Почему децибел. Измерение затухания оптической линии

Задайте самому себе вопрос… как много музыкантов на самом деле понимают, что такое децибел ?

Не очень-то много, да? И это неудивительно.

Потому что на самом деле децибелы - сложное понятие.

Но есть и хорошие новости… для аудиозаписи всё, что вам нужно знать, - это несколько базовых моментов.

И в сегодняшнем посте я расскажу о КЛЮЧЕВЫХ вещах, которые каждый музыкант должен знать о децибелах.

Надеюсь, это будет полезно для вас.

Для начала давайте развеем стандартный миф :

ФАКТ: децибел - НЕ единица измерения громкости

Это вообще ничего не единица. Это СООТНОШЕНИЕ. Оно сравнивает одно число с другим.

И хотя в этих числах обычно измеряется уровень звука, это не всегда так. В музыке децибелы также используются для измерения напряжения и мощности оборудования.

ЕЩЁ ФАКТ: децибел - НЕЛИНЕЙНОЕ измерение

Большинство единиц измерения линейны. Например, 2 дюйма в 2 раза длиннее, чем 1 дюйм, а 4 дюйма в 2 раза длиннее, чем 2 дюйма. Если построить график из этих чисел, то их свяжет прямая линия.

Но с децибелами так не получится. Децибелы - ЛОГАРИФМИЧЕСКИЕ единицы измерения. Если вы не помните логарифмы из школьного курса математики, вот очень краткое их объяснение:

Когда мы имеем дело с логарифмами, каждая следующая единица экспоненциально увеличивает число. Например:

• +3 дБ = мощность х2
• +10 дБ = мощность х10
• +60 дБ = мощность х1000000

Поняли? Хорошо. Вот почему вам это нужно знать :

Как децибелы применимы к музыке и звукам

Децибелы в музыке - это измерение у ровня з вукового д авления (УЗД) . Когда мы говорим, что динамики на рок-концерте играют на 110 дБ, мы имеем в виду, что они играют на УЗД в 110 дБ.

Поскольку децибел - всего лишь соотношение, то 110 дБ на самом деле является сравнением с другим числом: 0 УЗД.

0 УЗД - обычное давление воздуха в атмосфере (20 мПа). Это считается нижним порогом слышимости и точкой отсчёта для всех звуков.

Теперь… к практическим вещам.

Полезные примеры из жизни уровней децибелов

Самый простой способ осознать, что такое децибел - измерить шумы, которые нам постоянно встречаются. Вот примеры шумов, с которыми мы все знакомы:

• Дыхание : 10 dB
• Шёпот : 20 dB
• Обычный разговор : 40 dB
• Фоновый шум в ресторане : 60 dB
• Громкость радио/телевизора : 70 dB
• Мусорная машина : 80 dB
• Отбойный молоток : 100 dB
• Болевой порог : 130 dB
• Реактивный двигатель : 150 dB

Как децибелы влияют на воспринимаемую громкость

Чтобы полностью уловить концепт децибелов, необходимо интуитивно понимать, как изменения в децибелах соотносятся с изменениями в громкости .

Буду честен… от математики у вас заболит голова. Вместо этого - простые примеры, используйте их как шпаргалку:

• +10 дБ = громкость х2
• +20 дБ = громкость х4
• +40 дБ = громкость х16

Предупреждение : Хотя эти числа могут быть полезными, они не “идеальны”. Один и тот же уровень децибелов может быть услышан на разной громкости.

Вот как:

Как частотный баланс влияет на громкость

Когда вы задумываетесь об УЗД в 60 дБ, вы представляете какой-то один уровень громкости.

Оказывается, это не так. Уровень громкости, воспринимаемый нашим мозгом, также зависит от частот, передаваемых звуком.

На равных уровнях децибелов, средние частоты (1–4 кГц) воспринимаются “громче”, чем низкие и высокие частоты.

Этот феномен, известный как кривая Флетчера-Мэнсона, мы рассмотрим в другой статье.

Следующий пункт:

Как расстояние влияет на громкость

Менее очевидно, насколько. Опять же, вычисления очень сложные.

Поэтому, проще говоря, вот 2 простых примера:

• дистанция х2 = -6 дБ
• дистанция х10 = -20 дБ

Теперь, когда вы интуитивно разбираетесь в том, как децибелы измеряют уровень звука, осталось узнать одну вещь:

Как децибелы используются в записывающем оборудовании

Чаще всего в звукозаписывающей студии вы наткнётесь на децибелы в измерителях уровня …

Которые можно найти во многих устройствах: , и других .

Наверху измерителя вы заметите отметку в 0 дБпш (0 дБ полной шкалы). Это - наивысший уровень сигнала, достижимый на этом оборудовании до ограничения или искажения сигнала.

