Измерения. Единицы измерения

Децибел - это относительная единица измерений, она не похожа на остальные известные величины, поэтому ее не включили в систему общепринятых единиц измерения СИ. Однако во многих расчетах допускается использование децибелов наравне с абсолютными единицами измерений и даже применение их в качестве опорной величины.

Децибелы определяются принадлежностью к физическим величинам, поэтому их нельзя относить к математическим понятиям. Это легко представить, если провести параллель с процентами, с которыми децибелы имеют много общего. Они не имеют конкретных размеров, но при этом очень удобны при сопоставлении 2-х одноименных величин, даже если они различны по своей природе. Таким образом, не сложно представить, что измеряется в децибелах.

История возникновения

Как выяснилось в результате длительных исследований, восприимчивость не находится в прямой зависимости от абсолютного уровня распространения звука. Она является показателем мощности, примененным к заданной единице площади, которая находится в зоне воздействия звуковых волн, что и измеряют в децибелах сегодня. В результате установили любопытную пропорцию - чем больше места принадлежит полезной площади человеческого уха, тем к лучшему восприятию минимальных мощностей оно расположено.

Таким образом, исследователю Александру Грэхему Беллу удалось установить, что предел восприятия человеческого уха равен от 10 до 12 Вт на метр квадратный. Полученные данные охватывали слишком широкий диапазон, который представлялся всего несколькими значениями. Это создавало определенные неудобства и исследователю пришлось создать собственную шкалу измерений.

В первоначальном варианте безымянная шкала имела 14 значений - от 0 до 13, где человеческий шепот имел значение «3», а разговорная речь - «6». Впоследствии эта шкала нашла широкое применение, а ее единицы назвали белами. Для получения более точных данных в логарифмическом масштабе исходную единицу увеличили в 10 раз - так сформировались децибелы.

Общие сведения

Прежде всего, следует отметить, что децибел - это одна десятая Бела, который является десятичной формой логарифма, определяющего отношение меж 2-мя мощностями. Природа мощностей, подлежащих сравнению, избирается произвольно. Главное, чтобы соблюдалось правило, представляющее сравниваемые мощности в равных единицах, например, в Ваттах. Благодаря этой особенности, обозначения децибелов применяют в разных областях:

• механической;
• электрической;
• акустической;
• электромагнитной.

Так как практическое применение показало, что Бел оказался довольно крупной единицей, то для лучшей наглядности было предложено его значение умножить на десять. Таким образом, появилась общепринятая единица - децибел, в чем измеряется звук сегодня.

Несмотря на обширную зону применения, большинству людей известно, что децибелы применяются для определения степени громкости. Эта величина характеризует волны на метр квадратный. Таким образом, увеличение громкости на 10 децибел сопоставимо с возрастанием силы звука вдвое.

В законодательстве децибел был признан расчетной величиной зашумленности помещения. Он явился определяющей характеристикой для исчисления допустимой силы шума в жилых строениях. Эта величина дает возможность измерить допустимый уровень шума в децибелах в квартире и выявить факты нарушения в случае необходимости.

Область применения

Сегодня проектировщики телекоммуникаций используют децибел в качестве базовой единицы для проведения сравнительных характеристик устройств, отраженных в логарифмическом масштабе. Такие возможности предоставляет конструктивная особенность данной величины, которая является логарифмической единицей разных уровней, используемых при затуханиях или, наоборот, усилениях мощностей.

Децибел получил широкое распространение в разнообразных областях современной техники. Что измеряется в децибелах сегодня? Это различные величины, изменяющиеся в обширном диапазоне, которые могут применяться:

• в системах, связанных с передачей информации;
• радиотехнике;
• оптике;
• антенной технике;
• акустике.

Таким образом, децибелы применяют при измерении характеристик динамического диапазона, к примеру, ими можно измерить громкость звучания определенного музыкального инструмента. А также открывается возможность исчислять затухающие волны в момент их прохождения через поглощающую среду. Децибелы позволяют определить коэффициент усиления или зафиксировать коэффициент шума, создаваемого усилителем.

Использовать эти безразмерные единицы возможно как для физических величин, относящихся ко второму порядку - энергия или мощность, так и для величин, имеющих отношение к первому порядку - сила тока или напряжение. Децибелы открывают возможности измерения отношений между всеми физическими величинами, а кроме этого, с их помощью сопоставляют абсолютные значения.

Громкость звука

Физическая составляющая громкости звукового воздействия определяется уровнем имеющегося звукового давления, воздействующего на единицу контактной площади, что измеряется в децибелах. Формируется уровень шума из хаотического слияния звуков. На низкие частоты или, наоборот, звуки высокой частоты человек реагирует как на более тихие звуки. А звуки средних частот будут восприняты как более громкие, несмотря на одинаковую интенсивность.

