Перевод величин из децибелов в абсолютные значения и мощность. Децибелы «по мощности», «по напряжению» и «по току»

Слово "децибел" состоит из двух частей: приставки "деци" и корня "бел". "Деци" дословно означает "десятая часть", т.е. десятая часть "бэла". Значит, чтобы понять что такое децибел надо понять, что такое бел и всё станет на свои места.

Давным давно Александр Белл выяснил, что человек перестает слышать звук, если мощность источника этого звука меньше, чем 10 -12 Вт/м 2 , а если она превышает 10 Вт/м 2 , то готовьте ваши ушки к неприятной боли - это болевой порог.

Как видно разница между 10 -12 Вт/м 2 и 10 Вт/м 2 целых 13 порядков. Белл поделил расстояние между порогом слышимости и болевым порогом на 13 ступеней: от 0 (10 -12 Вт/м 2) до 13 (10 Вт/м 2). Таким образом он определил шкалу звуковой мощности.

Тут можно сказать: "О, всё понятно!", - хорошо! Но дальше ещё интересней.

Ближе к делу

Мы выяснили, что децибел равен 1/10 бела, но как это применять в жизни? Приведу такой пример:

• 0 Дб - ничего не слышно
• 15 Дб - едва слышно (шелест листвы)
• 50 Дб - Отчётливо слышно
• 60 Дб - Шумно

Да зачем это надо, если можно, к примеру, сказать: "уровень звуковой мощности 0.1 Вт/м 2 ". Дело в том, что экспериментально установлено, что человек ощущает изменение яркости, громкости и т.д. тогда, когда они изменяются логарифмически. Вот так:

Что в белах выражается как отношение уровня измеряемого сигнала к некоторому эталонному. 1 Бэл = lg(P 1 /P 0), где P 0 - это звуковая мощность порога слышимости, ну а чтобы получить децибел надо всего-то умножить на 10: 1 Дб = 10*lg(P 1 /P 0)

Таким образом децибел показывает логарифм отношения уровня одного сигнала к другому и используется для сравнения двух сигналов. Из формулы, кстати, видно, что децибелах можно сравнивать любые сигналы (и не только звуковую мощность), так как децибел величина безразмерная.

Особенности

Путаница с децибелами возникает из-за того, что существует несколько их "видов". Они условно называются амплитудными и мощностными (энергетическими).

Формула 1 Дб = 10*lg(P 1 /P 0) - сравнивает в децибелах две энергетические величины. В данном случае мощность. А формула 1 Дб = 20*lg(A 1 /A 0) - сравнивает две амплитудные величины. К примеру, напряжение, ток и т.д.
Перейти от амплитудных децибелов к энергетическим и обратно очень просто. Требуется просто «неэнергетические» величины преобразовать в энергетические. Покажу это на примере тока и напряжения.

Из определения мощности P = UI = U 2 / R = I 2 * R. Подставим в 10*lg(P 1 /P 0) и после преобразования получим 20*lg(A 1 /A 0) - всё просто.

Таким же образом будут проводится преобразования для других амплитудных значений. Подробнее как всегда можно прочитать в учебниках и справочниках.

Зачем надо было всё усложнять?

Понимаешь, две величины могут отличаться в миллионы раз. Таким образом простое отношение (P 1 /P 0) может давать как очень большие, так и очень маленькие значения. Согласись, что это не очень удобно в практической деятельности. Может быть это также одна из причин такой распространенности децибел (наряду со следствием из закона Вебера-Фехнера)

Таким образом децибел позволяет от исчисления в "попугаях", т.е. в разах перейти к более конкретным и небольшим величинам. Которые можно быстро складывать и вычитать в уме. А если все же хочется оценить отношение в попугаях по известному значению в децибелах, то достаточно запомнить простое мнемоническое правило (подсмотрел у Ревича):

Если отношение величин больше единицы, то это будет положительный Дб (+3 Дб), а если меньше - отрицательный (-3 Дб). Таким образом:

• 3 Дб означает увеличение/уменьшение сигнала на треть
• 6 Дб означает увеличение/уменьшение в 2 раза
• 10 Дб соответствует изменение величины в 3 раза
• 20 Дб соответствует изменению в 10 раз

А теперь на примере. Пусть нам сказали, что сигнал усиливается на 50 Дб. А 50 Дб = 10 Дб + 20 Дб + 20 Дб = 3 * 10 * 10 = 300 раз. Т.е. сигнал усилился в 300 раз.

Так что децибел всего лишь удобное инженерное соглашение, которое введено в результате некоторых практических измерений, а также выгоды от практического использования.

При измерениях чего-то (например, напряжения) мы обычно думаем в прямых единицах (в вольтах). Но иногда более предпочтительно использовать относительную шкалу. В этом случае, наиболее часто используемой единицей измерений является децибел (дБ) - мощный инструмент, приводящий в замешательство начинающих. При знании происхождения этого термина и одного простого правила, затруднения могут быть исключены, а значение величины, выраженной в децибелах, может быть понято.

Александр Грехэм Белл стал известен благодаря изобретению телефона. Менее известны его работы по определению порога слышимости. В 1890 году он основал Ассоциацию глухих и плохо слышащих, которая действует до сих пор. Он был первым ученым, который количественно определил чувство слуха и установил, что слуховая восприимчивость зависит не от реального уровня мощности звуковой волны, достигающей нашего уха, а от ее логарифма.

Белл обнаружил, что порог слышимости ребенка составляет около 10 -12 Вт/м 2 , а уровень, при котором возникают болевые ощущения - около 10 Вт/м 2 . Таким образом, диапазон громкости, нормально воспринимаемой человеком, составляет 13 порядков!

Исходя из полученных значений, Белл определил шкалу звуковой мощности от 0 до 13. Единицы громкости этой шкалы называются белами (последнее "л" от его фамилии было отброшено). Уровень звука тихого шепота составляет около 3 белов, а нормальной речи - около 6 белов.

Поскольку ощущение громкости базируется на логарифмической шкале уровня мощности, то преобразование между мощностью и громкостью по шкале Белла выглядит следующим образом: громкость (в белах) = lg(P1/P0), где P0 - порог слышимости звука.

Следовательно, уровень звука в 4 бела соответствует звуковой мощности, равной 10 4 P0.

Бел стал фактически стандартной единицей измерения логарифма отношения двух энергетических уровней: отношение, выраженное в белах, есть lg(P1/P0), т.е. увеличение на 3 бела соответствует увеличению в 1000 раз. Если новое значение убывает, то логарифм отношения становится отрицательным. Чтобы сделать обратное преобразование необходимо 10 возвести в степень, равную белам.

Важнейшая особенность белов состоит в том, что они относятся только к отношению двух мощностей или двух энергий. Если же есть необходимость описания отношения двух амплитудных сигналов, например, напряжений, то возможно лишь опираться на отношение мощностей, ассоциированных с этими напряжениями. Мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока: V 2 и I 2 .

Отношение двух напряжений, выраженное в белах, связано с отношением их мощностей: lg(P1/P0) = 2lg(V1/V0). Следовательно, отношение напряжений равно V1/V0 = lg10 (белы*2) .

Стало достаточно общим выражать отношение в десятых долях бела или в децибелах (дБ). Отношение двух мощностей в дБ равняется 10lg(P1/P0), а напряжений - 10 2lg(V1/V0). Для получения отношения напряжений необходимо выполнить преобразование V1/V0 = 10 (дБ/20) .

Порой достаточно мудрено определить, что считать амплитудной величиной, а что энергетической. Напряжение, ток, импеданс, напряженности электрического или магнитного полей и размахи любых волновых процессов считаются амплитудными величинами. Когда происходит измерение в децибелах, то вычисляется логарифм отношения квадратов этих величин. Энергия, мощность и интенсивность являются энергетическими величинами, и в отношении логарифма они используются непосредственно.

Например, 5% напряжения одной цепи передается в другую цепь. Отношение напряжений в этом случае равно 0,05. Для измерения в децибелах необходимо взять логарифм отношения напряжений, умножить его на 2, чтобы получить отношение в белах, а затем умножить на 10 для получения отношения в дБ: 20lg(0,05) = -26 дБ связи между сигналами.

В таблице приведены некоторые, часто используемые значения в децибелах и отношения амплитуд и мощностей.

