- Визначення і формули інтенсивність звуку
- Рівень інтенсивності звуку
- Загальні відомості
- Історична довідка
- Інфразвук. визначення і фізика явищ
- Сприйняття інфразвуків тваринами
- Техногенна генерація інфразвуку
- Вплив інфразвуку на людину
- «Фантомний» інфразвук
- Досвід по виявленню інфразвуку
Визначення і формули інтенсивність звуку
Інтенсивність звуку I визначається як кількість енергії, переносний звуковими хвилями в одиницю часу через одиничну площадку, перпендикулярну напрямку поширення хвилі. Іншими словами, інтенсивність звуку - це швидкість передачі звукової енергії через одиничну площу. В системі СІ інтенсивність звуку вимірюють в ватах на квадратний метр (Вт / м²). Самий тихий звук частотою 1 кГц, який здатне почути вухо людини, має інтенсивність, приблизно рівну 1 · 10⁻¹² Вт / м². Больовий поріг людини приблизно дорівнює 1 Вт / м².
Для вимірювання інтенсивності звуку необхідно використовувати не менше двох ідентичних мікрофонів, які розміщуються на тримачі поруч один з одним. Якщо використовуються два мікрофони, їх розміщують співвісно «торець до торця» (найчастіше), один поруч з іншим, тандемом або «спина до спини». На малюнку вище показано вимір інтенсивності звуку за допомогою датчика у вигляді двох розташованих співвісно «торець до торця» вимірювальних мікрофонів (показані зліва) і прикріплених до держателю (показаний праворуч).
Рівень інтенсивності звуку
Рівень інтенсивності звуку (англ. Sound intensity level - SIL), званий також акустичним рівнем інтенсивності, є абсолютною логарифмічну одиницю інтенсивності звуку щодо опорного рівня 10⁻¹² Вт / м² - порога чутності людини в повітрі. «Абсолютна» означає, що обидві величини можуть бути перетворені одна в іншу. Рівень інтенсивності звуку в децибелах визначається як відношення по потужності:
де I - інтенсивність звуку в Вт / м² і I ₀ опорна інтенсивність звуку, яка за замовчуванням приймається рівною 10⁻¹² Вт / м² або 0 дБ. Рівень інтенсивності звуку часто висловлюють в дБ SIL (дБSIL) замість дБ.
З наведеної вище формули можна отримати інтенсивність звуку I, якщо відомі опорна інтенсивність звуку і рівень інтенсивності звуку SIL:
І, нарешті, опорну інтенсивність звуку I ₀ можна визначити за відомими інтенсивності звуку I і SIL:
Детальну інформацію про різні абсолютних і відносних логарифмічних одиницях ви знайдете в нашому Конвертері логарифмічних одиниць .
Інфразвук можна почути, але можна побачити, якщо подати синусоїдальний звуковий сигнал частотою кілька герц на підсилювач і гучномовець. Якщо при цьому щось чути, це означає, що сигнал не зовсім синусоїдальний і містить гармоніки на частотах понад 20 Гц, які ми і чуємо.
Загальні відомості
Історична довідка
Інфразвук. визначення і фізика явищ
Сприйняття інфразвуків тваринами
Техногенна генерація інфразвуку
Вплив інфразвуку на людину
«Фантомний» інфразвук
Досвід по виявленню інфразвуку
апаратура
Загальні відомості
Як це не дивно, звуки, що лежать за межами чутності людським вухом, грають величезну роль в різних областях знань. Ученим, озброєним методами сучасних комп'ютерних технологій і електроніки, вдалося не тільки розшифрувати такі природні звуки, але і поставити їх на службу людству.