Учитывая неравномерное восприятие звуков различной частоты человеческим ухом, на электронной базе был создан частотный фильтр, способный передавать эквивалентную степень звука с единицей измерения, которая выражается в дБа - где «а» обозначает применение фильтра. Этот фильтр, по итогам нормирования измерений, способен моделировать взвешенное значение уровня звука.

Способность разных людей воспринимать звуки находится в пределах громкости от 10 до 15 дБ, а в отдельных случаях даже выше. Воспринимаемые пределы интенсивности звука составляют частоты от 20 до 20 тыс. Герц. Наиболее легкие для восприятия звуки располагаются в частотном диапазоне от 3-х до 4-х кГц. Такую частоту принято использовать в телефонах, а также при радиовещании на средних и длинных волнах.

С годами диапазон воспринимаемых звуков сужается, особенно это касается высокочастотного спектра, где восприимчивость может снижаться до 18 кГц. Это приводит к общему ухудшению слуха, которому подвержены многие пожилые люди.

Допустимые показатели уровня шума в жилых помещениях

С использованием децибелов появилась возможность определить более точную шкалу шумов для окружающих звуков. Она отражает превосходящие по точности характеристики по сравнению с исходной шкалой, созданной в свое время Александром Беллом. С использованием этой шкалы законодательными органами определен уровень шума, норма которого действует в пределах жилых помещений, предназначенных для отдыха граждан.

Таким образом, значение «0» дБ означает полнейшую тишину, от которой раздается звон в ушах. Следующее значение 5 дБ также определяет полную тишину при наличии небольшого звукового фона, заглушающего внутренние процессы организма. При 10 дБ становятся различимы нечеткие звуки - всевозможные шорохи или шуршание листвы.

Значение в 15 дБ находится в диапазоне четкой слышимости самых тихих звуков, таких как тиканье наручных часов. При силе звука в 20 дБ можно разобрать осторожный шепот людей на расстоянии 1 метра. Отметка 25 дБ позволяет слышать более отчетливо разговор шепотом и шорох от трения мягких тканей.

30 дБ определяет, сколько децибел разрешено в квартире ночью и сопоставляется с беззвучным разговором или тиканьем настенных часов. При 35 дБ можно отчетливо слышать приглушенную речь.

Уровень в 40 децибел определяет силу звука обычного разговора. Это достаточная громкость, позволяющая свободно общаться в пределах помещения, смотреть телевизор или прослушивать музыкальные треки. Данная отметка определяет, сколько децибел разрешено в квартире днем.

Уровень шума, допустимый в рабочих условиях

По сравнению с допустимым уровнем шума в децибелах в квартире, на производстве и в офисной деятельности в рабочее время допускаются другие нормы уровня звука. Здесь действуют ограничения иного прядка, четко отрегулированные для каждого рода занятий. Основное правило в данных условиях - не допускать уровня шума, который способен отрицательно повлиять на здоровье человека.

В офисах

Значение уровня шума в 45 дБ находится в пределах хорошей слышимости и сопоставимо с шумом работы дрели или электродвигателя. Шум в 50 дБ также характеризуется пределами отличной слышимости и совпадает по силе со звуком печатающей машинки.

Уровень шума в 55 децибел остается в пределах превосходной слышимости, его можно представить на примере одновременного звучного разговора сразу нескольких людей. Этот показатель принимают в качестве верхней отметки, допустимой для офисных помещений.

В животноводстве и канцелярской деятельности

Сила шума в 60 дБ считается повышенной, такой уровень зашумленности можно встретить в конторах, где одновременно работает много печатных машинок. Показатель в 65 дБ также считают повышенным и его можно зафиксировать при работе типографского оборудования.

Уровень шума, достигающий отметки 70 дБ, сохраняет значение повышенного и встречается на животноводческих фермах. Значение шума в 75 дБ - это предельное значение повышенного уровня шума, его можно отметить на птицефабриках.

В производстве и транспорте

С отметкой в 80 дБ наступает уровень громкого звука, длительное воздействие которого станет следствием частичной утраты слуха. Поэтому, при работе в таких условиях рекомендуется применять защитные наушники. Сила шума в 85 дБ также находится в пределах уровня громкого звука, такие показания можно сопоставить с работой оборудования ткацкой фабрики.

Показатель шума в 90 дБ сохраняется в пределах громкого звука, такую силу зашумленности можно зарегистрировать при движении железнодорожного состава. Величина шума в 95 дБ достигает крайних пределов громкого звука, такой силы шум можно зафиксировать в металлопрокатном цеху.

Предельный уровень шума

Уровень шума на отметке 100 дБ достигает пределов чрезмерно громкого звука, его можно сравнить с раскатами грома. Работа в таких условиях считается вредной для здоровья и выполняется в рамках определенного стажа, по истечении которого человек считается непригодным для вредных работ.