Радио 1967, 12

Децибел - специфическая единица численного выражения усиления или ослабления сигнала. В децибелах оценивают коэффициенты усиления и затухания, избирательность приёмников, неравномерность частотных характеристик, интенсивность звука и многие параметры различных радиотехнических приборов, аппаратов, линий передач, антенных и других устройств. Шкалы децибел имеют многие вольтметры и авометры.

Что же такое децибел? Прежде всего - децибел (сокращённое обозначение - дБ) не физическая величина, как, скажем, ватт, вольт, ампер, а математическое понятие. В этом отношении у децибел есть некоторое сходство с процентами. Как и проценты, децибел величина относительная и применима к оценке самых различных явлений, независимо от их природы. Но, если проценты выражают какую-то величину, отнесённую к целому, принятому за единицу, то в основе, децибела лежит более широкое понятие, характеризующее отношение двух независимых, но одноимённых величин. Надо, однако, помнить, что термин «децибел» всегда связывают только с мощностями и с некоторыми оговорками с напряжениями и токами. Физическая природа мощностей не оговаривается и может быть любой - электрической, акустической, электромагнитной.

Децибел, как показывает приставка «деци», представляет собой десятую часть другой, более крупной единицы - Бел. А Бел есть десятичный логарифм отношения двух мощностей. Если известны две мощности Р1 и Р2, то их отношение, выраженное в децибелах, определяется как:

N дБ =10 Lg (P2/P1)

где Р1 - мощность, соответствующая начальному уровню сигнала, а Р2 - мощность, соответствующая конечному уровню сигнала.

Здесь уместно напомнить, что десятичным логарифмом числа называют показатель степени, в которую надо возвести число 10, чтобы получить данное число. Например: Lg(100) = 2, так как 10 2 = 10*10 = 100; Lg(1000) = 3, так как 10 3 = 10*10*10 = 1000.

У чисел, которые больше единицы, логарифмы будут положительными величинами, а если числа меньше единицы, их логарифмы отрицательны. Перед отрицательными логарифмами ставят знак «-» (минус), например: Lg(0,1) = - 1; Lg(0,01) = - 2.

В том случае, когда начальный сигнал меньше конечного, то есть P2/P1 больше 1, что имеет место в усилителях, число децибел будет положительным, а если начальный уровень больше конечного, то есть P2/P1 меньше 1, то число децибел будет отрицательным. Второй случай соответствует ослаблению (затуханию) сигнала. Когда обе мощности одинаковы и P2/P1= 1, то число децибел равно нулю.

Между децибелами усиления и затухания существует простая связь: если, к примеру, отношение 10 соответствует 10 дБ, то -10 дБ выражают обратное отношение, то есть 0,1.

Сравнение двух сигналов путём сопоставления их мощностей не всегда бывает удобным. Во многих случаях оказывается проще измерять не мощность в нагрузке, а падение напряжения на ней или протекающий ток. Но при этом нужно соблюдать обязательное условие: сопротивления нагрузок, на которых измеряются напряжения U1 и U2 или через которые протекают измеряемые токи I1 и I2 должны быть одинаковыми. Формулы для расчёта децибел в этом случае имеют следующий вид:

N дБ =20 Lg (P2/P1); N дБ =20 Lg (I2/I1)

Децибелы применяют не только для сравнения двух величин. Они удобны и для оценок конкретных значений мощностей, а также напряжений и токов, если считать, что величина одного из членов отношения, входящего в приведённые выше формулы, неизменна. Тогда любая другая величина, сравниваемая с нею, будет характеризоваться определённым числом децибел. В этом случае нулю децибел соответствует мощность, равная первой, которую часто называют нулевой. За условный нулевой уровень электрического сигнала принята мощность Р = 1 мВт (0,001 Вт), выделяемая на активном сопротивлении R = 600 Ом - подобно тому, как при измерении температуры за нуль градусов принята температура таяния льда при нормальном атмосферном давлении. При этой мощности на указанном сопротивлении падение напряжения равно:

U = (РR) 0,5 = (0,001*600) 0,5 = 0,775 В,

а протекающий ток:

I = (P/R) 0,5 = (0,001/600) 0,5 = 1,29 мА.

Эти величины - 0,775 В и 1,29 мА приняты за нуль децибел электрического напряжения и тока.

Если в цепи с активным сопротивлением 600 Ом выделяется мощность больше 1 мВт, то есть падение напряжения больше 0,775 В и ток больше 1,29 мА - уровни будут положительными. Когда же мощность, напряжение или ток меньше этих величин, то уровни отрицательные.

Децибелы и соответствующие им отношения мощностей, напряжений и токов даны в табл. 1.

Допустим, что в результате усовершенствования оконечного каскада усилителя низкой частоты его выходная мощность возросла с 10 до 20 Вт. Значит приращение мощности будет:

P2/P1 = 20/10 = 2

По таблице в колонке «Отношение мощностей» ближайшее к 2 число будет 1,99. В колонке «Децибелы» этому числу соответствует 3 дБ. Следовательно, увеличение выходной мощности вдвое соответствует увеличению усиления на 3 дБ. Если же по каким-либо причинам выходная мощность усилителя снизилась с 20 Вт до 10 Вт, то новое отношение мощностей будет P2/P1 = 10/20 = 0,5. Но теперь изменение мощности означает ослабление и будет выражаться как -3 дБ.

Выполняя действия с децибелами, надо помнить, что сумма двух чисел в децибелах эквивалентна произведению абсолютных величин тех чисел, которым они соответствуют, поэтому, чтобы показать рост (или ослабление) мощности, например, вдвое, втрое или вчетверо, надо к первоначальному числу децибел прибавить (или отнять) соответственно 3 дБ, 4,8 дБ или 6 дБ.

В децибелах часто выражают чувствительность микрофонов,сравнивая отдаваемую ими мощность при заводских испытаниях с указанным выше стандартным нулевым уровнем 1 мВт. Допустим, что микрофон типа МД-44, выходной уровень отдачи которого - 78 дБ, подключён к усилителю, который может развивать 40 Вт неискажённой мощности. Однако в работе оказалось, что усилитель с таким микрофоном развивает только 10 Вт. Спрашивается, какой чувствительности должен быть микрофон, чтобы усилитель отдавал полную мощность? Отношение максимальной мощности (40 Вт) усилителя к получаемой (10 Вт) составляет 40/10 = 4. Этому отношению (по таблице - 3,98) соответствует 6 дБ. Следовательно, нужен микрофон с уровнем отдачи - 72 дБ, то есть на 6 дБ больше, чем микрофон МД-44 (-78 дБ), так как: - 78 дБ + 6 дБ= -72 дБ. Этому требованию отвечает, например, микрофон МД-41.

Таблица 1. Децибелы и соответствующие им отношения мощностей, напряжении и токов

Ещё пример. К отрезку кабеля типа РК-1 длиной 50 м приложено напряжение 8 В частотой 100 МГц. Каким будет напряжение на выходе отрезка, если известно (из справочника), что на этой частоте кабель вносит затухание 0,096 дБ на метр? Источник питания и нагрузка имеют одинаковые сопротивления, равные волновому. Очевидно, что затухание, вносимое кабелем, равно: 0,096*50 = 4,8 дБ. В табл. 1 для этого затухания (-4,8 дБ) величина отношения напряжений не указана. Воспользуемся тем, что в таблице приведено отношение для +4,8 дБ, которое равно 1,74. Значит на конце отрезка сигнал будет составлять 1/1,74 ≈ 0,57 от входного, т. е. 8*0,57 ≈ 4,6 В.

Когда надо определить значения децибел или отношений, которых нет в таблице, надо поступать следующим образом. Предположим, необходимо найти отношение мощностей, соответствующее 24 дБ. Представив 24 дБ в виде суммы 10 + 14 дБ, найдём в таблице отношения мощностей для каждого из слагаемых, они равны 10 и 25,12. Перемножив эти отношения, получим, что 24 дБ соответствуют отношению мощностей 251,2.

На выходе усилителя на средних частотах развивается напряжение U1 = 30 В, а на краях полосы пропускания - напряжение U2 = 21 В. Усилитель, следовательно, вносит частотные искажения - верхние и нижние звуковые частоты усиливает хуже («заваливает»), чем средние. Отношение указанных величин будет

U2/U1 = 21/30 = 0,7

По таблице найдём, что частотные искажения данного усилителя на краях полосы пропускания равны -3 дБ.

