Единица уровня шума децибел определение. Допустимые нормы шума, или сколько децибел в …? Как измеряется шум

Глава из книги английского инженера Руперта Тейлора «Шум», R. Taylor «Noise»

В наше время все уже что-то слышали о «децибелах», но почти никто не знает, что это такое. Децибел представляется чем-то вроде акустического эквивалента «свечи» – единицы силы света – и кажется связанным со звоном колокольчиков (bell – в переводе с английского означает колокол, колокольчик). Однако это совсем не так: свое название децибел получил в честь Александера Грейама Белла – изобретателя телефона.

Децибел не только не единица измерения звука, он вообще не является единицей измерения, во всяком случае в том смысле, как, например, вольты, метры, граммы и т. д. Если угодно, в децибелах можно измерить даже длину волос, чего никак нельзя сделать в вольтах. По-видимому, все это звучит несколько странно, так что попытаемся дать разъяснение. Вероятно, никто не удивится, если я скажу, что расстояние от Лондона до Инвернесса в двадцать раз больше, чем от моего дома до Лондона. Я могу выразить любое расстояние, сравнивая его с расстоянием от моего дома до Лондона, скажем до площади Пикадилли Расстояние от Лондона до Джон-о"Тротса в двадцать шесть раз больше, чем это последнее расстояние, а до Австралии – в 500 раз. Но это не означает, что Австралия удалена от чего бы то ни было на 500 единиц. Все приведенные числа выражают только отношения величин.

Одна из измеримых характеристик звука – это количество заключенной в нем энергии; интенсивность звука в любой точке можно измерить как поток энергии, приходящейся на единичную площадку, и выразить, например, в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2). При попытке записать в этих единицах интенсивность обычных шумов сразу же возникают трудности, так как интенсивность наиболее тихого звука, доступного восприятию человека с самым острым слухом, равна приблизительно 0,000 000 000 001 Вт/м 2 . Один из наиболее громких звуков, с которым мы сталкиваемся уже не без риска вредных последствий, – это шум реактивного самолета, пролетающего на расстоянии порядка 50 м. Его интенсивность составляет около 10 Вт/м 2 . А на расстоянии 100 м от места запуска ракеты «Сатурн» интенсивность звука заметно превышает 1000 Вт/м 2 . Очевидно, что оперировать числами, выражающими интенсивности звука, лежащие в столь широком диапазоне, очень трудно, независимо от того, представляем ли мы их в единицах энергии или даже в виде отношений. Существует простой, хотя и не вполне очевидный выход из данного затруднения. Интенсивность самого слабого слышимого звука равна 0,000 000 000 001 Вт/м 2 . Математики предпочтут записать это число таким образом: 10 -12 Вт/м2. Если кому-либо такая запись непривычна, напомним, что 10 2 это 10 в квадрате, или 100, а 10 3 это 10 в кубе, или 1000. Аналогично 10 -2 означает 1/10 2 , или 1/100, или 0,01, а 10 -3 это 1/10 3 , или 0,001. Умножить любое число на 10 x – значит х раз умножить его на 10.

Пытаясь найти наиболее удобный способ выражения интенсивностей звука, попробуем представить их в виде отношений, приняв за эталонную интенсивность величину 10 -12 Вт/м2. При этом будем отмечать, сколько раз нужно умножить эталонную интенсивность на 10 для того, чтобы получить заданную интенсивность звука. Например, шум реактивного самолета в 10 000 000 000 000 (или в 10 13) раз превышает наш эталон, то есть этот эталон необходимо 13 раз умножить на 10. Такой способ выражения позволяет значительно уменьшить значения чисел, выражающих гигантский диапазон звуковых интенсивностей; если мы обозначим однократное увеличение в 10 раз как 1 бел, то получим «единицу» для выражения отношений. Так, уровень шума реактивного самолета соответствует 13 белам. Бел оказывается слишком большой величиной; удобнее пользоваться более мелкими единицами, десятыми долями бела, которые и называют децибелами. Таким образом, интенсивность шума реактивного двигателя равна 130 децибелам (130 дБ), но во избежание путаницы с каким-либо другим эталоном интенсивности звука следует указать, что 130 дБ определяется относительно эталонного уровня 10 -12 Вт/м 2 .

Если отношение интенсивности данного звука к эталонной интенсивности выражается каким-нибудь менее круглым числом, например 8300, перевод в децибелы окажется не таким простым. Очевидно, число умножений на 10 будет больше 3 и меньше 4, но для точного определения этого числа необходимы длительные вычисления. Как обойти такое затруднение? Оказывается, весьма просто, поскольку все отношения, выраженные в единицах «десятикратных увеличений», давно вычислены – это логарифмы.

Любое число можно представить как 10 в какой-то степени: 100 это 10 2 и, следовательно, 2 – это логарифм 100 при основании 10; 3 – логарифм 1000 при основании 10 и, что менее очевидно, 3,9191 – логарифм 8300. Нет необходимости все время повторять «при основании 10», потому что 10 – самое распространенное основание логарифма, и если нет другого указания, то подразумевается именно это основание. В формулах эта величина записывается как log10 или lg.

Пользуясь определением децибела, можем теперь записать уровень интенсивности звука в виде:

Например, при интенсивности звука в 0,26 (2,6×10 -1) Вт/м 2 уровень интенсивности в дБ относительно эталона 10 -12 Вт/м 2 равен

Но логарифм 2,6 равен 0,415; следовательно, окончательный ответ выглядит так:

10 × 11,415 = 114 дБ (с точностью до 1 дБ)

Не следует забывать, что децибелы не являются единицами измерения в том смысле слова, как, например, вольты или омы, и что соответственно с ними приходится обращаться иначе. Если две аккумуляторные батареи по 6 В (вольт) соединить последовательно, то разность потенциалов на концах цепи составит 12 В. А что получится, если к шуму в 80 дБ добавить еще шум в 80 дБ? Шум общей интенсивностью в 160 дБ? Никак нет – ведь при удвоении числа его логарифм возрастает на 0,3 (с точностью до двух десятичных знаков). Тогда при удвоении интенсивности звука уровень интенсивности увеличивается на 0,3 бела, то есть на 3 дБ. Это справедливо для любого уровня интенсивности: удвоение интенсивности звука приводит к увеличению уровня интенсивности на 3 дБ. В табл. 1 показано, как увеличивается уровень интенсивности, выраженный в децибелах, при сложении звуков различной интенсивности.

Таблица № 1

Теперь, разрешив тайну децибела, приведем несколько примеров.

Уровень шума в децибелах

В табл. 2 дан перечень типичных шумов и уровни их интенсивности в децибелах.

Таблица № 2

Интенсивность типичных шумов
Примерный уровень звукового давления, дБА	Источник звука и расстояние до него
160	Выстрел из ружья калибра 0,303 вблизи уха
150	Взлет лунной ракеты, 100 м
140	Взлет реактивного самолета, 25 м
120	Машинное отделение подводной лодки
100	Очень шумный завод
90	Тяжелый дизельный грузовик,7 м; Дорожный перфоратор (незаглушенный),7 м
80	Звон будильника, 1 м
75	В железнодорожном вагоне
70	В салоне небольшого автомобиля, движущегося со скоростью 50 км/ч; Квартирный пылесос, 3 м
65	Машинописное бюро; Обычный разговор, 1 м
40	Учреждение, где нет специальныхисточников шума
35	Комната в тихой квартире
25	Сельская местность, расположенная вдали от дорог

Каким образом можно определить интенсивность данного звука? Это довольно сложная задача; значительно легче измерить колебания давления в звуковых волнах. В табл. 3 приведены значения звукового давления для звуков различной интенсивности. Из этой таблицы видно, что диапазон звуковых давлений не так широк, как диапазон интенсивностей: давление возрастает вдвое медленнее, чем интенсивность. При удвоении звукового давления энергия звуковой волны должна увеличиться в четыре раза – тогда соответственно увеличится скорость частиц среды. Поэтому, если мы измерим звуковое давление, как и интенсивность, в логарифмическом масштабе и, кроме того, введем множитель 2, получим те же величины для уровня интенсивности. Например, звуковое давление самого слабого из слышимых звуков равно примерно 0,00002 Н (ньютона)/м 2 , а в кабине дизельного грузовика оно составляет 2 Н/м 2 , следовательно, уровень интенсивности шумов в кабине равен

Таблица № 3

Выражая уровень звукового давления в децибелах, следует помнить, что при увеличении давления вдвое прибавляется 6 дБ. Если в кабине дизельного грузовика шум достигнет 106 дБ, то звуковое давление удвоится и составит 4 Н/м 2 , а интенсивность увеличится в четыре раза и достигнет 0,04 Вт/м 2 .

Мы много говорили о мере интенсивности звука, но совершенно не касались практических методов измерения этой величины. К доступным для измерения характеристикам звуковой волны относятся интенсивность, давление, скорость и смещение частиц. Все эти характеристики непосредственно связаны друг с другом, и, если удается измерить хотя бы одну из них, остальные можно вычислить.

Нетрудно увидеть или почувствовать на ощупь колебание легких предметов, оказавшихся на пути звуковой волны. На этом явлении основан принцип действия осциллографа – самого старого вида шумомера. Осциллограф состоит из диафрагмы, к центру которой прикреплена тонкая нить, механической системы для усиления колебаний, и пера, записывающего на бумажной ленте смещения диафрагмы. Такие записи напоминают «волнистые линии», о которых мы говорили в предыдущей главе.

Этот прибор был крайне малочувствителен и годился только для подтверждения акустических теорий ученых того времени. Инерция механических деталей предельно ограничивала частотную характеристику и точность прибора. Замена механического усилителя оптической системой и использование фотографического метода регистрации сигналов позволили значительно снизить инерционность прибора. В усовершенствованном таким образом устройстве нить диафрагмы наматывалась на вращающийся барабан, закрепленный на оси, к которой прикреплялось зеркальце, вращающееся вместе с барабаном. На зеркальце падал луч света; при поворотах зеркальца то в одну, то в другую сторону, происходивших в результате колебаний мембраны, луч отклонялся, и эти отклонения можно было записывать на светочувствительную бумагу. И только с развитием электроники были разработаны более или менее точные измерительные приборы, а для конструирования современного портативного шумомера пришлось дожидаться изобретения транзисторов.

По существу, современный шумомер – это электронный аналог старого механического устройства. Первым шагом в процессе измерения служит преобразование звукового давления в изменения электрического напряжения; это преобразование производит микрофон. В настоящее время в таких приборах применяют микрофоны самых различных типов: конденсаторные, с движущейся катушкой, кристаллические, ленточные, с нагретой проволокой, с сегнетовой солью – это лишь малая часть всех типов микрофонов. В нашей книге мы не будем рассматривать принципы их действия.

Все микрофоны выполняют одну и ту же основную функцию, и большинство из них снабжено мембраной, того или иного вида, которая приводится в колебания изменениями давления в звуковой волне. Смещения мембраны вызывают соответствующие изменения напряжения на зажимах микрофона. Следующий шаг в измерении – усиление, а затем выпрямление переменного тока и заключительная операция – подача сигнала на вольтметр, откалиброванный в децибелах. В большинстве таких приборов вольтметром измеряются не максимальные, а «среднеквадратичные значения» сигнала, то есть результат определенного вида усреднения, которым пользуются чаще, чем максимальными значениями.

Обычным вольтметром нельзя охватить огромный диапазон звуковых давлений и поэтому в той части устройства, где происходит усиление сигнала, имеется несколько цепей, различающихся по усилению на 10 дБ, которые можно включать последовательно одну за другой. Однако до сих пор еще широко применяют усовершенствованную модель старого осциллографа. В электронно-лучевом осциллоскопе проблема инерционности, свойственная механическому осциллографу, полностью исключена, так как масса электронного луча пренебрежимо мала, и он легко отклоняется электромагнитным полем и рисует на экране кривую колебаний напряжения, подаваемого на прибор.

