Все об уровнях шума

Что такое децибел?

Относительные логарифмические единицы Белы (децибелы) широко используются при количественных оценках параметров различных аудио, видео, измерительных устройств

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

Бел выражает отношение двух значений энергетической величины десятичным логарифмом этого отношения, причем под энергетическими величинами понимаются: мощность, энергия.

Кстати, эта единица получила свое название в честь Александра Белл (1847 – 1922) – американского ученого шотландского происхождения, основоположника телефонии, основателя всемирно известных компаний AT&T и “Bell Laboratories”. Еще интересно напомнить, что во многих современных мобильных телефонах (смартфонах) обязательно есть выбираемый звук звонка (оповещения), так и называемый “bell”. Впрочем, Бел относится к единицам, не входящим в Международную систему единиц (СИ), но в соответствии с решением Международного комитета мер и весов допускается к применению без ограничений совместно с единицами СИ. В основном применяется в электросвязи, акустике, радиотехнике.

Что такое коэффициент шумопоглощения

Шумопоглощающие материалы выполняют другую функцию: их задача – наоборот, не дать звуку отразиться от поверхности. Для измерения этой характеристики используют термин «коэффициент шумопоглощения». Его значение варьируется в диапазоне от 0 до 1. Если полотно без остатка поглощает звук, коэффициент равен единице, если полностью отражает его – нулю. Промежуточные значения показывают, какой процент падающей энергии поглощает поверхность (например, 0,3 – это 30 %).

Шумопоглощающими считаются материалы с коэффициентом более 0,4 при частоте 1000 Гц, согласно СНиП II-12-77 «Защита от шума». Для сравнения приведем несколько примеров показателя шумопоглощения по мере увеличения – на частоте 1000 Гц:

• бетонная стена – 0,015;
• мрамор или плитка – 0,02;
• кирпичная стена – 0,032;
• деревянная стена – 0,06-0,1;
• легкие занавеси – 0,25;
• вентиляционная решетка – 0,35;
• минеральная вата – 0,45-0,95;
• тяжелые занавеси – 0,8;
• открытое окно – 1 (полностью поглощает звук извне).

Коэффициент шумопоглощения минеральной ваты – от 0,45 до 0,95

Топ-5 лучших статьи

Что такое бутиловая лента

Бутиловая лента – это современный герметизирующий материал, который широко используется в частном и коммерческом строительстве.

Подробнее…

Как звукоизолировать студию звукозаписи

Уровень децибелов в студиях звукозаписи порой зашкаливает. Репетиции, запись, сведение, озвучивание, дубляж – все это доставляет немалые неудобства соседям, если звук просачивается через стены, пол или потолок.

Подробнее…

Сколько стоит звукоизоляция спальни 12 м2/детской 15 м2/кабинета 8 м2?

Вечеринки, громкие разговоры и смех хороши до поры до времени. Рано или поздно хочется уединиться в тишине, в собственной комнате.

Подробнее…

Какой герметик выбрать: битумный или бутилкаучуковый?

Битумные герметики появились на рынке раньше остальных.

Подробнее…

Герметизируем правильно: как нанести мастику

Стыки, трещины, швы ухудшают теплоизоляционные свойства здания. Через них в помещение проникают холод и влага, скапливается конденсат – источник сырости и плесени.

Подробнее…

Что такое индекс звукоизоляции

Звукоизоляционные материалы отталкивают звуковые волны и не дают им распространяться дальше. Как правило, чем толще поверхность, тем лучше она отражает звук. Исключение составляют звукоизоляционные плиты, рулоны и полотна малой толщины, которые порой обеспечивают более эффективную звукозащиту, чем бетон или кирпичная кладка.

Индекс звукоизоляции (RW) показывает, насколько хорошо материал отражает звук. Измеряется этот показатель в децибелах. Звукоотражающим эффектом обладают гладкие поверхности – листы металла, стекло, текстолитовые плиты, а больше всего – мраморная стена.

