Krivka rovnakej hlasitosti

Krivka rovnakej hlasitosti je meradlom hladiny akustického tlaku (dB SPL) cez frekvenčné spektrum, pre ktoré poslucháč vníma konštantnú hlasitosť, ak je prezentované s čistými stabilnými tónmi. Jednotka hladiny hlasitosti je fón (phon, značka Ph). Podľa definície sú to dve sínusové vlny s rôznou frekvenciou. Hneď ako nám oba zvuky zdajú rovnako hlasné, potom príslušná hladina intenzity porovnávacieho tónu v decibeloch dáva hladinu hlasitosti vyšetrovaného zvuku vo fónoch.
Krivky rovnakej hlasitosti sú často označované ako „Fletcher-Munsonove“ krivky, podľa ich prvých výskumníkov. Tieto štúdie boli nahradené a začlenené do novších noriem. Konečné krivky sú definované medzinárodným štandardom ISO 226 : 2003, ktorý je založený na preskúmaní moderných rozhodnutí prijatých v rôznych krajinách.

Experimentálne stanovenie

Ľudský sluchový systém je citlivý na frekvencie od 20 Hz do maximálne 22.000 Hz, hoci horná hranica počutia klesá s vekom. V tomto rozmedzí je ľudské ucho najcitlivejšie medzi 2 a 5 kHz, a to predovšetkým v dôsledku rezonancie zvukovodu a prenosovej funkcie kostičiek stredného ucha. Fletcher a Munson svoje prvé merania krivky rovnakej hlasitosti uskutočnili pomocou slúchadiel (1933). Vnímanie hlasitosti je veľmi subjektívne a preto bol výskum vykonávaný s početnou skupinou ľudí spĺňajúcich dané kritériá. Mali určiť či hlasitosť testovacieho signálu vnímajú ako rovnakú, vyššiu či nižšiu. Ako sa ukázalo, ľudský sluch nielenže nevníma všetky frekvencie s rovnakou amplitúdou a rovnakou hlasitosťou, ale rozpätie citlivosti nášho sluchu sa mení s meniacou sa amplitúdou. Najnižšia krivka rovnakej hlasitosti predstavuje najtichší počuteľný tón - absolútny prah počutia. Najvyššia krivka je prah bolesti.
Churcher a King vykonali druhé meranie v roku 1937, ale medzi ich výsledkami (Fletcher a Munson) sa ukázali značné rozdiely v časti sluchového diagramu. V roku 1956 Robinson a Dadson vypracovali nové experimentálne stanovenie, ktoré bolo podľa nich presnejšie. To sa stalo základom pre normy (ISO 226), ktoré boli považované za definitívne až do roku 2003, kedy boli preskúmané ISO normy na základe výsledkov nedávnych výskumných skupín po celom svete.

ISO 226 : 2003

Rozdiely medzi pôvodnými a novými stanoveniami viedli Medzinárodnú organizáciu pre normalizáciu (ISO), aby znovu prehodnotila štandardné krivky v ISO 226. Urobili to v odozve na odporúčania Výskumného ústavu elektrotechnickej komunikácie University Tohoku v Japonsku. Závery priniesli nové krivky kombináciou výsledkov niekoľkých štúdií vedcov v Japonsku, Nemecku, Dánsku, Veľkej Británii a USA. (Japonsko bolo najväčším prispievateľom, približne 40 % dát) Výsledkom bolo prijatie novej sady kriviek štandardizovaných ako ISO 226 : 2003. Správa komentuje prekvapivo veľké rozdiely a skutočnosť, že pôvodné Fletcher - Munsonové obrysy sa viac zhodujú s nedávnymi výsledkami než Robinson - Dadsonove, ktoré sa líšia až o 10 - 15 dB, najmä v oblasti nízkofrekvenčných častí, z dôvodov, ktoré nie sú vysvetlené.