Ниже - отрицательные значения дБпш, вплоть до -∞ дБпш.

В зависимости от того, кого вы спросите, люди скажут, что они настраивают оборудование для записи между -15 и -6 дБ. Думаю, -10 дБ - хороший компромисс.

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

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

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

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

Ближе к делу

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

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

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

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

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

Особенности

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

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

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

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

Зачем надо было всё усложнять?

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

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

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

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

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

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

Вопрос о переводе дБ в дБм и наоборот часто приходится слышать от клиентов, встречать на специализированных форумах. Однако, как бы не хотелось, нельзя перевести мощность в затухание.

Если мощность оптического сигнала измерена в дБм, то для определения затухания A (дБ) необходимо от мощности сигнала на входе в линию отнять мощность сигнала на выходе из нее. Но обо всем этом по порядку.

Оптическая мощность, или мощность оптического излучения - это основополагающий параметр оптического сигнала. Он может быть выражен в привычных нам единицах измерения - Ватт (Вт), милливатт (мВт), микроватт (мкВт). А также логарифмических единицах - дБм.

Затухание оптического сигнала (А) - величина, которая показывает во сколько раз мощность сигнала на выходе линии связи (P вых) меньше мощности сигнала на входе этой линии (Pвх). Затухание выражается в дБ (дециБелл) и может быть определено по следующей формуле:

Рисунок 1 - формула расчета оптического затухания в случае если оптическая мощность выражена в Вт

Немного непривычно, не так ли? Логарифмические линейки и таблицы - уходят в прошлое, по крайней мере для молодых монтажников их давно уже заменил калькулятор. И даже с учетом использования калькулятора - такая формула не сильно удобна. Поэтому, для упрощения расчетов было принято решение перевести единицы измерения мощности в логарифмический формат и таким образом избавиться от логарифмов в формуле:

Рисунок 2 - пересчет мощности из мВт в дБм

Для перевода дБм в Вт и наоборот можно пользоваться также таблицей:

В результате пересчета, формула вычисления оптического затухания (рис 1) превращается в:

Рисунок 3 - перевод дБм в дБ (dBm в dB), взаимозависимость между мощностью и затуханием

Учитывая тот факт, что все известные автору измерители оптической мощности в качестве основной единицы измерения используют дБм, то используя формулу на рис 3 инженер может определить уровень затухания даже в уме. Кроме того, многие приборы имеют функцию установки опорного уровня, благодаря чему пользователю выдается значение потерь сразу в Дб.

В этом случае, измерение затухания оптической линии значительно упрощается, что продемонстрировано на следующем видео.

Измерение затухания оптической линии

Зачастую измерянного значения затухания в дБ - достаточно. Однако для того, чтобы представить во сколько раз уменьшился входной сигнал, можно воспользоваться формулой:

m = 10 (n / 10)

где m - отношение в разах, n - отношение в децибелах

можно также пользоваться следующей таблицей:

Таблица 1 - перевод дБ в разы

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

Шаги

Сравнительная таблица уровней шума в децибелах

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

Измерение уровня звука с помощью приборов

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

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

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

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

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

   Математическое вычисление децибел

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

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

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

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

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

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

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

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

Нередко граждане, особенно городские жители, жалуются на излишний шум в квартирах и на улице. Особенно раздражает он (шум) в выходные и ночью. Да и днем радости от него мало, особенно если в квартире находится маленький ребенок.

Как эксперты, так и интернет едины в своих советах – нужно вызвать участкового. Но перед тем как обратиться к представителю правоохранительных органов, необходимо хотя бы примерно разбираться с уровнями шума, при которых такое обращение оправдано, а какое является лишь раздражающим фактором, но под запрет не попадает.

Допустимые уровни шума в жилых помещениях

Регулируется он законодательными актами, согласно которым время суток делится на периоды и для каждого периода допустимый уровень шума различен.

• 22.00 – 08.00 период тишины, во время которого указанный уровень не должен превышать 35-40 децибел, (именно в них считается данный показатель).
• С восьми утра до десяти вечера по закону относится к светлому времени суток и шуметь можно чуть сильнее – 40-50 дБ.

Многие интересуется, а почему такой разброс в дБ. Все дело в том, что федеральные власти дали только примерные значения, а каждый регион устанавливает их самостоятельно. К примеру, в некоторых регионах, в частности, в столичном, днем существуют дополнительные периоды тишины. Обычно это промежуток от 13.00 до 15.00. Несоблюдение тишины в этот срок является нарушением.

Стоит сказать, что под нормами понимается тот уровень, который не может нанести никакого вреда человеческому слуху. Но многие не понимают, что означают указанные показатели. Поэтому даем сравнительную таблицу с уровнями шума и с тем, с чем сравнить.

