Sunetul – W, SPL, db, FS, putere, intensitate sonora, frecventa, ohmi? CE?! – partea a II-a

Nivelul de presiune sonora (“volumul”)

Am revenit, cu o prezentare asupra a ceea ce inseamna nivelul de presiune sonora – “volumul”, cum impropriu i se mai zice. Articolul include si anumite sectiuni de mica intindere din articole anterioare de pe www.soundcreation.ro, pentru a ajuta la explicarea anumitor termeni. As recomanda si citirea lor – domeniul audio este foarte larg, si, dupa parerea mea, ar fi foarte mult de studiat, iar eu nu pot acoperi toate unghiurile de atac asupra unei probleme atat de largi cum este sunetul intr-un singur articol, fie el si compus din mai multe sectiuni.

In primul rand, un disclaimer: termenul corect pentru intensitatea sunetului perceput de catre urechea noastra este “nivel de presiune sonora”, si nu de “volum”, cum este folosit in mod curent. Dar pentru a ma putea face mai usor inteles, ma voi folosi si eu de termenul de volum, in anumite portiuni ale acestui articol.

Urechea umana

Ca si in sectiunea legata de frecventa, prima oara ma voi lega de senzorul auditiv – urechea. Urechea, ca si restul senzorilor biologici (ochii, simtul olfactiv, samd), are un raspuns logaritmic la sunet. Pentru a putea explica mai in amanunt ce inseamna cu adevarat acest lucru, ma simt nevoit sa recurg la matematica; prin urmare, graficul unor functii logaritmice de diferite baze il aveti in imaginea de mai jos:

Toate curbele din grafic, in afara de cea albastra, reprezinta niste functii logaritmice de diferite baze. Cea albastra este functia y=x (care are ca si grafic o dreapta); restul functiilor sunt de forma y=log(x). O data cu cresterea variabilei x, functia de culoare albastra creste la fel de repede ca si x-ul, dupa cum se vede si din grafic, iar functiile logaritmice urca repede la inceput, dar mult mai lent de la un punct incolo. Urechea umana este ca si functiile logaritmice: de la un punct incolo, este necesara o mult mai puternica vibratie a aerului (ceea ce ea percepe ca si sunet) decat pana la acel punct pentru a excita mai departe acest senzor uman.

Si ce-i cu asta? De exemplu, cand rotesti de potentiometrul analogic al unui amplificator pentru a creste volumul, practic se creste tensiunea aplicata difuzoarelor, si ele se misca mai amplu, vibreaza mai puternic aerul, iar urechea receptioneaza aceasta modificare ca si o crestere a nivelului de presiune sonora. Ai zice ca pentru a da de doua ori mai tare, e nevoie de doua ori mai multi volti (unitatea de masura a tensiunii)… Din pacate, este gresit – tensiunea aplicata difuzoarelor pentru a obtine o dublare a nivelului de presiune sonora este considerabil mai mare decat dublu tensiunii de pornire. Asta datorita raspunsului logaritmic al urechii – are nevoie de un stimul din ce in ce mai puternic, pentru a putea simti o crestere de volum. Alt exemplu: la mare parte din chitari electrice, potentiometrul de volum nu este foarte util, pentru ca nu ofera o crestere liniara (din punctul de vedere al urechii) a volumului; la inceput, creste mult, si dupa aceea, aproape insesizabil – practic, nu prea poti avea un control fin asupra volumului. Motivul acestui fapt – potentiometrul respectiv este liniar, si controleaza in mod liniar tensiunea de iesire a chitarii, implicit si pe cea a amplificatorului si a tensiunii de pe difuzoare. Urechea umana nu este liniara, si nu apreciaza liniaritatea, ea vrea din ce in ce mai mult.

Scala decibelilor (dB) si dBSPL

Prin urmare, pentru a putea se putea apropia din punct de vedere matematic de perceptia urechii umane, s-a adoptat scara decibelilor (dB). Decibelul este de fapt exprimarea unui raport, si nu are unitate de masura cum ar fi volt-ul, metrul sau altele. Este doar un numar, care semnifica modalitatea de raportare a unui semnal masurat la unul de referinta. Ceea ce vreau eu sa prezint in acest articol este dBSPL (sound pressure level – nivel de presiune sonoara) – modalitatea matematica de a te apropia de raspunsul urechii umane la nivelul de presiune sonora, referinta fiind 0dBSPL (aproximativ 20uPa modificare a presiunii atmosferice). Pentru a putea “percepe” aceasta scala, mai jos este un tabel cu diverse valori in dBSPL:

dB SPL Sursa (si distanta fata de sursa)
180 Un motor de racheta la 30 m distanta
150 Un reactor de avion la 30 m
130 Pragul de durere
120 Concert rock; reactor decoland la o distanta de 100 m
110 O motocicleta care accelereaza la o distanta de 5 m; drujba la 1 m
100 Discoteca
90 Camion de mare tonaj cu motorul pornit la 1 m distanta
80 Aspirator in functiune la 1 m distanta
70 Trafic intens la 5 m distanta
60 Interiorul unui birou sau al unui restaurant
50 Un restaurant linistit
40 Zona rezidentiala in timpul noptii
30 Sala de teatru in care NU se vorbeste
10 Un om care respira la 3 m distanta
0 Pragul audibilitatii; un tantar care zboara la o distanta de 3 m