Мраморная стена обладает самым высоким показателем отражения звука

Сравнение разных источников шума

Но просто измерить уровень шума недостаточно. Абстрактная интенсивность звука, даже соотнесенная с санитарными нормативами, мало что говорит о теме. Необходимо понимать, что даже при одинаковом количестве децибел средние частоты кажутся громче, нежели колебания низкой или высокой частоты. Потому профессионалы моделируют чувствительность человеческого восприятия при помощи особого частотного фильтра. Кроме того, влияют и акустические свойства помещения, возможности для распространения и поглощения звуковых волн.

Проще всего охарактеризовать громкость 0 дБ. Она выражается одним банальным определением: полностью отсутствуют какие-либо внешние звуки. Сколько-либо продолжительное поддержание такого режима возможно лишь в сурдокамере

При уровне 5 дБ только самые внимательные люди могут обратить внимание на звук. Сравнить его можно с тихим шелестом листвы

Если он становится громче и превращается в шорох, то это будет уже 10 или 15 дБ. Следующее положение на шкале — это уже 20/25 дБ или шепот на дистанции 1 м. 30-децибельный звук — это самый малый сигнал, который издают исправные настенные часы. Для жилых комнат ночью это абсолютный максимум. Приглушенный разговор приравнивается к 35 дБ.

Если же идет обычная речь, спокойным голосом, то это уровень 40 дБ. Он практически безвреден для человека, абсолютно физиологичен и поэтому дозволен для жилых помещений в дневные часы. Такой же показатель установили для библиотек, конференц-залов и переговорных комнат. Подняв число децибел до 45, получают простой гармоничный разговор – такой же, какой обычно идет на улицах и в рабочих помещениях, в магазинах; этот звук нормален и для спортивного зала. Отчетливая слышимость (разговоры, сопровождаемые более или менее близкой работой на клавиатуре, распечаткой текстов на принтерах) — это 50 дБ. Именно таков звуковой фон в административных кабинетах, офисах. Отличить от него уровень, соответствующий 51 единице, весьма сложно. При 55 дБ разрешено в Европе работать в офисном помещении, однако это уже не так удобно, как раньше.

Повышается громкость до 60 дБ — и значит, создается нормальная атмосфера административного помещения. Разумеется, если там никто не ссорится, не скандалит, шеф не распекает нерадивых сотрудников. В противном случае звук усиливается до 65 дБ. Когда говорит громко сразу большое количество людей, что типично для напряженных моментов в крупных офисах, интенсивность звука вырастает до 70 дБ.

Большой роли рассмотрение более серьезных шумов не имеет. Все равно они встречаются довольно редко, особенно в бытовых условиях. И все же имеет смысл дать справочно некоторые цифры:

• мотоциклы с глушителем звучат на 85 дБ;
• на расстоянии 7 м от грузового вагона, едущего по рельсам, звук достигает 90 дБ;
• внутри вагона метрополитена шум соответствует 95 дБ;
• близкие раскаты грома или бензопила могут зазвучать до 100 дБ;
• при близком пролете вертолета звучание усиливается до 110 дБ, при старте космических и баллистических ракет – до 145 дБ;
• при превышении уровня 200 дБ гибель практически неизбежна.

Стоит понимать, что вызывающий дискомфорт уровень зависит еще и от длительности воздействия. При кратковременном зашумлении разрешено превышать постоянный уровень на 15 дБ, но не более чем до 135 дБ. У внутренних блоков кондиционеров звучание не превышает 25, а у наружных — 30–50 децибел. Обычные вытяжки для кухни шумят примерно в той же степени, но иногда уровень превышается на 10 единиц. Тихие вентиляторы работают на уровне от 16 до 30 акустических единиц.