Наприклад, в країнах, що піддаються навалі руйнівних цунамі (Японія, Філіппіни, Малайзія, Таїланд та Індонезія та інших), розгорнута ціла мережа станцій раннього оповіщення про такі події. Крім берегових стаціонарних сейсмічних станцій, які фіксують інфразвуки підводних землетрусів, розгорнута ціла мережа автономних датчиків, які перебувають у вільному плаванні і пов'язаних з центрами обробки інформації через супутниковий зв'язок. І є надія, що трагедій, подібних до трагедії 2004 року, коли від цунамі постраждали сотні тисяч людей в Південній Азії, так само як і трагедії Фукусіми 2011 року, не судилося більше повторитися. Нехай ми поки не в змозі управляти підземними силами, і нам не уникнути матеріальних втрат у найближчому доступному для огляду майбутньому, ми повинні і зможемо хоча б звести до мінімуму число людських жертв.
Інфразвуки з успіхом застосовуються вченими-геофізики при вивченні властивостей і характеристик Землі і окремих її складових - кори, мантії і ядра. Високоекономічним методом в пошуку корисних копалин, серед яких треба виділити особливо цінні поклади нафти і природного газу, є сейсморозвідка. Оскільки вже зараз третина нафти, що видобувається доводиться на видобуток з моря, а морські нерозвідані запаси перевищують такі запаси на суші, останнім часом все більше уваги приділяється дослідженням морського дна. За допомогою сучасних комп'ютерних технологій обробки відбитого і переломлених инфразвукового сигналу можна отримувати 2D- і 3D-зображення покладів і оцінювати перспективність їх подальшої розробки.
Дозвуковий контроль є невід'ємною частиною загального контролю за дотриманням виконання Договору про всеосяжну заборону ядерних випробувань, нарівні з сейсмічним, хімічним і радіологічним контролем. Дозвуковий контроль зручний для виявлення ядерних вибухів в зв'язку з тим, що інфразвук здатний проходити великі відстані практично без розсіювання.
І поки нехай залишаються біблійним міфом руйнування стін Єрихону через звуку труб (що з точки зору сучасної науки цілком можливо, досить тільки досягти повного резонансу на інфразвуку), історична наука не стоїть на місці, цілком можливо, що ми зуміємо відшукати матеріальні підтвердження знань древніх людей.
Високі водоспади є генераторами інфразвуку
Історична довідка
Перше офіційне спостереження інфразвуку було вироблено під час потужного виверження вулкана Кракатау в Зондській протоці в 1883 році. Потужність вибуху вулкана була еквівалентна вибуху атомної бомби в 200 мегатонн, що вчетверо перевищує потужність випробування Радянським Союзом водневої авіаційної бомби АН602 (російська назва - виріб 202, англомовне позначення -RDS-202, нікнейм «Big Ivan») потужністю понад 50 мегатонн (російське розхожа назва Цар-Бомба, за аналогією з Цар-гарматою і Цар-дзвоном) 30 жовтня 1961 року ядерному полігоні острова Нова Земля. Ударна хвиля від вибуху вулкана тричі обігнула земну кулю, під її впливом в радіусі сотні кілометрів розбивалися скляні вікна, звуки виверження були чутні в м Перт (Західна Австралія, відстань понад 3000 кілометрів) і на острові Родрігес, що поблизу острова Маврикій (відстань понад 4800 кілометрів).
Зліва направо: Олександр Степанович Попов, Гульєльмо Марконі, Генріх Герц, Джон Амброз Флемінг, Лі де Форест і Томас Алва Едісон
Інтерес до звуків, які лежать за межами чутності людським вухом, і пов'язаних з ними фізичними та психофізичними явищами, почав проявлятися в міру появи і розвитку таких наук, як радіотехніка і електроніка. Парадоксальним чином відлік їм поклали роботи фізиків різних країн кінця 19-го і початку 20-го століття зовсім в іншому діапазоні хвиль - радіодіапазоні. В їх число заслужено включаються такі видатні вчені як Генріх Рудольф Герц, Олександр Степанович Попов і Гульєльмо Марконі.