Широко применяются децибелы и в акустике, где они являются, по существу, основной единицей для количественной оценки интенсивности звука. Объясняется это свойством нашего уха реагировать на звуки, интенсивность которых отличается в миллионы раз. Но чувствительность уха к звукам разной силы не одинакова - в тишине и при малой интенсивности (шёпот, шорохи) она максимальна, а при большой интенсивности (рёв самолёта, грохот машин) она минимальна. В этом отношении слуховой аппарат подобен радиоприёмнику с системой АРУ.

Это явление можно пояснить таким примером. Допустим, усилитель развивает на выходе мощность 10 Вт. Увеличение выходной мощности до 20 Вт покажется на слух небольшим увеличением громкости. Для того чтобы ухо ощутило вдвое большую громкость, понадобится почти десятикратное увеличение выходной мощности усилителя (≈10 дБ). А чтобы ухо восприняло увеличение громкости в 4 раза, мощность должна быть увеличена в 100 раз (≈20 дБ).

Учёные-физиологи, исследуя свойства слуха, установили, что чувствительность уха связана с интенсивностью звукового воздействия логарифмическим законом, то есть приращение силы звука в несколько раз покажется на слух изменением громкости приблизительно в логарифм этого числа раз. Применение децибел в акустике оказывается очень удобным, так как слуховое восприятие и оценка интенсивностей звуков при этом находятся в строгой связи и, к тому же, изменение интенсивности звука на 1 дБ улавливается ухом как едва заметное изменение громкости.

Таблица 2. СРЕДНИЕ УРОВНИ ШУМОВ

Сравнительная оценка средних уровней громкости некоторых бытовых и производственных шумов в децибелах относительно порога слышимости человеческого уха, принятого за нулевой уровень, приведена в табл. 2. Измерение интенсивности звука осуществляется с помощью специальных приборов - шумомеров, шкалы которых градуированы непосредственно в децибелах.

Приведёнными здесь примерами далеко не исчерпываются применения децибел при различных подсчётах и измерениях в радиолюбительской практике. Мы лишь хотели показать простоту понимания децибела и широкие возможности пользования ими.

Канд. техн. наук Е. ЗЕЛЬДИН, инж. К. ДОМБРОВСКИЙ

Электротехники пользуются различными параметрами при знакомстве с электрической схемой, измерении абсолютных величин напряжения, сопротивления, индуктивности. Каждое условно обозначено, их легко определить от начального уровня отсчета до измеренной величины, например, силы тока в амперах. Но встречаются и надписи рядом с емкостью, частотой или другим электрическим параметром, которые имеют количественное обозначение, в виде децибел.

Использование базовой единицы дБ широко применяется проектировщиками телекоммуникаций для сравнения характеристик в различном оборудовании. С помощью специфической единицы численно выраженной определяют, насколько усилен или ослаблен сигнал.

Часто измеряя какой-то электрический размер, в представлении встают прямые единицы, но специалисты оценили использование относительной шкалы, в которой децибелы встают в качестве мощного инструмента, пришедшего в науку благодаря ученому Грэхему Беллу.

Его мировая известность стала после изобретения телефонов, но он много провел исследовательских работ, определяя слуховой порог у человека. Для этого ученым была основана Ассоциация для людей, действующая поныне.

Кто создал шкалу для измерения громкости

Александр Белл стал первым в количественном определении слухового чувства. Он установил зависимость слуховой восприимчивости от логарифмов, вместо мощностей звуковых волн. Исследователь обнаружил пороги слышимости детей и взрослых, определил, при каких значениях происходит, что нормальному человеку достаточно 13 граней диапазона, чтобы громкость воспринималась без ущерба для здоровья.

Эти данные стали основой для производства шкалы логарифмов, в ней звуковая мощность разделена на единицы, которые назвали белами. По такому разграничению установлено, что тихий шепот равен трем белам, а нормальная речь шести. Подобное логарифмическое измерение является его стандартной величиной, определяемой отношением энергий в двух уровнях. В расшифровку, что измеряется в децибелах вложено общее выражение громкости, возведен бел в десятые доли для удобства обращения с цифрами.

Понятия о звуке, уровне шумов и их источниках

По физическим характеристикам звук и шум отличаются своими особыми природными явлениями. Изменяется давление в воздухе, который действует на барабанные перепонки в ушах с помощью своеобразных колебаний, происходит принятие звука. Он продолжает движение по органам человека преобразованными электрическими импульсами, достигая. Человек способен принимать широкий диапазон звукового давления, который выражен децибелами.

Распространение звуков происходит по различным частотам, что отражается на чувствительности ушей как животных, так и людей.
Отличия между звуками и шумами чисто субъективные, которые определены источниками возникновения. В зависимости от того, какая среда окружает человека, они бывают внутренними, связанными с оборудованием:

• инженерным
• технологическим
• бытовым
• санитарно-техническим

К внешним источникам относятся шумы, возникшие от:

• транспортных средств
• промышленных организаций
• энергетических предприятий
• различных учреждений зависящих от жизнедеятельности людей (стадионы, спортивные площадки, развлекательные мероприятия)

Слышен шум в квартирах, порой достигающий 60 дБ, от санитарного и инженерно-технического оборудования:

• лифтов
• насосов
• мусоропроводов
• вентиляционных установок

В домах слышат:

• музыкальную аппаратуру
• в рабочем режиме приборы и инструменты
• бытовую технику

При передвижениях по квартире (двигая громоздкие предметы) происходит возникновение звуковых колебаний, переходящих в структурный шум. Работа вентиляторов, лифтовых лебедок в зданиях источают как структурный, так и воздушный шумовой поток, который через вентиляционные каналы попадает в помещения.

Чтобы не было слышно работы механического оборудования, устанавливают виброизолирующие приспособления. В многоэтажках от движения между этажами лифтовой лебедки, ударных и толчковых действий направляющих, бряцанья дверных створок, распространение звуковых эффектов происходит как воздушным путем, так и конструктивным.

Помимо раздражающего воздействия на организм шумов в домашних условиях, человек подвергается превышению допустимых норм на государственной службе , во время производственных процессов.

Промышленность обладает изобилием создаваемых в ходе производства шумов. Часто от сжатого воздуха слышен рокот производства. Он называется импульсным: возникновение происходит, когда продувают клапаны и цилиндры, чистят оборудование, охлаждают его, транспортируют, сортируют.

Если для звуков характерны определенные тембры, спектральные окраски и люди легко узнают источники их. К примеру, звучание музыки, детский крик, лай собаки. То шумы, поступающие от случайных колебательных и непериодических процессов, не имеют определенных источников. Это может быть гомон толпы, треск строительных площадок, гудение машин, галдеж улицы.

Поэтому, определяя шум как явление, его сравнивают с комплексом бесконтрольных звучаний, неблагоприятно воздействующих на здоровье человека, раздражающих, мешающих приятному времяпровождению. Их классифицируют на типы:

• воздушные
• конструкционные
• ударные

По воздуху распространяются помехи от телевидения, радио, ссоры соседей. Структурным способом передается треск перегородок, скрип половых, потолочных конструкций в домах, слышимость от работающих механизмов, шуруповерта, процессора, пылесоса. К разновидностям, конструкционных беспорядочных звуковых колебаний, относятся ударные звуки. Их слышно из соседних квартир расположенных на верхних этажах, когда падает стул, передвигают мебель.

Действия шумов, допустимая их величина

Вид любого шумового загрязнения проявляется как увеличивающийся звуковой уровень , выше существующего в природе, вызывающий раздражительные факторы. Звуковые сигналы в совокупности дают живому существу время оценить их, адаптироваться.

Большая мощность вызывает поражение слуховых органов, происходит ощущение боли, шокирующие действия. Инновационные разработки привели к угрожающим масштабам увеличения шумной среды, допускающей не только раздражающие эмоции, но и снижения слуховой остроты. От нарушения акустического комфорта у человека возникают стрессы, бессонницы, повышение давления.

Главная угроза состоит в частичной или полной потере слуха.

Грохот, визг, лязг в повышенных тонах ведет к рассеиванию внимания, снижению трудоспособности, результативности от трудовой деятельности, в особенности, если это умственный труд. Человек теряет возможность сосредотачиваться на главной операции, принимать важные решения. Нарушается нормальная, источаются нервные клетки. От их ослабления происходит сбой в координации различных органов.

Примеры на человеческий организм шумовых воздействий

Средой для слуха является уровень громкости до 30 дБ. Существует допустимая граница, не превышающая 80 дБ, но после 60 дБ человек начинает некомфортно себя ощущать.

