Физики достигли предела громкости звука в воде

Американские физики достигли предела громкости звука в воду, разогрев тонкую струйку воды рентгеновским лазером установки Linac Coherent Light Source (LCLS). В результате такого разогрева в струйке возникала ударная волна с давлением до 24 мегапаскалей, громкость которой составляла чуть меньше 270 децибел. Статья опубликована в Physical Review Fluids, кратко о ней сообщает пресс-релиз организации, препринт работы авторы выложили в социальную сеть ResearchGate.

Звук — это упругая волна, то есть бегущая в пространстве последовательность областей с повышенным и пониженным давлением. Чем больше амплитуда колебаний волны, то есть чем больше давление в ее пике, тем громче звук. Из-за широкого диапазона давлений, которые могут достигаться в акустической волне (а также из-за особенностей человеческого слуха) громкость удобно измерять в децибелах, то есть в логарифмической шкале. Эта шкала показывает, во сколько раз максимальное давление звуковой волны больше определенного порогового значения: громкость в децибелах = 20×lg(P_{максимальное}/P_{пороговое}). При этом давление нужно отсчитывать от равновесного давления среды. Как правило, в качестве такого значения выбирают порог слышимости человеческого уха; в воздухе этот порог проходит по давлению 20 микропаскаль, в воде — по давлению 1 микропаскаль. Например, громкость воздушной волны с давлением два паскаля составляет 20×lg(2/0,00002) = 100 децибел. Это громкость поезда в метро. Более подробно про громкость звука рассказывает задача Игоря Иванова.

Как правило, для распространения звука нужна среда: нет среды — нет упругих волн, нет звука. В космосе никто не услышит ваш крик (правда, эксперименты показывают, что вакуум все-таки проводит звук, хотя и очень плохо). Учитывая этот факт, легко догадаться, что громкость звука всегда ограничена сверху максимальным давлением, при котором среда разрушается и интерпретировать ее колебания в терминах волн нельзя. Например, в воздухе максимальный перепад давлений в акустической волне не превышает одной атмосферы. В самом деле, давление газа пропорционально концентрации его молекул; если молекул нет вообще, давление равно нулю. Следовательно, максимальное отклонение давления звуковой волны от давления среды не превышает атмосферного давления (сто килопаскаль при нормальных условиях). Поэтому максимальная громкость звука в воздухе составляет 20×lg(100000/0,00002) ≈ 194 децибела.

Однако в воде такие аргументы не работают, поскольку ее давление в принципе может быть отрицательным. Такое давление отвечают растягиванию среды, которое она выдерживает за счет межмолекулярных сил. Тем не менее, отрицательное давление воды ограничено снизу кавитацией, то есть спонтанным образованием пузырьков разреженного пара. Если пузырьки однородно рождаются во всем объеме, среда разрушается, и звук по ней идти не может. Теоретические расчеты показывают, что максимальное отрицательное давление по модулю не превышает 100 мегапаскаль, а с учетом сложного механизма кавитации в воде эта граница снижается до 30 мегапаскаль. Эксперименты подтверждают это ограничение. Таким образом, максимальная громкость звука в воде не превышает 20×lg(30000000/0,000001) ≈ 270 децибел.

Физики из Национальной ускорительной лаборатории SLAC впервые достигли такой большой громкости на практике. Для этого ученые впрыскивали в вакуумную камеру тонкие струйки воды диаметром от 14 до 30 микрометров, а затем облучали их импульсами фемтосекундного рентгеновского лазера суммарной энергией около одного миллиджоуля, которая выделялась за 40 фемтосекунд в пятнышке диаметром чуть больше одного микрометра (Linac Coherent Light Source, LCLS). В среднем струйка воды поглощала около двух процентов этой мощности. В результате вода быстро ионизировалась, разогревалась и испарялась. При этом в месте разогрева рождалась цилиндрическая ударная волна, которая разбегалась вдоль струйки и порождала «поезд» из вторичных ударных волн. Чтобы проследить за движением этих волн, физики подсвечивали струю оптическим лазером и записывали ее на КМОП-камеру со скоростью 9 тысяч кадров в секунду и разрешением 0,2 микрометра на пиксель. Кроме того, ученые с помощью накачивающе-зондовой микроскопии (pump-probe technique) делали отдельные кадры струи за 20 секунд до и 37 секунд после рентгеновского импульса.