Допустимый уровень шума в квартире

Для жилых квартир в многоэтажном доме установлены нормы по шуму. Основным регулирующим документом является Федеральный закон №52, который часто называют законом о тишине. Этот закон был принят в 1999 году; в этот закон периодически вносились поправки, однако большинство таких поправок имеют незначительный характер. Главной особенностью этого закона в 2018-2019 году является то, что каждый субъект Российской Федерации может вносить небольшие изменения и поправки, поэтому звуковой режим немного отличается в зависимости от того, в каком регионе вы проживаете.

Однако на территории большинства субъектов РФ действуют следующие ограничения относительно уровня шума:

• В дневное время (с 7 до 23 часов) средний уровень шума должен составлять не более 40 дБ. При этом периодически разрешается издавать звуки мощностью до 55 дБ, однако такие звуки должны быть кратковременными. Например, в случае проведения ремонта разрешается периодически включать громкую дрель, что не будет являться нарушением закона; однако такую дрель нельзя оставлять включенной, поскольку в таком случае этот инструмент будет издавать громкие звуки постоянно, что будет являться нарушением закона.
• В ночное время (с 23 до 7 часов) средний уровень шума должен составлять не более 30 дБ. При этом периодически также разрешается издавать громкие звуки мощностью до 45 дБ, а характер звука должен быть кратковременным.
• Первостепенное значение играет лишь громкость того или иного звука (а также в некоторых случаях его длительность), однако происхождения самого звука значения не имеет. Например, вы можете без проблем включать музыкальный центр в любое время суток, а соседи не имеют право препятствовать вам в этом; однако при этом громкость музыкального центра должна составлять не более 40 дБ днем или 30 дБ ночью — а в случае нарушения этого правила соседи действительно могут пожаловать на вас в полицию.
• В Москве и некоторых других городах действуют дополнительные правила. Во-первых, московское законодательство вводит термин «время тишины». Временем тишины называют 2 ежедневных интервала — с 19 часов вечера до 9 часов утра и с 13 до 15 часов дня. В это время запрещены следующие действия — ремонтные работы, фейерверки, громкое пение, свист и так далее. Во-вторых, в Москве действуют дополнительные ограничения во время праздников. В государственные праздничные дни дневное время длится с 10 до 22 часов (а не с 7 до 23 часов), а в это время разрешается издавать звуки мощностью до 40 дБ с возможностью кратковременного повышения звука до 55 дБ.

За нарушение вышеперечисленных правил предусмотрена административная ответственность по статье 3.13. Если нарушение допущено в дневное время, то в таком случае необходимо вызвать на дом сотрудника Роспотребнадзора для проведения специальной экспертизы. Для проведения экспертизы применятся специальный прибор, который измеряет уровень шума в квартире — если же он покажет, что ваш сосед громко шумит, то в таком случае будет составлен специальный акт. С этим актом нужно обратиться в полицию и написать заявление. После этого дело о нарушении будет передано в административный суд для рассмотрения.

Наказание за громкий шум такое:

Децибелы и АЧХ усилителя

Как вы помните в  прошлом примере с ОУ, у нас неинвертирующий усилитель усиливал сигнал в 10 раз. Если посмотреть в нашу табличку, то это получается 20 дБ относительно входного сигнала. Ну да, так оно и есть:

Также в дБ на некоторых графиках АЧХ обозначают наклон характеристики АЧХ. Это может выглядеть примерно вот так:

На графике мы видим АЧХ полосового фильтра. Изменение сигнала +20 дБ на декаду (дБ/дек, dB/dec) говорит нам о том, что при каждом увеличении частоты в 10 раз, амплитуда сигнала возрастает на 20 дБ. То же самое можно сказать и про спад сигнала -20 дБ на декаду. При каждом увеличении частоты в 10 раз, у нас амплитуда сигнала будет уменьшаться на -20 дБ. Есть также похожая характеристика дБ на октаву (дБ/окт, dB/oct). Здесь почти все то же самое, только изменение сигнала происходит при каждом увеличении частоты в 2 раза.

