Инфразвук: Свойства, Применение и Влияние на Живые Организмы

Введение

Вибрации с частотами ниже 20 герц

Инфразвук, иногда называемый низкочастотным звуком, описывает звуковые волны с частотой ниже нижнего порога слышимости человека (обычно 20 Гц, согласно стандарту ANSI/ASA S1.1 2013). Восприятие звука постепенно снижается с уменьшением частоты, поэтому для того, чтобы человек воспринимал инфразвук, необходимо достаточно высокое звуковое давление. Хотя ухо является основным органом восприятия низких частот, при высокой интенсивности инфразвуковые вибрации можно ощущать в различных частях тела. Изучение таких звуковых волн иногда называют инфразвуковой физикой, охватывающей звуки ниже 20 Гц до 0,1 Гц (и редко до 0,001 Гц). Этот диапазон частот используется для мониторинга землетрясений и вулканов, картирования геологических и нефтеносных структур под землей, а также в баллистокардиографии и сейсмокардиографии для изучения механики сердечно-сосудистой системы человека. Инфразвук характеризуется способностью огибать препятствия с незначительным затуханием. В музыке для создания низкочастотных звуков, включая ближний инфразвук, используются акустические волноводы, такие как большие органные трубы, а также экзотические конструкции громкоговорителей для воспроизведения, например, системы с линией передачи, ротационные вуферы или традиционные конструкции сабвуферов. Сабвуферы, предназначенные для воспроизведения инфразвука, способны воспроизводить звук на октаву или более ниже, чем большинство коммерчески доступных сабвуферов, и часто примерно в 10 раз больше по размеру.

История и исследования

Союзники в Первой мировой войне впервые использовали инфразвук для обнаружения артиллерии. Одним из пионеров в исследовании инфразвука был французский ученый Владимир Гавро. Его интерес к инфразвуковым волнам возник впервые в 1957 году в большом бетонном здании, где он и его исследовательская группа проводили работы. У группы периодически возникали приступы глубокой и крайне неприятной тошноты. После нескольких недель размышлений о причине тошноты – команда была уверена, что это патоген или неустановленная утечка вредных химических веществ в здании – они обнаружили, что "двигатель малой скорости, работавший с дисбалансом, создавал [эти] "вызывающие тошноту" колебания". В результате этого и подобных случаев, при строительстве новых зданий стало обычной практикой проверять и устранять любые инфразвуковые резонансы в полостях, а также использовать звукоизоляцию и материалы со специальными звуковыми характеристиками.

Реакция животных

Считается, что некоторые животные способны воспринимать инфразвуковые волны, распространяющиеся по земле и вызванные стихийными бедствиями, и использовать их как систему раннего предупреждения. Примером может служить землетрясение и цунами в Индийском океане 2004 года. Поступали сообщения о том, что животные покинули опасную зону за несколько часов до того, как цунами достигло берегов Азии. Однако достоверно установить, что именно послужило причиной такого поведения, пока не удалось; некоторые предполагают, что это могло быть влияние электромагнитных, а не инфразвуковых волн, которое заставило животных бежать. Исследование, проведенное в 2013 году Джоном Хагструмом из Геологической службы США, указывает на то, что почтовые голуби используют низкочастотный инфразвук для ориентации в пространстве.