Значение шума в 105 дБ также находится в пределах чрезмерно громкого звука, шум такой силы создает бензорезка при порезке металла. Сила шума в 110 дБ остается в границах чрезмерно громкого звука, такой показатель фиксируется при взлете вертолета. Величина шума в 115 дБ считается предельной для границ чрезмерно громкого звука, такой шум издает пескоструйный аппарат.

Уровень шума 120 дБ считается невыносимым, его можно сравнить с работой отбойного молотка. Шумовая отметка в 125 дБ также характеризуется невыносимым уровнем шума, такой отметки достигает самолет на старте. Максимальный уровень шума в дБ считается предельным на отметке 130, после чего наступает болевой порог, вынести который способен далеко не каждый.

Критический уровень шума

Сила шума на отметке 135 дБ считается недопустимой, человек, оказавшийся в зоне действия звука такой силы, получает контузию. Уровень шума в 140 дБ также приводит к контузии, таким звуком сопровождается старт реактивного самолета. При величине шума в 145 дБ разрывается осколочная граната.

Достигает отметки 150-155 дБ разрыв кумулятивного снаряда на танковой броне, звук такой силы приводит к контузии и травмам. После отметки 160 дБ наступает звуковой барьер, звук, превышающий этот предел, приводит к разрыву ушных барабанных перепонок, распаду легких и множественным травмам, нанесенным ударной волной, что вызывает мгновенную смерть.

Воздействие на организм неслышимых звуков

Звук, частота которого ниже 16 Гц, называют инфракрасным, а если частота его превышает 20 тыс. Гц, то такой звук называют ультразвуком. Барабанные перепонки человеческого уха не способны воспринимать звуки такой частоты, поэтому они находятся за пределами человеческого слуха. Децибелы, в чем измеряется звук сегодня, также определяют значения не слышимых звуков.

Звуки низкой частоты, находящиеся в пределах от 5-ти до 10-ти Гц, плохо переносятся человеческим организмом. Такое воздействие способно активизировать сбои в работе внутренних органов и отражаться на мозговой активности. Кроме этого, интенсивность низких частот оказывает воздействие на костные ткани, провоцируя суставные боли у людей, страдающих различными заболеваниями или перенесших травмы.

Повседневными источниками ультразвука являются различные транспортные средства, также ими могут служить раскаты грома или работа электронной аппаратуры. Такие воздействия выражаются в нагреве тканей, а сила их влияния находится в зависимости от расстояния до действующего источника и от степени звука.

Для общедоступных мест работы, обладающих неслышимого диапазона, также существуют определенные ограничения. Максимальная сила инфракрасного звука должна удерживаться в пределах 110 дБа, а сила ультразвука ограничивается отметкой в 125 дБа. Строго запрещено даже кратковременное нахождение в зонах, где звуковое давление превышает 135 дБ любой частоты.

Влияние шума, исходящего от оргтехники, и способы защиты

Шум, который издает компьютер и прочая организационная техника, может быть выше значения в 70 дБ. В связи с этим специалисты не рекомендуют устанавливать большое количество данной аппаратуры в одном помещении, особенно, если оно не большое. Шумные агрегаты рекомендуется устанавливать за пределами помещения, в котором находятся люди.

Для снижения уровня зашумленности в отделочных работах применяют материалы, обладающие шумопоглощающими свойствами. Кроме этого, можно использовать шторы из плотной ткани или, в крайнем случае, бируши, закрывающие от воздействия барабанные перепонки.

Сегодня при строительстве современных зданий существует новая норма, определяющая степень звукоизоляции помещений. Стены и перекрытия корпусов многоквартирных домов проверяют на устойчивость к воздействию шума. Если уровень звукоизоляции находится ниже допустимого предела, здание не может быть сдано в эксплуатацию до устранения неполадок.

Кроме всего, сегодня устанавливают ограничения по силе звука для различных сигнальных и оповещающих устройств. Для противопожарных систем, к примеру, сила звука оповещающего сигнала должна находиться в рамках от 75 дБа до 125 дБа.

Децибел - это безразмерная единица, применяемая для измерения отношения некоторых «энергетических»(мощности, энергии, плотности потока мощности и т. п.) или «силовых»(силы тока, напряжения и т. п.) величин. Иными словами, децибел - это относительная величина. Не абсолютная, как, например, ватт или вольт, а такая же относительная, как кратность («трёхкратное отличие») или проценты, предназначенная для измерения отношения («соотношения уровней») двух других величин, причём к полученному отношению применяется логарифмический масштаб.

Впервые использованная для измерений интенсивности звука, единица измерения децибел была названа так в честь Александра Грэхема Бэлла. Изначально дБ использовался для оценки отношения мощностей, и в каноническом, привычном смысле величина, выраженная в дБ, предполагает логарифм отношения двух мощностей и вычисляется по формуле:

где P 1 /P 0 - отношение значений двух мощностей: измеряемой P 1 к так называемой опорной P 0 , то есть базовой, взятой за нулевой уровень (имеется в виду нулевой уровень в единицах дБ, поскольку в случае равенства мощностей P 1 = P 0 логарифм их отношения lg(P 1 /P 0) = 0).