Давайте рассмотрим пример. Имеем фильтр высоких частот (ФВЧ) первого порядка, собранного на RC-цепи.

Его АЧХ будет выглядеть следующим образом (кликните для полного открытия)

Нас сейчас интересует  наклонная прямая линия АЧХ. Так как у нее наклон примерно одинаковый до частоты среза  в -3дБ, то можно найти ее крутизну, то есть узнать, во сколько раз увеличивается сигнал при каждом увеличении частоты в 10 раз.

Итак возьмем первую точку на частоте в 10 Герц. На частоте в 10 Герц амплитуда сигнала уменьшилась на 44 дБ, это видно в правом нижнем углу (out:-44)

Умножаем частоту на 10 (декада) и получаем вторую точку в 100 Герц. На частоте в 100 Герц наш сигнал уменьшился приблизительно на 24 дБ

То есть получается за одну декаду у нас сигнал увеличился с -44  до -24 дБ на декаду. То есть наклон характеристики составил +20 дБ/декаду. Если +20 дБ/декаду перевести в дБ на октаву, то получится 6 дБ/октаву.

Достаточно часто, дискретные аттенюаторы (делители) выходного сигнала на измерительных приборах (особенно на генераторах) проградуированы в децибелах:0, -3, -6, -10, -20, -30, -40 дБ. Это позволяет быстро ориентироваться в относительном уровне выходного сигнала.

Формулы для вычисления децибелов

Бел (Б) = lg (P2/P1)

где

P₁ – мощность до усиления, Вт

P₂ – мощность после усиления или ослабления, Вт

На практике, оказалось, что удобнее пользоваться уменьшенным в 10 раз значением Бел, т.е. децибел, поэтому:

дециБел (дБ) = 10 * lg(P2/P1)

Усиление или ослабление мощности в децибелах выражается формулой:

где

N_дБ – усиление, либо ослабление мощности в децибелах

P₁ – мощность до усиления, Вт

P₂ – мощность после усиления или ослабления, Вт

Значения Бел, децибел могут быть со знаком “плюс”, если P2 > P1 (усиление сигнала)  и со знаком “минус”, если P2 < P1 (ослабление сигнала)

Во многих случаях, сравнение сигналов путем измерения мощностей может быть неудобным или невозможным – проще измерить напряжение или ток.В этом случае, если мы сравниваем напряжения или токи, формула примет уже другой вид:

где

N_дБ – усиление, либо ослабление мощности в децибелах

U₁ – это напряжение до усиления, В

U₂  – напряжение после усиления, В

I₁ – сила тока до усиления, А

I₂ – сила тока после усиления, А

Вот небольшая табличка, в которой приведены основные отношения напряжений и соответствующее число децибел:

Дело в том, что операции умножения и деления над числами в обычном базисе, заменяются операциями сложения и вычитания в логарифмическом базисе. Например, у нас есть два каскадно-включенных усилителя с коэффициентами усиления K1 = 963 и K2 = 48. Какой общий коэффициент усиления? Правильно – он равен произведению K = K1 * K2. Вы можете в уме быстро вычислить 963*48? Я – нет. Я могу прикинуть K = 1000*50 = 50 тыс., не более. А, если нам известно, что K1 = 59 дБ и K2 = 33 дБ, то К = 59+33 = 92 дБ – сложить было не трудно, надеюсь.

Впрочем, актуальность таких вычислений было велика в эпоху, когда ввели понятие Бел и когда не было не то, что айфонов, но и электронных калькуляторов.  Сейчас же достаточно открыть калькулятор на ваших гаджетах и быстренько посчитать , что есть что. Ну и чтобы не париться каждый раз при переводе дБ в разы, удобнее всего найти в интернете онлайн-калькулятор. Да хотя бы вот.