Полученная осциллографическая запись применяется для математического анализа формы звуковой волны. Осциллоскопы также чрезвычайно полезны и при измерении импульсных шумов. Как мы уже говорили, обычный шумомер непрерывно определяет среднеквадратичные значения сигнала. Но, например, звуковой хлопок или орудийный выстрел не порождают непрерывный шум, а создают единичный, очень мощный, иногда опасный для слуха импульс давления, который сопровождается постепенно затухающими колебаниями давления (рис. 13). Начальный скачок давления может повредить слух или разбить оконное стекло, но так как он единичен и кратковременен, то среднеквадратичная величина не будет для него характерна и может только привести к недоразумению. Хотя для измерения импульсных звуков существуют специальные шумомеры, большая часть их не сможет зарегистрировать полностью среднеквадратичную величину импульса просто потому, что они не успевают сработать. Вот здесь осциллоскоп и демонстрирует свои преимущества, мгновенно вычерчивая точную кривую подъема давления, так что максимальное давление в импульсе можно измерить прямо на экране.

Рис. 13. Типичный импульсный шум

Возможно, одним из наиболее существенных вопросов акустики является зависимость поведения звука от его частоты. Нижняя частотная граница восприятия звука человеком составляет около 30 Гц, а верхняя – не выше 18 кГц; поэтому шумомер должен был бы регистрировать звуки в том же диапазоне частот. Но тут возникает серьезное затруднение. Как мы увидим в следующей главе, чувствительность человеческого уха для различных частот далеко не одинакова; так, например, чтобы звуки с частотой 30 Гц и 1 кГц звучали одинаково громко, уровень звукового давления первого из них должен быть на 40 дБ выше, чем второго. И следовательно, показания шумомера сами по себе еще не многого стоят.

Этой проблемой занялись специалисты по электронике, и современные шумомеры снабжены корректирующими контурами, состоящими из отдельных цепочек, подключая которые можно снизить чувствительность шумомера к низкочастотным и очень высокочастотным звукам и тем самым приблизить частотные характеристики прибора к свойствам человеческого уха. Обычно шумомер содержит три корректирующих контура, обозначаемых А, В и С; наиболее полезна коррекция А; коррекцию В применяют лишь изредка; коррекция С мало влияет на чувствительность в диапазоне 31,5 Гц - 8 кГц. В некоторых типах шумомеров используется еще коррекция D, которая позволяет считывать показания прибора прямо в единицах PN дБ, применяемых для измерения шума самолетов. Точный расчет PN дБ весьма сложен, но для высоких уровней шума уровень в единицах PN дБ равен уровню в дБ, измеренному шумомером с коррекцией D, плюс 7 дБ; в большинстве случаев шум реактивных самолетов, выраженный в PN дБ, приблизительно равен уровню в дБ, измеренному шумомером с коррекцией А, плюс 13 дБ.

В настоящее время почти повсеместно уровень шума принимают равным уровню, измеренному в дБ при помощи шумомера с коррекцией А, и выражают его в единицах дБА. Хотя человеческое ухо воспринимает звук несравненно более утонченно, чем шумомер, и поэтому звуковые уровни, выраженные в дБА, ни в коей мере не соответствуют точно физиологической реакции, но простота этой единицы делает ее чрезвычайно удобной для практического применения.

Важнейший недостаток измерения громкости в дБА состоит в том, что при этом наша реакция на звуки низкой частоты недооценивается и совершенно не учитывается повышенная чувствительность уха к громкости чистых тонов.

К числу достоинств шкалы дБА следует, в частности, отнести то обстоятельство, что здесь, как мы увидим в следующей главе, удвоение громкости грубо соответствует увеличению уровня шума на 10 дБА. Однако даже эта шкала дает не более чем грубое указание на роль частотного состава шума, а так как эта характеристика шума часто чрезвычайно важна, то результаты измерений, проведенных с помощью шумомера, приходится дополнять данными, полученными при использовании других приборов.

Частоты, как и интенсивности, измеряют в логарифмическом масштабе, причем за основу принимают ступени удвоения числа колебаний в секунду. Так как, однако, диапазон частот менее широк, чем диапазон интенсивностей, число десятикратных увеличений не подсчитывают, десятичными логарифмами не пользуются и частоты звука всегда выражают числом колебаний, или циклов в секунду. За единицу частоты принимают одно колебание в секунду, или 1 герц (Гц). Определение интенсивности звука для каждой частоты потребовало бы бесконечного числа измерений. Поэтому, как и в музыкальной практике, весь диапазон разделяют на- октавы. Самая большая частота в каждой октаве в два раза превышает самую малую. Первый, наиболее простой этап частотного анализа звука - измерение уровня звукового давления в пределах каждой из 8 или 11 октав, в зависимости от интересующего нас диапазона частот; при измерении сигнал с выхода шумомера поступает на набор октавных фильтров, или на октавный полосовой анализатор. Слово «полоса» указывает на тот или иной участок частотного спектра. Анализатор содержит 8 или 11 электронных фильтров. Эти устройства пропускают только те частотные компоненты сигнала, которые лежат в пределах их полосы. Включая фильтры по одному, можно последовательно измерить уровень звукового давления в каждой полосе непосредственно при помощи шумомера. Но во многих случаях даже октавные анализаторы не дают достаточных сведений о сигнале, и тогда прибегают к более детальному анализу, применяя фильтры в половину или в одну треть октавы. Для получения еще более детального анализа используют узкополосные анализаторы, которые «разрезают» шум на полосы постоянной относительной ширины, например 6 % от средней частоты полосы или на полосы шириной в определенное число герц, например 10 или 6 Гц. Если в шумовом спектре присутствуют чистые тоны, что случается нередко, их частоту и амплитуду можно установить точно с помощью анализатора дискретных частот.

Обычно звукоанализирующая аппаратура очень громоздка, и поэтому ее применение ограничивается рамками лабораторий. Весьма часто звук, подлежащий исследованию, через микрофон и усилительные цепи шумомера записывают на высококачественный портативный магнитофон, применяя для калибровки контрольные сигналы; затем запись проигрывают уже в лаборатории, подавая сигнал на анализатор, который автоматически вычерчивает частотный спектр на бумажной ленте. На рис. 14 изображены спектры типичного шума, полученные с помощью октавного, третьоктавного и узкополосного (полоса 6 Гц) анализаторов.

Рис. 14. Анализ звука с помощью октавного и третьоктавного фильтров и фильтра с шириной полосы 6 Гц.

Однако, чтобы измерить шум, еще недостаточно знать уровень громкости и частоту звука. Если говорить о шуме окружающей среды, то он складывается из множества отдельных шумов различного происхождения: это шумы уличного движения, самолетов, промышленные шумы, а также шумы, возникающие в результате других видов деятельности человека. Если попытаться измерить уровень шума на улице обычным шумомером, то окажется, что это чрезвычайно сложная задача: стрелка шумомера будет непрерывно колебаться в очень широких пределах. Что же следует принять за уровень шума? Максимальный отсчет? Нет, эта цифра слишком высока и непоказательна. Средний уровень? Это было бы возможно, но крайне трудно оценить среднюю величину для какого-то определенного промежутка времени, а чтобы удерживать стрелку в пределах шкалы, придется непрерывно менять ступени усиления шумомера.

Таблица № 4

Существуют два общепринятых метода учета флуктуации уровня шума, позволяющие выражать этот уровень в численной мере. В первом методе используют так называемый анализатор статистического распределения. Это устройство регистрирует относительную долю времени, в течение которого измеряемый уровень шума находится в пределах каждой из ступеней шкалы, расположенных, например, через каждые 5 дБ. Результаты таких измерений показывают, в течение какой доли полного времени был превышен каждый из звуковых уровней. Нанеся на график числа, представленные в табл. 4, соединив точки плавной линией и установив уровни, которые были превышены в течение 1, 10, 50, 90 и 99 % времени, мы сможем дать удовлетворительное описание «шумового климата». Указанные уровни обозначаются так: L1, L10, L50, L90 и L99. L1 дает представление о максимальном значении уровня шума, L10 – это характерный высокий уровень, тогда как L90 как бы показывает шумовой фон, то есть уровень, до которого снижается шум при наступлении временного затишья. Большой интерес представляет разность между значениями L10 и L90; она указывает, в каких пределах в каждом данном месте варьируется уровень шума, а чем больше колебания шума, тем сильнее его раздражающее воздействие. Впрочем, уровень L10 и сам по себе служит хорошим показателем беспокоящего действия транспортного шума; этот показатель широко применяется при измерении и прогнозирования транспортного шума, и с его учетом определяют размеры государственной компенсации жертвам шума новых автострад и дорог (см. гл. 11). Итак, L10 – это уровень звука, выраженный в дБА, который превышается в течение точно десяти процентов от полного времени измерений.

Обычно транспортный шум флуктуирует вполне определенным образом, поэтому уровень L10 служит самостоятельным достаточно удовлетворительным показателем шума, хотя только частично представляет статистическую картину шума. Если же шумы меняются беспорядочно, как, например, это происходит при наложении друг на друга железнодорожных, промышленных и иногда самолетных шумов, распределение шумовых уровней сильно колеблется от точки к точке. В подобных случаях также желательно выразить все статистические данные одним числом. Были сделаны попытки изобрести формулу, включающую всю картину шума, включая и размах шумовых флуктуации. К таким показателям относятся «индекс транспортного шума» и «уровень шумового загрязнения», но самый распространенный показатель – это особого рода средняя величина, обозначаемая Lэкв. Она характеризует среднее значение энергии звука (в отличие от арифметического усреднения уровней, выраженных в дБ); иногда Lэкв называют эквивалентным уровнем непрерывного шума, потому что численно эта величина соответствует уровню такого строго стабильного шума, при котором за весь период измерения микрофон принял бы то же суммарное количество энергии, какое поступает в него при всех неравномерностях, всплесках и выбросах измеряемого флуктуирующего шума. В простейшем случае Lэкв составит, например 90 дБА, если уровень шума все время равнялся 90 дБА, или если половину времени измерения шум составлял 93 дБА, а остальное время полностью отсутствовал. Действительно, так как удвоение интенсивности или энергии шума приводит к увеличению его уровня на 3 дБ, то для того, чтобы при удвоении интенсивности шума сохранить постоянным общее количество энергии, следует вдвое уменьшить время его действия. Аналогично ту же величину Lэкв = 90 дБА мы получим при уровне шума 100 дБА, если он действует в течение одной десятой того же промежутка времени. Измерение расхода электроэнергии при помощи электросчетчика производится подобным же образом. На практике периоды постоянного уровня шума и периоды полного его отсутствия встречаются не часто, и поэтому рассчитать Lэкв достаточно сложно. Здесь на помощь приходят таблицы распределения типа табл. 4, или специально сконструированные автоматические счетчики. Индекс Lэкв обладает двумя недостатками: при усреднении короткие всплески шума с высоким уровнем вносят больший вклад, чем периоды шума низкого уровня; кроме того, увеличение числа максимумов мало влияет на величину Lэкв. Например, если при усреднении за день шума от 100 поездов получается эквивалентный уровень Lэкв = 65 дБА, то при увеличении числа поездов вдвое Lэкв возрастает всего на 3 дБА. Для того чтобы величина Lэкв возросла так же, как при удвоении громкости (то есть как при увеличении уровня на 10 дБА) шума, создаваемого каждым из поездов, их число пришлось бы увеличить в 10 раз. И все же, несмотря на некоторую неполноценность, шкала Lэкв представляет собой наилучшую универсальную меру шума из всех имеющихся в настоящее время. В Англии она постепенно получит такое же распространение, какое имеет на континенте. Сейчас она уже применяется в Англии для измерения дозы шума, получаемой лицами, работающими в промышленности по найму.

