Будь-яка звукова хвиля, яка поширюється в просторі, може чинити на перешкоди, що зустрічаються (в тому числі і на наші барабанні перетинки) якийсь тиск. Люди, які бували на рок-концертах і стояли біля потужних колонок не з чуток знають, що воно може бути і дуже сильним. Ми суб'єктивно сприймаємо зміна тиску звукових хвиль у вигляді відчуття зміни гучності звуку. Максимальна зміна тиску в повітрі при поширенні звукових хвиль в порівнянні з тиском при відсутності хвиль називається звуковим тиском. Як і будь-яке інше, звуковий тиск вимірюється в паскалях (Па).
Але в акустиці, при оцінці інтенсивності звукових хвиль частіше застосовується інше поняття - сила звуку. Воно показує потік звукової енергії, який щосекунди проходить через квадратний сантиметр умовної площині, розташованої перпендикулярно напрямку поширення хвилі. Звуковий тиск і сила звуку знаходяться в квадратичної залежності. Тобто, сила звуку = звуковий тиск в квадраті. Сила звуку описує енергетичні властивості самої хвилі і вимірюється у ВАТ / квадратний сантиметр (Вт / кв.см.). Така одиниця буває дуже зручна при деяких розрахунках - це єдина причина її введення.
Для того, щоб ми змогли почути той чи інший звук, його сила повинна бути більше певного рівня. Цей рівень називається порогом чутності. Тобто, якщо звукова хвиля має малу інтенсивність - нижче цього порога, ми просто не сприймаємо її, і нам здається, що навколо стоїть повна тиша, хоча насправді повітря навколо коливається. Точно також справа йде і з звуками великої інтенсивності - ми чуємо звук тільки до певного рівня, який називається больовим порогом. Якщо сила звуку більше цього рівня, то ми відчуваємо біль у вухах. Різниця між рівнями больового порогу і порога чутності називається динамічним діапазоном слуху. Ми здатні сприймати зміни сили звуку в величезних межах: сила звуку больового порогу перевершує силу звуку порога чутності в тисячу разів!
Наш слуховий апарат влаштований таким чином, що лінійне зміна сили звуку (або звукового тиску) не сприймається нами як лінійну зміну гучності. Гучність звуку і його сила пов'язані між собою більш хитрою залежністю. Збільшення гучності в два рази відповідає збільшенню сили звуку в 100 разів (звукового тиску - в 10 разів), збільшення гучності в 3 рази відповідає збільшенню сили звуку вже в 10000 разів (звукового тиску - в 100 разів), а збільшення гучності в 4 рази відповідає зміни сили звуку в 100000000 разів (звукового тиску - в 10000 раз)! Така залежність називається логарифмічною, і саме через таку особливість нашого сприйняття зміна рівня (гучності) звуку прийнято вимірювати в логарифмічних одиницях - белах (Б).
Різниця величин сили звуку в белах обчислюється за формулою: N = lg I1 / I2 (про всяк випадок, нагадаємо, що lg - це десятковий логарифм, і він показує ступінь, в яку зводиться число 10; тобто, якщо 10 lg = 100, то lg = 2, інакше lg 100 = 2), де N - зміна рівня звуку, а I1 і I2 - верхня і нижня межі сили звуку. Десятикратне збільшення сили звуку відповідає 1 білому (lg10 = 1), а сторазове збільшення відповідає двом Белам (lg 100 = 2) і т. Д. Словом, логарифмічна шкала дозволяє досить сильно «стискати» лінійну шкалу, зберігаючи при цьому достовірність. І саме така шкала повністю відповідає особливостям нашого слуху.
Зміна рівня звуку в один біл однаково відображає і зміна сили звуку, і зміна звукового тиску. Якщо ви підставите в вищенаведену формулу відповідні значення звукового тиску (пам'ятаючи, що сила звуку = звуковий тиск в квадраті), то отримаєте ті ж самі значення зміни рівня в белах. Судіть самі:
Перевіряємо. Зміна звукового тиску в 100 разів відповідає зміні сили звуку в 10000 разів (I = P 2). Підставляючи ці значення в вищенаведену формулу, ми отримуємо наступні речі: lg 10000 = 4 білого (зміни сили звуку); 2lg 100 = 2х2 = 4 білого (зміни звукового тиску). Як бачите, в обох випадках ми отримали однакові зміни рівня звуку в белах.
Але на практиці виявляється, що бел - це занадто велика величина для зміни рівня. Тому частіше застосовується децибел (дБ) - десята частина бела. Тобто зміна рівня в децибелах буде обчислюватися за формулою N = 10 lg I1 / I2 або N = 20 lg P2 / P2. Мінімальний перепад рівня, який здатне сприйняти наше вухо, як раз дорівнює одному децибел. Це одна з головних причин запровадження такої системи вимірювання рівня. А весь динамічний діапазон слуху становить 120 дБ. Погодьтеся, що набагато зручніше оперувати одиницями, які ми можемо почути.
Зміна рівня звуку зазвичай оцінюється в децибелах щодо порога чутності. Коли говорять, що рівень звуку в колонках дорівнює ста децибелам, мають на увазі, що колонки працюють на рівні, що перевищує поріг чутності на 100 дБ.