Увеличение звука до 120 дБ вызывает боль, после 140 дБ происходит непереносимое чувство. Даже металл не выдерживает 180 дБ, возникает его усталость, а увеличивая уровень, может произойти разрушение конструкции. Шумные производства славятся своей громкостью до 110 дБ. Квартиры всегда волнуют многих жителей своей звукоизоляцией, над этим работают целые конструкторские бюро, разрабатывая методы и новые шумопоглощающие материалы.

Известно, что повышение шумов:

• от 61 дБ - расстраивает вегетативную нервную систему
• 91 дБ - снижает слух
• 116 дБ - считается болевым порогом
• 140 дБ - вызывает разрыв барабанных перепонок
• 151 дБ - является нестерпимым
• 179 дБ – угроза жизни

Неблагоприятно действует на умственное развитие детей превышение допустимых шумовых норм . Вредно для подросткового возраста часто посещать дискотеки, где музыка звучит до 100 дБ, иногда специально ставят усилители и грохот становится равным электропоезду.

Шумовой фон мегаполисов увеличивается пропорционально с постоянно повышающимися технологическими процессами. Появилось много, заставляющих решать задачи исследователям, разрабатывать различные нормативные акты , чтобы обезопасить человека от звуковых воздействий.

С помощью звукоизоляционной продукции, отражающей энергию звука, защищают здания. Все они гибкие, упругие и многослойные, выполняют основную задачу, закупоривают поверхности, не пропускают звуки.

Как действуют на слуховой орган раздражающий грохот, умиротворяющие звуки

Невозможно жизненное пространство людей полностью оградить от звукового фона . Среди них имеются полезные сигналы, которые благоприятно действуют на человека. С их помощью общаются, ориентируются, трудятся.

Известно, что благотворно для нервной системы журчат ручьи, поют птицы, шелестят листья. Нервный стресс могут снять нежная песня, рокот морских волн. Звуками наказывали в средневековье, обрекая приговоренного находиться долгое время под ударами колокольного звона. Гармоничной колыбельной заставляли успокоиться и заснуть даже беспокойного ребенка.

Поступление некоторых звуковых сигналов в мозг человека вызывают неприятные ощущения, раздражения, утомления. Люди испытывают субъективные ощущения от услышанного, а также в органах слуха могут произойти патологические изменения.

Раздражающий гомон может подействовать на системы:

• центральную
• нервную
• сердечно-сосудистую
• эндокринную
• пищеварительную

Определено, что на человека повышенный шумовой уровень действует следующим образом:

• понижается слуховая функция, адаптация от слухового утомления вплоть до частичной или постоянной потери слуха
• нарушается способность общаться с помощью речи
• раздражительное, беспокойное поведение
• изменяются физиологические реакции,
• ухудшается психика
• уменьшается производительность

Как специфические раздражители слуховых органов, с определенной частотой и интенсивностью служат действия звуковых волн.

Исследования ученых на действие шума

Влияние на слух громких сигналов побудили человека изучать их характеристики теоретически и практически. Цель такого исследования выявить порог угрожающего действия шума, на этом основании разработать документы и обосновать гигиенические нормы различного контингента жителей, в зависимости от того, где они находятся и в каких пребывают.

Это может быть:

• жилой дом
• общественное здание
• производственное сооружение
• образовательное учреждение
• больница, поликлиника
• профилактические заведения
• спальный район
• промышленный округ
• территория отдыха

В теории ученые справились с задачей по изучению патогенеза, способам воздействия шумов, адаптации организма в неблагоприятной среде, последствиям от длительного пребывания в ней. Проводились многочисленные эксперименты. Это сложная исследовательская работа, так как имеются значительные отличия к шумовой чувствительности граждан от их возраста, пола, социальной группы.

Человек по-разному реагирует на звуковые эффекты в зависимости от того, в каком состоянии он находится - возбужденном или заторможенном; какой процесс преобладает в этот момент.

В процентном отношении люди подразделяются на восприятие звуков с чувствительностью:

• 35% - повышенной
• 55% - нормальной
• 10% - не воспринимают шум

Акустический стресс влияет на психологическое и физиологическое состояние жителей и зависит от области:

• индивидуального биоритмического профиля
• характера сна
• физической активности
• стрессов
• нервного состояния
• употребления алкоголя и курения

Социологи утверждают, что больше всего городские граждане сетуют на гудение машин (70%), грохот от промышленных предприятий занимает среднюю строчку (20%), домашний гомон стоит на последнем месте (10%). При этом 50% ощущают беспокойство, 30% раздражаются, а 20% вообще не жалуются. Страдают граждане, у кого поражена нервно-сосудистая система или органы пищеварения.

От этого происходят или обостряются заболевания:

• гастрита
• кишечника

У жителей, проживающих постоянно в районе улиц с повышенным уровнем шума, ухудшается состояние здоровья, увеличивается количество обращений к врачебной помощи.

Основные правила, способные уберечь слух

Человеку, имеющему бесценный дар слышать, трудно представить, что можно потерять его. Для этого имеются профилактические меры, предупреждающие неприятные последствия:

1. Лечение. Особенно актуально в детском возрасте. При ушных инфекциях бактериального характера необходимо компетентное и своевременное лечение. Многие заболевания несут кроме инфекций опасные осложнения слухового аппарата.
2. Уменьшить посещение заведений, где повышен уровень шума. В ресторанах, барах, концертных залах люди переговариваются на повышенных тонах, стоит подумать о выборе места и длительности пребывания там.
3. Не нужно пренебрегать защитными средствами людям, у которых деятельность проходит в повышенном шумовом уровне , а свыше 80 дБ это очень громко.
4. Вредно долгое использование наушников.
5. Громкость от радио, телевизоров, магнитол стоит приглушать по возможности.
6. Чистота залог здоровья, а уши необходимо постоянно очищать от серных скоплений, использование ватных палочек не одобряется врачами, они рекомендуют промывать водой.

Просты, а сухие технические знания о децибелах помогут решить практическую задачу, но не сохранят человеку слух. Необходимо бережно относиться к своему здоровью, избегать шумных сборищ, защитить свое жилище от проникновения посторонних звуков. Специалисты всегда придут на помощь: врач вылечит, строитель произведет монтаж звукоизоляции.

Ноя 28, 2016 Виолетта Лекарь

При проведении измерений параметров радиоаппаратуры довольно часто приходится иметь дело с относительными величинами выраженными в децибелах [дБ]. В децибелах выражают интенсивность звука, усиление каскада по напряжению, току или мощности, потери передачи или ослабление сигнала, и т.д.

Децибел — это универсальная логарифмическая единица. Широкое использование представления величин в дБ связано с удобством логарифмического масштаба, а при расчетах децибелы подчиняются законам арифметики — их можно складывать и вычитать, если сигналы имеют одинаковую форму.

Существует формула для пересчета отношения двух напряжений в число децибелов (аналогичная формула справедлива и для токов):

Например, если выходной сигнал U2 имеет уровень вдвое больше, чем U1, то это отношение составит +6 дБ (Ig2=0,301). Если U2>U1 в 10 раз, то отношение сигналов составляет 20 дБ (Ig10=1). Если U1>U2, то знак у отношения меняется на минус 20 дБ.

Так, например, у измерительного генератора аттенюатор для ослабления выходного сигнала может иметь градуировку в дБ. В этом случае для перевода величины из децибелов в абсолютное значение быстрей будет получен результат, если воспользоваться уже посчитанной табл. 6; 1. Она имеет дискретность 1 дБ (что вполне достаточно в большинстве случаев) и диапазон значений 0...-119 дБ.

Табл. 6.1 можно использовать для перевода децибелов ослабления аттенюатора в уровень выходного напряжения. Для удобства использования таблицы потребуется на выходе генератора установить при отсутствии ослабления (0 дБ на аттенюаторе) уровень напряжения 1 В (действующего или амплитудного). В этом случае соответствующее нужное значение выходного напряжения после установки ослабления находится на пересечении горизонтальной и вертикальной граф (значения в децибелах складываются арифметически).

Величина выходного напряжения в таблице указана в микровольтах (1 мкВ=10-6 В). I

Воспользовавшись данной таблицей, не трудно решить и обратную задачу — по необходимому напряжению определить, какое нужно установить ослабление сигнала на аттенюаторе в децибелах. Например, чтобы получить на выходе генератора напряжения 5 мкВ, как видно из таблицы, на аттенюаторе потребуется установить ослабление 100+6=106 дБ. Отношение мощностей двух сигналов в децибелах вычисляется по формуле:

Формула для мощности справедлива при условии, что входное и выходное сопротивления устройства одинаковые, что часто выполняется в высокочастотных устройствах для облегчения их согласования между собой.