Реакция человека

20 Гц считается нормальным нижним пределом слышимости человека. При воспроизведении чистых синусоидальных волн в идеальных условиях и на очень высокой громкости, человек способен различать тоны частотой до 12 Гц. Ниже 10 Гц возможно воспринимать отдельные циклы звука, а также ощущение давления на барабанные перепонки. Начиная примерно с 1000 Гц, динамический диапазон слуховой системы уменьшается с понижением частоты. Это сжатие наблюдается на контурах равной громкости и означает, что даже незначительное увеличение уровня может изменить воспринимаемую громкость от едва слышимой до громкой. В сочетании с естественным разбросом порогов чувствительности в популяции, это может привести к тому, что очень низкочастотный звук, неслышимый для одних людей, будет громким для других. Одно исследование предполагает, что инфразвук может вызывать у людей чувство трепета или страха. Также высказывалось предположение, что, поскольку он не воспринимается сознательно, он может создавать у людей смутное ощущение странных или сверхъестественных событий. Ученый из Лаборатории слуховой нейробиологии Сиднейского университета сообщает о растущих доказательствах того, что инфразвук может воздействовать на нервную систему некоторых людей, стимулируя вестибулярную систему, что в моделях на животных проявляется эффектом, схожим с морской болезнью. В исследованиях, проведенных в 2006 году и посвященных влиянию звуковых выбросов ветряных турбин на близлежащее население, воспринимаемый инфразвук был связан с такими эффектами, как раздражение или усталость, в зависимости от его интенсивности, при этом мало свидетельств, подтверждающих физиологические эффекты инфразвука ниже порога восприятия человека. Однако более поздние исследования связали неслышимый инфразвук с ощущениями наполненности, давления или шума в ушах и признали возможность нарушения сна. Другие исследования также показали связь между уровнями шума от турбин и нарушениями сна у близлежащего населения, при этом вклад инфразвука в этот эффект до сих пор полностью не изучен. В исследовании, проведенном в Университете Ибараки в Японии, исследователи сообщили, что результаты ЭЭГ показали, что инфразвук, производимый ветряными турбинами, "считается раздражающим для техников, работающих вблизи современных крупномасштабных ветряных турбин". Юрген Альтманн из Технического университета Дортмунда, эксперт в области звукового оружия, заявил, что нет надежных доказательств того, что инфразвук вызывает тошноту и рвоту. Высокие уровни громкости на концертах от массивов сабвуферов были названы причиной коллапса легких у людей, находящихся очень близко к сабвуферам, особенно у курящих, которые отличаются высоким ростом и худощавым телосложением. В сентябре 2009 года лондонский студент Том Рейд умер от синдрома внезапной аритмической смерти (СНАС) после жалоб на то, что "громкие басовые ноты" "доходят до его сердца". В ходе расследования было вынесено заключение о естественных причинах смерти, хотя некоторые эксперты предположили, что бас мог послужить триггером. Воздух является крайне неэффективной средой для передачи низкочастотных вибраций от преобразователя к человеческому телу. Однако механическое соединение источника вибрации с человеческим телом представляет собой потенциально опасную комбинацию. Космическая программа США, обеспокоенная вредным воздействием ракетных полетов на астронавтов, заказала вибрационные испытания, в которых сиденья в кабине пилотов, установленные на вибрационных платформах, использовались для передачи "коричневой ноты" и других частот непосредственно испытуемым. Были достигнуты очень высокие уровни мощности в 160 дБ на частотах 2–3 Гц. Частоты испытаний варьировались от 0,5 Гц до 40 Гц. Испытуемые страдали от двигательной атаксии, тошноты, нарушения зрения, снижения эффективности выполнения задач и затруднений в общении. Исследователи полагают, что эти испытания послужили основой для современного городского мифа. В отчете "Обзор опубликованных исследований о низкочастотном шуме и его воздействии" содержится обширный список исследований воздействия высоких уровней инфразвука на людей и животных. Например, в 1972 году Борредон подверг 42 молодых человека воздействию тонов на частоте 7,5 Гц при 130 дБ в течение 50 минут. Это воздействие не вызвало никаких неблагоприятных эффектов, кроме сообщенной сонливости и незначительного повышения артериального давления. В 1975 году Сларве и Джонсон подвергли четырех мужчин воздействию инфразвука на частотах от 1 до 20 Гц в течение восьми минут за раз, на уровнях до 144 дБ SPL. Не было выявлено никаких признаков негативного воздействия, кроме дискомфорта в среднем ухе. Испытания высокоинтенсивного инфразвука на животных привели к измеримым изменениям, таким как изменения в клетках и разрывы стенок кровеносных сосудов. Инфразвук является одной из гипотез о причине смерти девяти советских туристов, найденных мертвыми в перевале Дятлова в 1959 году.