Ключовим моментом в дослідженні і генерації як аудіозвук, так і інфразвуку і ультразвуку з'явився винахід електронних підсилювачів. Спочатку з'явилися схеми на основі електронних ламп, розробкою яких ми зобов'язані цілій плеяді чудових винахідників. Ще в 1883 році Т. А. Едісон першим виявив ефект провідності у вакуумі. Потім, в 1904 році, Д. А. Флемінг першим практично використовував ефект Едісона для перетворення змінного струму в постійний (випрямлення струму) за допомогою двоелектродної лампи (діода). У 1906 році Лі де Форест ввів в лампу третій електрод - сітку, отримавши підсилювальний елемент триод. У 1912 році на її основі було створено перший автогенератор. Пізніше на основі винаходу транзисторів, а потім інтегральних схем були створені більш досконалі і економічні схеми посилення і генерації електричних сигналів низькочастотного діапазону. Верхи цього процесу можна вважати розробку цифрових методів аналізу і синтезу звуку будь-якого можливого діапазону за допомогою сучасних комп'ютерних технологій, яким піддаються навіть методи візуалізації звуку.
Як завжди, попереду планети всієї по цій частині стали військові інженери. Вони не тільки навчилися визначати дислокацію ворожих артилерійських батарей по інфразвуку від їх пострілів з закритих позицій, але також навчилися виявляти приховані під водою об'єкти у вигляді нового типу озброєнь (підводних човнів), використовуючи, крім інфразвуку, звук і ультразвук (гідроехолокація). Спеціальність інженера-акустика стала невід'ємним атрибутом і в морських, і в наземних військах.
Інфразвук. визначення і фізика явищ
До інфразвуку відносяться звуки з частотами нижче частот, що сприймаються людським слухом, тобто з частотою нижче 20 Гц; нижня межа інфразвуку умовно приймається рівною 1 міллігерцу, однак на практиці частіше розглядають нижню межу 0,1 Гц.
При поширенні в різних середовищах, інфразвук в загальному підпорядковується законам акустики, тобто здатний затухати, відбиватися і переломлюватися. Але є деякі відмінності:
- для сприйняття людиною через вібрації тіла, інфразвук повинен мати вищу амплітуду коливань в порівнянні зі звуковими хвилями в діапазоні чутності;
- інфразвук набагато далі поширюється в повітрі, оскільки слабо поглинається атмосферою;
- через велику довжину хвиль, інфразвуку в більшій мірі, ніж звичайному звуку, властиві дифракційні явища (огибание перешкод).
Під час шторму в океані в результаті взаємодії хвиль з атмосферою виникають інфразвукові хвилі з частотою близько 0,2 Гц.
У природі інфразвук виникає при землетрусах, ударах блискавок, виверження вулканів, при сильному вітрі, під час бур і ураганів. На море посилення инфразвукового фону є вірною ознакою наближення шторму; то ж справедливо у відношенні до сходу снігових лавин.
Сприйняття інфразвуків тваринами
Цілком природно, що в живій природі найбільш чутливими до дії інфразвуків є тварини великих розмірів: кити, слони, бегемоти, носороги, жирафи, окапі, крокодили, леви і тигри. Вони не тільки сприймають інфразвук, але і прекрасно його генерують в силу розмірів своїх органів. Кити і слони з успіхом використовують інфразвукові сигнали для спілкування з собі подібними, причому дальність такого зв'язку на суші може досягати при сприятливих умовах поширення інфразвуку сотні кілометрів. Хижаки таким чином захищають свою мисливську територію від посягань на неї чужинців свого виду, хоча ареал проживання прайду не перевищує радіуса 10 кілометрів. У разі китів дальність зв'язку може становити навіть кілька тисяч кілометрів! Можливо, у відкритому океані використовується ефект далекого проходження за рахунок утворення своєрідного каналу поширення інфразвуку через різницю температур, різниці гідростатичного тиску і різниці в солоності поверхневих і глибинних вод. Принцип дії цього каналу аналогічний принципу передачі інформації по волоконно-оптичному кабелю, в якому світлові промені поширюються також завдяки повному внутрішньому віддзеркаленню.
