для рабочих мест или производств. Показывает усреднённый уровень стабильного шума, близкий к реакции уха на непрерывный шум.

2. Fast — для общего мониторинга шума. Быстро реагирует и отображает кратковременные изменения звука.

3. Impulse — для фиксации внезапных громких звуков, таких как удары механизмов, взрывы или выстрелы. Лучше показывает резкие пики.

Помимо времени, измерения SPL используют частотное взвешивание, чтобы согласовать измерения с тем, как человек слышит разные частоты. Наиболее распространены:

1. A-взвешивание: самый используемый режим. Сильно ослабляет низкие и высокие частоты и уделяет больше внимания средним (примерно 500 Гц–10 кГц), к которым ухо наиболее чувствительно. Применяется для оценки шума в окружающей среде и на рабочих местах.

2. C-взвешивание: почти «плоское». Сохраняет большую часть частотного диапазона, лишь немного ослабляя самые низкие и самые высокие. Используется для громких источников — концертов, стройплощадок, аэропортов.

3. Z-взвешивание: также называется «линейным» или «нулевым». Одинаково относится ко всем частотам без усиления или ослабления. Применяется в научных исследованиях и калибровке аппаратуры.

Чтобы корректно измерить SPL, разместите шумомер на расстоянии 1 метра от источника звука и на уровне уха. Встроенный микрофон принимает звук и преобразует его в уровень звукового давления, который на экране показывается как дБ SPL.

В тестах акустических систем часто действует правило «1W/1m»: подают 1 ватт входной мощности и измеряют с 1 метра. Это помогает оценивать эффективность или чувствительность колонки и облегчает сравнение разных моделей.

Сегодня многие приложения для смартфонов тоже могут измерять SPL. Хотя их микрофоны и частоты дискретизации не столь точны, как у профессиональных приборов, для непрофессионального использования они дают приблизительное представление об уровне шума.

Давайте посмотрим на простой график. Синяя линия показывает мгновенный уровень звукового давления — то есть реальное давление, которое микрофон фиксирует в данный момент. Это значение очень быстро меняется и сильно «дрожит». Поэтому понять уровень звука только по мгновенным значениям трудно.

Во многих случаях используют величину Leq — эквивалентный непрерывный SPL за время измерения. Эта величина хорошо согласуется с нашим восприятием звука. Например, если после мероприятия люди говорят, что громкость была «в самый раз», кривая Leq обычно гладкая. Но если значение Leq очень высокое, значит, мероприятие было очень громким. Поскольку Leq хорошо соответствует человеческому восприятию, это одна из важнейших величин в акустических измерениях.

Чтобы вычислить SPL, нужно использовать общую эффективную величину по всему частотному диапазону, а не значение в какой-то один момент. Шумовой сигнал, измеряемый датчиком, — это временная форма (волна), то есть звуковое давление меняется во времени и имеет как положительные, так и отрицательные значения.

Но в математике логарифм (используемый в вычислениях SPL) требует положительных аргументов. Поэтому мы не можем напрямую применять мгновенные значения звукового давления. Вместо этого используют СКЗ (RMS, Root Mean Square) — всегда положительную величину, отражающую суммарную энергию звука. Именно поэтому все вычисления SPL опираются на RMS по всему частотному диапазону, также называемому общим уровнем (Overall Level).

Что такое взвешивания A, B, C и Z?

Частота звука влияет на измерение уровня звукового давления (SPL), потому что ухо человека по-разному чувствительно к различным частотам. Чтобы это учесть, шумомеры используют частотные фильтры-взвешивания, согласующие показания с реакцией уха. Наиболее распространены A, C и Z, но встречается и B.

A-взвешивание

Самое распространённое. Моделирует слух человека на умеренных уровнях (около 40–60 дБ SPL). Ухо наиболее чувствительно к средним частотам, особенно между 500 Гц и 6 кГц, и менее чувствительно к очень низким и высоким (например, к ветру или ультразвуку).

A-взвешивание сильно ослабляет низкие и высокие частоты, поэтому измеренный SPL ближе к тому, как мы действительно слышим. Используется для оценки шума на рабочих местах, в школах, офисах и жилых районах. Это стандарт, применяемый во многих нормах, таких как OSHA и ISO.

B-взвешивание

Создавалось для отражения слуха при более высоких уровнях (около 70 дБ SPL). Ослабляет низкие частоты меньше, чем A, и лежит между кривыми A и C.

Сегодня используется редко, так как пересекается по назначению с A и C и имеет ограниченную практическую ценность. Большинство современных стандартов его не включают.

C-взвешивание

Моделирует слух при очень больших уровнях (около 100 дБ SPL и выше). Имеет почти ровную характеристику по большей части слышимого диапазона, лишь слегка ослабляя самые низкие и самые высокие частоты.

Поскольку сохраняет больше низких и высоких частот, применяется в очень громких условиях — концерты, тяжёлые машины, взрывы, авиационные двигатели. Также используется для измерения пикового SPL, что важно при оценке кратковременных громких воздействий, опасных для слуха.

Z-взвешивание (Zero, «нулевое», или «плоское»)

Линейное, без усиления/ослабления в диапазоне 20 Гц–20 кГц. Исходный спектр звука остаётся неизменным.

Применяется в акустических исследованиях, тестировании оборудования и точных измерениях, где важно фиксировать истинную энергию и спектр звука. Идеально подходит для испытаний микрофонов, громкоговорителей и датчиков.