Logarytmiczna jednostka mierząca poziom ciśnienia akustycznego

dB SPL (Poziom ciśnienia akustycznego) mierzy ciśnienie akustyczne w odniesieniu do 20 µPa, progu ludzkiego słuchu. Skala logarytmiczna oznacza, że +10 dB = 10× wzrost ciśnienia, +20 dB = 100× wzrost ciśnienia, ale tylko 2× postrzeganej głośności z powodu nieliniowości ludzkiego słuchu.

Przykład: Rozmowa przy 60 dB ma 1000× większe ciśnienie niż próg słyszalności przy 0 dB, ale subiektywnie brzmi tylko 16× głośniej.

Fizyczna siła na jednostkę powierzchni wywierana przez fale dźwiękowe

Ciśnienie akustyczne to chwilowa zmiana ciśnienia spowodowana falą dźwiękową, mierzona w paskalach (Pa). Waha się od 20 µPa (ledwo słyszalne) do 200 Pa (bolesnie głośne). Ciśnienie RMS (wartość skuteczna) jest zazwyczaj podawane dla dźwięków ciągłych.

Przykład: Normalna mowa tworzy 0,02 Pa (63 dB). Koncert rockowy osiąga 2 Pa (100 dB) — 100× wyższe ciśnienie, ale tylko 6× głośniej postrzegane.

Moc akustyczna na jednostkę powierzchni

Natężenie dźwięku mierzy przepływ energii akustycznej przez powierzchnię, w watach na metr kwadratowy. Jest związane z kwadratem ciśnienia i jest fundamentalne w obliczaniu mocy akustycznej. Próg słyszalności wynosi 10⁻¹² W/m², podczas gdy silnik odrzutowy wytwarza 1 W/m² z bliskiej odległości.

Przykład: Szept ma natężenie 10⁻¹⁰ W/m² (20 dB). Próg bólu wynosi 1 W/m² (120 dB) — bilion razy bardziej intensywny.

Wynalezienie fonografu

Thomas Edison wynalazł fonograf, co umożliwiło pierwsze nagrania i odtwarzanie dźwięku, budząc zainteresowanie kwantyfikacją poziomów audio.

Wprowadzenie decybela

Laboratoria Bell Telephone wprowadzają decybel do pomiaru strat transmisji w kablach telefonicznych. Nazwany na cześć Alexandra Grahama Bella, szybko staje się standardem w pomiarach audio.

Krzywe Fletchera-Munsona

Harvey Fletcher i Wilden A. Munson publikują krzywe jednakowej głośności, pokazujące zależną od częstotliwości czułość słuchu, kładąc podwaliny pod ważenie A i skalę fonów.

Miernik poziomu dźwięku

Opracowano pierwszy komercyjny miernik poziomu dźwięku, standaryzując pomiary hałasu dla zastosowań przemysłowych i środowiskowych.

Standaryzacja skali sonów

Stanley Smith Stevens formalizuje skalę sonów (ISO 532), zapewniając liniową miarę postrzeganej głośności, gdzie podwojenie sonów = podwojenie postrzeganej głośności.

Standardy OSHA

Amerykańska Administracja Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (OSHA) ustanawia limity narażenia na hałas (85-90 dB TWA), co czyni pomiary dźwięku kluczowymi dla bezpieczeństwa w miejscu pracy.

Rewizja ISO 226

Zaktualizowane krzywe jednakowej głośności oparte na nowoczesnych badaniach, udoskonalające pomiary fonów i dokładność ważenia A w różnych częstotliwościach.

Standardy audio cyfrowego

LUFS (Jednostki Głośności w stosunku do Pełnej Skali) zostają znormalizowane dla transmisji i streamingu, zastępując pomiary oparte wyłącznie na szczytach pomiarami głośności opartymi na percepcji.