Для определения мощности можно воспользоваться посчитанной табл. 6.2

Нередко при практическом использовании дБ важно знать и абсолютное значение соотношения двух величин, т.е. во сколько раз напряжение или мощность на выходе больше, чем на входе (или наоборот). Если отношение двух величин обозначить: K=U2/U1 или К=Р2/Р1, то можно воспользоваться табл. 6.3 для перевода величины из дБ в разы (К) и наоборот.

Так, например, антенный усилитель обеспечивает усиление сигнала по мощности на 28 дБ. Из табл. 6.3 видно, что усиление сигнала выполняется в 631 раз.

Литература: И.П. Шелестов - Радиолюбителям полезные схемы, книга 3.

В сети полным-полно подобных калькуляторов, но я захотел тоже запилить сделать свой. Уверен, никого не удивлю, сказав, что здесь тоже работает JavaScript , и вся вычислительная нагрузка ложится на твой браузер. Если есть пустые поля, это значит, что у тебя браузер не работает с JavaScript -ом, и вычисления работать не будут:(

19 дек 2017 появился конвертер величин ЭМС . Возможно, он больше отвечает твоим запросам?

Правила пользования просты до безобразия. Измени значение любой из величин, и все остальные значения будут пересчитаны автоматически.

Пересчёт отношений падающей и отражённой мощности в величину КСВ:

На всякий случай, подсказка по использованию:
Пересчитать дБмкВ в дБм (dBμV в dBm) В поле «Напряжение, dBμV» впиши величину напряжения в децибел-микровольтах. Если у тебя величина в децибел-милливольтах (дБмВ, dBmV), просто добавь к ней 60 дБ (0 дБмВ ≡ 60 дБмкВ). Не забывай, что для перевода напряжения в мощность необходимо знать и сопротивление нагрузки! Пересчитать дБм в дБмкВ (dBm в dBμV) В поле «Мощность, dBm» впиши величину мощности в децибел-милливаттах. Если у тебя величина в децибел-ваттах, просто вычти из неё 30 дБ (0 дБВт ≡ 30 дБм). Не забывай, что для перевода мощности в напряжение необходимо знать и сопротивление нагрузки! Пересчитать децибелы в разы Впиши в таблице изменение уровня в децибелах, и калькулятор покажет, во сколько раз изменятся напряжение и мощность. Калькулятор не любит отрицательных чисел, и заменяет их положительными. Пересчитать разы в децибелы Впиши в таблице изменение уровня напряжения или мощности сигнала в соответствующее поле, и узнаешь, сколько это децибел. Заодно пересчитается и изменение второй величины. Калькулятор не любит отрицательных чисел, и заменяет их положительными. В самом деле, увеличение в 0,5 раз - это уменьшение в 2 раза, и физически разницы нет. Зато так нагляднее! Пересчитать отношение мощностей в КСВ Впиши свои величины падающей и отражённой мощностей в соответствующие поля. Если вместо величин у тебя имеется их разница, сразу впиши эту разницу в поле для разницы и игнорируй два верхних поля Пересчитать КСВ в отношение мощностей Впиши величину КСВ в соответствующее поле, и калькулятор посчитает отношение мощностей, а для указанного значения P FWD впишет соответствующее значение P REF

Логарифмическая шкала и логарифмические единицы часто используется в тех случаях, когда необходимо измерить некоторую величину, изменяющуюся в большом диапазоне. Примерами таких величин являются звуковое давление, магнитуда землетрясений, световой поток, различные частотно-зависимые величины, используемые в музыке (музыкальные интервалы), антенно-фидерных устройствах, электронике и акустике. Логарифмические единицы позволяют выразить отношения величин, изменяющихся в очень большом диапазоне с помощью удобных небольших чисел примерно так, как это делается при экспоненциальной записи чисел, когда любое очень большое или очень малое число может быть представлено в краткой форме в виде мантиссы и порядка. Например, мощность звука, издаваемого при запуске ракеты-носителя Сатурн, составляла 100 000 000 Вт или 200 дБ SWL. В то же время, мощность звука очень тихого разговора составляет 0,000000001 Вт или 30 дБ SWL (измерена в децибелах относительно мощности звука 10⁻¹² ватт, см. ниже).

Правда, удобные единицы? Но, как оказывается, они удобны далеко не для всех! Можно сказать, что большинство людей, плохо разбирающихся в физике, математике и технике, не понимают логарифмических единиц, таких как децибелы. Некоторые даже считают, что логарифмические величины относятся не к современной цифровой технике, а к тем временам, когда для инженерных расчетов использовали логарифмическую линейку!

Немного истории

Изобретение логарифмов упростило вычисления, так как они позволили заменить умножение сложением, которое выполняется значительно быстрее, чем умножение. Среди ученых, которые внесли значительный вклад в развитие теории логарифмов, можно отметить шотландского математика, физика и астронома Джона Непера, опубликовавшего в 1619 г. сочинение с описанием натуральных логарифмов, которые значительно упрощали вычисления.

Важным инструментом для практического использования логарифмов были таблицы логарифмов. Первая такая таблица была составлена английским математиком Генри Бригсом в 1617 году. Основываясь на работах Джона Непера и других ученых, английский математик и священник англиканской церкви Уильям Отред изобрел логарифмическую линейку, которая использовалась инженерами и учеными (включая и автора этой статьи) в течение последующих 350 лет, пока в середине семидесятых прошлого века ее не заменили карманные калькуляторы.

Определение

Логарифм - операция обратная возведению в степень. Число y является логарифмом числа x по основанию b

если соблюдается равенство

Иными словами, логарифм данного числа - это показатель степени, в которую нужно возвести число, называемое основанием, чтобы получить данное число. Можно сказать проще. Логарифм - это ответ на вопрос «Сколько раз нужно умножить одно число само на себя, чтобы получить другое число». Например, сколько раз нужно умножить число 5 само на себя, чтобы получить 25? Ответом является 2, то есть

По приведенному выше определению

Классификация логарифмических единиц

Логарифмические единицы широко используются в науке, технике и даже в таких ежедневных занятиях, как фотография и музыка. Имеются абсолютные и относительные логарифмические единицы.

С помощью абсолютных логарифмических единиц выражают физические величины, которые сравниваются с определенным фиксированным значением. Например, дБм (децибел милливатт) - это абсолютная логарифмическая единица мощности, в которой мощность сравнивается с 1 мВт. Отметим, что 0 дБм = 1 мВт. Абсолютные единицы прекрасно подходят для описания одиночной величины , а не соотношения двух величин. Абсолютные логарифмические единицы измерения физических величин всегда можно перевести в другие, обычные единицы измерения этих величин. Например, 20 дБм = 100 мВт или 40 дБВ = 100 В.

С другой стороны, относительные логарифмические единицы используются для выражения физической величины в форме отношения или пропорции других физических величин, например, в электронике, где для этого используют децибел (дБ). Логарифмические единицы хорошо подходят для описания, например, коэффициента передачи электронных систем, то есть соотношения между выходным и входным сигналами.

Следует отметить, что все относительные логарифмические единицы являются безразмерными. Децибелы, неперы и другие названия - просто особые наименования, которые используются совместно с безразмерными единицами. Отметим также, что децибел часто используется с различными суффиксами, которые обычно присоединяются к сокращению дБ с помощью дефиса, например дБ-Гц, пробела, как в единице dB SPL, без какого-либо символа между дБ и суффиксом, как в дБм, или заключаются в кавычки, как в единице дБ(м²). Обо всех этих единицах мы поговорим ниже в этой статье.

Следует также отметить, что преобразование логарифмических единиц в обычные единицы часто бывает невозможным. Впрочем, это бывает только в тех случаях, когда говорят об отношениях. Например, коэффициент передачи усилителя по напряжению 20 дБ можно преобразовать только в «разы», то есть в безразмерную величину - он будет равным 10. В то же время, измеренное в децибелах звуковое давление можно перевести в паскали, так как звуковое давление измеряется в абсолютных логарифмических единицах, то есть, относительно опорного значения. Отметим, что коэффициент передачи в децибелах - тоже безразмерная величина, хотя и имеет название. Полная путаница получается! Но мы попробуем разобраться.