Соответственно, переход от дБ к отношению мощностей осуществляется по формуле:

P 1 /P 0 = 10 0,1· (величина в дБ) ,

а мощность P 1 может быть найдена при известной опорной мощности P 0 по выражению

P 1 = P 0 · 10 0,1· (величина в дБ) .

Выражение берёт своё начало из закона Вебера-Фехнера - эмпирического психофизиологического закона, который заключается в том, что интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя.

В ряде экспериментов, начиная с 1834 года, Э. Вебер показал, что новый раздражитель, чтобы отличаться по ощущениям от предыдущего, должен отличаться от исходного на величину, пропорциональную исходному раздражителю. На основе наблюдений Г.Фехнер в 1860 году сформулировал «основной психофизический закон», по которому сила ощущения p пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя :

где - значение интенсивности раздражителя. - нижнее граничное значение интенсивности раздражителя: если , раздражитель совсем не ощущается. - константа, зависящая от субъекта ощущения.

Так, люстра, в которой 8 лампочек, кажется нам настолько же ярче люстры из 4-х лампочек, насколько люстра из 4-х лампочек ярче люстры из 2-х лампочек. То есть количество лампочек должно увеличиваться в одинаковое число раз, чтобы нам казалось, что прирост яркости постоянен. И наоборот, если абсолютный прирост яркости (разница в яркости «после» и «до») постоянен, то нам будет казаться, что абсолютный прирост уменьшается по мере роста самого значения яркости. Например, если добавить одну лампочку к люстре из двух лампочек, то кажущийся прирост в яркости будет значительным. Если же добавить одну лампочку к люстре из 12 лампочек, то мы практически не заметим прироста яркости.

Можно сказать и так: отношение минимального приращения силы раздражителя, впервые вызывающего новые ощущения, к исходной величине раздражителя есть величина постоянная.

Любые операции с децибелами упрощаются, если руководствоваться правилом: величина в дБ - это 10 десятичных логарифмов отношения двух одноименных энергетических величин. Всё остальное - следствия этого правила.

Операции с децибелами можно выполнять в уме: вместо умножения, деления, возведения в степень и извлечения корня применяется сложение и вычитание децибельных единиц. Для этого можно использовать таблицы соотношений (первые 2 - приближённые):

1 дБ → в 1,25 раза,

3 дБ → в 2 раза,

10 дБ → в 10 раз.

Раскладывая «более сложные значения» на «составные», получаем:

6 дБ = 3 дБ + 3 дБ → в 2·2 = в 4 раза,

9 дБ = 3 дБ + 3 дБ + 3 дБ → в 2·2·2 = в 8 раз,

12 дБ = 4 · (3 дБ) → в 2 4 = в 16 раз

и т. п., а также:

13 дБ = 10 дБ + 3 дБ → в 10·2 = в 20 раз,

20 дБ = 10 дБ + 10 дБ → в 10·10 = в 100 раз,

30 дБ = 3 · (10 дБ) → в 10³ = в 1000 раз.

Сложению (вычитанию) значений в дБ соответствует умножение (деление) самих отношений. Отрицательные значения дБ соответствуют обратным отношениям. Например:

уменьшение мощности в 40 раз → это в 4·10 раз или на −(6 дБ + 10 дБ) = −16 дБ;

увеличение мощности в 128 раз это 2 7 или на 7·(3 дБ) = 21 дБ;

снижение напряжения в 4 раза эквивалентно снижению мощности (величины второго порядка) в 4² = 16 раз; и то и другое при R 1 = R 0 эквивалентно снижению на 4·(−3 дБ) = −12 дБ.

Для применения децибелов и оперирования логарифмами вместо процентов или долей есть ряд причин:

характер отображения в органах чувств человека и животных изменений течения многих физических и биологических процессов пропорционален не амплитуде входного воздействия, а логарифму входного воздействия (живая природа живёт по логарифму). Поэтому вполне естественно шкалы приборов и вообще шкалы единиц устанавливать именно в логарифмические, в том числе, используя децибелы. Например, музыкальная равномерно темперированная шкала частот является одной из таких логарифмических шкал

удобство логарифмической шкалы в тех случаях, когда в одной задаче приходится оперировать одновременно величинами, различающимися не во втором знаке после запятой, а в разы и, тем более, различающимися на много порядков (примеры: задача выбора графического отображения уровней сигнала, частотных диапазонов радиоприемников, расчет частот для настройки клавиатуры фортепьяно, расчеты спектров при синтезе и обработке музыкальных и других гармонических звуковых, световых волн, графические отображения скоростей в космонавтике, авиации, в скоростном транспорте, графическое отображения других переменных величин, изменения которых в широком диапазоне величин являются критически важными)

удобство отображения и анализа величины, изменяющейся в очень широких пределах (примеры - диаграмма направленности антенны, амплитудно-частотная характеристика электрического фильтра)

Децибел служит для определения отношения двух величин. Но нет ничего удивительного в том, что децибел используют и для измерения абсолютных значений. Для этого достаточно условиться, какой уровень измеряемой физической величины будет принят за опорный уровень (условный 0 дБ).