• **+3 dB = podwojenie mocy** (ledwo zauważalne dla większości ludzi)
• **+6 dB = podwojenie ciśnienia** (prawo odwrotności kwadratów, zmniejszenie odległości o połowę)
• **+10 dB ≈ 2× głośniej** (postrzegana głośność podwaja się)
• **+20 dB = 10× ciśnienie** (dwie dekady na skali logarytmicznej)
• **60 dB SPL ≈ normalna rozmowa** (w odległości 1 metra)
• **85 dB = 8-godzinny limit OSHA** (próg ochrony słuchu)
• **120 dB = próg bólu** (natychmiastowy dyskomfort)

• **Równe źródła:** 80 dB + 80 dB = 83 dB (nie 160!)
• **Różnica 10 dB:** 90 dB + 80 dB ≈ 90,4 dB (cichsze źródło ma znikome znaczenie)
• **Różnica 20 dB:** 90 dB + 70 dB ≈ 90,04 dB (zaniedbywalny wkład)
• **Podwojenie źródeł:** N równych źródeł = oryginalny + 10×log₁₀(N) dB
• **10 równych źródeł 80 dB = 90 dB łącznie** (nie 800 dB!)

• **0 dB SPL** = 20 µPa = próg słyszalności
• **20 dB** = szept, cicha biblioteka
• **60 dB** = normalna rozmowa, biuro
• **85 dB** = duży ruch uliczny, ryzyko dla słuchu
• **100 dB** = klub nocny, piła łańcuchowa
• **120 dB** = koncert rockowy, grzmot
• **140 dB** = strzał z pistoletu, pobliski silnik odrzutowy
• **194 dB** = teoretyczne maksimum w atmosferze

• **Nigdy nie dodawaj dB arytmetycznie** — używaj wzorów na dodawanie logarytmiczne
• **dBA ≠ dB SPL** — Ważenie A redukuje basy, bezpośrednia konwersja jest niemożliwa
• **Podwojenie odległości** ≠ połowa poziomu (to -6 dB, a nie -50%)
• **3 dB jest ledwo zauważalne,** nie 3× głośniej — percepcja jest logarytmiczna
• **0 dB ≠ cisza** — to punkt odniesienia (20 µPa), może być ujemny
• **fon ≠ dB** z wyjątkiem 1 kHz — równa głośność zależna od częstotliwości

Trzy powody sprawiają, że pomiar logarytmiczny jest niezbędny:

• Percepcja ludzka: Uszy reagują logarytmicznie — podwojenie ciśnienia brzmi jak +6 dB, a nie 2×
• Kompresja zakresu: 0-140 dB w porównaniu z 20 µPa - 200 Pa (niepraktyczne do codziennego użytku)
• Mnożenie staje się dodawaniem: Łączenie źródeł dźwięku wykorzystuje proste dodawanie
• Naturalne skalowanie: Czynniki 10 stają się równymi krokami (20 dB, 30 dB, 40 dB...)

Skala logarytmiczna jest nieintuicyjna. Unikaj tych błędów:

• 60 dB + 60 dB = 63 dB (nie 120 dB!) — dodawanie logarytmiczne
• 90 dB - 80 dB ≠ 10 dB różnicy — odejmij wartości, a następnie antlogarytm
• Podwojenie odległości zmniejsza poziom o 6 dB (a nie o 50%)
• Zmniejszenie mocy o połowę = -3 dB (a nie -50%)
• Wzrost o 3 dB = 2× moc (ledwo zauważalny), 10 dB = 2× głośność (wyraźnie słyszalny)

Podstawowe równania do obliczeń poziomu dźwięku:

• Ciśnienie: dB SPL = 20 × log₁₀(P / 20µPa)
• Natężenie: dB IL = 10 × log₁₀(I / 10⁻¹²W/m²)
• Moc: dB SWL = 10 × log₁₀(W / 10⁻¹²W)
• Łączenie równych źródeł: L_total = L + 10×log₁₀(n), gdzie n = liczba źródeł
• Prawo odległości: L₂ = L₁ - 20×log₁₀(r₂/r₁) dla źródeł punktowych

Nie można dodawać decybeli arytmetycznie. Użyj dodawania logarytmicznego:

• Dwa równe źródła: L_total = L_single + 3 dB (np. 80 dB + 80 dB = 83 dB)
• Dziesięć równych źródeł: L_total = L_single + 10 dB
• Różne poziomy: Przekształć na liniowe, dodaj, przekształć z powrotem (złożone)
• Zasada kciuka: Dodawanie źródeł oddalonych o 10+ dB ledwo zwiększa sumę (<0,5 dB)
• Przykład: maszyna 90 dB + tło 70 dB = 90,04 dB (ledwo zauważalne)

Jednostka poziomu głośności odniesiona do 1 kHz

Wartości fonów podążają za krzywymi jednakowej głośności (ISO 226:2003). Dźwięk o N fonach ma taką samą postrzeganą głośność jak N dB SPL przy 1 kHz. Przy 1 kHz, fon = dB SPL dokładnie. Przy innych częstotliwościach różnią się one dramatycznie z powodu czułości ucha.

