Зображений на фотографії прилад називається вимірником рівня гучності звуку, а по-простому - шумоміром. Натиснемо на кнопку і подивимося, що він покаже. Виявляється, в тихій кімнаті, де я зараз перебуваю, рівень звуку становить 35 дБ (читається «35 децибел»). Тобто якийсь звук тут все-таки є, хоча я і сиджу мовчки й нерухомо. І справді, якщо прислухатися, то можна почути, як грюкнули двері в під'їзді, проїхала машина на вулиці, десь далеко йде поїзд - прилад реагує на всі ці звуки, а на дисплеї загальний рівень шуму. А що буде, якщо я заговорю? Рівень звуку тепер стрибає між 55 і 70 дБ. Було 35 - стало 70. Чи означає це, що звук став в два рази голосніше? Схоже, що немає - адже було зовсім тихо, а стало досить голосно - і з цим треба розібратися.
Для початку давайте зрозуміємо, що таке гучність звуку і як її можна вимірювати. Будь-який звук - це хвиля, яка поширюється в пружною середовищі, наприклад, в повітрі. Хвилі створюються хитаються тілами і поширюються від них на всі боки, переносячи механічну енергію. Саме ця енергія змушує коливатися барабанну перетинку нашого вуха або мембрану мікрофона. Наш шумомір - це перш за все мікрофон; чим більше енергія, що переноситься хвилею, тим більше амплітуда коливань мембрани мікрофону і тим більше електричний струм, який тече від цього мікрофона по дротах. Ми вимірюємо цей струм і по його величині дізнаємося, яка була енергія звукової хвилі, яка змусила коливатися мембрану.
Якщо енергія - занадто абстрактне поняття для вас, підійдемо до справи по-іншому. Нехай в кімнаті замість однієї людини з тієї ж самої гучністю розмовляють десять чоловік одночасно. Природно вважати, що при цьому шум в кімнаті стане в десять разів голосніше. А фізик скаже, що десять одночасного говоріння людей в порівнянні з однією людиною створюють в десять разів більшу звукову енергію.
Однак при чому тут децибели? Адже це якась зовсім інша одиниця? Це правильне питання, і з ним корисно буде розібратися. Тим більше що це не тільки цікава фізика, але і хороша математика.
Ми почнемо з того, що дамо визначення децибели, і його треба уважно прочитати. Кажуть, що один сигнал сильніше ( «голосніше») іншого на 10 децибел, коли енергія першого сигналу перевищує енергію другого сигналу в 10 разів. Прочитайте це визначення ще раз, щоб звикнути, тому що на перший погляд воно звучить досить дивно. А тепер давайте з ним розбиратися.
Найголовніше в цьому визначенні те, що воно пов'язує дві різні арифметичні операції - додавання і множення. «Більше на» - це складання; «Більше в» - множення. Знайдемо, у скільки разів буде різнитися енергія двох сигналів, коли один з них буде голосніше іншого на 30 дБ. Перший сигнал буде голоснішедругий на 10 дБ, плюс ще на 10 дБ, плюс ще на 10 дБ. Застосовуємо визначення і розуміємо, що енергія першого сигналу буде більше енергії другого сигналу в 10 разів, потім ще в 10 раз, і потім ще в 10 разів. Але збільшити щось в 10 разів три рази поспіль - значить збільшити його в 10 × 10 × 10 = 1000 разів.
Але що ж таке тоді звук в 0 дБ, від якого йде відлік шкали гучності? Це зовсім не відсутність звуку у фізичному сенсі - це такий рівень звуку, коли людське вухо перестає що-небудь чути. Звук в фізичному сенсі, як коливання повітря, ще є, але ми його вже не чуємо, бо він для нас дуже слабкий. Якщо цей звук зробити в 10 разів голосніше, його рівень стане рівним 10 дБ, збільшення гучності ще в 10 раз дасть рівень 20 дБ, і так далі. Зауважте також, що гучність звуку на шкалі децибел може бути негативною - просто такі звуки ми не будемо чути, хоча яке-небудь більш чутливе вухо або фізичний прилад все одно зможе їх фіксувати.
Якщо рівень звуку на гучного дискотеці дорівнює 100 дБ, це означає, що він в 10 000 000 000 раз (десять нулів) голосніше самого тихого звуку, який ми можемо чути. Зразкові значення різних рівнів гучності показані в цій таблиці. Цікаво зауважити, що психологічно ми сприймаємо радше децибели, ніж звукову енергію: гучний і тихий розмову розрізняються на 30 дБ, але ніхто не відчує, що розмова стала в 1000 разів голосніше.