Строго говоря, должно быть однозначно определено, какая именно физическая величина и какое именно её значение используются в качестве опорного уровня. Опорный уровень указывается в виде добавки, следующей за символами «дБ» (например, дБм), либо опорный уровень должен быть ясен из контекста (например, «дБ относительно 1 мВт»).

На практике распространены следующие опорные уровни и специальные обозначения для них:

dBm (русское дБм ) - опорный уровень - это мощность в 1 мВт. Мощность обычно определяется на номинальной нагрузке (для профессиональной техники - обычно 10 кОм для частот менее 10 МГц, для радиочастотной техники - 50 Ом или 75 Ом). Например, «выходная мощность усилительного каскада составляет 13 дБм» (то есть мощность, выделяющаяся на номинальной для этого усилительного каскада нагрузке, составляет 20 мВт).

dBV (русское дБВ ) - опорное напряжение 1 В на номинальной нагрузке (для бытовой техники - обычно 47 кОм); например, стандартизованный уровень сигнала для бытового аудиооборудования составляет −10 дБВ, то есть 0,316 В на нагрузке 47 кОм.

dBuV (русское дБмкВ ) - опорное напряжение 1 мкВ; например, «чувствительность радиоприёмника, измеренная на антенном входе - −10 дБмкВ … номинальное сопротивление антенны - 50 Ом».

По аналогии образуются составные единицы измерений. Например, уровень спектральной плотности мощности дБВт/Гц - «децибельный» аналог единицы измерения Вт/Гц (мощность, выделяющаяся на номинальной нагрузке в полосе частот шириной в 1 Гц с центром на указанной частоте). Опорным уровнем в данном примере является 1 Вт/Гц, то есть физическая величина «спектральная плотность мощности», её размерность «Вт/Гц» и значение «1». Так, запись «-120 дБВт/Гц» полностью эквивалентна записи «10 −12 Вт/Гц».

В случае затруднения во избежание путаницы достаточно указать опорный уровень явно. Например, запись −20 дБ (относительно 0,775 B на нагрузке 50 Ом) исключает двойное толкование.

Справедливы следующие правила (следствие правил действий с размерными величинами):

перемножать или делить «децибельные» значения нельзя (это бессмысленно);

суммирование «децибельных» значений соответствует умножению абсолютных значений, вычитание «децибельных» значений - делению абсолютных значений;

суммирование или вычитание «децибельных» значений может выполняться независимо от их «исходной» размерности. Например, равенство 10 дБм + 13 дБ = 23 дБм является корректным, полностью эквивалентно равенству 10 мВт · 20 = 200 мВт и может трактоваться как «усилитель с коэффициентом усиления 13 дБ увеличивает мощность сигнала с 10 дБм до 23 дБм».

При пересчёте уровней мощностей (дБВт, дБм) в уровни напряжений (дБВ, дБмкВ) и обратно необходимо учитывать сопротивление, на котором определяется мощность и напряжение.

В радиотехнике часто используется отношение отношение сигнал/шум (ОСШ; англ. signal-to-noise ratio) - безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.

где P - средняя мощность, а A - среднеквадратичное значение амплитуды. Оба сигнала измеряются в полосе пропускания системы.

Обычно отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы.

В аудиотехнике отношение сигнал/шум определяют путем измерения напряжения шума и сигнала на выходе усилителя или другого звуковоспроизводящего устройства среднеквадратичным милливольтметром либо анализатором спектра. Современные усилители и другая высококачественная аудиоаппаратура имеет показатель сигнал/шум около 100-120 дБ.

Бел (сокращение: B) - безразмерная единица измерения отношения (разности уровней) некоторых величин по логарифмической шкале. Согласно ГОСТ 8.417-2002 бел определяется как десятичный логарифм безразмерного отношения физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную:

при для одноименных энергетических величин;

при для одноименных „силовых“ величин;

Бел не входит в систему единиц СИ, однако, по решению Генеральной конференции по мерам и весам, допускается его применение без ограничений совместно с СИ. В основном, применяется в акустике (где в белах измеряется громкость звука) и электронике. Русское обозначение - Б; международное - B.

Довольно часто в популярной радиотехнической литературе , в описании электронных схем употребляется единица измерения – децибел (дБ или dB).