Закон Вебера-Фехнера

Почему именно децибелы? Все исходит от закона Вебера-Фехнера, который говорит нам, что интенсивность ощущения человеческих чувств прямо-пропорциональна логарифму интенсивности какого-либо раздражителя.

Так светильник, в котором восемь лампочек, кажется нам настолько же ярче светильника из четырёх лампочек, насколько светильник из четырёх лампочек ярче светильника из двух лампочек. То есть количество лампочек должно увеличиваться  каждый раз вдвое, чтобы нам казалось, что прирост яркости постоянен. То есть если добавить к нашим 32 лампочкам на графике еще одну лампочку, то мы даже и не заметим разницы. Для того, чтобы для нашего глаза была заметна разница, мы должны к 32 лампочкам добавить еще 32 лампочки, и т.д. Или иными словами, для того, чтобы нам казалось, что наш светильник плавно набирает яркость, нам надо зажигать вдвое больше лампочек каждый раз, чем было предыдущее значение.

Поэтому децибел действительно удобнее в некоторых случаях, так как сравнивать две величины намного проще в маленьких цифрах, чем в миллионах и миллиардах. А так как электроника – это чисто физическое явление, то и децибелы не обошли ее стороной.

Что еще измеряют в децибелах?

Также очень часто в дБ выражают отношение сигнал-шум (signal-to-noise ratio, сокр. SNR)

где

U_c – это эффективное значение напряжения сигнала, В

U_ш – эффективное значение напряжения шума, В

Чем выше значение сигнал/шум, тем более чистый звук обеспечивается аудиосистемой. Для музыкальной аппаратуры желательно, чтобы это отношение было не менее 75 дБ, а для Hi-Fi аппаратуры не менее 90 дБ

Не имеет значение физическая природа сигнала, важно, чтобы единицы были в одинаковых измерениях

В качестве единицы логарифмического отношения двух одноимённых физических величин применяется также непер (Нп) — 1 Нп ~ 0,8686 Б. В основе лежит не десятичный (lg), а натуральный (ln) логарифм отношений. В настоящее время используется редко.

Во многих случаях, удобно сравнивать между собой не произвольные величины, а одну величину относительно другой, названной условно опорной (нулевой, базовой).В электротехнике, в качестве такой опорной или нулевой величины выбрано значение мощности равное 1 мВт выделяемое на резисторе сопротивлением 600 Ом.В этом случае, базовыми значениями при сравнении напряжений или токов станут величины 0.775 В или 1.29 мА.

Для звуковой мощности такой базовой величиной является 20 микроПаскаль (0 дБ), а порог +130 дБ считается болевым для человека:

Более подробно об этом написано в Википедии по этой ссылке.

Для случаев когда в качестве базовых значений используются те или иные конкретные величины, придуманы даже специальные обозначения единиц измерений:

dbW (дБВт) – здесь отсчет идет относительно 1 Ватта (Вт). Например, пусть уровень мощности составил +20 дБВт. Это значит что мощность увеличилась в 100 раз, то есть на 100 Вт.

dBm (дБм) – здесь у нас отсчет уже идет относительно 1 милливатта (мВт). Например, уровень мощности в +30дБм будет соответственно равен 1 Вт. Не забываем, что это у нас энергетические децибелы, поэтому для них будет справедлива формула

Следующие характеристики – это уже амплитудные децибелы. Для них будет справедлива формула

dBV (дБВ) – как вы догадались, опорное напряжение 1 Вольт. Например, +20дБВ даст – это 10 Вольт

От  дБВ также вытекают другие виды децибелов с разными приставками:

dBmV (дБмВ) – опорный уровень 1 милливольт.

dBuV (дБмкВ) – опорное напряжение 1 микровольт.

Здесь я привел наиболее употребимые специальные виды децибелов в электронике.

Децибелы используются и в других отраслях, где они также показывают отношение каких-либо двух измеряемых величин в логарифмическом масштабе.

Также на YouTube есть интересное видео о децибелах.

При участии Jeer