Представляем несколько интересных фактов о двух самых важных показателях в области звука – частоте и уровне звукового давления. Каждый из них имеет свою историю появления. Если с первым все было достаточно понятно, то ко второму возникало множество вопросов.
Частота и Генрих Герц
Генрих Герц (1857 — 1894 гг.) открыл радиоволны и смог описать характеристики многих их свойств. Прежде чем стать известным ученым, он прошел достаточно долгий путь. Ему посчастливилось быть учеником великого физика Германа фон Гельмгольца, а одно из его ранних достижений касается подтверждения теории электромагнитной теории света Джеймса Кларка Максвелла.
Первое открытие беспроводного метода передачи энергии стало настоящей революцией, которое помогло Николе Тесла изобрести радио. Позже были открыты и другие формы беспроводной передачи, причем некоторые из них опирались на патенты актрисы Хеди Ламарр, прославившейся в 1930-е годы, и композитора Джорджа Антейла, во время Второй мировой войны создавших систему радиоуправления для торпед.
Одной из самых ранних единиц измерений, используемых для описания частоты, была dv или двойная вибрация. Она определялась как число полных длин волн, которые проходят через точку за одну секунду. Каждая длина волны имеет пик и впадину, два выплеска за пределы нулевой линии, отсюда и фраза «двойная вибрация».
В 1940-е годы в употребление вошел термин «циклы в секунду», который постепенно был сокращен до простого «циклы». Этот часто употребляемый термин, который получил на письме обозначение cps, широко применялся до 1960-х годов, и многие публикации в это время обычно использовали циклы/секунду или cps.
Постепенно в обиход вошел термин «Герц», сокращенно Гц. Изначально эта единица измерений была предложена для употребления как абсолютно правильный термин еще в 1930-е годы. Но из-за нацистских порядков, существовавших в то время (семья Герца еще столетие назад перешла из иудаизма в лютеранство), циклы/секунду благополучно просуществовали вплоть до 1960-х годов.
Частота имеет несколько интересных характеристик, но самое важное ее свойство для исследования речи и музыки заключается в том, что она не зависит от расстояния. Частота, измеренная на расстоянии 1 метра, будет такой же, как частота, измеренная на расстоянии 10 метров, при условии, что она имеет достаточно энергии, чтобы ее можно было определить на этом расстоянии. Например, гласная /а/ по-прежнему будет звучать как /а/, независимо от того, находитесь ли вы у классной доски или в самом конце школьного класса. Аналогичным образом, музыкальная нота «ля» частотой 440 Гц будет все еще звучать как «ля» и иметь частоту ровно 440 Гц, вне независимости от того, звучит ли она в метре от пианино или в последнем ряду концертного зала.
Это является одной из причин того, почему беспроводная передача звука, используемая, в том числе в FM-системах совместно со слуховыми аппаратами становится такой полезной. Вне зависимости от расстояния между учителем и учеником (1 или 10 метров) качество сигнала будет оставаться одним и тем же. То же самое происходит, когда вы на большой скорости едете на автомобиле и слушаете при этом вашу любимую FM-радиостанцию. Вам не придется регулировать громкость, где бы вы ни находились — у самой FM-передающей станции или за много километров от нее.
Уровень звукового давления и Александр Грэхем Белл
В первой половине прошлого века для обозначения уровня звукового давления использовался термин Бел, названный в честь Александра Грэхема Белла. Существует мнение, что сам Александр Грэхем Белл хотел назвать эту единицу в честь своего отца, профессора Мелвилла Белла, создавшего «Видимую Речь». Рассчитать число Белов в звуке можно было с помощью формулы Bel = log (звуковое давление/справочное звуковое давление). Но на практике Белов требовалось в 10 раз больше. Для сравнения: это настолько же неудобно, как измерять толщину человеческого волоса рулеткой. Поэтому ученые предложили использовать 1/10 Бела или деци-Бел, используя метрический предлог «деци», отсюда и пошло «децибел» или «дБ».
В отличие от частоты уровень звукового давления нуждается в исходной, или стартовой точке. Ведь что такое 0 дБ? Для сравнения приведем пример с измерением температуры. Если просто сказать, что сегодня на улице 30°, то будет непонятно, нужно ли надеть пальто и шляпу, если 30°F, или шорты и темные очки, если 30°С? Такая же ситуация с децибелами, когда нужно было определить отправную точку 0 дБ. Начиная с 1920-х годов, в качестве отправной точки для шкалы уровней звукового давления использовалось значение 0,0002 дин/кв. см. Хотя это значение и является спорным, но в то время из него вытекали два преимущества:
- Его было легко измерить при помощи существующих на тот момент технологий.
- Оно максимально близко подходило к самому тихому звуку, который может услышать человек с нормальным слухом.
Значение 0,0002 дин/кв. см не опирается на какую-то универсальную константу, такую, как величина числа пи или масса электрона; это всего лишь рациональный выбор.
Разговорная речь средней громкости имеет уровень звукового давления примерно 65 дБ на расстоянии 1 м, но может быть гораздо ниже на расстоянии 10 метров, а насколько ниже, зависит от акустических характеристик помещения. Если в нем нет отражений (в безэховом помещении или во время затяжного прыжка с парашютом), то уровень звука падает ровно на 6 дБ при каждом удвоении расстояния. Таким образом, разговорная речь средней громкости может иметь 65 дБ УЗД на расстоянии 1 метра, 59 дБ УЗД на расстоянии 2 м и 53 дБ УЗД на расстоянии 4 м. В большинстве «реальных» помещений, в которых мы находимся, уровень звукового давления падает в среднем на 4-5 дБ при каждом удвоении расстояния.
По этой причине мы постоянно должны увеличивать громкость АМ-радиостанции, когда едем по шоссе вдаль от радиопередатчика, чтобы компенсировать удаление. Именно поэтому в учебных заведениях используются FM-системы, а не персональные АМ-системы, в которых четкость передачи сигнала не зависит от расстояния между преподавателем и учеником.
Читайте другие интересные статьи на нашем канале или нашем сайте.