При изучении электроники начинающий радиолюбитель привык к таким абсолютным единицам измерения как Ампер (сила тока), Вольт (напряжение и ЭДС), Ом (электрическое сопротивление) и многим другим, с помощью которых обозначают количественно тот или иной электрический параметр (ёмкость , индуктивность, частоту).

Начинающему радиолюбителю, как правило, не составляет особого труда разобраться, что такое ампер или вольт. Тут всё понятно, есть электрический параметр или величина, которую нужно измерить . Есть начальный уровень отсчёта, который принимается по умолчанию в формулировке данной единицы измерения. Есть условное обозначение этого параметра или величины (A, V). И вправду, как только мы читаем надпись 12 V, то мы понимаем, что речь идёт о напряжении, аналогичном, например, напряжению автомобильной аккумуляторной батареи .

Но как только встречается надпись, к примеру: напряжение повысилось на 3 дБ или мощность сигнала составляет 10 дБм (10 dBm), то у многих возникает недоумение. Как это? Почему упоминается напряжение или мощность, а значение указывается в каких-то децибелах?

Практика показывает, что не многие начинающие радиолюбители понимают, что же такое децибел. Попытаемся развеять непроглядный туман над такой таинственной единицей измерения как децибел.

Единицу измерения под названием Бел стали впервые применять инженеры телефонной лаборатории Белла. Децибел является десятой частью Бела (1 децибел = 0,1 Бел). На практике широко используется как раз децибел.

Как уже говорилось, децибел, это особенная единица измерения. Стоит отметить, что децибел не является частью официальной системы единиц СИ. Но, несмотря на это, децибел получил признание и занял прочное место наряду с другими единицами измерения.

Вспомните, когда мы хотим объяснить какое-либо изменение, мы говорим, что, например, стало ярче в 2 раза. Или, например, напряжение упало в 10 раз. При этом мы устанавливаем определённый порог отсчёта, относительно которого и произошло изменение в 10 или 2 раза. С помощью децибел также измеряют эти “разы”, только в логарифмическом масштабе .

Например, изменение на 1 дБ, соответствует изменению энергетической величины в 1,26 раза. Изменение на 3 дБ соответствует изменению энергетической величины в 2 раза.

Но зачем так заморачиваться с децибелами, если отношения можно измерять в разах? На этот вопрос нет однозначного ответа. Но уж, поскольку, децибелы активно применяются, то наверняка это оправдано.

Причины для использования децибел всё-таки есть. Перечислим их.

Частично ответ на этот вопрос кроется в так называемом законе Вебера-Фехнера . Это эмпирический психофизиологический закон, т.е основан он на результатах реальных, а не теоретических экспериментов. Суть его заключается в том, что любые изменения каких-либо величин (яркости, громкости, веса) ощущаются нами при условии, если эти изменения носят логарифмический характер.

График зависимости ощущения громкости от силы (мощности) звука. Закон Вебера-Фехнера

Так, например, чувствительность человеческого уха уменьшается с ростом уровня громкости звукового сигнала. Именно поэтому, при выборе переменного резистора , который планируется применить в регуляторе громкости звукового усилителя стоит брать с показательной зависимостью сопротивления от угла поворота ручки регулятора. В этом случае, при повороте движка регулятора громкости звук в динамике будет нарастать плавно. Регулировка громкости будет линейной, так как показательная зависимость регулятора громкости компенсирует логарифмическую зависимость нашего слуха и в сумме станет линейной. При взгляде на рисунок это станет более понятно.

Зависимость сопротивления переменного резистора от угла поворота движка (А-линейная, Б-логарифмическая, В-показательная)

Здесь показаны графики зависимости сопротивления переменных резисторов разных типов: А – линейная, Б – логарифмическая, В – показательная. Как правило, на переменных резисторах отечественного производства указывается, какой зависимостью обладает переменный резистор. На тех же принципах основаны цифровые и электронные регуляторы громкости.

Также стоит отметить, что человеческое ухо воспринимает звуки, мощность которых различается на колоссальную величину в 10 000 000 000 000 раз! Таким образом, самый громкий звук отличается от самого тихого, который может уловить наш слух, на 130 дБ (10 000 000 000 000 раз).

Вторая причина широкого использования децибел является простота вычислений.

Согласитесь, что куда проще при вычислениях использовать небольшие числа вроде 10, 20, 60,80,100,130 (наиболее часто используемые числа при расчёте в децибелах) по сравнению с числами 100 (20 дБ), 1000 (30 дБ), 1000 000 (60 дБ),100 000 000 (80 дБ),10 000 000 000 (100 дБ), 10 000 000 000 000 (130 дБ). Ещё одним достоинством децибел является то, что их просто суммируют. Если проводить вычисления в разах, то числа необходимо умножать.

Например, 30 дБ + 30 дБ = 60 дБ (в разах: 1000 * 1000 = 1000 000). Думаю, с этим всё ясно.