Логарифмические единицы измерения амплитуды и мощности

Мощность . Известно, что мощность пропорциональна квадрату амплитуды. Например, электрическая мощность, определяемая выражением P = U²/R. То есть, изменение амплитуды в 10 раз сопровождается изменением мощности в 100 раз. Соотношение двух величин мощности в децибелах определяется выражением

10 log₁₀(P₁/P₂) dB

Амплитуда . В связи с тем, что мощность пропорциональна квадрату амплитуды, соотношение двух величин амплитуды в децибелах описывается выражением

20 log₁₀(P₁/P₂) dB.

Примеры относительных логарифмических величин и единиц

• Общие единицы



• дБ (децибел) - логарифмическая безразмерная единица, используемая для выражения отношения двух произвольных значений одной и той же физической величины. Например, в электронике децибелы используются для описания усиления сигнала в усилителях или ослабления сигнала в кабелях. Децибел численно равен десятичному логарифму отношения двух физических величин, умноженному на десять для отношения мощностей и умноженному на 20 для отношения амплитуд.
• Б (бел) - редко используемая логарифмическая безразмерная единица измерения отношения двух одноименных физических величин, равная 10 децибелам.
• Н (непер) - безразмерная логарифмическая единица измерения отношения двух значений одноименной физической величины. В отличие от децибела, непер определяется как натуральный логарифм для выражения различия между двумя величинами x₁ и x₂ по формуле:
  

  R = ln(x₁/x₂) = ln(x₁) – ln(x₂)

  
  Преобразовать Н, Б и дБ можно на странице «Конвертер звука» .
• Музыка, акустика и электроника





s = 1000 ∙ log₁₀(f₂/f₁)

• Антенная техника. Логарифмическая шкала используется во многих относительных безразмерных единицах для измерения различных физических величин в антенной технике. В таких единицах измерения измеряемый параметр обычно сравниваются с соответствующим параметром стандартного типа антенны.




• Связь и передача данных



• дБн или dBc (децибел несущая, отношение по мощности) - безразмерная мощность радиосигнала (уровень излучения) по отношению к уровню излучения на частоте несущей, выраженная в децибелах. Определяется как S дБн = 10 log₁₀(P несущей /P модуляции). Если величина дБн положительная, то мощность модулированного сигнала больше, чем мощность немодулированной несущей. Если же величина дБн отрицательная, то мощность модулированного сигнала меньше мощности немодулированной несущей.
• Электронная аппаратура звуковоспроизведения и звукозаписи




• Другие единицы и величины

Примеры абсолютных логарифмических единиц и величин в децибелах с суффиксами и опорными уровнями

• Мощность, уровень сигнала (абсолютные)

• Напряжение (абсолютное)

• Электрическое сопротивление (абсолютное)
• дБОм, dBohm или dBΩ (децибел ом, амплитудное соотношение) - абсолютное сопротивление в децибелах относительно 1 Ом. Эта единица измерения удобна, если рассматривают большой диапазон сопротивлений. Например, 0 dBΩ = 1 Ω, 6 dBΩ = 2 Ω, 10 dBΩ = 3,16 Ω, 20 dBΩ = 10 Ω, 40 dBΩ = 100 Ω, 100 dBΩ = 100 000 Ω, 160 dBΩ = 100 000 000 Ω и так далее.
• Акустика (абсолютный уровень звука, звуковое давление или интенсивность звука)

• Радиолокация . Абсолютные значения по логарифмической шкале используются для измерения радиолокационной отражаемости по сравнению с какой-либо опорной величиной.



• dBZ или dB(Z) (амплитудное соотношение) - абсолютный коэффициент радиолокационной отражаемости в децибелах относительно минимального облака Z = 1 мм⁶ м⁻³. 1 dBZ = 10 log (z/1 мм⁶ м³). Эта единица показывает количество капель в единице объема и используется метеорологическими радиолокационными станциями (метео-РЛС). Информация, полученная при измерениях в сочетании с другими данными, в частности, результатами анализа поляризации и допплеровского сдвига, позволяют оценить что происходит в атмосфере: идет ли дождь, снег, град, или летит стая насекомых или птиц. Например, 30 dBZ соответствует слабому дождю, а 40 dBZ - умеренному дождю.
• dBη (амплитудное соотношение) - абсолютный фактор радиолокационной отражаемости объектов в децибелах относительно 1 см²/км³. Эта величина удобна, если нужно измерить радиолокационную отражаемость летающих биологических объектов, таких как птицы, летучие мыши. Метео-РЛС часто используются для наблюдения за подобными биологическими объектами.
• дБ(м²), dBsm или dB(m²) (децибел квадратный метр, амплитудное соотношение) - абсолютная единица измерения эффективной площади рассеяния цели (ЭПР, англ. radar cross section, RCS) по отношению к квадратному метру. Насекомые и слабо отражающие цели имеют отрицательную эффективную площадь рассеяния, в то время как большие пассажирские самолеты - положительную.
• Связь и передача данных. Абсолютные логарифмические единицы используются для измерения различных параметров, связанных с частотой, амплитудой и мощностью передаваемых и принимаемых сигналов. Все абсолютные значения в децибелах можно преобразовать в обычные единицы, соответствующие измеряемой величине. Например, уровень мощности шумов в dBrn можно преобразовать непосредственно в милливатты.

• Другие абсолютные логарифмические единицы. Таких единиц много в разных отраслях науки и техники и здесь мы приведем лишь несколько примеров.
• Шкала магнитуды землетрясений Рихтера содержит условные логарифмические единицы (используется десятичный логарифм), используемые для оценки силы землетрясения. Согласно этой шкале магнитуда землетрясения определяется как десятичный логарифм отношения амплитуды сейсмических волн к произвольно выбранной очень малой амплитуде, которая представляет магнитуду 0. Каждый шаг шкалы Рихтера соответствует увеличению амплитуды колебаний в 10 раз.
• dBr (децибел относительно опорного уровня, соотношение по амплитуде или по мощности, задается явным образом) - логарифмическая абсолютная единица измерения какой-либо физической величины, задаваемой в контексте.
• dBSVL - колебательная скорость частиц в децибелах относительно опорного уровня 5∙10⁻⁸ м/с. Название происходит от англ. sound velocity level - уровень скорости звука. Колебательная скорость частиц среды иначе называется акустической скоростью и определяет скорость, с которой движутся частицы среды при их колебаниях относительно положения равновесия. Опорная величина 5∙10⁻⁸ м/с соответствует колебательной скорости частиц для звука в воздухе.

Как это ни странно, звуки, лежащие за пределами слышимости человеческим ухом, играют огромную роль в различных областях знаний. Учёным, вооружённым методами современных компьютерных технологий и электроники, удалось не только расшифровать такие природные звуки, но и поставить их на службу человечеству.

Например, в странах, подвергающихся нашествию разрушительных цунами (Япония, Филиппины, Малайзия, Таиланд и Индонезия и других), развёрнута целая сеть станций раннего оповещения о таких событиях. Помимо береговых стационарных сейсмических станций, фиксирующих инфразвуки подводных землетрясений, развёрнута целая сеть автономных датчиков, находящихся в свободном плавании и связанных с центрами обработки информации через спутниковую связь. И есть надежда, что трагедиям, подобных трагедии 2004 года, когда от цунами пострадали сотни тысяч людей в Южной Азии, равно как и трагедии Фукусимы 2011 года, не суждено будет больше повториться. Пусть мы пока не в состоянии управлять подземными силами, и нам не избежать материальных потерь в ближайшем обозримом будущем, мы должны и сможем хотя бы свести к минимуму число человеческих жертв.

Инфразвуки с успехом применяются учёными-геофизиками при изучении свойств и характеристик Земли и отдельных её составляющих - коры, мантии и ядра. Высокоэкономичным методом в поиске полезных ископаемых, среди которых надо выделить особо ценные залежи нефти и природного газа, является сейсморазведка. Поскольку уже сейчас треть добываемой нефти приходится на добычу из моря, а морские неразведанные запасы превышают таковые запасы на суше, в последнее время всё больше внимания уделяется исследованиям морского дна. С помощью современных компьютерных технологий обработки отраженного и преломлённого инфразвукового сигнала можно получать 2D- и 3D-изображения залежей и оценивать перспективность их дальнейшей разработки.

Инфразвуковой контроль является неотъемлемой частью общего контроля за соблюдением выполнения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, наравне с сейсмическим, химическим и радиологическим контролем. Инфразвуковой контроль удобен для обнаружения ядерных взрывов в связи с тем, что инфразвук способен проходить большие расстояния практически без рассеяния.