Применяется и другая мера, по существу гораздо более сходная с Lэкв, чем может показаться на первый взгляд: это нормировочный индекс шума, к сожалению слишком хорошо знакомый тем, кто живет вблизи крупных аэропортов. Шкалу нормировочных индексов шума используют для характеристики среднемаксимальных уровней шума самолетов, выраженных в PN дБ (так называемый «воспринимаемый уровень звука», см. Акуст. словарь), а так как она начинается от уровня 80 PN дБ (около 67 дБА), то значение 80 вычитается из величины среднемаксимального уровня. Теоретически, если за время измерения шум производит только один самолет, величина этого индекса будет точно равняться среднемаксимальному уровню в PN дБ минус 80. При каждом удвоении числа самолетов следует прибавлять к этому числу 4,5 единицы, а не 3, как для шкалы Lэкв. Хотя формула этого индекса и выглядит несколько ошеломляюще, выше нам удалось фактически полностью его охарактеризовать. Если отдельные пиковые уровни шума самолетов различаются всего на несколько дБ, усредненную величину можно вычислить арифметически. В противном случае значения уровня шума, выраженные в дБ, придется обратно переводить в величины интенсивности, и здесь потребуются таблица логарифмов и светлая голова!

Существует множество других мер, шкал и индексов для измерения шума, включая фоны, соны, нои, различные производные PN дБ и ряд других критериев, не считая всех международных вариантов шкалы нормировочных индексов шума. Заниматься описанием других единиц и показателей нет необходимости. Следует отметить, что в США для измерения шума на рабочем месте принят показатель Lэкв, но при удвоении времени воздействия шума к его значению там прибавляют не 3 дБ, как в Европе, а 5 дБ. В остальном показатели дБА, L10 и Lэкв применяются одинаково во всем мире.

Прежде, чем перейти к результатам измерения шумовых характеристик кулеров фирмы Titan, остановимся поподробнее на задачах и методике этих исследований.

Актуальность

По мере увеличения производительности процессоров компьютеров, в том числе за счет увеличения количества активных элементов в чипе и увеличения рабочей частоты, растет и количество выделяемого процессором тепла. Это, в свою очередь, приводит к необходимости интенсификации охлаждения, что до недавнего времени, применительно к бытовым персональным компьютерам, достигалось за счет увеличения эффективной площади радиаторов и увеличения скорости вентилятора, обдувающего радиатор. Последнее приводит к существенному росту излучаемого шума. И вот уже во многих офисах с большим сосредоточением компьютеров шумность в помещении определяется не остатками шума, проникающего с улицы через герметичные пластиковые окна, а собственно самими компьютерами. А ведь шум один из важных факторов определяющих работоспособность человека! Возникает подсознательное желание убрать системный блок куда подальше.

Желая изменить ситуацию и находясь в условиях жесткой конкуренции, производители систем охлаждения начали внедрение в бытовые персональные компьютеры технологий, хорошо зарекомендовавших себя в профессиональной электронной аппаратуре различного применения. На рынке появились системы охлаждения, основанные на применении технологии теплоотводящих трубок и системы водяного охлаждения. Сравнительный анализ трех систем производства фирмы Titan Computer GmbH с точки зрения эффективности теплоотвода приведен в статье "Обзор кулеров фирмы Titan ". Были протестированы: Siberia – представитель традиционной системы охлаждения, Vanessa S и L-type система охлаждения на основе теплоотводящих трубок и водяной системы TWC-A04. Вопросы измерения шумовых характеристик вышеперечисленных систем будут рассмотрены в статье "Измерение шумовых характеристик систем охлаждения фирмы Titan".

Характеристики шума. Физическое и психологическое восприятие шума человеком.

В паспортных данных систем охлаждения или вентиляторов чаще всего приводится интегральная оценка уровня шума, измеренная в дБА, реже в дБ (читается, децибел). Это логарифмическая величина, определяющая уровень шума относительно порога слышимости звука человеком. Различие между дБ и дБА состоит в том, что в последнем случае равномерная характеристика чувствительности по частоте (например, как у идеального микрофона) корректируется с учетом слухового восприятия человека. При уровнях шума, излучаемых компьютерами, слуховое восприятие имеет повышенный порог чувствительности на нижних и верхних частотах с максимумом в пределах от 400 Гц до 4 кГц.

Шумность системы охлаждения существенно зависит от скорости вращения вентилятора и конструкции радиатора. Поэтому, если она комплектуется регулятором скорости вращения, то в спецификации указываются минимальный и максимальный уровень шума. Например, для системы охлаждения Siberia фирмы Titan Computer GmbH этот уровень при минимальной скорости вращения составляет менее 27 дБА, а при максимальной может достигать 45 дБА.

Уровень шума исправного современного компьютера находится в пределах от 35 до 50 дБА. Если в компьютере установлен плохо сбалансированный вентилятор, то он, особенно на первых минутах после включения, может достигать 55 дБА и более.

Человек, по понятным причинам, наиболее раздражительно относится к шуму в ночное время. С точки зрения санитарных норм для комфортного жилья, рекомендуемый уровень от оборудования систем вентиляции в это время, не должен превышать 25-35 дБА. Так, шум системы охлаждения Siberia при максимальной производительности на 10 дБА превышает санитарную норму. А превышение уровня звука на 10 дБА субъективно оценивается человеком, как увеличение громкости более чем в 2 раза! Таким образом, использование обычного компьютера ночью вряд ли можно назвать комфортным.

Если в помещении находится несколько компьютеров, то общий уровень шума нельзя получить путем алгебраического сложения от каждого. Например, если в помещении находится два компьютера, излучающие по 45 дБА каждый, то уровень шума составит 48 дБА, четыре компьютера обеспечат уровень шума 51 дБА и так далее.

Интегральная оценка уровня шума (в дБА или дБ) ничего не говорит о его спектральном распределении. Спектр шума обычно измеряют в спектральных полосах с центральными частотами 63 Гц; 125 Гц; 250 Гц; 500 Гц;1 кГц; 2 кГц; 4 кГц; 8 кГц. Также очень полезны измерения текущего спектра без усреднения по полосам, позволяющие выделить частотные составляющие, определяемые отдельно вращением вентилятора и составляющие, излучаемые при обтекании радиатора воздушным потоком. Анализ спектра шума позволяет оценить фактор его психологического влияния на человека. Зная его для системы охлаждения, можно прогнозировать и общий шум системного блока компьютера. Кроме того, анализ спектра необходим при выборе методов и материалов для пассивного и/или активного снижения шума.

Стандарты. Оборудование.

Вентиляторы систем охлаждения производства КНР сертифицируются по стандарту CNS 8T 53, который очень близок к стандарту DIN 45635. Сертификационные измерения проводятся в заглушенной, безэховой камере (в условиях свободного поля). Уровень собственного шума в камере и собственные шумы измерительного оборудования не должны превышать 15 дБА.

Этим требованиям соответствует большая звукомерная заглушенная камера ФГУП «Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева» . Звукомерная заглушенная камера (ЗЗК) предназначена для проведения акустических измерений в условиях свободного звукового поля. Здание камеры установлено на отдельном «плавающем» фундаменте для снижения уровней вибраций и низкочастотных шумовых помех; камера имеет двойные стены с воздушным зазором между ними.

Внутренние стены помещения ЗЗК облицованы поглощающим покрытием, изготовленным из клиновидных плит, состоящих из проклеенного негорючими смолами штапельного стекловолокна с удельным весом 150 кг/м 3 и длиной клиньев 1,5 м. Помещение ЗЗК имеет форму параллелепипеда, размеры которого составляют 11,7 х 8,7 х 11,0(h) м. При этом полезный объем составляет 1120 м 3 . Рабочий пол ЗЗК – это сетка из стального троса, расположенная на высоте 4 м от звукозаглушающего покрытия пола. Камера вместе с комплексом измерительной аппаратуры представляет собой измерительный стенд и проходит обязательную периодическую аттестацию органов по стандартизации.

В частности, проводится аттестация по определению отклонения поля звукового давления звукомерной заглушенной камеры от свободного поля. Оно должно соответствовать требованиям ГОСТ 12.1.024-81 «Шум. Определение шумовых характеристик источников шума в заглушенной камере. Точный метод». При этом измерения уровней звука проводятся в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами от 63 до 20000 Гц. Отклонения поля от свободного при этом не превышают ±1,5 дБ на краях частотного диапазона на расстояниях 4 м.

Методика измерения.

Система охлаждения размещается на рабочем столе в центре камеры и работает в стандартном положении без дополнительного препятствия для потока воздуха.

Уровень звукового давления измеряется с помощью прецизионного шумомера 2203 фирмы Брюль и Къер, установленного на расстоянии 1м от испытуемого объекта. Он укомплектован однодюймовым конденсаторным микрофоном 4145 и октавными фильтрами 1613. На фотографии 1 иллюстрируется измерение шумов системы охлаждения Vanessa S-type.

Большая звукомерная заглушенная камера ФГУП «Акустический институт имени академика Н.Н. Андреева». Измерение шумов Vanessa S-type.

Измерения шума производятся в октавных полосах с центральными частотами от 63 Гц до 8000 Гц и в дБА.

Если вентилятор снабжен регулятором скорости вращения, то измерения проводятся для трех режимов скорости вращения: High, Middle, Low.

В качестве примера, приведем результаты измерения шумовых характеристик кулера IH-3200С производства ICEHUMMER Corp. (). Его производительность достигает 90 м 3 /час при скорости вращения вентилятора 3000 оборотов/мин. С результатами тепловых измерений можно ознакомиться в статье Кулеры ICE HAMMER IH-3400WFCA и IH-3200C .

К сожалению, в конструкции кулера не предусмотрен регулятор скорости вращения вентилятора. Поэтому нами был использован регулятор скорости от Vanessa S-type. Распределение уровня звукового давления в октавных полосах в зависимости от положения регулятора скорости вращения представлено на рис.1.

Рис.1. Распределение уровня звукового давления системы охлаждения IH-3200С в октавных полосах частотах.

Максимум спектра шума вентилятора сосредоточен в полосе частот от 500 Гц до 4000Гц. Это не очень хорошо с точки зрения восприятия шума человеком, поскольку максимум в спектре попадает в область наибольшей чувствительности слуха 1000-2500 Гц. Если сравнивать IH-3200C и систему охлаждения фирмы Titan Computer GmbH Vanessa S-type, обладающую большей производительностью, то шум от продукта Titan будет восприниматься человеком менее раздражающее, благодаря тому, что его максимум спектра сдвинут в область более низких частот. Более подробно о шумовых характеристиках систем охлаждения фирмы Titan можно будет в ближайшее время узнать в статье "Измерение шумовых характеристик систем охлаждения фирмы Titan".

В таблице приведены результаты измерений уровня шума IH-3200С в дБА, при трех положениях регулятора скорости.

Таблица. Относительный уровень шума L, излучаемый IH-3200С .

Результаты измерений показали, что значение уровня шума измеренного образа совпадает со значением, заявленным производителем.

Физическая характеристика громкости звука - уровень звукового давления, в децибелах (дБ). «Шум» - это беспорядочное смешение звуков.

Максимально допустимые уровни звука (LАмакс, дБА) - больше "нормальных" на 15 децибел. Например, для жилых комнат квартир допустимый постоянный уровень звука в дневное время - 40 децибелов, а временный максимальный - 55.

Неслышный шум - звуки с частотами менее 16-20 Гц (инфразвук) и более 20 КГц (ультразвук). Низкочастотные колебания в 5-10 герц могут вызывать резонанс, вибрацию внутренних органов и влиять на работу мозга. Низкочастотные акустические колебания усиливают ноющие боли в костях и суставах у больных людей. Источники инфразвука: автомобили, вагоны, гром от молнии и т.д. Высокочастотные колебания вызывают нагрев тканей. Эффект зависит от силы звука, расположения и свойств его источников.

Сильно шуметь могут мощные вентиляторы на хлебопекарнях, мельницах и других предприятиях, где используется вытяжка, а ветер дует с их стороны - волнообразно увеличивает дальность распростанения. Возможная причина их шума - неправильная установка и сама конструкция, раздолбанные подшипники, нарушение центровки, элементарная изношенность оборудования. За это могут оштрафовать.

Высокочастотный звук и ультразвук с частотой 20-50 килогерц, с модуляцией на несколько герц - применяются для отпугивания птиц с аэродромов, животных (собак, например) и насекомых (комаров, мошкары).

На рабочих местах предельно допустимые эквивалентные уровни звука для прерывистого шума: максимальный уровень звука не должен превышать 110 дБА, а для импульсного шума - 125 дБАI. Запрещается даже кратковременное пребывание в зонах с уровнями звукового давления свыше 135 дБ в любой октавной полосе.