Также децибелы очень удобны при графическом построении различных зависимостей. Все графики вроде диаграмм направленности антенн, амплитудно-частотных характеристик усилителей выполняют с применением децибел.

Децибел является безразмерной единицей измерения . Мы уже выяснили, что децибел на самом деле показывает, во сколько раз возросла, либо уменьшилась какая-либо величина (ток, напряжение, мощность). Отличие децибел от разов заключается лишь в том, что происходит измерение по логарифмическому масштабу. Чтобы это как-то обозначить и приписывают обозначение дБ . Так или иначе, при оценке приходится переходить от децибел к разам. Сравнивать с помощью децибел можно любые единицы измерения (не только ток, напряжение и проч.), так как децибел является относительной, безразмерной величиной.

Если указывается знак “-”, например, –1 дБ , то значение измеряемой величины, например, мощности, уменьшилось в 1,26 раз. Если перед децибелами не ставят никакого знака, то речь идёт об увеличении, росте величины. Это стоит учитывать. Иногда вместо знака “-” говорят о затуханиях, снижении коэффициента усиления.

Переход от децибел к разам.

На практике чаще всего приходится переходить от децибел к разам. Для этого есть простая формула:

Внимание! Данные формулы применяются для так называемых “энергетических” величин. Таких как энергия и мощность.

m = 10 (n / 10) ,где m – отношение в разах, n – отношение в децибелах.

Например, 1дБ равен 10 (1дБ / 10) = 1,258925…= 1,26 раза.

Аналогично,

при 20 дБ: 10 (20дБ / 10) = 100 (увеличение величины в 100 раз)

при 10 дБ: 10 (10дБ / 10) = 10 (увеличение в 10 раз)

Но, не всё так просто. Есть и подводные камни. Например, затухание сигнала составляет -10 дБ. Тогда:

при -10 дБ: 10 (-10дБ / 10) = 0,1

Если мощность с 5 Вт уменьшилась до 0,5 Вт, то снижение мощности равно -10 дБ (уменьшению в 10 раз).

при -20 дБ: 10 (-20дБ / 10) = 0,01

Здесь аналогично. При снижении мощности с 5 Вт до 0,05 Вт, в децибелах падение мощности составит -20 дБ (уменьшению в 100 раз).

Таким образом, при -10 дБ мощность сигнала уменьшилась в 10 раз! При этом если мы перемножим начальную величину сигнала на 0,1 ,то и получим значение мощности сигнала при затухании в -10 дБ. Именно поэтому значение 0,1 и указано без "разов", как в предыдущих примерах. Учитывайте эту особенность при подстановке в данные формулы значений децибел со знаком "-".

Переход от разов к децибелам можно осуществить по следующей формуле:

n = 10 * log 10 (m) ,где n – значение в децибелах, m – отношение в разах.

Например, рост мощности в 4 раза будет соответствовать значению в 6,021 дБ.

10 * log 10 (4) = 6,021 дБ.

Внимание! Для пересчёта отношений таких величин как напряжение и сила тока существуют немного иные формулы:

(Сила тока и напряжение, это так называемые “силовые” величины. Поэтому и формулы отличаются.)

Для перехода к децибелам: n = 20 * log 10 (m)

Для перехода от децибел к разам: m = 10 (n / 20)

n – значение в децибелах, m – отношение в разах.

Если Вы успешно дошли до этих строк, то считайте, что сделали ещё один весомый шаг в освоении электроники!

]Обычно, децибелами принято измерять громкость звука. Децибел – это десятичный логарифм. Это значит, что увеличение громкости на 10 децибел показывает, что звук стал в два раза громче, чем изначальный. Громкость звука в децибелах обычно описывается формулой 10Log 10 (I/10 -12) , где I - интенсивность звука в ваттах/метр квадратный.

Шаги

Сравнительная таблица уровней шума в децибелах

В приведенной ниже таблице описаны уровни децибел в порядке возрастания, и соответствующие им примеры источников звука. Также предоставлена информация о негативных последствиях для слуха напротив каждого уровня шума.

Измерение уровня звука с помощью приборов

Используйте ваш компьютер. Со специальными программами и оборудованием, несложно измерить уровень шума в децибелах прямо на компьютере. Ниже перечислены только некоторые способы, как это можно сделать. Обратите внимание, что использование более качественного записывающего оборудования всегда даст лучший результат; другим словами, микрофона встроенного в ваш ноутбук может быть достаточно для некоторых задач, но высококачественный внешний микрофон даст более точный результат.