И пока пусть остаются библейским мифом разрушение стен Иерихона из-за звука труб (что с точки зрения современной науки вполне возможно, достаточно только достигнуть полного резонанса на инфразвуке), историческая наука не стоит на месте, вполне возможно, что мы сумеем отыскать материальные подтверждения знаний древних людей.

Историческая справка

Первое официальное наблюдение инфразвука было произведено во время мощного извержения вулкана Кракатау в Зондском проливе в 1883 году. Мощность взрыва вулкана была эквивалентна взрыву атомной бомбы в 200 мегатонн, что вчетверо превышает мощность испытания Советским Союзом водородной авиационной бомбы АН602 (русское название - изделие 202, англоязычное обозначение -RDS-202, никнейм «Big Ivan») мощностью более 50 мегатонн (русское расхожее название Царь-Бомба, по аналогии с Царь-пушкой и Царь-колоколом) 30 октября 1961 года на ядерном полигоне острова Новая Земля. Ударная волна от взрыва вулкана трижды обогнула земной шар, под ее воздействием в радиусе сотни километров разбивались стеклянные окна, звуки извержения были слышны в г. Перт (Западная Австралия, расстояние свыше 3000 километров) и на острове Родригес, что близ острова Маврикий (расстояние свыше 4800 километров).

Интерес к звукам, лежащим за пределами слышимости человеческим ухом, и связанных с ними физическими и психофизическими явлениями, начал проявляться по мере появления и развития таких наук, как радиотехника и электроника. Парадоксальным образом отсчет им положили работы физиков разных стран конца 19-го и начала 20-го века совершенно в другом диапазоне волн - радиодиапазоне. В их число заслуженно включаются такие выдающиеся учёные как Генрих Рудольф Герц, Александр Степанович Попов и Гульельмо Маркони.

Ключевым моментом в исследовании и генерации как аудиозвука, так и инфразвука и ультразвука явилось изобретение электронных усилителей. Вначале появились схемы на основе электронных ламп, разработкой которых мы обязаны целой плеяде замечательных изобретателей. Ещё в 1883 году Т. А. Эдисон первым обнаружил эффект проводимости в вакууме. Затем, в 1904 году, Д. А. Флеминг первым практически использовал эффект Эдисона для преобразования переменного тока в постоянный (выпрямление тока) с помощью двухэлектродной лампы (диода). В 1906 году Ли де Форест ввёл в лампу третий электрод - управляющую сетку, получив усилительный элемент триод. В 1912 году на её основе был создан первый автогенератор. Позднее на основе изобретения транзисторов, а потом интегральных схем были созданы более совершенные и экономичные схемы усиления и генерации электрических сигналов низкочастотного диапазона. Верхом этого процесса можно считать разработку цифровых методов анализа и синтеза звука любого мыслимого диапазона с помощью современных компьютерных технологий, которым поддаются даже методы визуализации звука.

Как всегда, впереди планеты всей по этой части стали военные инженеры. Они не только научились определять дислокацию вражеских артиллерийских батарей по инфразвукам от их выстрелов с закрытых позиций, но также научились обнаруживать скрытые под водой объекты в виде нового типа вооружений (подводных лодок), используя, помимо инфразвука, звук и ультразвук (гидроэхолокация). Специальность инженера-акустика стала неотъемлемым атрибутом и в морских, и в наземных войсках.

Инфразвук. определение и физика явлений

К инфразвуку относятся звуки с частотами ниже частот, воспринимаемых человеческим слухом, то есть с частотой ниже 20 Гц; нижняя граница инфразвука условно принимается равной 1 миллигерцу, однако на практике чаще рассматривают нижнюю границу 0,1 Гц.

При распространении в различных средах, инфразвук в общем подчиняется законам акустики, то есть способен затухать, отражаться и преломляться. Но имеются некоторые отличия:

• для восприятия человеком через вибрации тела, инфразвук должен иметь более высокую амплитуду колебаний по сравнению со звуковыми волнами в диапазоне слышимости;
• инфразвук гораздо дальше распространяется в воздухе, поскольку слабо поглощается атмосферой;
• из-за большой длины волн, инфразвуку в большей степени, чем обычному звуку, свойственны дифракционные явления (огибание препятствий).

В природе инфразвук возникает при землетрясениях, ударах молний, извержениях вулканов, при сильном ветре, во время бурь и ураганов. На море усиление инфразвукового фона является верным признаком надвигающегося шторма; то же справедливо в отношении к сходу снежных лавин.

Восприятие инфразвуков животными

Совершенно естественно, что в живой природе наиболее чувствительными к действию инфразвуков являются животные крупных размеров: киты, слоны, бегемоты, носороги, жирафы, окапи, крокодилы, львы и тигры. Они не только воспринимают инфразвук, но и прекрасно его генерируют в силу размеров своих органов. Киты и слоны с успехом используют инфразвуковые сигналы для общения с себе подобными, причем дальность такой связи на суше может достигать при благоприятных условиях распространения инфразвука сотни километров. Хищники таким образом защищают свою охотничью территорию от посягательств на неё чужаков своего вида, хотя ареал обитания прайда не превышает радиуса 10 километров. В случае китов дальность связи может составлять даже несколько тысяч километров! Возможно, в открытом океане используется эффект дальнего прохождения за счёт образования своеобразного канала распространения инфразвука из-за разности температур, разности гидростатического давления и разности в солёности поверхностных и глубинных вод. Принцип действия этого канала аналогичен принципу передачи информации по волоконно-оптическому кабелю, в котором световые лучи распространяются также благодаря полному внутреннему отражению.

Техногенная генерация инфразвука

С момента возведения первых мегалитических сооружений (вспомните Стоунхендж!) человечество неосознанно стало техногенным генератором инфразвука, строя различные здания для хозяйственных, жилищных и религиозных нужд, камеры которых (комнаты, залы, печи и камины с дымоходами) служили своеобразными резонаторами инфразвука и пассивными генераторами под воздействием ветра. По мере освоения природных сил люди стали всё более активным генератором инфразвука. Первыми устройствами стали водяные и ветряные мельницы, хотя у них интенсивность инфразвука была не столь велика, тем не менее, производила некий мистический эффект. Недаром во всех преданиях различных народов профессия мельника, равно как и профессия кузнеца, вынужденного своими равномерными ударами молота вызывать инфразвук, окружена легендами с негативным подтекстом. Прямыми потомками этих устройств ныне являются напорные водоводы гидроэлектростанций, ветроэлектрогенераторы и механические молоты титанических размеров.

На производстве источником инфразвука также являются тяжёлые станки, где происходит возвратно-поступательное движение больших масс (например, поршневые компрессоры), вентиляторы и системы кондиционирования, турбины и виброплощадки и другое оборудование. Реактивные двигатели самолётов также излучают инфразвуковые волны. С освоением силы пара и массовым внедрением силовых установок на судах, мы стали генерировать инфразвуки не только на суше, но и на море.

Ныне основными источниками антропогенного шумового загрязнения океана являются суда, пневмопушки для сейсмической разведки полезных ископаемых на дне морей и океанов, морские буровые и эксплуатационные платформы для добычи нефти и газа, а также гидролокаторы, как военного, так и гражданского назначения. Источниками инфразвука также являются ядерные взрывы, причем инфразвук от них может распространяться по атмосферному волноводу на тысячи километров.

Биологи небезосновательно бьют тревогу, относя массовые выбросы китообразных на сушу за счёт антропогенных инфразвуков, звуков и ультразвуков, генерируемых нами. По их мнению, мы своим звуком просто сбиваем животных с курса, вызывая сбои их систем навигации. Сейчас шумовое загрязнение морей в полосе частот инфразвука достигает максимальной интенсивности, превышая акустическое загрязнение на остальных частотах в тысячи раз.

Воздействие инфразвука на человека

Человеческий организм и его психика подвержены влиянию инфразвука по той причине, что он стимулирует вестибулярный аппарат, а также в связи с тем, что почти все органы человека имеют резонансные частоты в пределах 8-20 Гц:

• 20–30 Гц (резонанс головы);
• 18 Гц и 40–100 Гц (резонанс глаз);
• 0,5–13 Гц (резонанс вестибулярного аппарата);
• 4–6 Гц (резонанс сердца);
• 2–3 Гц (резонанс желудка);
• 2–4 Гц (резонанс кишечника);
• 6–8 Гц (резонанс почек);
• 2–5 Гц (резонанс рук).