Во всех случаях ученые наблюдали одинаковую картину распространяющихся ударных волн. Примерно через одну-две наносекунды после прохождения импульса струя разрывалась надвое полостью с плоскими границами (такие границы отвечают проекции цилиндрической волны). Еще через три наносекунды профиль ударной волны начинал изгибаться, и к десятой секунде под ней формировался темный треугольный регион, заполненный пузырьками пара. К двадцатой наносекунде регион начинал уменьшаться и к сотой наносекунде исчезал окончательно. Параллельно ударная волна порождала вторичные цилиндрические ударные волны, которые со временем также начинали изгибаться. Эти волны ученые связывают с распространением звука вдоль струи.

Чтобы оценить максимальное отрицательное давление таких ударных волн, ученые наблюдали за скоростью образование пузырьков в темном треугольном регионе. Для этого ученые проинтегрировали уравнение Рэлея — Плессе, которое описывает эволюцию пузырька пара в жидкости. В результате исследователи получили однозначную связь между скоростью роста пузырька, плотностью жидкости и пиковым отрицательным давлением. Подставляя в это уравнение максимальную скорость расширения пузырьков, измеренную в эксперименте (126 метров в секунду), физики получили, что максимальное давление жидкости составляло −24 мегапаскаля. Это отвечает громкости около 268 децибел. Частота такой волны составляла несколько сотен мегагерц.

Интересно, что похожий механизм используют раки-щелкуны, способные издавать щелчки громкостью свыше 200 децибел. Когда рак сжимает клешню, вокруг нее образуются кавитационные пузырьки, которые направляются в сторону добычи. При схлопывании этих пузырьков они разогреваются до пяти тысяч кельвинов, что приводит к кратковременному образованию плазмы, вспышке света и мощному взрыву, оглушающему добычу. Объяснить этот механизм физики смогли только в 2001 году, а несколько месяцев назад им удалось воспроизвести его с помощью 3D-напечатанной модели клешни.

Узнать последние новости, связанные со звуком, можно в нашей рубрике «Звук». В частности, в этой рубрике можно прочитать, как физики научились измерять отдельные кванты звука и передавать звук напрямую в ухо с помощью лазера.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Как правильно выбрать звуковой сигнализатор. Как определить эффективное расстояние.

Звук — это, по сути, любое изменение давления, которое может быть идентифицировано человеческим ухом. Если говорить про человеческий слух, то он может воспринимать диапазон частот примерно от 20 Гц до 20 кГц.

В терминологии уровня звукового давления, слышимые звуки находятся в диапазоне от порога слышимости 0 дБ до болевого порога, находящегося за пределом 130 дБ.

Для того, чтобы звук стал субъективно в два раза сильнее, требуется его увеличение примерно на 10 дБ, хотя удвоение звукового давления представляет собой увеличение звука всего на 3 дБ. Таким образом, наименьшее изменение звука, которое человек может услышать, составляет чуть больше 3 дБ.

Если сигнал короткий (менее одной секунды), то он называется импульсным или импульсивным сигналом. Из-за малой длительности таких звуков ухо менее восприимчиво к их громкости. Установлено, что воспринимаемая громкость звуков, обладающих одинаковым уровнем звукового давления, длительностью менее 70 миллисекунд, меньше, чем звуков большей длительности.

Теперь поговорим о критериях выбора сигнализатора. Какое средство звукового оповещения необходимо для того, чтобы охватить заданную площадь? Существуют  три критерия для выбора сигнализатора:

1. Площадь покрытия;

2. Фоновый шум;

3. Частота сигнала (высокие частоты в индустриальной окружающей среде ослабляются больше, чем низкие частоты).

Большинство производителей указывает уровень звукового давления в децибелах (A) на 1 метр (А/м). При этом существует правило — «при удвоении расстояния от сирены звуковое давление падает на 6 (шесть) децибел (A)

». То есть сирена, обладающая звуковым давлением в 106 дБ (A) позволяет озвучивать в два раза большую площадь, нежели сирена, обладающая звуковым давлением 100 дБ (A). Ниже приведена таблица ослабления уровня звукового давления в зависимости от удаления от источника звука.

Таблица 1. Ослабление уровня звукового давления в зависимости от удаления от источника звука.

 

Расстояние (метры)	Ослабление (дБ)
1	0
2 (1 м удвоенный)	-6
4 (2 м удвоенный)	-12
8	-18
16	-24
32	-30
64	-36
128	-42
256	-48
512	-54

Используя это правило, можно определить

эффективное расстояние для применения сирены. Это расстояние, при котором расчетное значение выше известного окружающего фонового шума на 5дБ (A).

Пример:

Для сирены со звуковым давлением 100дБ (A) /1м эффективное расстояние в окружающем пространстве с шумовым фоном 65 дБ (A) — это такое расстояние, на котором уровень звукового давления сирены уменьшается до 70 дБ (A). То есть 100 дБ – (65дБ + 5дБ) = 30дБ.