• Odniesienie do 1 kHz: 60 fonów = 60 dB SPL przy 1 kHz (z definicji)
• 100 Hz: 60 fonów ≈ 70 dB SPL (+10 dB potrzebne dla równej głośności)
• 50 Hz: 60 fonów ≈ 80 dB SPL (+20 dB potrzebne — bas brzmi ciszej)
• 4 kHz: 60 fonów ≈ 55 dB SPL (-5 dB — szczytowa czułość ucha)
• Zastosowanie: Korekcja audio, kalibracja aparatów słuchowych, ocena jakości dźwięku
• Ograniczenie: Zależne od częstotliwości; wymaga czystych tonów lub analizy spektralnej

Liniowa jednostka subiektywnej głośności

Sony kwantyfikują postrzeganą głośność liniowo: 2 sony brzmią dwa razy głośniej niż 1 son. Zdefiniowane przez prawo potęgowe Stevensa, 1 son = 40 fonów. Podwojenie sonów = +10 fonów = +10 dB przy 1 kHz.

• 1 son = 40 fonów = 40 dB SPL przy 1 kHz (definicja)
• Podwojenie: 2 sony = 50 fonów, 4 sony = 60 fonów, 8 sonów = 70 fonów
• Prawo Stevensa: Postrzegana głośność ∝ (natężenie)^0.3 dla dźwięków o średnim poziomie
• Świat rzeczywisty: Rozmowa (1 son), odkurzacz (4 sony), piła łańcuchowa (64 sony)
• Zastosowanie: Oceny hałasu produktów, porównania urządzeń, ocena subiektywna
• Zaleta: Intuicyjne — 4 sony dosłownie brzmią 4× głośniej niż 1 son

Profesjonalne audio szeroko wykorzystuje dB do poziomów sygnałów, miksowania i masteringu:

• 0 dBFS (pełna skala): Maksymalny poziom cyfrowy przed przesterowaniem
• Miksowanie: Celuj w -6 do -3 dBFS szczytu, -12 do -9 dBFS RMS dla zapasu (headroom)
• Mastering: -14 LUFS (jednostki głośności) dla streamingu, -9 LUFS dla radia
• Stosunek sygnału do szumu: >90 dB dla sprzętu profesjonalnego, >100 dB dla audiofilów
• Zakres dynamiczny: Muzyka klasyczna 60+ dB, muzyka pop 6-12 dB (wojna głośności)
• Akustyka pomieszczeń: Czas pogłosu RT60, punkty spadku -3 dB vs -6 dB

Limity narażenia na hałas w miejscu pracy zapobiegają utracie słuchu:

• OSHA: 85 dB = 8-godzinny poziom działania TWA (średnia ważona czasowo)
• 90 dB: 8 godzin maksymalnej ekspozycji bez ochrony
• 95 dB: 4 godziny maks., 100 dB: 2 godziny, 105 dB: 1 godzina (zasada o połowę)
• 115 dB: 15 minut maks. bez ochrony
• 140 dB: Bezpośrednie zagrożenie — ochrona słuchu obowiązkowa
• Dozymetria: Śledzenie skumulowanej ekspozycji za pomocą dozymetrów hałasu

Przepisy dotyczące ochrony środowiska chronią zdrowie publiczne i jakość życia:

• Wytyczne WHO: <55 dB w ciągu dnia, <40 dB w nocy na zewnątrz
• EPA: Ldn (średnia dzienna i nocna) <70 dB w celu zapobiegania utracie słuchu
• Samoloty: FAA wymaga konturów hałasu dla lotnisk (limit 65 dB DNL)
• Budownictwo: Lokalne limity zazwyczaj 80-90 dB na granicy działki
• Ruch drogowy: Ekrany akustyczne przy autostradach mają na celu redukcję o 10-15 dB
• Pomiar: ważenie dBA przybliża reakcję człowieka na uciążliwość