IMPORTANT: fiecare dublare a nivelului de presiune sonora PERCEPUTA de ureche ca si o dublare inseamna o crestere de 10dB SPL a nivelului de presiune sonora; fiecare injumatatire, inseamna o scadere cu 10dB SPL. Dar, pentru fiecare dublare a puterii se obtine doar 3dB in plus de nivel de presiune sonora – de exemplu, daca ai o boxa care emite 92dBSPL, si pui in functiune si o a doua boxa, identica, se va obtine un total de nivel de presiune sonora de 95dBSPL; implicit, pentru a simti o dublare efectiva a “volumului”, ar trebui sa pui in functiune inca o boxa identica (in total, 3 boxe pentru a obtine senzatia de volum dublu, fata de o singura boxa). Urechea umana poate percepe modificari de 1-2dBSPL in nivelul de presiune sonora destul de rar, doar modificarile de 3dBSPL-5dBSPL sau mai mari fiind “vizibile” pentru oricine.

Difuzoare, amplificatoare, si nivele de presiune sonora

Abilitatea difuzoarelor de a furniza un nivel de presiune sonora, denumita senzitivitatea difuzoarelor, este masurata in dBSPL/1W/1m – adica nivelul de presiune sonora inregistrat prin consumul a 1 W de putere, si masurat la o distanta de 1m. Ea are si oarecum semnificatia abilitatii unui difuzor de a converti energia electrica (tensiunea data de catre amplificator) in energie mecanica (vibratia difuzorului) si nu in energie termica – practic, este vorba de eficienta difuzorului. Un difuzor mediu poate furniza un nivel de aproximativ 85-90dBSPL/1W/1m, iar unul foarte sofisticat poate trece de 100dBSPL/1W/1m. Implicit, cu cat un difuzor are sensitivitate mai mare, poate avea un volum mai mare – statistic vorbind, este si mai scump, raspunde mai clar la tranzienti si ofera o claritate mai mare.

Dar mai exista inca doi factori in metoda de masurare a senzitivitatii unui difuzor: puterea consumata (masurata in [W]ati) si distanta de la care se masoara (masurata in [m]etri) sau se asculta sursa.

Distanta influenteaza nivelul de presiune sonora in felul urmator: fiecare dublare a distantei fata de sursa, inseamna o scadere a nivelului de presiune sonora cu 6dB. Intr-o camera, mai apar modificari ale nivelului de presiune sonora si datorita mai multor factori, precum ar fi distanta sursei fata de pereti sau numarul de suprafete reflective si absorbante din camera. Dar acesti factori nu fac scopul acestui articol.

Puterea consumata de catre difuzor – puterea amplificatorului, sa zicem, influenteaza nivelul de presiune sonora intr-un mod mult mai bland decat s-ar crede… Fiecare dublare a sa, precum ar fi trecerea de la un amplificator de 50W dat la maxim la un amplificator de 100W dat la maxim, semnifica o crestere de doar 3dB a nivelului de presiune sonora! O trecere de la 100W la 150W, inseamna, din punct de vedere al urechii umane… aproape nimic. Pornind de la 100W, pentru a putea obtine o dublare a nivelului de presiune sonora perceput de catre ureche, nu este nevoie de nici mai mult nici mai putin decat 1000W; practic, pentru a obtine o dublare a volumului, este nevoie de 10 ori mai multa putere.

O paranteza, inainte de incheiere: dintre difuzoare, tweeter-ele au senzitivitatea cea mai mare, de departe, de aceea puterea folosita pentru a le drive-ui este intotdeauna mai mica; pornind de la premiza ca un difuzor, cu cat este mai mic cu atat este mai eficient, ati ajunge la o concluzie gresita: de fapt, cu exceptia tweeter-elor, in mare parte din cazuri, cu cat este mai mare un difuzor (in limitele bunului simt), cu atat este mai eficient.

Ce concluzii s-ar putea trage din aceste randuri? Concluzia pe care am tras-o eu este ca puterea amplificatorului este destul de putin importanta in nivelul de presiune sonora obtinut, si ca un difuzor eficient (si implicit, scump) este mai folositor, atat prin volumul mai mare, cat si prin claritatatea si finetea mai buna. Daca aveti alte concluzii, sunteti liberi sa adaugati comentarii acestui articol.