Из Таблицы 1 видно, что уменьшение на 30 дБ означает, что сирена имеет эффективное расстояние 32 метра в окружающем пространстве с шумовым фоном 65 дБ.

Аналогично рассчитывается эффективное расстояние для сирены со звуковым давлением в 120 дБ (A)/м в окружающем пространстве с шумовым фоном 65 дБ. Эффективное расстояние составит примерно 300 метров. Значит, эффективное расстояние у такой сирены в десять раз больше, и что еще более важно — область охвата в 100 раз шире!

Примечание: Уровень звукового давления различных аварийных сигналов, слышимый пользователем из многотонального электронного сигнализатора, может сильно различаться в зависимости от выбранного типа аварийного сигнала. Здесь действует правило:  «чем ниже частота сигнала (<1000 Гц), тем меньший уровень звукового давления нужен»; и «чем выше частота сигнала (> 1000Гц), тем больший уровень звукового давления нужен, и тем большее ослабление у этого сигнала».

Примечание: В открытом пространстве звук сирены распространяется во всех направлениях, а в закрытом пространстве часть звука отражается, при этом уровень звукового давления увеличивается. Если сигнализатор установлен на стене близко к потолку, то сигнал отражается и звуковое давление увеличивается относительно звукового давления сигнализатора, установленного на потолке. Установленный на столбе сигнализатор, менее эффективен, чем сигнализатор установленный на стене здания. Сигнализаторы необходимо устанавливать так, чтобы избежать непосредственных препятствий и, в идеале, на высоте от 2 до 2.5 метров. Синхронизированные сигнализаторы наиболее эффективны.

Если площадь, которую требуется покрыть звуковым сигналом, велика или присутствует большой уровень шума, многие проектировщики  для подстраховки закладывают в проект большее количество сигнализаторов, чем это необходимо. Это ведёт к удорожанию системы в связи с увеличением количества кабеля, оборудования и работ.

Пример: 

При проектировании аварийной сигнализации в помещении длиной 30 м и шириной 20 м, в котором присутствует маленький фоновый шум (приблизительно 65 дБ (A)), можно установить один сигнализатор, обладающий звуковым давлением 100 дБ/1м, так как по нормативам на расстоянии 30м от сигнализатора звуковое давление будет равно 70 дБ, что на 5 дБ выше уровня заданного фонового шума. Если же фоновый шум составляет 85дБ (A), как, например, в машинном цехе, то понадобится тоже лишь один сигнализатор, но со звуковым давлением 120 дБ (A), так как при увеличении фонового шума на 20dB (A) необходимо установить сигнализатор со звуковым давлением на 20 дБ (A) больше. Данный принцип используется везде, где требуется покрытие большой площади и имеется производственный шум.

Какая бы ни стояла задача при оборудовании объекта средствами оповещения и сигнализации, в ООО «ТД «Автоматика» вы всегда сможете найти то, что нужно именно вам. Наши менеджеры помогут вам рассчитать необходимое звуковое давление, и подобрать оборудование, исходя из проектной документации. 

Мы поставляем различные сирены, громкоговорители, датчики, извещатели, устройства звуковой, световой и светозвуковой сигнализации, приемно-контрольные приборы и функциональные блоки для них. Мы сотрудничаем на правах официального дилера с ведущими заводами-изготовителями, такими, как ООО «Сектор», ЗАО «ТД «Три Нити», ОАО «Автоматика», ОАО «Теплоприбор», ОАО «Могилевский завод «Электродвигатель», НПП «Сенсор».

Мы создали и поддерживаем тематический сайт, посвященный средствам сигнализации, на котором вы сможете найти техническую документацию, описания, задать вопросы по теме и даже прслушать аудиофайлы с образцами звучания сирен.

Насколько громко звучит децибел

1. Насколько громко звучит децибел
   1.1 Для взрослых
   1.2 Для детей
   1.3 Для людей с нарушением слуха
2. Безопасно ли это для человека
3. Как защитить свой слух
   3. 1 Уменьшить громкость
   
   3.2 Уходи подальше от громких звуков
   3.3 Носить средства защиты органов слуха
4. Воздействие громких звуков на здоровье
5. Получите больше информации о децибелах с помощью приложения Decibel Pro

Вы наверняка слышали о децибелах слева и справа. Они показывают нам, насколько громким является звук. Но знаете ли вы, насколько громким является один децибел?

В этой статье мы рассмотрим, насколько громким является один децибел, чтобы понять, безопасен ли он для человека. Читайте дальше, чтобы узнать все об этом.