1. Используйте мобильное приложение. Для измерения уровня звука в любом месте, мобильные приложения придутся как нельзя кстати. Микрофон на вашем мобильном устройстве скорее всего не даст такого качества, как внешний микрофон, подключенный к компьютеру, но он может быть на удивление точным. Например, точность считывания на мобильном телефоне вполне может отличаться на 5 децибел от профессионального оборудования. Ниже приведен список программ для считывания уровня звука в децибелах для разных мобильных платформ:

   • Для устройств Apple: Decibel 10th, Decibel Meter Pro, dB Meter, Sound Level Meter
   • Для устройств на Android: Sound Meter, Decibel Meter, Noise Meter, deciBel
   • Для телефонов на Windows: Decibel Meter Free, Cyberx Decibel Meter, Decibel Meter Pro

2. Используйте профессиональный измеритель децибел. Обычно это недешево, но, возможно, это самый простой способ получить точные измерения уровня звука, который вас интересует. Также такое устройство называют "измеритель уровня звука", это специализированное устройство (можно купить в интернет-магазине или специализированных магазинах), которые использует чувствительный микрофон для измерения уровня шума вокруг и выдает точное значение в децибелах. Так как подобные устройства не пользуются большим спросом, они можно быть достаточно дорогими, зачастую цены на них начинаются с $200 даже за устройства начального класса.

   • Обратите внимание, что измеритель децибел/уровня звука может называть несколько иначе. Например, другое похожее устройство под названием "измеритель шума" делает то же самое, что и измеритель уровня звука.

   Математическое вычисление децибел

   1. Узнайте интенсивность звука в ваттах/метр квадратный. В повседневной жизни, децибелы применяются как простая мера громкости. Однако, все не так просто. В физике децибелы часто рассматривают как удобный способ выражения "интенсивности" звуковой волны. Чем больше амплитуда звуковой волны, тем больше энергии она передает, тем больше частиц воздуха колеблется на ее пути, и тем интенсивнее сам звук. Из-за прямой связи между интенсивностью звуковой волны и громкостью в децибелах, есть возможность найти значение децибел, зная только интенсивность уровня звука (которая обычно измеряется в ваттах/метр квадратный)

      • Заметьте, что для обычных звуков значение интенсивности очень мало. Например, звук с интенсивностью 5 ×10 -5 (или 0.00005) ватт/метр квадратный соответствует приблизительно 80 децибелам, что приблизительно соответствует громкости блендера или кухонного комбайна.
      • Для лучшего понимания отношения между интенсивностью и уровнем децибел, давайте решим одну задачу. Для примера возьмем такую: давайте считать, что мы – звукорежиссеры, и нам нужно опередить уровень фонового шума в студии звукозаписи, чтобы улучшить качество записываемого звука. После установки оборудования, мы зафиксировали фоновый шум интенсивностью 1 × 10 -11 (0.00000000001) ватт/метр квадратный . Далее используя эту информацию мы можем вычислить уровень фонового шума студии в децибелах.

   2. Поделите на 10 -12 . Если вы знаете интенсивность вашего звука, вы можете легко подставить ее в формулу 10Log 10 (I/10 -12) (где "I" – интенсивность в ваттах/метр квадратный) чтобы получить значение в децибелах. Для начала поделите 10 -12 (0.000000000001). 10 -12 отображает интенсивность звука с оценкой 0 на шкале децибел, сравнивая интенсивность вашего звука с этим числом, вы найдете его отношение к начальному значению.

      • В нашем примере мы разделили значение интенсивности 10 -11 на 10 -12 и получили 10 -11 /10 -12 = 10 .

   3. Вычислим Log 10 от этого числа и умножим его на 10. Чтобы закончить решение, вам осталось лишь взять логарифм по основанию 10 от получившегося числа и затем, наконец, умножить его на 10. Это подтверждает, что децибелы – это логарифмическое значение по основанию 10 – другими словами, увеличение уровня шума на 10 децибел говорит об удвоении громкости звука.

      • Наш пример легко решить. Log 10 (10) = 1. 1 ×10 = 10. Поэтому, значение фонового шума в нашей студии равняется 10 децибел . Это достаточно тихо, но все еще улавливаемо нашим высококачественным звукозаписывающим оборудованием, потому нам, вероятно, нужно устранить источник шума для достижения более высокого качества записи.

   4. Понимание логарифмической природы децибел. Как было сказано выше, децибелы – это логарифмические значения с основанием 10. Для любого данного значения децибел, шум на 10 децибел большой – громче изначального в два раза, а шум больший на 20 децибел – в четыре раза и так далее. Это дает возможность обозначить большой промежуток интенсивностей звука, которые могут быть восприняты человеческим ухом. Самый громкий звук, который человек может услышать, не испытывая боли – в миллиард раз более громкий, чем самый тихий звук, который человек может услышать. Используя децибелы, мы избегаем использования огромных чисел для описания обычных звуков - вместо этого нам достаточно трех цифр.

      • Подумайте, что проще использовать: 55 децибел или 3 × 10 -7 ватт/квадратный метр? Оба значения равны, но вместо использования научной формы записи (в виде очень малой доли числа), гораздо удобнее использовать децибелы, которые являются своего рода простым сокращением для легкого повседневного использования.

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.