Техногенна генерація інфразвуку
З моменту зведення перших мегалітичних споруд (згадайте Стоунхендж!) Людство несвідомо стало техногенним генератором інфразвуку, будуючи різні будівлі для господарських, житлових та релігійних потреб, камери яких (кімнати, зали, печі та каміни з димоходами) служили своєрідними резонаторами інфразвуку і пасивними генераторами під впливом вітру. У міру освоєння природних сил люди стали все більш активним генератором інфразвуку. Першими пристроями стали водяні і вітряні млини, хоча у них інтенсивність інфразвуку була не настільки велика, проте, виробляла якийсь містичний ефект. Недарма у всіх переказах різних народів професія мельника, так само як і професія коваля, який був змушений своїми рівномірними ударами молота викликати інфразвук, оточена легендами з негативним підтекстом. Прямими нащадками цих пристроїв нині є напірні водоводи гідроелектростанцій, вітроелектрогенератори і механічні молоти титанічних розмірів.
Напірні водоводи (видно зліва) гідроелектростанцій є джерелами інфразвукових хвиль
На виробництві джерелом інфразвуку також є важкі верстати, де відбувається зворотно-поступальний рух великих мас (наприклад, поршневі компресори), вентилятори і системи кондиціонування, турбіни і віброплощадки та інше обладнання. Реактивні двигуни літаків також випромінюють інфразвукові хвилі. З освоєнням сили пара і масовим впровадженням силових установок на судах, ми стали генерувати інфразвуки не тільки на суші, але і на морі.
Інфразвукові хвилі утворюються при обертанні лопатей вітроелектрогенератор, можна виявити на відстані до 10 кілометрів від них
Нині основними джерелами антропогенного шумового забруднення океану є суду, пневмопушкі для сейсмічної розвідки корисних копалин на дні морів і океанів, морські бурові та експлуатаційні платформи для видобутку нафти і газу, а також гідролокатори, як військового, так і цивільного призначення. Джерелами інфразвуку також є ядерні вибухи, причому інфразвук від них може поширюватися по атмосферному волноводу на тисячі кілометрів.
Біологи небезпідставно б'ють на сполох, відносячи масові викиди китоподібних на сушу за рахунок антропогенних інфразвуків, звуків і ультразвуков, що генеруються нами. На їхню думку, ми своїм звуком просто збиваємо тварин з курсу, викликаючи збої їх систем навігації. Зараз шумове забруднення морів в смузі частот інфразвуку досягає максимальної інтенсивності, перевищуючи акустичне забруднення на інших частотах в тисячі разів.
Вплив інфразвуку на людину
Людський організм і його психіка схильні до впливу інфразвуку з тієї причини, що він стимулює вестибулярний апарат, а також у зв'язку з тим, що майже всі органи людини мають резонансні частоти в межах 8-20 Гц:
- 20-30 Гц (резонанс голови);
- 18 Гц і 40-100 Гц (резонанс очей);
- 0,5-13 Гц (резонанс вестибулярного апарату);
- 4-6 Гц (резонанс серця);
- 2-3 Гц (резонанс шлунка);
- 2-4 Гц (резонанс кишечника);
- 6-8 Гц (резонанс нирок);
- 2-5 Гц (резонанс рук).
Розкид в значеннях пояснюється розкидом антропометричних даних серед представників людства.
Вважають, що інфразвукові коливання навіть невеликої інтенсивності викликають симптоми, схожі з струсом мозку (нудота, шум у вухах, порушення зору). Коливання середньої інтенсивності можуть стати причиною «нехарчової» діареї і порушень функцій мозку з найнесподіванішими наслідками. Вважається, що інфразвук високої інтенсивності, що тягне за собою резонанс, призводить до порушення роботи практично всіх внутрішніх органів, можливий смертельний результат через зупинку серця або розриву кровоносних судин.
Ще більш цікаві ефекти виробляє інфразвук на психоемоційний стан людей, яких він впливав. У цьому сенсі показовий масштабний досвід, проведений групою англійських дослідників над аудиторією з 700 осіб в лондонському концертному залі Перселл-Рум (Purcell Room), яким пропонувалося прослухати музичний концерт у двох відділеннях. Кожне з відділень складалося з чотирьох творів, в два з них в оригінальне виконання підмішували інфразвук частотою 17 Гц малої інтенсивності, у другому відділенні інфразвук підмішували в два інших твори. Слухачам пропонувалося описати свої відчуття і значна частина респондентів (22%) відзначала незвичайні переживання: тривогу, занепокоєння, крайню печаль, почуття відрази і страху, озноб уздовж хребта і відчуття тиску в грудях як раз в моменти подачі инфразвукового сигналу.