Шум, издаваемый компьютером, принтером и факсом в комнате без звукопоглощающих материалов - может превышать уровень 70 db. Поэтому не рекомендуется размещать много оргтехники в одном помещении. Слишком шумное оборудование должно выноситься за пределы помещения, где располагаются рабочие места.

Снизить уровень шума можно, если использовать шумопоглощающие материалы в качестве отделки помещения и занавески из плотной ткани. Помогут и противошумные бируши для ушей.

При возведении зданий и сооружений, в соответствии с современными, более жесткими требованиями звукоизоляции, должны применяться технологии и материалы, способные обеспечить надёжную защиту от шума.

Для пожарной сигнализации: уровень звукового давления полезного аудиосигнала, обеспечиваемый оповещателем, должен быть не менее 75 дБА на расстоянии 3 м от оповещателя и не более 120 dba в любой точке защищаемого помещения (п.3.14 НПБ 104-03).

Сирена большой мощности и корабельный ревун - давит больше 120-130 децибел.

Спецсигналы (сирены и "крякалки" - Air Horn), устанавливаемые на служебном транспорте, регламентируются ГОСТ Р 50574 - 2002. Уровень звукового давления сигнального устройства при подаче специального звук. сигнала, на расстоянии 2 метра по оси рупора, должен быть не ниже:

116 дБ(А) - при установке излучателя звука на крыше транспортного средства;

122 дБА - при установке излуч-ля в подкапотное пространство автотранспорта.

Изменения основной частоты должны быть от 150 до 2000 Гц. Продолжительность цикла - от 0, 5 до 6, 0 с.

Клаксон гражданского автомобиля, согласно ГОСТ Р 41.28-99 и Правил ЕЭК ООН №28, должен издавать непрерывный и монотонный звук с уровнем акустического давления не более 118 децибел. Такого порядка максимально допустимые значения - и для автосигнализации.

Если городской житель, привыкший к постоянному шуму, окажется на некоторое время в полной тишине (в сухой пещере, например, где уровень шума - менее 20 db), то он вполне может испытать депрессивные состояния вместо отдыха.

Прибор шумометр для измерения уровня звука, шума.

Для измерения уровня шума применяется прибор шумомер, который производят в разных модификациях: бытовые (ориентировочная цена - 3-4 т.р, диапазоны измерения: 30-130 дБ, 31, 5 Гц - 8 кГц, фильтры А и С), промышленные (интегрирующие и т.д.) Наиболее распространённые модели: SL, октава, svan. Для измерений инфразвуковых и ультразвуковых шумов применяются широкодиапазонные шумометры.

Звуки с низкой и высокой частотой кажутся тише, чем среднечастотные той же интенсивности. С учётом этого, неравномерную чувствительность человеческого уха к звукам разных частот модулируют с помощью специального электронного частотного фильтра, получая, в результате нормирования измерений, так называемый эквивалентный (по энергии, "взвешенный") уровень звука с размерностью дБА (дБ(А), то есть - с фильтром "А").

Человек может слышать звуки громкостью от 10-15 дБ и выше. Максимальный диапазон частот для человеческого уха - от 20 до 20 000 Гц. Лучше слышен звук с частотой 2-3 КГц (обычен в телефонах и по радио на СВ и ДВ диапазонах). С возрастом, воспринимаемый на слух звуковой диапозон сужается, особенно для высокочастотных звуков, уменьшаясь до 18 килогерц и менее.

В случае отсутствия на стенах помещений звукопоглощающих материалов (ковров, специальных покрытий), звук будет громче из-за многократного отражения (реверберации, то есть - эха от стен, потолка и мебели), что увеличит уровень шума на несколько децибел.

Шкала шумов (уровни звука, децибел), в таблице

Децибел, дБА	Характеристика	Источники звука
	Ничего не слышно
	Почти не слышно
	Почти не слышно	тихий шелест листьев
	Едва слышно	шелест листвы
	Едва слышно	шепот человека (на расстоянии 1 метр).
		шепот человека (1м)
		шепот, тиканье настенных часов. Допустимый максимум по нормам для жилых помещений ночью, с 23 до 7 ч.
	Довольно слышно	приглушенный разговор
	Довольно слышно	обычная речь. Норма для жилых помещений, с 7 до 23 ч.
	Довольно слышно	обычный разговор
	Отчётливо слышно	разговор, пишущая машинка
	Отчётливо слышно	Верхняя норма для офисных помещений класса А (по европейским нормам)
		Норма для контор
		громкий разговор (1м)
		громкие разговоры (1м)
		крик, смех (1м)
	Очень шумно	крик, мотоцикл с глушителем.
	Очень шумно	громкий крик, мотоцикл с глушителем
	Очень шумно	громкие крики, грузовой железнодорожный вагон (в семи метрах)
	Очень шумно	вагон метро (в 7 метрах снаружи или внутри вагона)
	Крайне шумно	оркестр, вагон метро (прерывисто), раскаты грома Максимально допустимое звуковое давление для наушников плеера (по европейским нормам)
	Крайне шумно	в самолёте (до 80-х годов ХХ столетия)
	Крайне шумно	вертолёт
	Крайне шумно	пескоструйный аппарат (1м)
	Почти невыносимо	отбойный молоток (1м)
	Почти невыносимо
	Болевой порог	самолёт на старте
	Контузия
	Контузия	звук взлетающего реактивного самолета
	Контузия	старт ракеты
	Контузия, травмы
	Контузия, травмы
	Шок, травмы	ударная волна от сверхзвукового самолёта
При уровнях звука свыше 160 децибел - возможен разрыв барабанных перепонок и лёгких, больше 200 - смерть

Громкость звука - уровень шума.

ЧТО ТАКОЕ ДЕЦИБЕЛЫ?

Универсальные логарифмические единицы децибелы широко используются при количественных оценках параметров различных аудио и видео устройств в нашей стране и за рубежом. В радиоэлектронике, в частности, в проводной связи, технике записи и воспроизведения информации децибелы являются универсальной мерой.

Децибел - не физическая величина, а математическое понятие

В электроакустике децибел служит по существу единственной единицей для характеристики различных уровней - интенсивности звука, звукового давления, громкости, а также для оценки эффективности средств борьбы с шумами.

Децибел - специфическая единица измерений, не схожая ни с одной из тех, с которыми приходится встречаться в повседневной практике. Децибел не является официальной единицей в системе единиц СИ, хотя, по решению Генеральной конференции по мерам и весам, допускается его применение без ограничений совместно с СИ, а Международная палата мер и весов рекомендовала включить его в эту систему.

Децибел - не физическая величина, а математическое понятие.

В этом отношении у децибел есть некоторое сходство с процентами. Как и проценты, децибелы безразмерны и служат для сравнения двух одноименных величин, в принципе самых различных, независимо от их природы. Следует отметить, что термин «децибел» всегда связывают только с энергетическими величинами, чаще всего с мощностью и, с некоторыми оговорками, с напряжением и током.

Децибел (русское обозначение - дБ, международное - dB) составляет десятую часть более крупной единицы - бела 1 .

Бел - это десятичный логарифм отношения двух мощностей. Если известны две мощности Р 1 и Р 2 , то их отношение, выраженное в белах, определяется формулой:

Физическая природа сравниваемых мощностей может быть любой - электрической, электромагнитной, акустической, механической, - важно лишь, чтобы обе величины были выражены в одинаковых единицах - ваттах, милливаттах и т. п.

Напомним вкратце, что такое логарифм. Любое положительное 2 число, как целое, так и дробное, можно представить другим числом в определенной степени.

Так, например, если 10 2 = 100, то 10 называют основанием логарифма, а число 2 - логарифмом числа 100 и обозначают log 10 100=2 или lg 100 = 2 (читается так: «логарифм ста при основании десять равен двум»).

Логарифмы с основанием 10 называются десятичными логарифмами и применяются чаще всего. Для чисел, кратных 10, этот логарифм численно равен количеству нулей за единицей, а для остальных чисел вычисляется на калькуляторе или находится по таблицам логарифмов.

Логарифмы с основанием е = 2,718... называются натуральными. В вычислительной технике обычно применяются логарифмы с основанием 2.

Основные свойства логарифмов:

Разумеется, эти свойства справедливы и для десятичных и натуральных логарифмов. Логарифмический способ представления чисел часто оказывается очень удобным, так как позволяет подменять умножение - сложением, деление - вычитанием, возведение в степень умножением, а извлечение корня - делением.

На практике бел оказался слишком крупной величиной, например, любые отношения мощностей в границах от 100 до 1000 укладываются в пределах одного бела - от 2 Б до 3 Б. Поэтому для большей наглядности решили число, показывающее количество бел, умножать на 10 и полученное произведение считать показателем в децибелах, т. е., например, 2 Б = 20 дБ, 4,62 Б = 46,2 дБ и т. д.

Обычно отношение мощностей выражают сразу в децибелах по формуле:

Действия с децибелами не отличаются от операций с логарифмами.

2 дБ = 1 дБ + 1 дБ → 1,259 * 1,259 = 1,585;
3 дБ → 1,259 3 = 1,995;
4 дБ → 2,512;
5 дБ → 3,161;
6 дБ → 3,981;
7 дБ → 5,012;
8 дБ → 6,310;
9 дБ → 7,943;
10 дБ → 10,00.

Знак → означает «соответствует».

Подобным образом можно составить таблицу и для отрицательных значений децибел. Минус 1 дБ характеризует убывание мощности в 1/0,794 = 1,259 раза, т. е. тоже примерно на 26%.

Запомните, что:

⇒ Если Р 2 =Р 1 т. е. P 2 /P 1 =1 , то N дБ = 0 , так как lg 1=0 .

⇒ Если P 2 > P l , то число децибел положительно.

⇒ Если Р 2 < P 1 , то децибелы выражаются отрицательными числами.

Положительные децибелы часто называют децибелами усиления. Отрицательные децибелы, как правило, характеризуют потери энергии (в фильтрах, делителях, длинных линиях) и называются децибелами затухания или потерь.

Между децибелами усиления и затухания существует простая зависимость: одинаковому числу децибел с разными знаками соответствуют обратные числа отношений. Если, например, отношению Р 2 /Р 1 = 2 → 3 дБ , то –3 дБ → 1/2 , т. е. 1 / Р 2 /Р 1 = Р 1 /Р 2

⇒ Если Р 2 /Р 1 представляет степень десяти, т. е. Р 2 /Р 1 = 10 k , где k - любое целое число (положительное или отрицательное), то NдБ = 10k , так как lg 10 k = k .

⇒ Если Р 2 или Р 1 равно нулю, то выражение для NдБ теряет смысл.

И еще одна особенность: кривая, определяющая значения децибел в зависимости от отношений мощностей, вначале быстро растет, затем ее рост замедляется.

Зная число децибел, соответствующих одному отношению мощностей, можно произвести пересчет для другого - близкого или кратного отношения. В частности, для отношений мощностей, различающихся в 10 раз, число децибел отличается на 10 дБ. Эту особенность децибел следует хорошо понять и твердо запомнить - она является одной из основ всей системы

К достоинствам системы децибел относят:

⇒ универсальность, т. е. возможность использования при оценке различных параметров и явлений;

⇒ огромные перепады преобразуемых чисел - от единиц и до миллионов - отображаются в децибелах числами первой сотни;

⇒ натуральные числа, представляющие степени десяти, выражаются в децибелах числами, кратными десяти;

⇒ взаимообратные числа выражаются в децибелах равными числами, но с разными знаками;

⇒ в децибелах могут быть выражены как отвлеченные, так и именованные числа.

К недостаткам системы децибел относят:

⇒ малую наглядность: для преобразования децибел в отношения двух чисел или выполнения обратных действий требуется проведение расчетов;

⇒ отношения мощностей и отношения напряжений (или токов) пересчитываются в децибелы по разным формулам, что иногда ведет к ошибкам и путанице;

⇒ децибелы могут отсчитываться только относительно не равного нулю уровня; абсолютный нуль, например 0 Вт, 0 В, децибелами не выражается.