Bočné proti čelným prezentáciám

Krivky rovnakej hlasitosti odvodené použitím slúchadiel sú platné iba pre osobitný prípad, ktorý sa nazýva bočná prezentácia. Nie je to spôsob, ako normálne počujeme. Skutočné (živé) zvuky dorazia ako rovinná vlnoplocha, pokiaľ sú z rozumne vzdialeného zdroja. V prípade, že zdroj zvuku je priamo pred poslucháčom, potom obe uši prijímajú rovnakou intenzitou. No pri frekvenciách nad asi 1 kHz zvuk, ktorý vstupuje do zvukovodu je čiastočne znížený tienením hlavy a tiež veľmi závislý na odraze z ušnice (vonkajšie ucho). Zvuky mimo stredu majú za následok zvýšenie tienenia hlavy na jednom uchu a jemné zmeny v účinku ušnice najmä na druhom uchu. Kombinované tienenie odrazu hlavou a ušnicou sa kvantifikuje v súbore kriviek v trojrozmernom priestore a označuje sa ako súvisiace prenosové funkcie (HRTFs). Čelné prezentácie sú teraz považované za vhodnejšie pri odvodzovaní kriviek rovnakej hlasitosti a posledný štandard ISO je výlučne založený na čelných a centrálnych prezentáciách.

Testovanie slúchadiel a reproduktora

Slúchadlá, ktoré sú dobre utesnené k uchu, poskytujú znížený tón reakcie nízkofrekvenčného tlaku na zvukovode s nízkym skreslením aj pri vysokých intenzitách. Pri nízkych frekvenciách je ucho citlivé na tlak a dutina vytvorená medzi slúchadlami a uchom je príliš malá, aby zvládla zmenu rezonancie . Testovanie slúchadlami je teda dobrý spôsob, ako odvodiť krivky rovnakej hlasitosti pod asi 500 Hz, hoci boli vyjadrené výhrady o platnosti meraní pre slúchadlá pri určení skutočného prahu počutia. Pri vysokých frekvenciách je  meranie slúchadlami nespoľahlivé. Pre rôzne rezonancie vonkajšieho ucha a zvukovodu sú vážne ovplyvnené blízkosťou k dutine.
S reproduktormi je opak pravdou. Získať znížený tón reakcie nízkofrekvenčného tlaku je ťažké, s výnimkou voľného priestoru vysoko nad zemou alebo vo veľmi veľkej a zvukovo izolovanej komore, ktorá je bez odrazov až do 20 Hz. Až do nedávnej doby nebolo možné bez vysokých hladín harmonického skreslenia dosiahnuť vysoké úrovne pri frekvenciách od 20 Hz. Dokonca aj dnes najlepšie reproduktory budú pravdepodobne spôsobovať asi 1 až 3% z celkového harmonického skreslenia, čo zodpovedá 30 až 40 dB pod základný tón. To nie je veľmi dobré, vzhľadom k prudkým nárastom hlasitosti (stúpa až na 24 dB na oktávu) s frekvenciou krivky rovnakej hlasitosti.Možnou cestou riešenia problému je použitie akustického filtrovania, ako sú napríklad rezonančné dutiny  v konštrukcii reproduktorov. S plochou voľného priestoru je vysokofrekvenčná odozva až do 20 kHz, na druhej strane je pomerne ľahké ju dosiahnuť s modernými reproduktormi v osi. Tieto vplyvy sa musia brať do úvahy pri porovnávaní výsledkov rôznych pokusov meraní kriviek rovnakej hlasitosti.

Význam merania hladiny zvuku a merania hluku

Váhová krivka A nahrádza krivky rovnakej hlasitosti podobnými krivkami pre oblasť akustického tlaku v nízkych hladinách. Tento filter sa používa najčastejšie, pretože je najbližšie k vnímaniu hluku človekom. Podľa vyhlášky STN ISO 1996-1 (od decembra 1992) je hladina zvuku definovaná ako hladina akustického tlaku frekvenčne vážená filtrom A a je označená LpA [ dB ] .