• 0-5 дБ – ничего или почти ничего не слышно.
• 10 – этот уровень можно сравнить с небольшим шелестом листвы на дереве.
• 15 – шелест листвы.
• 20 – еле слышный человеческий шепот (на примерном расстоянии в один метр).
• 25 – уровень, когда человек разговаривает шепотом на расстоянии пары метров.
• 30 децибел с чем сравнить? – громкий шепот, ход часов на стене. Согласно нормативам СНиП, данный уровень является максимально допустимым в ночное время в помещениях, относящихся к жилым.
• 35 – примерно на этом уровне ведется разговор, правда, на приглушенных тонах.
• 40 децибел – обычная речь. СНиП определяет этот уровень как допустимый для дневного времени.
• 45 – также стандартный разговор.
• 50 – звук, который издает пишущая машинка (старшее поколение поймет).
• 55 – с чем можно сравнить этот уровень? Да то же самое, что и верхняя строка. Кстати, согласно евронормам, данный уровень является максимально допустимым для офисов класса А.
• 60 – уровень, определяемый законодательством для обычных офисов.
• 65-70 – громкие разговоры на расстоянии в один метр.
• 75 – человеческий крик, смех.
• 80 – работающий мотоцикл с глушителем, также это уровень работающего пылесоса с двигателем мощностью в 2 кВт и более.
• 90 — звук, издаваемый грузовым вагоном при движении по железке и слышный на расстояний в семь метров.
• 95 – это звук вагона метро при движении.
• 100 – на этом уровне играет оркестр духовых, работает бензопила. Звук такой же мощности издает гром. По евростандартам это максимально допустимый уровень для наушников плеера.
• 105 – такой уровень допускался в пассажирских авиалайнерах до 80-х гг. прошлого столетия.
• 110 – шум, издаваемый летящим вертолетом.
• 120-125 –звук работающего на расстоянии в один метр отбойника.
• 130 – столько децибел выдает стартующий самолет.
• 135-145 – с таким шумом взлетает реактивный самолет либо ракета.
• 150-160 – сверхзвуковой самолет пересекает звуковой барьер.

Все перечисленное условно делится по уровню воздействия на человеческий слух:

• 0-10 – ничего или почти ничего не слышно.
• 15-20 – еле слышно.
• 25-30 – тихо.
• 35-45 – уже довольно шумно.
• 50-55 – отчетливо слышно.
• 60-75 – шумно.
• 85-95 – очень шумно.
• 100-115 – крайне шумно.
• 120-125 – почти невыносимый уровень шума для человеческого слуха. Работающие отбойным молотком рабочие в обязательном порядке должны надевать специальные наушники, иначе потеря слуха обеспечена.
• 130 – это так называемый болевой порог, звук выше для человеческого слуха уже фатален.
• 135-155 – без защитного снаряжения (наушники, шлемы) у человека наступает контузия, травмы мозга.
• 160-200 – гарантирован разрыв барабанных перепонок и, внимание, легких.

Свыше 200 децибел можно даже не рассматривать, так как это смертельный уровень звука. Именно на таком уровне действует так называемое шумовое оружие.

Что еще

Но и меньшие показатели могут привести к необратимым травмам. К примеру, длительное воздействие на слух звука в 70-90 децибел оказывает на человека пагубное воздействие, в частности, на ЦНС. Для сравнения – обычно это громко играющий телевизор, уровень музыки в автомобиле у некоторых «любителей», звук в наушниках плеера. Хотите еще слушать громкую музыку – будьте готовы к тому, что впоследствии придется долго лечить нервы.

А если шум превышает показатель в 100 децибел, то потеря слуха практически гарантирована. Да и как показывает практика, от музыки на таком уровне больше негатива, чем удовольствия.

В Европе запрещено размещать много оргтехники в одном помещении, особенно если комната не отделана звукопоглощающими материалами. Ведь в небольшом помещении два компьютера, факс и принтер могут поднять уровень шума до 70 дБ.

Вообще на рабочем месте максимальный уровень шума может быть не более 110 дБ. Если где-то он превышает 135, то на этом участке запрещается любое пребывание человека, даже кратковременное.

При превышении уровня шума на рабочем месте 65-70 дБ рекомендуется носить специальные мягкие беруши. Если они изготовлены качественно, то должны уменьшить внешний шум на 30 дБ.

Изолирующие наушники, продаваемые в строительных магазинах, не только обеспечивают максимальную защиту практически от любого шума, но и защитят височную долю головы.

И в заключение скажем одну интересную новость, которая кому-то может показаться смешной. Статистика показала, что городской житель, живущий в режиме постоянного шума, попав в зону полной тишины, где уровень шума не превышает 20 дБ, начинает испытывать дискомфорт. Да что говорить, у него начинается депрессия. Вот такой вот парадокс.