Вкрай цікавім Вплив на людину інфразвуку частотою 18,98 Гц стало Виявлення візуального ЕФЕКТ англійськім інженером-дослідніком Віком Тенді на качана 80-х років Минулого століття. Засіджуючі допізна в життя без лабораторії, Тенді Неодноразово помічав периферичної зором з'явилася аморфного сірого плям, Пожалуйста Зникаю при повороті голови в его БІК. Будучи завзятим фехтувальніком, ВІН кож зауважів, что во время полірування рапірі, затиснута рукояткою в лещата, ее кінчік помітно тремтів. Припустити по вібраціям рапірі (лезо рапірі Граля роль приймач-Реєстратора) наявність в пріміщенні інфразвуку, ВІН досліджував приміщення лабораторії та виявило, что інфразвук Дійсно присутности - его Джерелом БУВ недавно встановлений витяжною вентилятор. Максимум инфразвукового сигналу відзначався Якраз над робочим столом Тенді и его частота булу Близько до резонансної частоти очного яблука 18 Гц, Певного НАСА. Роботи в цьом напрямку були підсумовані В. Тенді в статті «Привид з машини», опублікованій тисяча дев'ятсот дев'яносто вісім году. Надалі він на запрошення дослідників паранормальних явищ притягувався до робочих груп з обстеження підвалу туристичного центру в Ковентрі в 2001 році і Уорікського замку в 2004 році. В обох випадках відзначався високий рівень інфразвуку. Так що поява привидів в англійських замках має під собою цілком матеріальну основу!
«Фантомний» інфразвук
Ще більш дивним чином на людину впливає «фантомний» інфразвук. Справа в тому, що через бинаурального ефекту слуху, властивого людині і більшості вищих тварин, людський мозок оцінює джерело звуку по частоті, фазі і інтенсивності сигналу, обчислюючи напрямок на джерело звуку за цими ознаками, в тому числі і по різниці фаз звукових коливань , що надходять в праве і ліве вухо. В результаті, при впливі на правий і лівий канали слуху близьких частот з різницею, що лежить в межах сприйняття звуку, виникають «фантомні» відчуття сприйняття звуку «основного» тони при прослуховуванні більш високих частот (гармонік). При цьому виникає «фантомне» сприйняття основної частоти, хоча її в вихідному сигналі взагалі немає. Наприклад, якщо одне вухо чує сигнал з частотою 550 Гц, а інше з частотою 570 Гц, то мозок сприймає (тобто, як ніби, чує) додаткову частоту 20 Гц, яка є різницею цих двох частот. Слід зазначити, що це не проста сума двох синусоїдальних сигналів різних частот, в результаті якої спостерігаються биття. Підсумовування відбувається в мозку, а не в повітрі! І звук формується не в повітрі, а в мозку слухача.
Іноді людина чує низькочастотні звуки, яких в реальності немає. Це відбувається через те, що мозок піддає звук серйозній обробці, додаючи частоти, яких немає в звуках. Це явище широко використовується в техніці. Прикладом може служити телефонний канал, обмежений смугою 300 -3000 Гц. Проте, все ми впевнено визначаємо гендерну приналежність голосу по телефону, хоча для представників «сильної» статі характерна частота голосу становить 150 Гц. Наш мозок, цей найдосконаліший комп'ютер на поточний момент, обманює нас!
Ще гірше (а може бути і краще) справа йде, коли два сигналу з невеликою різницею частот, які лежать в діапазоні інфразвуку, приходять в праве і ліве вухо. Це, можливо, пов'язано з тією обставиною, що електрична активність людського мозку має кілька біоритмів, пов'язаних з його станом. Деякі з таких ритмів ЕЕГ розглянуті нижче.