Насколько громким является децибел?

Звук состоит из энергии и распространяется волнами. Чтобы измерить эти волны, мы смотрим на их частоты и амплитуду. Единицей измерения частоты (колебаний в секунду) является герц (Гц), а единицей измерения амплитуды (давления или интенсивности) является децибел (дБ).

Шкала децибел показывает нам, насколько интенсивен звук. Чем больше число децибел, тем громче звук.

Еще один важный аспект, который нам необходимо знать об измерении звука в децибелах, заключается в том, что шкала децибел является логарифмической. Это означает, что 10 дБ в 10 раз громче, чем 0 дБ, а 20 дБ в 100 раз громче, чем 0 дБ. И так далее.

Итак, что все это значит? Насколько громко один децибел?

Хотя легко предположить, что значение 0 децибел означает полную тишину, 0 дБ на самом деле является порогом человеческого слуха. Это означает, что, хотя звуки разных частот все еще могут существовать в среде с уровнем 0 дБ, мы не сможем их воспринимать.

С другой стороны, единственной средой, в которой можно измерить 0 дБ, является безэховая камера. Это специальные научные помещения со звуконепроницаемыми стенами и потолками.

В обычной комнате, например, в вашей спальне, независимо от того, насколько там тихо, вы все равно получите показания 10 дБ или более. Если учесть шум от приборов или даже ваше дыхание, уровень децибел превысит 20-30 дБ.

Взгляните на рисунок ниже, на котором показаны общие уровни децибел, чтобы лучше понять, насколько громким является децибел:

Для взрослых

Как объяснялось выше, практически невозможно создать среду с уровнем шума 1 дБ за пределами научных лабораторий. Однако взрослые с оптимальным слухом смогут воспринимать разницу в звуках на 1 дБ. Это связано с тем, что взрослые могут различать разные звуки и сосредотачиваться на тех, которые они хотят услышать.

Например, они могут почувствовать, если громкость песни, воспроизводимой на аудиосистеме, увеличена, даже если разница составляет всего один децибел.

Однако чувствительность слуха у взрослых снижается с возрастом, и по мере взросления взрослые постепенно теряют способность слышать такие тонкие различия между уровнями децибел.

Для детей

Младенцы и маленькие дети имеют более чувствительный слух, чем взрослые. Именно поэтому предполагается, что у них также лучше слышится. Однако детям труднее определить, откуда исходят звуки, поскольку их способность сосредотачиваться на определенном звуке не развита.

Дети с чувствительным слухом могут различать звуки с разницей в один децибел.

Для людей с потерей слуха

Поскольку люди с потерей слуха утратили способность воспринимать звуки так же, как здоровые люди, они не смогут обнаружить разницу в 1 дБ между звуками. В зависимости от серьезности потери слуха они могут слышать или не слышать звуки громкостью всего в один децибел.

Безопасен ли он для человека?

Когда речь идет о человеческом слухе, звуки на уровне 70 дБ или ниже считаются безопасными. Поскольку 1 децибел находится ниже этого предела, этот уровень также считается безопасным для человеческого слуха.

Звуки на уровне 85 дБ или выше считаются потенциально опасными, если вы подвергаетесь их длительному воздействию (т. е. несколько часов в день). Звуки выше 90 дБ считаются опасными, и их воздействие следует ограничить. В таких случаях разница в 1 децибел может быть важной и определять разницу между повреждением слуха и потерей слуха.

Как защитить слух

Вредное воздействие громкого шума может привести к вызванному шумом повреждению слуха и шумовой потере слуха (NIHL). Предотвращение ненужного воздействия, защита от громких звуков и внимание к предупреждающим признакам повреждения слуха — лучшие способы защитить наш слух.

При звуках ниже 70 децибел вам не нужны средства защиты органов слуха или специальные меры защиты. Однако для звуков выше 70 и особенно 85 децибел, например, когда вы работаете с тяжелой техникой, слушая музыку в наушниках. или используя газонокосилку, вы должны:

Уменьшите громкость

Многие люди любят слушать громкую музыку или играть в видеоигры. Какими бы приятными ни были эти действия, мы должны знать, что длительное воздействие звуков выше 85 дБ может быть вредным для нашего слуха.

Лучший способ защитить слух — ограничить время воздействия или уменьшить громкость. Для наушников золотое правило — слушать музыку на 60% громкости не более 60 минут за раз.

Уходи подальше от громких звуков

Самый простой способ защитить свой слух при воздействии более громких звуков — уйти от источника. Близость влияет на то, насколько громко вы воспринимаете звук.

По мере удаления от источника шума уровень децибел падает на 6 децибел каждый раз, когда вы удваиваете расстояние от него.