Разброс в значениях объясняется разбросом антропометрических данных среди представителей человечества.

Полагают, что инфразвуковые колебания даже небольшой интенсивности вызывают симптомы, схожие с сотрясением мозга (тошнота, шум в ушах, нарушения зрения). Колебания средней интенсивности могут стать причиной «непищевой» диареи и нарушений функций мозга с самыми неожиданными последствиями. Считается, что инфразвук высокой интенсивности, влекущий за собой резонанс, приводит к нарушению работы практически всех внутренних органов, возможен смертельный исход из-за остановки сердца или разрыва кровеносных сосудов.

Ещё более интересные эффекты производит инфразвук на психоэмоциональное состояние людей, подвергшихся его воздействию. В этом смысле показателен масштабный опыт, проведённый группой английских исследователей над аудиторией из 700 человек в лондонском концертом зале Перселл-Рум (Purcell Room), которым предлагалось прослушать музыкальный концерт в двух отделениях. Каждое из отделений состояло из четырёх произведений, в два из них в оригинальное исполнение подмешивался инфразвук частотой 17 Гц малой интенсивности, во втором отделении инфразвук подмешивался в два других произведения. Слушателям предлагалось описать свои ощущения и значительная часть респондентов (22%) отмечала необычные переживания: тревогу, беспокойство, крайнюю печаль, чувство отвращения и страха, озноб вдоль позвоночника и чувство давления в груди как раз в моменты подачи инфразвукового сигнала.

Крайне любопытным воздействием на человека инфразвука частотой 18,98 Гц стало обнаружение визуального эффекта английским инженером-исследователем Виком Тэнди в начале 80-х годов прошлого столетия. Засиживаясь допоздна в своей лаборатории, Тэнди неоднократно замечал периферическим зрением появление бесформенного серого пятна, которое исчезало при повороте головы в его сторону. Будучи заядлым фехтовальщиком, он также заметил, что при полировке рапиры, зажатой рукояткой в тиски, её кончик заметно дрожал. Предположив по вибрациям рапиры (лезвие рапиры играла роль приёмника-регистратора) наличие в помещении инфразвука, он исследовал помещение лаборатории и обнаружил, что инфразвук действительно присутствует - его источником был недавно установленный вытяжной вентилятор. Максимум инфразвукового сигнала отмечался как раз над рабочим столом Тэнди и его частота была близка к резонансной частоте глазного яблока 18 Гц, определённой НАСА. Работы в этом направлении были просуммированы В. Тэнди в статье «Призраки из машины», опубликованной 1998 году. В дальнейшем он по приглашению исследователей паранормальных явлений привлекался в рабочие группы по обследованию подвала туристического центра в Ковентри в 2001 году и Уорикского замка в 2004 году. В обоих случаях отмечался высокий уровень инфразвука. Так что появление призраков в английских замках имеет под собой вполне материальную основу!

«Фантомный» инфразвук

Еще более удивительным образом на человека влияет «фантомный» инфразвук. Дело в том, что из-за бинаурального эффекта слуха, присущего человеку и большинству высших животных, человеческий мозг оценивает источник звука по частоте, фазе и интенсивности сигнала, вычисляя направление на источник звука по этим признакам, в том числе и по разности фаз звуковых колебаний, поступающих в правое и левое ухо. В результате, при воздействии на правый и левый каналы слуха близких частот с разницей, лежащей в пределах восприятия звука, возникают «фантомные» ощущения восприятия звука «основного» тона при прослушивании более высоких частот (гармоник). При этом возникает «фантомное» восприятие основной частоты, хотя её в исходном сигнале вообще нет. Например, если одно ухо слышит сигнал с частотой 550 Гц, а другое с частотой 570 Гц, то мозг воспринимает (то есть, как будто, слышит) дополнительную частоту 20 Гц, которая является разностью этих двух частот. Следует отметить, что это не обычная сумма двух синусоидальных сигналов разных частот, в результате которой наблюдаются биения. Суммирование происходит в мозге, а не в воздухе! И звук формируется не в воздухе, а в мозге слушателя.

Иногда человек слышит низкочастотные звуки, которых в реальности нет. Это происходит из-за того, что мозг подвергает звук серьезной обработке, добавляя частоты, которых нет в звуках. Это явление широко используется в технике. Примером может служить телефонный канал, ограниченный полосой 300 -3000 Гц. Тем не менее, все мы уверенно определяем гендерную принадлежность голоса по телефону, хотя для представителей «сильного» пола характерная частота голоса составляет 150 Гц. Наш мозг, этот самый совершенный компьютер на текущий момент, обманывает нас!

Ещё хуже (а может быть и лучше) дело обстоит, когда два сигнала с небольшой разницей частот, которые лежат в диапазоне инфразвука, приходят в правое и левое ухо. Это, возможно, связано с тем обстоятельством, что электрическая активность человеческого мозга имеет несколько биоритмов, связанных с его состоянием. Некоторые из таких ритмов ЭЭГ рассмотрены ниже.

• Бета-волны: самые быстрые, характерны для состояния бодрствования, сосредоточенности и познания. Их избыток сопровождается беспокойством, страхом и паникой. В зависимости от степени состояния может меняться в пределах 14–42 Гц. Слабый уровень бета-волн статистически коррелирует с депрессией, плохим избирательным вниманием и слабой памятью.
• Альфа-волны: биоритмы мозга замедляются до частот в 8–13 Гц. Их доминанта соответствует состоянию умиротворённости, способности к восприятию новой информации. В этом состоянии мозг производит наибольшее количество эндорфинов и энкефалинов - «наркотиков» собственного производства.
• Тета-волны: сигналы электроэнцефалограммы в диапазоне 4–8 Гц. В исследованиях на животных тета-волны записывают с помощью электродов, имплантированных в мозг. Для исследований людей электроды наклеивают на голову. Исследования на людях показывают, что тета-волны связаны с фазой быстрого сна и переходом от сна к пробуждению, а также со спокойным состоянием бодрствования.
• Дельта-волны: переход в сонное или бессознательное состояние, электрическая активность мозга замедляется до частот ниже 4 Гц и имеет высокую амплитуду. Ассоциируется с глубоким сном.
• Существуют также гамма-волны мозга, которые возникают при решении задач, требующих максимального внимания. Поскольку их типичная частота (40 Гц) лежит вне пределов рассматриваемого диапазона, ограничимся только упоминанием о них. Отметим только, что этот список далеко не исчерпывающий.

На этих эффектах основано горловое пение тибетских монахов и григорианское хоровое пение. За счёт практически неуловимых биений в исполнении, они провоцируют состояние восторженности вплоть до экстаза у благодарных слушателей. А ныне шарлатаны от медицины рекламируют их как панацею для снятия тревожных состояний психики, безо всякого медицинского контроля предлагая «успокоительную» музыку.

С точки зрения автора этой статьи - радиоинженера, компьютерщика, отъявленного атеиста и материалиста, человеческий мозг представляет собой высокоизбирательный приёмник со многими точками входа, к тому же подключённый к суперкомпьютеру со своими программами обработки входных сигналов, алгоритмы которых не совсем адекватно отражают объективную реальность.

Опыт по обнаружению инфразвука

Аппаратура

В нашем быту всегда присутствуют инфразвуки, основным генератором которых служат вентиляторы и воздуховоды систем кондиционирования. В принципе, для демонстрации инфразвуков достаточно вентилятора с малыми оборотами в качестве генератора инфразвука. В качестве приёмника инфразвука можно использовать динамик сабвуфера в инверсном режиме, подключённого к регистратору через предварительный усилитель с малым уровнем шумов и фильтром по срезу высших частот, поскольку все типичные акустические микрофоны слабо реагируют на инфразвук из-за малости их размеров. В качестве регистратора инфразвуков можно использовать цифровой или аналоговый осциллограф или устройство для записи звука. Результаты записи звука оконного кондиционера и напольного вентилятора показаны на графиках.

На этих двух графиках показан записанный звук напольного вентилятора. На нижнем графике показана спектрограмма (спектр частот - зависимость частоты от времени и зависимость амплитуды сигнала от частоты в конкретный момент времени). Справа от этого графика показано как цвет изменяется от черного к белому в зависимости от амплитуды сигнала. Амплитуда указана в децибелах относительно полной шкалы. 0 dBFS соответствует максимально возможному уровню сигнала для данной системы звукозаписи.