- Бета-хвилі: найшвидші, характерні для стану неспання, зосередженості і пізнання. Їх надлишок супроводжується занепокоєнням, страхом і панікою. Залежно від ступеня стану може змінюватися в межах 14-42 Гц. Слабкий рівень бета-хвиль статистично корелює з депресією, поганим виборчим увагою і слабкою пам'яттю.
- Альфа-хвилі: біоритми мозку сповільнюються до частот в 8-13 Гц. Їх домінанта відповідає стану умиротворення, здатності до сприйняття нової інформації. У цьому стані мозок виробляє найбільшу кількість ендорфінів і енкефалінів - «наркотиків» власного виробництва.
- Тета-хвилі: сигнали електроенцефалограми в діапазоні 4-8 Гц. У дослідженнях на тваринах тета-хвилі записують за допомогою електродів, імплантованих в мозок. Для досліджень людей електроди наклеюють на голову. Дослідження на людях показують, що тета-хвилі пов'язані з фазою швидкого сну і переходом від сну до пробудження, а також зі спокійним станом неспання.
- Дельта-хвилі: перехід в сонне або несвідомий стан, електрична активність мозку сповільнюється до частот нижче 4 Гц і має високу амплітуду. Асоціюється з глибоким сном.
- Існують також гамма-хвилі мозку, які виникають при вирішенні завдань, що вимагають максимальної уваги. Оскільки їх типова частота (40 Гц) лежить поза межами даного діапазону, обмежимося тільки згадуванням про них. Відзначимо тільки, що цей список далеко не вичерпний.
На цих ефектах засноване горловий спів тибетських ченців і григоріанський хоровий спів. За рахунок практично невловимих биття у виконанні, вони провокують стан захопленості аж до екстазу у вдячних слухачів. А нині шарлатани від медицини рекламують їх як панацею для зняття тривожних станів психіки, без жодного медичного контролю пропонуючи «заспокійливу» музику.
З точки зору автора цієї статті - радіоінженера, комп'ютерника, запеклого атеїста і матеріаліста, людський мозок являє собою Високовибірково приймач з багатьма точками входу, до того ж підключений до суперкомп'ютера зі своїми програмами обробки вхідних сигналів, алгоритми яких не зовсім адекватно відображають об'єктивну реальність.
Досвід по виявленню інфразвуку
апаратура
У нашому побуті завжди присутні інфразвуки, основним генератором яких служать вентилятори і повітроводи систем кондиціонування. В принципі, для демонстрації інфразвуків досить вентилятора з малими оборотами в якості генератора інфразвуку. Як приймача інфразвуку можна використовувати динамік сабвуфера в інверсному режимі, підключеного до реєстратора через попередній підсилювач з малим рівнем шумів і фільтром по зрізу вищих частот, оскільки всі типові акустичні мікрофони слабо реагують на інфразвук через малість їх розмірів. Як реєстратора інфразвуків можна використовувати цифровий або аналоговий осцилограф або пристрій для запису звуку. Результати запису звуку віконного кондиціонера і підлогового вентилятора показані на графіках.
Устаткування для експерименту (зліва направо): гучномовець, який використовується в якості мікрофона, підлоговий вентилятор, микшерский пульт Behringer XENIX 802, цифровий пристрій для запису звуку Tascam DR-05 і навушники.
На цих двох графіках показаний записаний звук підлогового вентилятора. На нижньому графіку показана спектрограмма (спектр частот - залежність частоти від часу і залежність амплітуди сигналу від частоти в конкретний момент часу). Праворуч від цього графіка показано як колір змінюється від чорного до білого залежно від амплітуди сигналу. Амплітуда вказана в децибелах щодо повної шкали. 0 dBFS відповідає максимально можливого рівня сигналу для даної системи звукозапису.
Звук віконного кондиціонера з холодопродуктивністю 12 BTU.
Автор статті: Сергій Акішкін
Unit Converter articles were edited and illustrated by Анатолій Золотков