Зная число децибел, соответствующих одному отношению мощностей, можно произвести пересчет для другого - близкого или кратного отношения. В частности, для отношений мощностей, различающихся в 10 раз, число децибел отличается на 10 дБ. Эту особенность децибел следует хорошо понять и твердо запомнить - она является одной из основ всей системы.

Сравнение двух сигналов путем сопоставления их мощностей не всегда бывает удобным, так как для непосредственного измерения электрической мощности в диапазоне звуковых и радиочастот требуются дорогие и сложные приборы. На практике при работе с аппаратурой гораздо проще измерять не мощность, которая выделяется на нагрузке, а падение напряжения на ней, а в некоторых случаях - протекающий ток.

Зная напряжение или ток и сопротивление нагрузки, легко определить мощность. Если измерения проводятся на одном и том же резисторе, то:

Этими формулами очень часто пользуются практике, но обратите внимание, что если напряжения или токи измеряются на разных нагрузках, эти формулы не работают и следует использовать другие, более сложные зависимости.

Пользуясь приемом, который был использован при составлении таблицы децибел мощности, можно аналогично определить, чему равен 1 дБ отношения напряжений и токов. Положительный децибел будет равен 1,122, а отрицательный децибел будет равен 0,8913, т.е. 1 дБ напряжения или тока характеризует возрастание или убывание этого параметра примерно на 12% по отношению к первоначальному значению.

Формулы выводились в предположении, что сопротивления нагрузок имеют активный характер и между напряжениями или токами нет фазового сдвига. Строго говоря, следовало бы рассматривать общий случай и учитывать для напряжений (токов) наличие угла сдвига по фазе, а для нагрузок не только активное, но полное сопротивление, включая и реактивные составляющие, однако это существенно только на высоких частотах.

Полезно запомнить некоторые часто встречающиеся на практике значения децибел и характеризующие их отношения мощностей и напряжений (токов), приведенные в табл. 1.

Таблица 1. Часто встречающиеся значения децибел мощности и напряжения

Пользуясь этой таблицей и свойствами логарифмов легко подсчитать, чему соответствуют произвольные значения логарифм. Например, 36 дБ мощности можно представить как 30+3+3, что соответствует 1000*2*2 = 4000. Тот же самый результат мы получим, представив 36 как 10+10+10+3+3 → 10*10*10*2*2 = 4000.

СОПОСТАВЛЕНИЕ ДЕЦИБЕЛ С ПРОЦЕНТАМИ

Ранее отмечалось, что понятие децибел имеет некоторое сходство с процентами. Действительно, так как в процентах выражается отношение какого-то числа к другому, условно принятому за сто процентов, отношение этих чисел также можно представить в децибелах при условии, что оба числа характеризуют мощность, напряжение или ток. Для отношения мощностей:

Для отношения напряжений или токов:

Можно также вывести формулы для пересчета децибел в проценты отношения:

В табл. 2 дан перевод некоторых, наиболее часто встречающихся значений децибел в проценты отношений. Различные промежуточные значения можно найти по номограмме на рис. 1.

Рис. 1. Перевод децибел в проценты отношений по номограмме

Таблица 2. Перевод децибел в проценты отношений

Рассмотрим два практических примера, поясняющих перевод процентного отношения в децибелы.

Пример 1. Какому уровню гармоник в децибелах по отношению к уровню сигнала основной частоты соответствует коэффициент нелинейных искажений в 3%?

Воспользуемся рис. 1. Через точку пересечения вертикальной линии 3% с графиком «напряжение» проведем горизонтальную линию до пересечения с вертикальной осью и получим ответ: –31 дБ.

Пример 2. Какому ослаблению напряжения в процентах соответствует его изменение на –6 дБ?

Ответ. На 50% первоначальной величины.

В практических расчетах дробную часть численного значения децибел часто округляют до целого числа, однако при этом в результаты расчетов вносится дополнительная погрешность.

ДЕЦИБЕЛЫ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Рассмотрим несколько примеров, поясняющих методику использования децибел в радиоэлектронике.

Затухание в кабеле

Потери энергии в линиях и кабелях на единицу длины характеризуются коэффициентом затухания α, который при равном входном и выходном сопротивлениях линии определяется в децибелах:

где U 1 - напряжение в произвольном сечении линии; U 2 - напряжение в другом сечении, отстоящем от первого на единицу длины: 1 м, 1 км и т. д. Например, высокочастотный кабель типа РК-75-4-14 имеет на частоте 100 МГц коэффициент затухания α, = –0,13 дБ/м, кабель витой пары категории 5 на той же частоте имеет затухание порядка –0,2 дБ/м, а у кабеля категории 6 несколько меньше. График затухания сигнала в неэкранированном кабеле витой пары показан на рис. 2.

Рис. 2. График затухания сигнала в неэкранированном кабеле витой пары

Оптоволоконные кабели имеют существенно более низкие величины затухания в диапазоне от 0,2 до 3 дБ при длине кабеля в 1000 м. Все оптические волокна имеют сложную зависимость затухания от длины волны, которая имеет три «окна прозрачности» 850 нм, 1300 нм и 1550 нм. «Окно прозрачности» означает наименьшие потери при максимальной дальности передачи сигнала. График затухания сигнала в оптоволоконных кабелях показан на рис. 3.

Рис. 3. График затухания сигнала в оптоволоконных кабелях

Пример 3. Найти, каким будет напряжение на выходе отрезка кабеля РК-75-4-14 длиной l = 50 м, если ко входу его приложено напряжение 8 В частоты 100 МГц. Сопротивление нагрузки и волновое сопротивление кабеля равны, или, как говорят, согласованы между собой.

Очевидно, что затухание, вносимое отрезком кабеля, составляет K = –0,13 дБ/м * 50 м = –6,5 дБ. Это значение децибел примерно соответствует отношению напряжений 0,47. Значит, напряжение на выходном конце кабеля U 2 = 8 В * 0,47 = 3,76 В.

Этот пример иллюстрирует очень важное положение: потери в линии или кабеле с ростом их длины возрастают чрезвычайно быстро. Для отрезка кабеля длиной в 1 км затухание составит уже –130 дБ, т. е. сигнал будет ослаблен более чем в триста тысяч раз!

Затухание в значительной мере зависит от частоты сигналов - в диапазоне звуковых частот оно будет гораздо меньше, чем в видео диапазоне, но логарифмический закон затухания будет тот же, и при большой длине линии ослабление будет существенным.

Усилители звуковой частоты

В усилители звуковой частоты с целью повышения их качественных показателей обычно вводится отрицательная обратная связь. Если коэффициент усиления устройства по напряжению без обратной связи равен К , а с обратной связью К ОС то число, показывающее, во сколько раз изменяется коэффициент усиления под действием обратной связи, называют глубиной обратной связи . Ее обычно выражают в децибелах. В работающем усилителе коэффициенты К и К ОС определяются экспериментально, если только усилитель не возбуждается при разомкнутой петле обратной связи. При проектировании усилителя сначала вычисляют К , а затем определяют значение К ОС следующим образом:

где β - коэффициент передачи цепи обратной связи, т. е. отношение напряжения на выходе цепи обратной связи к напряжению на ее входе.

Глубина обратной связи в децибелах может быть рассчитана по формуле:

Стереофонические устройства по сравнению с монофоническими должны удовлетворять дополнительным требованиям. Эффект объемного звучания обеспечивается только при хорошем разделении каналов, т. е. при отсутствии проникновения сигналов из одного канала в другой. В практических условиях это требование полностью удовлетворить не удается, и взаимное просачивание сигналов имеет место, главным образом, через узлы, общие для обоих каналов. Качество разделения по каналам характеризуется так называемым переходным затуханием а ПЗ Мерой переходного затухания в децибелах служит отношение выходных мощностей обоих каналов, когда входной сигнал подается только на один канал:

где Р Д - максимальная выходная мощность действующего канала; Р СВ - выходная мощность свободного канала.

Хорошему разделению каналов соответствует переходное затухание 60-70 дБ, отличному –90-100 дБ.

Шум и фон

На выходе любого приемно-усилительного устройства даже при отсутствии полезного входного сигнала можно обнаружить переменное напряжение, которое вызвано собственными шумами устройства. Причины, вызывающие собственные шумы, могут быть как внешними - за счет наводок, плохой фильтрации напряжения питания, так и внутренними, обусловленными собственными шумами радиокомпонентов. Сильнее всего сказываются шумы и, помехи, возникающие во входных цепях и в первом усилительном каскаде, так как они усиливаются всеми последующими каскадами. Собственные шумы ухудшают реальную чувствительность приемника или усилителя.

Количественная оценка шумов осуществляется несколькими способами.

Простейший состоит в том, что все шумы, независимо от причины и места их возникновения, пересчитываются ко входу, т. е. напряжение шумов на выходе (при отсутствии входного сигнала) делится на коэффициент усиления:

Это напряжение, выраженное в микровольтах, и служит мерой собственных шумов. Однако для оценки устройства с точки зрения помех важно не абсолютное значение шумов, а отношение между полезным сигналом и этим шумом (отношение сигнал/шум), так как полезный сигнал должен надежно выделяться на фоне помех. Отношение сигнал/шум обычно выражают в децибелах:

где Р с - заданная или номинальная выходная мощность полезного сигнала вместе с шумом; Р ш - выходная мощность шумов при выключенном источнике полезного сигнала; U c - напряжение сигнала и шумов на нагрузочном резисторе; U Ш - напряжение шумов на том же резисторе. Так получается т.н. «невзвешенное» («unweighted») отношение сигнал/шум.

Часто в параметрах аудиоаппаратуры приводится отношение сигнал/шум, измеренное со взвешивающим фильтром («weighted»). Фильтр позволяет учесть разную чувствительность слуха человека к шуму на разных частотах. Чаще всего используется фильтр типа А, в этом случае в обозначении обычно указывается единица измерения «дБА» («dBA»). Использование фильтра дает обычно лучшие количественные результаты, чем для невзвешенного шума (обычно отношение сигнал/шум получается на 6-9 дБ больше), поэтому (из маркетинговых соображений) производители аппаратуры чаще указывают именно «взвешенное» значение. Подробнее о взвешивающих фильтрах см. ниже в разделе «Шумомеры».

Очевидно, что для успешной эксплуатации устройства отношение сигнал/шум должно быть выше какого-то минимально допустимого значения, которое зависит от назначения и требований, предъявляемых к устройству. Для аппаратуры класса Hi-Fi этот параметр должен быть не менее 75 дБ, для аппаратуры Hi-End - не менее 90 дБ.

Иногда на практике пользуются обратным отношением, характеризуя им уровень шумов относительно полезного сигнала. Уровень шумов выражается тем же числом децибел, что и отношение сигнал/шум, но с отрицательным знаком.

В описаниях приемно-усилительной аппаратуры иногда фигурирует термин уровень фона, который характеризует в децибелах отношение составляющих напряжения фона к напряжению, соответствующему заданной номинальной мощности. Составляющие фона кратны частоте питающей сети (50, 100, 150 и 200 Гц) и при измерении выделяются из общего напряжения помех при помощи полосовых фильтров.

Отношение сигнал/шум не позволяет, однако, судить о том, какая часть шумов обусловлена непосредственно элементами схемы, а какая внесена в результате несовершенства конструкции (наводки, фон). Для оценки шумовых свойств радиокомпонентов вводится понятие коэффициента (фактора) шума . Коэффициент шума оценивается по мощности и также выражается в децибелах. Характеризовать этот параметр можно следующим образом. Если на входе устройства (приемника, усилителя) одновременно действуют полезный сигнал мощностью Р с и шумы мощностью Р ш , то отношение сигнал/шум на входе будет (Р с /Р ш )вх После усиления отношение (Р с /Р ш )вых окажется меньше, так как к входным шумам добавятся и усиленные собственные шумы усилительных каскадов.

Коэффициентом шума называют выраженное в децибелах отношение:

где К р - коэффициент усиления по мощности.

Следовательно, коэффициент шума представляет отношение мощности шумов на выходе к усиленной мощности шумов, действующих на входе.

