Введение

Субъективное восприятие звукового давления
японская группа

В акустике громкость – это субъективное восприятие звукового давления. Более формально, она определяется как "атрибут слухового ощущения, по которому звуки могут быть упорядочены по шкале от тихого до громкого". Связь физических характеристик звука с воспринимаемой громкостью состоит из физических, физиологических и психологических компонентов. Изучение кажущейся громкости входит в область психоакустики и использует методы психофизики. В различных отраслях промышленности громкость может иметь разные значения и различные стандарты измерения. Некоторые определения, такие как ITU R BS.1770, относятся к относительной громкости различных сегментов электронно воспроизводимого звука, например, для вещания и кинематографа. Другие, такие как ISO 532A (громкость по Стивенсу, измеряемая в сонах), ISO 532B (громкость по Цвиккеру), DIN 45631 и ASA/ANSI S3.4, имеют более широкую область применения и часто используются для характеристики громкости окружающего шума. Более современные стандарты, такие как Nordtest ACOU112 и ISO/AWI 532 3 (в разработке), учитывают другие компоненты громкости, такие как скорость нарастания, временные изменения и спектральное маскирование. Громкость, являясь субъективной мерой, часто путают с физическими мерами звуковой силы, такими как звуковое давление, уровень звукового давления (в децибелах), интенсивность звука или звуковая мощность. Фильтры взвешивания, такие как A-взвешивание и LKFS, пытаются компенсировать измерения, чтобы они соответствовали громкости, воспринимаемой типичным человеком.

Пояснение

Восприятие громкости связано с уровнем звукового давления (SPL), частотным составом и длительностью звука. Зависимость между SPL и громкостью тонального сигнала может быть приближенно описана законом Стивенса, в котором показатель степени для SPL равен 0,67. Более точная модель, известная как инфлектированная экспоненциальная функция, показывает, что громкость возрастает с более высоким показателем степени при низких и высоких уровнях, и с более низким показателем при умеренных уровнях. Чувствительность человеческого уха изменяется в зависимости от частоты, что отражено на графике равной громкости. Каждая линия на этом графике показывает уровень звукового давления (SPL), необходимый для того, чтобы частоты воспринимались как одинаково громкие, а различные кривые соответствуют различным уровням звукового давления. Также показано, что люди с нормальным слухом наиболее чувствительны к звукам в диапазоне 2–4 кГц, при этом чувствительность снижается в обе стороны от этого диапазона. Полная модель восприятия громкости должна включать интеграцию SPL по частоте. Исторически громкость измерялась с помощью аудиометра "ушной баланс", в котором пользователь регулировал амплитуду синусоидального сигнала до достижения воспринимаемой громкости оцениваемого звука. Современные стандарты измерения громкости основаны на суммировании энергии в критических полосах.

Потеря слуха

При сенсорно-нейронной потере слуха (повреждение улитки или мозга) восприятие громкости изменяется. Звуки на низких уровнях (которые люди без потери слуха часто воспринимают как относительно тихие) становятся неслышными для людей с нарушением слуха, но звуки на высоких уровнях часто воспринимаются как имеющие ту же громкость, что и у людей со нормальным слухом. Это явление можно объяснить двумя теориями: вербовкой громкости и невосприятием тихих звуков. Вербовка громкости предполагает, что у некоторых слушателей громкость нарастает быстрее, чем у людей с нормальным слухом при изменении уровня звука. Эта теория долгое время считалась классическим объяснением. Невосприятие тихих звуков, термин, введенный Мэри Флорентин около 2002 года, предполагает, что у некоторых людей с сенсорно-нейронной потерей слуха может наблюдаться нормальная скорость нарастания громкости, но при этом порог слышимости у них смещен в сторону большей громкости. То есть, самый тихий звук, который они могут услышать, громче, чем самый тихий звук, который слышит человек с нормальным слухом.

Компенсация

Контроль громкости, связанный с функцией компенсации громкости на некоторых потребительских стереосистемах, изменяет частотную характеристику, чтобы приблизительно соответствовать кривой равной громкости человеческого уха. Компенсация громкости предназначена для того, чтобы записанная музыка звучала более естественно при прослушивании на низкой громкости, за счет усиления низких частот, к которым слух менее чувствителен при низком уровне звукового давления.

Нормализация

Нормализация громкости – это особый вид аудионормализации, который выравнивает воспринимаемый уровень громкости, чтобы, например, рекламные ролики не звучали громче телевизионных передач. Существуют схемы нормализации громкости для различных аудиоприложений.

Измерение

Исторически для измерения громкости использовались единицы sone (громкость N) и phon (уровень громкости LN). Весовой коэффициент соответствует чувствительности человеческого слуха и описывает относительную воспринимаемую громкость при тихих и умеренных уровнях речи, примерно в 40 phon. Контроль относительной громкости в производстве осуществляется в соответствии с ITU R BS.1770 в единицах LKFS. Работа над ITU R BS.1770 началась в 2001 году после того, как стало очевидным искажение сигнала при уровне 0 dBFS+ в преобразователях и кодеках с потерями; а исходный показатель громкости Leq(RLB) был предложен Жильбером Сулодре в 2003 году. На основе данных субъективных прослушиваний Leq(RLB) показал хорошие результаты в сравнении с множеством других алгоритмов. CBC, Dolby, TC Electronic и множество вещательных компаний внесли вклад в проведение прослушиваний. Уровни громкости, измеренные в соответствии с Leq(RLB), указанным в ITU R BS.1770, представляются в единицах LKFS. Система измерений ITU R BS.1770 была усовершенствована для многоканальных приложений (от моно до 5.1-канального окружающего звука). Чтобы сделать показатель громкости универсальным для разных жанров, был добавлен пороговый элемент относительного измерения. Эта работа была выполнена в 2008 году EBU. Улучшения были включены в BS.1770-2. Впоследствии ITU обновил показатель истинного пика (BS.1770-3) и добавил поддержку еще большего количества аудиоканалов, например, 22.2-канального окружающего звука (BS.1770-4).