Projektowanie akustyczne wymaga precyzyjnej kontroli poziomu dźwięku:

• Zrozumiałość mowy: Cel 65-70 dB u słuchacza, <35 dB tła
• Sale koncertowe: 80-95 dB szczytu, 2-2,5 s czasu pogłosu
• Studia nagraniowe: NC 15-20 (krzywe kryteriów hałasu), <25 dB otoczenia
• Sale lekcyjne: <35 dB tła, stosunek mowy do hałasu 15+ dB
• Oceny STC: Klasa przenoszenia dźwięku (wydajność izolacji ścian)
• NRC: Współczynnik redukcji hałasu dla materiałów pochłaniających

• Używaj skalibrowanych mierników poziomu dźwięku klasy 1 lub 2 (IEC 61672)
• Kalibruj przed każdą sesją za pomocą kalibratora akustycznego (94 lub 114 dB)
• Umieść mikrofon z dala od powierzchni odbijających (typowa wysokość 1,2-1,5 m)
• Używaj wolnej odpowiedzi (1s) dla dźwięków stałych, szybkiej (125ms) dla zmiennych
• Zastosuj osłonę przeciwwietrzną na zewnątrz (hałas wiatru zaczyna się przy 12 mph / 5 m/s)
• Nagrywaj przez ponad 15 minut, aby uchwycić zmiany czasowe

• Waga A (dBA): Ogólne zastosowanie, hałas środowiskowy, zawodowy
• Waga C (dBC): Pomiary szczytowe, ocena niskich częstotliwości
• Waga Z (dBZ): Płaska charakterystyka do pełnej analizy spektralnej
• Nigdy nie konwertuj dBA ↔ dBC — zależy od zawartości częstotliwościowej
• Waga A przybliża kontur 40-fonowy (umiarkowana głośność)
• Używaj analizy pasm oktawowych do szczegółowych informacji o częstotliwości

• Zawsze podawaj: dB SPL, dBA, dBC, dBZ (nigdy samo 'dB')
• Podaj wagę czasową: Szybka, Wolna, Impulsowa
• Podaj odległość, wysokość pomiaru i orientację
• Zanotuj poziomy hałasu tła osobno
• Podaj Leq (równoważny poziom ciągły) dla zmiennych dźwięków
• Podaj niepewność pomiaru (zazwyczaj ±1-2 dB)

• 85 dB: Rozważ ochronę przy długotrwałej ekspozycji (>8 godzin)
• 90 dB: Obowiązkowa ochrona po 8 godzinach (OSHA)
• 100 dB: Używaj ochrony po 2 godzinach
• 110 dB: Chroń po 30 minutach, podwójna ochrona powyżej 115 dB
• Zatyczki do uszu: redukcja 15-30 dB, nauszniki: 20-35 dB
• Nigdy nie przekraczaj 140 dB nawet z ochroną — ryzyko urazu fizycznego

Płetwale błękitne wydają dźwięki o natężeniu do 188 dB SPL pod wodą — najgłośniejszy dźwięk biologiczny na Ziemi. Te niskoczęstotliwościowe dźwięki (15-20 Hz) mogą przebywać setki mil przez ocean, umożliwiając wielorybom komunikację na ogromne odległości.

Najcichszy pokój na świecie (Microsoft, Redmond) mierzy -20,6 dB SPL — ciszej niż próg słyszalności. Ludzie słyszą bicie własnego serca, krążenie krwi, a nawet burczenie w żołądku. Nikt nie wytrzymał dłużej niż 45 minut z powodu dezorientacji.

Najgłośniejszy dźwięk w zarejestrowanej historii: 310 dB SPL u źródła, słyszany z odległości 3000 mil. Fala ciśnienia okrążyła Ziemię 4 razy. Marynarze oddaleni o 40 mil doznali pęknięcia błon bębenkowych. Taka intensywność nie może istnieć w normalnej atmosferze — tworzy fale uderzeniowe.

194 dB SPL to teoretyczne maksimum w atmosferze ziemskiej na poziomie morza — powyżej tej wartości tworzysz falę uderzeniową (eksplozję), a nie falę dźwiękową. Przy 194 dB rozrzedzenie jest równe próżni (0 Pa), więc dźwięk staje się nieciągły.