Значение Рш.вх определяется расчетным путем; Рш.вых измеряется, а К р обычно. известно из расчета или после измерения. Идеальный с точки зрения шумов усилитель должен усиливать только полезные сигналы и не должен вносить дополнительные шумы. Как следует из уравнения, для подобного усилителя коэффициент шума F Ш = 0 дБ .

Для транзисторов и ИС, предназначенных для работы в первых каскадах усилительных устройств, коэффициент шума регламентируется и приводится в справочниках.

Напряжение собственных шумов определяет и другой важный параметр многих усилительных устройств - динамический диапазон.

Динамический диапазон и регулировки

Динамическим диапазоном называется выраженное в децибелах отношение максимальной неискаженной выходной мощности к ее минимальному значению, при котором, еще обеспечивается допустимое отношение сигнал/шум:

Чем меньше уровень собственных шумов и чем выше неискаженная выходная мощность, тем шире динамический диапазон.

Аналогичным образом определяется и динамический диапазон источников звука - оркестра, голоса, только здесь минимальная мощность звука определяется шумовым фоном. Чтобы устройство могло передать без искажений как минимальную, так и максимальную амплитуды входного сигнала, его динамический диапазон должен быть не меньше динамического диапазона сигнала. В случаях, когда динамический диапазон входного сигнала превышает динамический диапазон устройства, его искусственно сжимают. Так поступают, например, при звукозаписи.

Эффективность действия ручного регулятора громкости проверяется при двух крайних положениях регулятора. Сначала при регуляторе в положении максимальной громкости на вход усилителя звуковой частоты подается напряжение частотой 1 кГц такой величины, чтобы на выходе усилителя установилось напряжение, соответствующее некоторой заданной мощности. Затем ручку регулятора громкости переводят на минимальную громкость, а напряжение на входе усилителя поднимают до тех пор, пока напряжение на выходе снова не станет равным первоначальному. Отношение входного напряжения при регуляторе в положении минимальной громкости к входному напряжению при максимальной громкости, выраженное в децибелах, является показателем работы регулятора громкости.

Приведенными примерами далеко не исчерпываются практические случаи приложения децибел к оценке параметров радиоэлектронных устройств. Зная общие правила, применения этих единиц, можно понять, как они используются в других, не рассмотренных здесь условиях. Встретившись с незнакомым термином, определенным в децибелах, следует отчетливо представить, отношению каких двух величин он соответствует. В одних случаях это понятно из самого определения, в других случаях связь между составляющими сложнее, и, когда нет четкой ясности, следует обратиться к описанию методики измерения во избежание серьезных ошибок.

Оперируя с децибелами, следует всегда обращать внимание на то, отношению каких единиц - мощности или напряжения - соответствует каждый конкретный случай, т. е. какой коэффициент - 10 или 20 - должен стоять перед знаком логарифма.

ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ МАСШТАБ

Логарифмическая система, в том числе и децибелы, часто применяется при построении амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) - кривых, изображающих зависимость коэффициента передачи различных устройств (усилителей, делителей, фильтров) от частоты внешнего воздействия. Для построения частотной характеристики расчетным или опытным путем определяется ряд точек, характеризующих выходное напряжение или мощность при неизменном входном напряжении на разных частотах. Плавная кривая, соединяющая эти точки, характеризует частотные свойства устройства или системы.

Если по оси частот численные значения откладывать в линейном масштабе, т. е. пропорционально их фактическим значениям, то такая частотная характеристика окажется неудобной для пользования и не будет наглядной: в области низших частот она сжата, а высших - растянута.

Частотные характеристики строятся обычно в так называемом логарифмическом масштабе. По оси частот в удобном для работы масштабе откладываются величины, пропорциональные не самой частоте f , а логарифму lgf/f o , где f о - частота, соответствующая началу отсчета. Против отметок на оси надписываются значения f . Для построения логарифмических АЧХ используют специальную логарифмическую миллиметровую бумагу.

При проведении теоретических расчетов обычно пользуются не просто частотой f , а величиной ω = 2πf которую называют круговой частотой.

Частота f о , соответствующая началу отсчета, может быть сколь угодно малой, но не может быть равной нулю.

По вертикальной оси откладываются в децибелах либо в относительных числах отношения коэффициентов передачи при различных частотах к его максимальному либо среднему значению.

Логарифмический масштаб позволяет на небольшом отрезке оси отобразить широкий диапазон частот. На такой оси одинаковым отношениям двух частот соответствуют равные по длине участки. Интервал, характеризующий рост частоты в десять раз, называют декадой ; двукратному отношению частот соответствует октава (этот термин заимствован из теории музыки).

Частотный диапазон с граничными частотами f H и f В занимает в декадах полосу f B /f H = 10m , где m - число декад, а в октавах 2 n , где n - число октав.

Если полоса в одну октаву слишком широка, то можно применять интервалы с меньшим отношением частот в пол-октавы или трети октавы.

Средняя частота октавы (полуоктава) не равна среднему арифметическому от нижней и верхней частот октавы, а равна 0,707 f В .

Частоты, найденные подобным образом, называют среднеквадратичными.

Для двух соседних октав средние частоты также образуют октавы. Пользуясь этим свойством, можно по желанию один и тот же логарифмический ряд частот считать либо границами октав, либо их средними частотами.

На бланках с логарифмической сеткой средняя частота делит октавный ряд пополам.

На оси частот в логарифмическом масштабе на каждую треть октавы приходятся равные отрезки оси, каждый длиной в одну треть октавы.

При испытаниях электроакустической аппаратуры и проведении акустических измерений рекомендуется применять ряд предпочтительных частот. Частоты этого ряда являются членами геометрической прогрессии со знаменателем 1,122. Для удобства значения некоторых частот округлены в пределах ±1%.

Интервал между рекомендованными частотами составляет одну шестую октавы. Сделано это не случайно: ряд содержит достаточно большой набор частот для разных видов измерений и вбирает ряды частот с интервалами в 1/3, 1/2 и целую октаву.

И еще одно важное свойство ряда предпочтительных частот. В некоторых случаях в качестве основного интервала частот используется не октава, а декада. Так вот, предпочтительный ряд частот в равной мере можно рассматривать и как двоичный (октавный), и как десятичный (декадный).

Знаменатель прогрессии, на основе которой построен предпочтительный ряд частот, численно равен 1дБ напряжения, или 1/2 дБ мощности.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИМЕНОВАННЫХ ЧИСЕЛ В ДЕЦИБЕЛАХ

До сих пор мы полагали, что и делимое и делитель под знаком логарифма имеют произвольную величину и для выполнения децибельного пересчета важно знать только их отношение независимо от абсолютных значений.

В децибелах можно выражать также конкретные значения мощностей, а также напряжений и токов. Когда величина одного из членов, стоящих под знаком логарифма в рассмотренных ранее формулах задана, второй член отношения и числа децибел будут однозначно определять друг друга. Следовательно, если задаться какой-либо эталонной мощностью (напряжением, током) в качестве условного уровня сравнения, то другой мощности (напряжению, току), сопоставляемой с ней, будет соответствовать строго определенное число децибел. Нулю децибел в этом случае отвечает мощность, равная мощности условного уровня сравнения, так как при N P = 0 Р 2 =Р 1 поэтому этот уровень обычно называют нулевым. Очевидно, что при разных нулевых уровнях одна и та же конкретная мощность (напряжение, ток) будут выражаться разными числами децибел.

где Р - мощность, подлежащая преобразованию в децибелы, а Р 0 - нулевой уровень мощности. Величина Р 0 ставится в знаменателе, при этом положительными децибелами выражаются мощности Р > Р 0 .

Условный уровень мощности, с которым производится сравнение, в принципе может быть любым, однако не каждый был бы удобен для практического использования. Чаще всего за нулевой уровень выбирается мощность в 1 мВт, рассеиваемая на резисторе сопротивлением 600 Ом. Выбор этих параметров произошел исторически: первоначально децибел как единица измерения появился в технике телефонной связи. Волновое сопротивление воздушных двухпроводных линий из меди близко к 600 Ом, а мощность в 1 мВт развивает без усиления высококачественный угольный телефонный микрофон на согласованном сопротивлении нагрузки.

Для случая, когда Р 0 = 1 мВт=10 –3 Вт: P р = 10 lg P + 30

Тот факт, что децибелы представляемого параметра отчитываются относительно определенного уровня, подчеркивают термином «уровень»: уровень помех, уровень мощности, уровень громкости

Пользуясь этой формулой, легко найти, что относительно нулевого уровня 1 мВт мощность 1 Вт определяется как 30 дБ, 1 кВт как 60 дБ, а 1 МВт - это 90 дБ, т. е. практически все мощности, с которыми приходится встречаться, укладываются в пределах первой сотни децибел. Мощности, меньшие 1 мВт, будут выражаться отрицательными числами децибел.

Децибелы, определенные относительно уровня 1 мВт, называют децибел-милливаттом и обозначают дБм или dBm. Наиболее распространенные значения нулевых уровней сведены в таблицу 3.

Аналогичным образом можно представить формулы для выражения в децибелах напряжений и токов:

где U и I - напряжение или ток, подлежащие преобразованию, a U 0 и I 0 - нулевые уровни этих параметров.

Тот факт, что децибелы представляемого параметра отчитываются относительно определенного уровня, подчеркивают термином «уровень»: уровень помех, уровень мощности, уровень громкости.

Чувствительность микрофонов , т. е. отношение выходного электрического сигнала к звуковому давлению, действующему на диафрагму, часто выражают в децибелах, сравнивая мощность, развиваемую микрофоном на номинальном нагрузочном сопротивлении, со стандартным нулевым уровнем мощности P 0 =1 мВт . Этот параметр микрофона носит название стандартного уровня чувствительности микрофона . Типовыми условиями испытания принято считать звуковое давление 1 Па частотой 1 кГц, нагрузочное сопротивление для динамического микрофона - 250 Ом.

Таблица 3. Нулевые уровни для измерения именованных чисел

Обозначение		Описание
междунар.	русское
dBс	дБн	опорным является уровень несущей частоты (англ. carrier) или основной гармоники в спектре; например, «уровень искажений составляет –60 дБн».
dBu	дБu	опорное напряжение 0,775 В, соответствующее мощности 1 мВт на нагрузке 600 Ом; например, стандартизованный уровень сигнала для профессионального аудио оборудования составляет +4 дБu, то есть 1,23 В.
dBV	дБВ	опорное напряжение 1 В на номинальной нагрузке (для бытовой техники обычно 47 кОм); например, стандартизованный уровень сигнала для бытового аудио оборудования составляет –10 дБВ, то есть 0,316 В
dBμV	дБмкВ	опорное напряжение 1мкВ; например, «чувствительность приёмника составляет –10дБмкВ».
dBm	дБм	опорная мощность 1мВт, соответствующая мощности 1 милливатт на номинальной нагрузке (в телефонии 600 Ом, для профессиональной техники обычно 10 кОм для частот менее 10МГц, 50 Ом для высокочастотных сигналов, 75 Ом для телевизионных сигналов); например, «чувствительность сотового телефона составляет –110 дБм»
dBm0	дБм0	опорная мощность в дБм в точке нулевого относительного уровня. dBm - опорное напряжение соответствует тепловому шуму идеального резистора сопротивлением 50 Ом при комнатной температуре в полосе 1 Гц. Например, «уровень шума усилителя составляет 6 дБм0»
dBFS		(англ. Full Scale - «полная шкала») опорное напряжение соответствует полной шкале прибора; например, «уровень записи составляет –6 dBfs»
dBSPL		(англ. Sound Pressure Level - «уровень звукового давления») - опорное звуковое давление 20 мкПа, соответствующее порогу слышимости; например, «громкость 100 dBSPL». dBPa - опорное звуковое давление 1 Па или 94 дБ звуковой шкалы громкости dBSPL; например, «для громкости 6 dBPa микшером установили +4 dBu, а регулятором записи –3 dBFS, искажения при этом составили –70 dBc».
dBA, dBB, dBC, dBD		опорные уровни выбраны в соответствии с частотными характеристиками стандартных «весовых фильтров» типа A, B, C или D cоответственно (фильтры отражают кривые равной громкости для разных условий, см. ниже в разделе «Шумомеры»)

Мощность, развиваемая динамическим микрофоном, естественно, чрезвычайно мала, гораздо меньше 1 мВт, и уровень чувствительности микрофона поэтому выражается отрицательными децибелами. Зная стандартный уровень чувствительности микрофона (он приводится в паспортных данных), можно вычислить его чувствительность в единицах напряжения.

