Razumijevanje zvuka i decibela
U svakoj raspravi o razumijevanju zvuka, jedinica decibela nedvojbeno će postati dio razgovora. Za razliku od gotovo svih drugih mjernih jedinica, decibel nije linearna ljestvica. Drugim riječima, 1 decibel (koji se također piše kao dB) nije jedna desetina amplitude ili jačine od 10 dB. U ovom ćemo članku objasniti kako radi ljestvica decibela i predstaviti neke referentne informacije koje će vam pomoći da razumijete kako ljestvica decibela funkcionira.
Što je zvuk?
Zvuk je vibracija molekula zraka koja vibrira naše bubnjiće. Bubnjić prenosi te vibracije do srednjeg uha kroz sićušne koščice koje se nazivaju koščice. Unutarnje uho ima oblik sličan obliku puževe kućice i sadrži mikroskopske stanice s dlačicama koje te vibracije pretvaraju u sićušne električne signale. Ti se signali prenose do slušnog živca, a zatim do našeg mozga. Svako unutarnje uho sadrži otprilike 18 000 stanica s dlačicama, za koje se kaže da sve stanu na glavu pribadače. Jednom kada se stanica dlake ošteti, više nikada ne izraste niti se sama popravi.
Razumijevanje decibela
Jedinicu decibel je 1920-ih stvorio Bell Telephone Laboratories kako bi opisao gubitke u komunikacijskim kabelima koji su se koristili u prvim telefonskim sustavima. Izvorna jedinica bila je MSC (Miles of Standard Cable) i predstavljala je gubitak signala u 1 milji kabela na frekvenciji od 795,8 Hz koja je bila ekvivalentna najmanjem primjetnom prigušenju koje može detektirati prosječni slušatelj.
Mjerenje decibela i razine zvuka
Kada govorimo o razinama zvuka, ispravan je format koristiti jedinicu dB SPL, dB(SPL) ili dBSPL. Referenca za bilo koju izjavu je zvučni tlak u usporedbi s 0 dB. 0dB se definira kao percipirani zvuk komarca na udaljenosti od 10 stopa od slušatelja.
Budući da dB SPL izražava omjer, zvukovi mogu biti tiši od 0 dB. Zamislite, ako hoćete, nalazite se u prostoru gdje je mjeren zvuk koji je stvorio onaj originalni komarac. Uklonimo li komarca, prostor će biti tiši. Koliko tiše ovisi o drugim izvorima buke. Električni šum koji stvara rasvjeta i buka uzrokovana sustavima grijanja i hlađenja doprinose tome. Ako eliminiramo što više zvukova, soba će biti sve tiša i tiša.
Prema Guinnessovoj knjizi rekorda, najtiše mjesto na svijetu u 2012. bila je bezehoična ispitna komora u laboratorijima Orfield u Minneapolisu. Razina zvuka u ovoj prostoriji izmjerena je na -13dBA. U listopadu 2015. tim inženjera u središnjem uredu Microsofta u Redmondu, Washington, oborio je ovaj rekord mjerenjima obavljenim u bezehotičnoj komori u zgradi 87. Tim neovisnih stručnjaka izmjerio je razinu buke od -20,35 dBA. Soba ne samo da je potpuno izolirana od svih izvora buke i vibracija, već su zidovi obloženi velikim akustičnim pjenastim klinovima koji apsorbiraju zvuk.
Na suprotnom kraju zvučnog spektra imamo 191 dB SPL. Ovo je razina zvuka pri kojoj je zrak pod tlakom od 1 bara ili 1 atmosfere. Linearni zvuk ne može postojati iznad ove razine jer niskotlačna strana vala doseže apsolutni vakuum. Postoje glasniji zvukovi (kao što su nuklearne eksplozije), ali oni se ispituju kao valovi pritiska, a ne kao zvukovi.
Svi zvukovi se ne percipiraju jednako
Ljudsko uho nije jednako osjetljivo na sve zvukove. Godine 1933. objavljeni su rezultati istraživanja kako naše uho percipira različite frekvencije. Istraživači Fletcher i Munson objavili su niz krivulja osjetljivosti ljudskog sluha koje se temelje na frekvenciji i amplitudi. Krivulje su stvorene naizmjeničnim sviranjem čistog tona od 1 kHz i tona na drugoj frekvenciji. The amplitude of the 1 kHz tone was adjusted until participants felt the level of the two were equivalent. The adjustment level was recorded and they moved to another frequency.
In 1937, similar testing was done by Churcher and King, but the results differed a great deal from the Fletcher Munson charts. Researchers Robinson and Dadson repeated the testing in 1956 with newer equipment. The resulting measurements were accepted and defined the ISO 226 normal equal loudness-level contours. These remained the standard until 2003 when new testing further revised the graphs.
What the curves tell us is that our hearing is most sensitive around 2 to 3 kHz, depending on amplitude. We are less sensitive to high-frequency information around 10 kHz and 150 Hz by about 20dB. We are increasingly less sensitive to sounds below 150 Hz, but this phenomenon decreases as volume increases.
How We Perceive Sound
Many statements about sound levels get thrown around the industry. Let’s talk about and clarify a couple of the most common.
3dB is twice as loud. No. No, it isn’t. A change of 3dB represents a doubling or halving of acoustic energy. It takes an amplifier twice as much power to produce a tone at 73dB as it requires at 70dB. The reality is, most listeners can just barely perceive a change in level of 3dB at all audible frequencies.
If 3dB isn’t twice as loud, what is? Based on extensive testing, it is agreed that a change in level of 10dB is considered to be twice or half as loud.
A Listening Test
Just for fun and education, below is a series of test tones to demonstrate our ability to detect differences in amplitude. These tests are created to make the differences as easily perceivable as possible.
The tones involve a sine wave at a frequency of 1 kHz recorded at a starting level of -10dB from the full scale in a 44.1 kHz, 16-bit uncompressed .wav file format. The amplitude (volume) of the waveform is decreased at one-, two- and three-second marks by varying amounts. For most, discerning the 1dB per step decrease is easy. Many will be able to detect the 0.5dB decrease per step. The 0.25dB decrease per step is difficult to hear.
Track 1
1 kHz, decreasing in amplitude by 1.0 dB at one-second intervals
Track 2
1 kHz decreasing in amplitude by 0.5 dB at one-second intervals
Track 3
1 kHz decreasing in amplitude by 0.25 dB at one-second intervals
Now, based on your results, does this test disprove the above statements about 3dB and 10dB differences? Nikako. As mentioned, the tests are designed to make the perception of level changes very easy. If you were to listen to a song, then play the same song again five minutes later after adjusting the volume up or down by 0.5dB or 1dB, most people wouldn’t be able to detect the difference.
We’ll revisit the decibel in future articles and explain how different rating curves affect the numbers we read when looking at audio equipment noise measurements and specifications. Until then, we hope you enjoyed this article and the test tracks.