Защита органов слуха

Защита органов слуха — еще один простой способ защиты человеческого уха. Беруши легко доступны в аптеках, и некоторые из них сделаны из пены, чтобы точно соответствовать форме вашего уха.

Наушники лучше использовать, когда вы подвергаетесь воздействию очень громкого шума. Они надеваются на наружное ухо, регулируются и полностью блокируют шум.

Другой вариант — наушники с шумоподавлением. Они блокируют внешний шум, а также позволяют вам общаться с другими людьми.

Воздействие громких шумов на здоровье

Громкие шумы могут оказывать различное воздействие на человеческое ухо и наш организм.

Громкий шум наиболее часто влияет на здоровье:

• Раздражение и раздражение
• Повышенный уровень тревоги и стресса
• Гипертония
• Повышение артериального давления и уровня адреналина и кортизола
• Нарушение сна
• Влияние на иммунную систему
• Повреждение слуха
• Потеря слуха

Узнайте больше о децибелах в приложении Decibel Pro

0025 Decibel Pro — это все, что вам нужно.

С помощью децибел-приложения, такого как Decibel Pro, вы получаете мгновенные показания уровня шума на своем телефоне. Поскольку оно откалибровано с помощью высококачественного оборудования, приложение может обнаружить малейшие различия в уровне звука и показать вам, насколько громким является децибел.

Чтобы использовать Decibel Pro, просто зайдите в AppStore и загрузите его на свой iPhone или iPad.

Чтобы узнать больше о приложении Decibel Pro, нажмите здесь.

дБ/децибел

Децибел (дБ) — это метод выражения отношения между двумя величинами в логарифмической форме. Используется при описании амплитуд звуковых сигналов, поскольку логарифмический характер соответствует логарифмическому характеру человеческого слуха.

Децибелы используются при сравнении одного уровня сигнала с другим (например, входным и выходным уровнями усилителя или фильтра). Когда амплитуды двух сигналов одинаковы, отношение равно 1, а значение в децибелах равно 0 дБ по формуле дБ = 20x Log (V1/V2). Если один сигнал имеет удвоенную амплитуду другого, значение в децибелах составляет +6 дБ, а если вдвое меньше, то -6 дБ.

Когда один сигнал сравнивается со стандартным эталонным уровнем, термин в дБ дополняется суффиксной буквой, представляющей конкретный используемый эталонный уровень. 0dBu подразумевает опорное напряжение 0,775 В rms, а 0dBV  означает опорное напряжение 1,0 В rms. Последнее кажется очевидным указанием на использование, но по сложным историческим причинам значение 0,775 В среднеквадратичное значение чаще используется в профессиональном аудио.

В европейских вещательных кругах стандартный эталонный уровень звука составляет 0 dBu (0,775 В среднеквадратичного значения), но американские вещатели выбрали более высокий стандартный эталонный уровень +4 dBu (1,228 В среднеквадратичного значения) и использовали этот уровень в качестве «нулевого» для измерителя громкости. По мере роста популярности американских микшерных консолей и внешнего оборудования в Великобритании и Европе большинство музыкальных студий звукозаписи приняли один и тот же стандарт, и теперь он вездесущ.

Таким образом, двумя наиболее распространенными стандартными эталонными уровнями аудиосигнала являются +4dBu  (1,228 В среднеквадратичное значение) для сбалансированных аудиосоединений между профессиональным оборудованием и  -10dBV  (0,316 В среднеквадратичное значение) для несимметричных подключений к полупрофессиональному оборудованию. Обратите внимание, что хотя числовая разница между этими значениями составляет 14, фактическая разница в уровне сигнала между этими стандартами составляет 11,8 дБ (обычно округляется до 12 дБ), поскольку в числах используются разные опорные напряжения сигнала (дБ по сравнению с дБВ)

Термин дБм также иногда встречается в спецификациях оборудования, но обычно используется ошибочно. дБм относится к количеству мощности, а не к напряжению сигнала, в частности, 0 дБм означает мощность 1 мВт, рассеиваемую на 600 Ом. Эта опорная мощность 0 дБм первоначально использовалась в ранней телефонной промышленности, где необходимо было передавать мощность от телефонного передатчика к удаленному телефонному приемнику. Как это бывает, когда 1 мВт мощности рассеивается на сопротивлении 600 Ом, напряжение на этой клемме оказывается равным 0,775 В (среднеквадратичное значение) — и это то, что мы все еще используем в качестве эталона для dBu, но без необходимости в нагрузке 600 Ом (‘ u’ на самом деле означает «незавершенный»).