В последние годы для характеристики электрических параметров радиоаппаратуры стали применять в качестве нулевых уровней и другие величины, в частности 1 пВт, 1 мкВ, 1 мкВ/м (последний - для оценки напряженности поля).

Иногда возникает необходимость пересчитать известный уровень мощности P Р или напряжения P U , заданные относительно одного нулевого уровня Р 01 (или U 01 ) на другой Р 02 (или U 02 ). Сделать это можно по следующей формуле:

Возможность представления в децибелах как отвлеченных, так и именованных чисел приводит к тому, что одно и то же устройство может характеризоваться разными числами децибел. Эту двойственность децибел надо иметь в виду. Защитой от ошибок тут может служить ясное понимание природы определяемого параметра.

Во избежание путаницы желательно указывать опорный уровень явно, например –20 дБ (относительно 0.775 B).

При пересчёте уровней мощностей в уровни напряжений и обратно надо обязательно учитывать сопротивление, являющиеся стандартным для данной задачи. В частности, дБВ для 75-омной ТВ-цепи соответствует (дБм–11дБ); дБмкВ для 75-омной ТВ-цепи соответствует (дБм+109дБ).

ДЕЦИБЕЛЫ В АКУСТИКЕ

До сих пор, говоря о децибелах, мы оперировали электрическими терминами - мощностью, напряжением, током, сопротивлением. Между тем логарифмические единицы широко применяют и в акустике, где они являются наиболее часто применяемой единицей при количественных оценках звуковых величин.

Звуковое давление р представляет избыточное давление в среде по отношению к постоянному давлению, существующему там до появления звуковых волн (единица измерения - паскаль (Па)).

Примером приемников звукового давления (или градиента звукового давления) может служить большинство типов современных микрофонов, которые преобразуют это давление в пропорциональные электрические сигналы.

Интенсивность звука связана со звуковым давлением и колебательной скоростью частиц воздуха простой зависимостью:

J=pv

Если звуковая волна распространяется в свободном пространстве, где нет отражения звука, то

v=p/(ρc)

здесь ρ - плотность среды, кг/м3; с - скорость звука в среде, м/с. Произведение ρc характеризует среду, в которой происходит распространение звуковой энергии, и называется ее удельным акустическим сопротивлением . Для воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 20° С ρc =420 кг/м2*с; для воды ρc = 1,5*106 кг/м2*с.

Можно записать, что:

J=р 2 / (ρс)

все, что говорилось о преобразовании в децибелы электрических величин, в равной мере относится и к акустическим явлениям

Если сопоставить эти формулы с формулами, выведенными ранее для мощности. тока, напряжения и сопротивления, то легко обнаружить аналогию между отдельными понятиями, характеризующими электрические и акустические явления, и уравнениями, описывающими количественные зависимости между ними.

Таблица 4. Связь между электрическими и акустическими характеристиками

Аналогом электрической мощности являются акустическая мощность и интенсивность звука; аналогом напряжения служит звуковое давление; электрический ток соответствует колебательной скорости, а электрическое сопротивление - удельному акустическому сопротивлению. По аналогии с законом Ома для электрической цепи можно говорить об акустическом законе Ома. Следовательно, все, что говорилось о преобразовании в децибелы электрических величин, в равной мере относится и к акустическим явлениям.

Применение децибел в акустике очень удобно. Интенсивности звуков, с которыми приходится иметь дело в современных условиях, могут различаться в сотни миллионов раз. Такой огромный диапазон изменений акустических величин создает большие неудобства при сопоставлении их абсолютных значений, а при использовании логарифмических единиц эта проблема снимается. Кроме того, установлено, что громкость звука при оценке ее на слух возрастает примерно пропорционально логарифму интенсивности звука. Таким образом, уровни этих величин, выраженные в децибелах, довольно близко соответствуют громкости, воспринимаемой ухом. Для большинства людей с нормальным слухом изменение громкости звука частотой 1 кГц ощущается при изменении интенсивности звука примерно на 26%, т. е. на 1 дБ.

В акустике по аналогии с электротехникой определение децибел базируется на отношении двух мощностей:

где J 2 и J 1 - акустические мощности двух произвольных источников звука.

Подобным же образом в децибелах выражается отношение двух интенсивностей звука:

Последнее уравнение справедливо только при условии равенства акустических сопротивлений, другими словами, постоянства физических параметров среды, в которой распространяются звуковые волны.

Децибелы, определенные по приведенным выше формулам, не связаны с абсолютными значениями акустических величин и применяются для оценки затухания звука, например эффективности звуковой изоляции и систем подавления и заглушения шумов. Подобным образом выражаются и неравномерности частотных характеристик, т. е. разность максимального и минимального значений в заданном диапазоне частот различных излучателей и приемников звука: микрофонов, громкоговорителей и пр. Отсчет при этом обычно ведется от среднего значения рассматриваемой величины, либо (при работе в звуковом диапазоне) относительно значения при частоте 1 кГц.

В практике акустических измерений, однако, как правило, приходится иметь дело со звуками, значения которых должны быть выражены конкретными числами. Аппаратура для проведения акустических измерений сложнее аппаратуры для электрических измерений, а по точности существенно уступает ей. С целью упрощения техники измерений и снижения погрешности в акустике отдается предпочтение измерениям относительно эталонных, калиброванных уровней, величины которых известны. С этой же целью для измерения и исследования акустических сигналов их преобразуют в электрические.

Абсолютные значения мощностей, интенсивностей звуков и звуковых давлений также могут быть выражены в децибелах, если в приведенных выше формулах задаваться значениями одного из членов под знаком логарифма. Международным соглашением уровнем отсчета интенсивности звука (нулевым уровнем) принято считать J 0 = 10 –12 Вт/м 2 . Эту ничтожную интенсивность, под действием которой амплитуда колебаний барабанной перепонки меньше размеров атома, условно принято считать порогом слышимости уха в области частот наибольшей чувствительности слуха. Ясно, что все слышимые звуки выражаются относительно этого уровня только положительными децибелами. Фактический порог слышимости для людей с нормальным слухом немного выше и равен 5-10 дБ.

Для представления интенсивности звука в децибелах относительно заданного уровня используют формулу:

Значение интенсивности, вычисленное по этой формуле, принято называть уровнем интенсивности звука .

Подобным образом можно выразить и уровень звукового давления:

Чтобы уровни интенсивности звука и звукового давления в децибелах численно выражались одной величиной, в качестве нулевого уровня звукового давления (порога звукового давления) должно быть принято значение:

Пример. Определим, какой уровень интенсивности в децибелах создает оркестр со звуковой мощностью 10 Вт на расстоянии r = 15 м.

Интенсивность звука на расстоянии r = 15 м от источника составит:

Уровень интенсивности в децибелах:

Тот же результат будет получен, если преобразовать в децибелы не уровень интенсивности, а уровень звукового давления.

Так как в месте приема звука уровень интенсивности звука и уровень звукового давления выражаются одинаковым числом децибел, на практике часто применяется термин «уровень в децибелах» без указания, к какому именно параметру эти децибелы относятся.

Определив уровень интенсивности в децибелах в какой-либо точке пространства на расстоянии r 1 от источника звука (расчетным или опытным путем), нетрудно вычислить уровень интенсивности на расстоянии r 2 :

Если на приемник звука одновременно воздействуют два или несколько источников звука и известна интенсивность звука в децибелах, создаваемая каждым из них, то для определения результирующей величины децибелы следует обратить в абсолютные значения интенсивности (Вт/м2), сложить их, и эту сумму снова преобразовать в децибелы. Складывать сразу децибелы в этом случае нельзя, так как это соответствовало бы произведению абсолютных значений интенсивностей.

Если имеется n несколько одинаковых источников звука с уровнем каждого L J , то их суммарный уровень будет:

Если уровень интенсивности одного источника звука превышает уровни остальных на 8-10 дБ и более, можно учитывать только один этот источник, а действием остальных пренебречь.

Помимо рассмотренных акустических, уровней иногда можно встретить и понятие уровня звуковой мощности источника звука, определяемого по формуле:

где Р - звуковая мощность характеризуемого произвольного источника звука, Вт; Р 0 - начальная (пороговая) звуковая мощность, величина которой берется обычно равной P 0 =10 –12 Вт.

УРОВНИ ГРОМКОСТИ

Чувствительность уха к звукам разных частот различна. Зависимость эта довольно сложна. При небольших уровнях интенсивности звука (примерно до 70 дБ) максимальная чувствительность составляет 2-5 кГц и убывает с повышением и понижением частоты. Поэтому звуки одинаковой интенсивности, но разных частот будут казаться на слух разными по громкости. С ростом силы звука частотная характеристика уха выравнивается и при больших уровнях интенсивности (80 дБ и выше) ухо реагирует приблизительно одинаково на звуки разных частот звукового диапазона. Из этого следует, что интенсивность звука, которая измеряется специальными широкополосными приборами, и громкость, которая фиксируется ухом, - понятия не равнозначные.

Уровень громкости звука любой частоты характеризуется величиной уровня равного по громкости звука частотой 1 кГц

Уровень громкости звука любой частоты характеризуется величиной уровня равного по громкости звука частотой 1 кГц. Уровни громкости характеризуются так называемыми кривыми равных громкостей, каждая из которых показывает, какой уровень интенсивности на разных частотах должен развить источник звука, чтобы создать впечатление равной громкости с тоном 1 кГц заданной интенсивности (рис. 4).

Рис. 4. Кривые равной громкости

Кривые равной громкости представляют по существу семейство частотных характеристик уха в децибельном масштабе для разных уровней интенсивности. Отличие их от обычных АЧХ состоит лишь в способе построения: «завал» характеристики, т. е. снижение коэффициента передачи, здесь изображен повышением, а не понижением соответствующего участка кривой.

Единице, характеризующей уровень громкости, во избежание путаницы с децибелами интенсивности и звукового давления присвоено особое наименование - фон .

Уровень громкости звука в фонах численно равен уровню звукового давления в децибелах чистого тона с частотой 1 кГц, равного с ним по громкости.

Другими словами, один фон - это 1 дБ звукового давления тона частотой 1 кГц с поправкой на частотную характеристику уха. Между двумя, этими единицами нет постоянного соотношения: оно меняется в зависимости от уровня громкости сигнала и его частоты. Только для токов частотой 1 кГц численные значения для уровня громкости в фонах и уровня интенсивности в децибелах совпадают.

Если обратиться к рис. 4 и проследить ход одной из кривых, например, для уровня 60 фон, то нетрудно определить, что для обеспечения равной громкости с тоном 1 кГц на частоте 63 Гц требуется интенсивность звука 75 дБ, а на частоте 125 Гц только 65 дБ.

В высококачественных усилителях звуковой частоты применяются ручные регуляторы громкости с тонкомпенсацией, или, как их еще называют, компенсированные регуляторы. Такие регуляторы одновременно с регулировкой величины входного сигнала в сторону уменьшения обеспечивают подъем частотной характеристики в области низших частот, благодаря чему для слуха создается неизменный тембр звучания при различных громкостях воспроизведения звука.

Исследованиями установлено также, что изменение громкости звука вдвое (по оценке на слух) примерно эквивалентно изменению уровня громкости на 10 фон. Эта зависимость положена в основу оценки громкости звука. За единицу громкости, называемую сон , условно принят уровень громкости 40 фон. Удвоенной громкости, равной двум сон, соответствует 50 фон, четырем сон - 60 фон и т. д. Пересчет уровней громкости в единицы громкости облегчается графиком на рис. 5.