Psy słyszą w zakresie 67-45 000 Hz (w porównaniu do ludzi 20-20 000 Hz) i wykrywają dźwięki z 4-krotnie większej odległości. Ich czułość słuchu osiąga szczyt około 8 kHz — o 10 dB bardziej czuła niż u ludzi. Dlatego działają gwizdki dla psów: 23-54 kHz, niesłyszalne dla ludzi.

Kina dążą do średniej 85 dB SPL (Leq) z pikami 105 dB (specyfikacja Dolby). Jest to o 20 dB głośniej niż oglądanie w domu. Rozszerzona charakterystyka niskich częstotliwości: subwoofery 20 Hz umożliwiają realistyczne eksplozje i uderzenia — systemy domowe zazwyczaj odcinają przy 40-50 Hz.

dBA stosuje ważenie zależne od częstotliwości, które tłumi niskie częstotliwości. Ton 100 Hz przy 80 dB SPL mierzy ~70 dBA (-10 dB ważenia), podczas gdy 1 kHz przy 80 dB SPL mierzy 80 dBA (bez ważenia). Bez znajomości spektrum częstotliwości, konwersja jest niemożliwa. Potrzebna byłaby analiza FFT i zastosowanie odwrotnej krzywej ważenia A.

+3 dB = podwojenie mocy lub natężenia, ale tylko 1,4-krotny wzrost ciśnienia. Percepcja ludzka podąża za reakcją logarytmiczną: wzrost o 10 dB brzmi mniej więcej 2× głośniej. 3 dB to najmniejsza zmiana, jaką większość ludzi wykrywa w kontrolowanych warunkach; w rzeczywistych środowiskach potrzeba 5+ dB.

Nie można dodawać decybeli arytmetycznie. Dla równych poziomów: L_total = L + 3 dB. Dla różnych poziomów: Przekształć na liniowe (10^(dB/10)), dodaj, przekształć z powrotem (10×log₁₀). Przykład: 80 dB + 80 dB = 83 dB (nie 160 dB!). Zasada kciuka: źródło cichsze o 10+ dB wnosi <0,5 dB do sumy.

dB SPL: Nieważony poziom ciśnienia akustycznego. dBA: Ważony A (przybliża słuch ludzki, tłumi basy). dBC: Ważony C (prawie płaski, minimalne filtrowanie). Używaj dBA do hałasu ogólnego, środowiskowego, zawodowego. Używaj dBC do pomiarów szczytowych i oceny niskich częstotliwości. Mierzą ten sam dźwięk inaczej — nie ma bezpośredniej konwersji.

Dźwięk podlega prawu odwrotności kwadratów: podwojenie odległości zmniejsza natężenie o ¼ (a nie o ½). W dB: każde podwojenie odległości = -6 dB. Przykład: 90 dB w odległości 1 m staje się 84 dB w odległości 2 m, 78 dB w odległości 4 m, 72 dB w odległości 8 m. Zakłada to źródło punktowe w polu swobodnym — pomieszczenia mają odbicia, które to komplikują.

Tak! 0 dB SPL to punkt odniesienia (20 µPa), a nie cisza. Ujemne dB oznaczają ciszej niż odniesienie. Przykład: -10 dB SPL = 6,3 µPa. Komory bezechowe mierzą do -20 dB. Jednakże, szum termiczny (ruch molekularny) ustala absolutny limit około -23 dB w temperaturze pokojowej.

Dokładność i kalibracja. Mierniki klasy 1 spełniają normę IEC 61672 (±0,7 dB, 10 Hz-20 kHz). Tanie mierniki: błąd ±2-5 dB, słaba charakterystyka niskich/wysokich częstotliwości, brak kalibracji. Użytek profesjonalny wymaga kalibracji z możliwością śledzenia, rejestrowania, analizy oktawowej i trwałości. Zgodność z prawem/OSHA wymaga certyfikowanego sprzętu.

Przy 1 kHz: fon = dB SPL dokładnie (z definicji). Przy innych częstotliwościach: różnią się one z powodu czułości ucha. Przykład: 60 fonów wymaga 60 dB przy 1 kHz, ale 70 dB przy 100 Hz (+10 dB) i 55 dB przy 4 kHz (-5 dB). Fon uwzględnia krzywe jednakowej głośności, a dB nie.