Рис. 5. Связь между громкостью и уровнем громкости

Большинство звуков, с которыми приходится иметь дело в повседневной жизни, имеют шумовой характер. Характеристика громкости шумов на основе сопоставления с чистыми тонами 1 кГц проста, но приводит к тому, что оценка шума на слух может расходиться с показаниями измерительных приборов. Объясняется это тем, что при равных уровнях громкости шума (в фонах) наиболее раздражающее действие на человека оказывают составляющие шума в диапазоне 3-5 кГц. Шумы могут восприниматься как равно неприятные, хотя их уровни громкости не равны.

Раздражающее действие шума более точно оценивается другим параметром, так называемым уровнем воспринимаемого шума . Мерой воспринимаемого шума служит уровень звука равномерного шума в октавной полосе со средней частотой 1 кГц, который в заданных условиях оценивается слушателем как одинаково неприятный с измеряемым шумом. Уровни воспринимаемого шума характеризуются единицами PNdB или РNдБ. Расчет их ведется по специальной методике.

Дальнейшим развитием системы оценки шумов являются так называемые эффективные уровни воспринимаемого шума, выражаемые в ЕРNдБ. Система ЕРNдБ позволяет комплексно оценивать характер воздействующего шума: частотный состав, дискретные составляющие в его спектре, а также продолжительность шумового воздействия.

По аналогии с единицей громкости сон введена единица шумности - ной .

За один ной принята шумность равномерного шума в полосе 910-1090 Гц при уровне звукового давления 40 дБ. В остальном нои сходны с сонами: рост шумности вдвое соответствует росту уровня воспринимаемого шума на 10 РNдБ, т. е. 2 ной = 50 РNдБ, 4 ной = 60 РNдБ и т. д.

Работая с акустическими понятиями, следует иметь в виду, что интенсивность звука представляет объективное физическое явление, которое может быть точно определено и измерено. Оно реально существует независимо от того, слышит его кто-нибудь или нет. Громкость звука определяет эффект, который звук производит на слушателя, и является, поэтому, чисто субъективным понятием, так как зависит от состояния органов слуха человека и его личных свойств к восприятию звука.

ШУМОМЕРЫ

Для измерения всевозможных шумовых характеристик применяют специальные приборы - шумомеры. Шумомер представляет автономный переносный прибор, позволяющий измерять непосредственно в децибелах уровни интенсивности звука в широких пределах относительно стандартных уровней.

Шумомер (рис. 6) состоит из высококачественного микрофона, широкополосного усилителя, переключателя чувствительности, меняющего усиление ступенями по 10 дБ, переключателя частотных характеристик и графического индикатора, который обычно обеспечивает несколько вариантов представления измеряемых данных - от цифр и таблицы до графика.

Рис. 6. Портативный цифровой шумомер

Современные шумомеры весьма компактны, что позволяет производить измерения и в труднодоступных местах. Из отечественных шумомеров можно назвать прибор компании «Октава-Электродизайн» «Октава-110А» (http://www.octava.info/?q=catalog/soundvibro/slm) .

Шумомеры позволяют определять как общие уровни интенсивностей звука при измерениях с линейной частотной характеристикой, так и уровни громкости звука в фонах при измерениях с частотными характеристиками, сходными с характеристиками человеческого уха. Диапазон измерений уровней звуковых давлений находится обычно в пределах от 20-30 до 130-140 дБ относительно стандартного уровня звукового давления 2*10–5 Па. С помощью сменных микрофонов уровень измерений может быть расширен до 180 дБ.

В зависимости от метрологических параметров и технических характеристик отечественные шумомеры подразделяются на первый и второй классы.

Частотные характеристики всего тракта шумомера, включая микрофон, стандартизированы. Всего имеется пять частотных характеристик. Одна из них линейна в пределах всего рабочего диапазона частот (условное обозначение Лин ), четыре другие приближенно повторяют характеристики уха человека для чистых тонов при разных уровнях громкости. Они названы первыми буквами латинского алфавита А, В, С и D . Вид этих характеристик показан на рис. 7. Переключатель частотных характеристик не зависит от переключателя пределов измерений. Для шумомеров первого класса обязательны характеристики А, В, С и Лин . Частотная характеристика D - дополнительная. Шумомеры второго класса должны иметь характеристики А и С ; применение остальных допускается.

Рис. 7. Стандартные частотные характеристики шумомеров

Характеристика А имитирует ухо примерно на уровне 40 фон. Эта характеристика используется при измерении слабых шумов - до 55 дБ и при замерах уровней громкости. В практических условиях чаще всего пользуются частотной характеристикой с коррекцией А . Объясняется это тем, что, хотя восприятие звука человеком гораздо сложнее простой частотной зависимости, определяющей характеристику А , во многих случаях результаты измерений прибором хорошо согласуются с оценкой шума на слух при небольших уровнях громкости. Многими стандартами - отечественными и зарубежными - оценку шумов рекомендуется проводить по характеристике А независимо от фактического уровня интенсивности звука.

Характеристика В повторяет характеристику уха на уровне 70 фон. Она применяется при измерении шумов в пределах 55-85 дБ.

Характеристика С равномерна в диапазоне 40-8000 Гц. Этой характеристикой пользуются при измерении значительных уровней громкости - от 85 фон и выше, при измерениях уровней звукового давления - независимо от пределов измерения, а также при подключениях к шумомеру устройств для измерения спектрального состава шума в тех случаях, когда шумомер не имеет частотной характеристики Лин .

Характеристика D - вспомогательная. Она представляет усредненную характеристику уха примерно на уровне 80 фон с учетом повышения его чувствительности в полосе от 1,5 до 8 кГц. При пользовании этой характеристикой показания шумомера более точно, чем по другим характеристикам, соответствуют уровню воспринимаемого шума человеком. Эта характеристика применяется главным образом при оценке раздражающего действия шума большой интенсивности (самолетов, быстроходных машин и т. п.).

В составе шумомера имеется также переключатель Быстро - Медленно - Импульс , управляющий временными характеристиками прибора. Когда переключатель установлен в положение Быстро , прибор успевает следить за быстрыми изменениями уровней звука, в положении Медленно прибор показывает среднее значение измеряемого шума. Временная характеристика Импульс применяется при регистрации коротких звуковых импульсов. Некоторые типы шумомеров содержат также интегратор с постоянной времени 35 мс, имитирующий инерционность звуковосприятия человека.

При пользовании шумомером результаты измерений будут различаться в зависимости от установленной частотной характеристики. Поэтому при записи показаний для исключения путаницы указывается и вид характеристики, при которой производились измерения: дБ (А ), дБ (В ), дБ (С ) или дБ (D ).

Для калибровки всего тракта микрофон - измеритель в комплект шумомера обычно входит акустический калибратор, назначение которого - создавать равномерный шум определенного уровня.

Согласно действующей в настоящее время инструкции «Санитарные нормы допустимого шума в помещениях жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки» нормируемыми параметрами постоянного или прерывистого шума являются уровни звуковых давлений (в децибелах) в октавных полосах частот со средними частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Для непостоянного шума, например шума от проезжающего транспорта, нормируемым параметром является уровень звука в дБ(А ).

Установлены следующие суммарные уровни звука, измеренные по шкале А шумомера: жилые помещения - 30 дБ, аудитории и классы учебных заведений - 40 дБ, территории жилой застройки и площадки отдыха - 45 дБ, рабочие помещения административных зданий - 50 дБ (А ).

Для санитарной оценки уровня шума в показания шумомера вносятся поправки от –5 дБ до +10 дБ, которые учитывают характер шума, суммарное время его действия, время суток и месторасположение объекта. Например, в дневное время норма допустимого шума в жилых помещениях с учетом поправки составляет 40 дБ.

В зависимости от спектрального состава шума ориентировочная норма предельно допустимых уровней, дБ, характеризуется следующими цифрами:

Высокочастотный от 800 Гц и выше	75-85
Среднечастотный 300-800 Гц	85-90
Низкочастотный ниже 300 Гц	90-100

При отсутствии шумомера ориентировочную оценку уровней громкости различных шумов можно проводить с помощью таблицы. 5.

Таблица 5. Шумы и их оценка

Оценка громкости на слух	Уровень шума, дБ	Источник и место измерения шума
Оглушительный	160	Повреждение барабанной перепонки.
	140-170	Реактивные двигатели (вблизи).
	140	Предел терпимости к шуму.
	130	Болевой порог (звук воспринимается как боль); поршневые авиадвигатели(2-3 м).
	120	Гром над головой.
	110	Быстроходные мощные двигатели (2-3 м); клепальная машина (2-3 м); очень шумный цех.
Очень громкий	100	Симфонический оркестр (пики громкости); деревообрабатывающие станки (на рабочем месте)
	90	Уличный громкоговоритель; шумная улица; металлорежущие станки (на рабочем месте).
	80	Радиоприемник громко (2 м)
Громкий	70	Салон автобуса; крик; свисток милиционера (15 м); улица средней шумности; шумный офис; зал большого магазина
Умеренный	60	Спокойный разговор (1 м).
	50	Легковая машина (10-15 м); спокойный офис; жилое помещение.
Слабый	40	Шепот; читальный зал.
	60	Шелест бумаги.
	20	Больничная палата.
Очень слабый	10	Тихий сад; студия радиоцентра.
	0	Порог слышимости

1 А. Белл - американский учёный, изобретатель и бизнесмен шотландского происхождения, основоположник телефонии, основатель компании Bell Telephone Company, определившей развитие телекоммуникационной отрасли в США.
2 Логарифмы отрицательных чисел являются комплексными числами и далее рассматриваться не будут.

Эти термины используются для описания уровня шумности работы электроагрегата с приводом от двигателя внутреннего сгорания. Чем больше уровень шума, тем менее комфортно чувствует себя и оператор агрегата и окружающие люди. Часто речь идёт не только о комфорте, но и о жесткой производственной необходимости, требующей выполнения требований норм и правил охраны труда и/или окружающей среды. Акустический шум - это вызванные различными причинами беспорядочные колебания воздуха, характеризующиеся сложной временной и спектральной структурой. Для количественной оценки шума пользуются усреднёнными параметрами, определяемыми на основании статистических законов, учитывающих структуру шума в его источнике и свойства среды, в которой этот шум распространяется. Обычно уровень шума измеряется, как «звуковое давление» LpA или как «звуковая мощность» LWA. «Звуковая мощность» LWA характеризует уровень шума в его источнике и является постоянной для данного оборудования величиной, «звуковое давление» LpA зависит от расстояния между слушателем и источником шума. Разные производители электроагрегатов характеризуют шумовые характеристики своей продукции в различных величинах (звуковое давление и/или звуковая мощность), а для звукового давления еще и на различном расстоянии (наиболее часто 7 м) и для различной степени загрузки электроагрегата (обычно речь идет о предусмотренных действующими Европейскими Нормами 75% максимальной мощности). Единица количественного измерения шума: децибел акустический - dB(A), в русском написании дБ(А) или дБА. Величина дБА - уровень звукового давления, измеренный при помощи специального прибора – шумомера - со специальным фильтром, учитывающим особенность восприятия шума слуховым аппаратом человека и снижающим чувствительность устройства на низких и очень высоких частотах для того, чтобы получать реальные оценки громкости, неприятного действия или приемлемости звука.

Действующие нормы Европейского Союза требуют, чтобы звуковая мощность LWA электроагрегатов мощностью более 2 кВА (при уровне нагрузки 75% от максимальной) не превышала 97дБА, что на расстоянии 7м от двигателя агрегата соответствует звуковому давлению LpA (7) = 72 дБА.

Можно записать, что на расстоянии 7м: LpA (7) дБА = (LWA – 25) дБА,

на расстоянии 4м: LpA (4) дБА = (LWA – 20) дБА,

а на расстоянии 0м: LpA (0) дБА = LWA дБА

Уровень шумности работы («звуковая мощность») электроагрегата зависит от типа его двигателя (бензиновый или дизельный), типа системы его охлаждения (воздушная или жидкостная) и номинальной скорости агрегата. В целом, можно констатировать, что:

° Бензиновые агрегаты тише дизельных
° Агрегаты со скоростью 1500 об/мин тише, чем со скоростью 3000 об/мин
° Агрегаты с жидкостным охлаждением работают тише, чем с воздушным