20 Hz is considered the normal low frequency limit of human hearing. When pure sine waves are reproduced under ideal conditions and at very high volume, a human listener will be able to identify tones as low as 12 Hz. Below 10 Hz it is possible to perceive the single cycles of the sound, along with a sensation of pressure at the eardrums. From about 1000 Hz, the dynamic range of the auditory system decreases with decreasing frequency. This compression is observable in the equal loudness level contours, and it implies that even a slight increase in level can change the perceived loudness from barely audible to loud. Combined with the natural spread in thresholds within a population, its effect may be that a very low frequency sound which is inaudible to some people may be loud to others. One study has suggested that infrasound may cause feelings of awe or fear in humans. It has also been suggested that since it is not consciously perceived, it may make people feel vaguely that odd or supernatural events are taking place. A scientist working at Sydney University's Auditory Neuroscience Laboratory reports growing evidence that infrasound may affect some people's nervous system by stimulating the vestibular system, and this has shown in animal models an effect similar to sea sickness. In research conducted in 2006 focusing on the impact of sound emissions from wind turbines on the nearby population, perceived infrasound has been associated to effects such as annoyance or fatigue, depending on its intensity, with little evidence supporting physiological effects of infrasound below the human perception threshold. Later studies, however, have linked inaudible infrasound to effects such as fullness, pressure or tinnitus, and acknowledged the possibility that it could disturb sleep. Other studies have also suggested associations between noise levels in turbines and self reported sleep disturbances in the nearby population, while adding that the contribution of infrasound to this effect is still not fully understood. In a study at Ibaraki University in Japan, researchers said EEG tests showed that the infrasound produced by wind turbines was "considered to be an annoyance to the technicians who work close to a modern large scale wind turbine". Jürgen Altmann of the Technical University of Dortmund, an expert on sonic weapons, has said that there is no reliable evidence for nausea and vomiting caused by infrasound. High volume levels at concerts from subwoofer arrays have been cited as causing lung collapse in individuals who are very close to the subwoofers, especially for smokers who are particularly tall and thin. In September 2009, London student Tom Reid died of sudden arrhythmic death syndrome (SADS) after complaining that "loud bass notes" were "getting to his heart". The inquest recorded a verdict of natural causes, although some experts commented that the bass could have acted as a trigger. Air is a very inefficient medium for transferring low frequency vibration from a transducer to the human body. Mechanical connection of the vibration source to the human body, however, provides a potentially dangerous combination. The U. S. space program, worried about the harmful effects of rocket flight on astronauts, ordered vibration tests that used cockpit seats mounted on vibration tables to transfer "brown note" and other frequencies directly to the human subjects. Very high power levels of 160 dB were achieved at frequencies of 2–3 Hz. Test frequencies ranged from 0.5 Hz to 40 Hz. Test subjects suffered motor ataxia, nausea, visual disturbance, degraded task performance and difficulties in communication. These tests are assumed by researchers to be the nucleus of the current urban myth. The report "A Review of Published Research on Low Frequency Noise and its Effects" contains a long list of research about exposure to high level infrasound among humans and animals. For instance, in 1972, Borredon exposed 42 young men to tones at 7.5 Hz at 130 dB for 50 minutes. This exposure caused no adverse effects other than reported drowsiness and a slight blood pressure increase. In 1975, Slarve and Johnson exposed four male subjects to infrasound at frequencies from 1 to 20 Hz, for eight minutes at a time, at levels up to 144 dB SPL. There was no evidence of any detrimental effect other than middle ear discomfort. Tests of high intensity infrasound on animals resulted in measurable changes, such as cell changes and ruptured blood vessel walls. Infrasound is one hypothesized cause of death for the nine Soviet hikers who were found dead at Dyatlov Pass in 1959.

Каштановый ноут

Коричневая нота — гипотетическая инфразвуковая частота, способная вызвать недержание кала, создавая акустический резонанс в кишечнике человека. Попытки продемонстрировать существование "коричневой ноты" с помощью звуковых волн, передаваемых по воздуху, не увенчались успехом. В феврале 2005 года телешоу "Разрушители мифов" попыталось проверить, является ли "коричневая нота" реальностью. Они испытывали ноты с частотой до 5 Гц и звуковым давлением до 153 дБ. Они использовали сабвуфер, применяемый на крупных рок-концертах, который был специально модифицирован для расширения низких частот. Предполагаемые физиологические эффекты не проявились. Шоу объявило миф о коричневой ноте "развенчанным".

Эксперимент с инфразвуковыми тонами 17 Гц

31 мая 2003 года группа британских исследователей провела массовый эксперимент, в ходе которого около 700 человек подверглись воздействию музыки, содержащей мягкие синусоидальные волны частотой 17 Гц, воспроизводимые на уровне, описанном как "на грани слышимости". Воспроизведение осуществлялось с помощью специально разработанного сабвуфера с длинным ходом диффузора, установленного на расстоянии двух третей длины семиметровой пластиковой канализационной трубы от ее конца. Экспериментальный концерт (под названием Infrasonic) состоялся в Зале Пурселла и включал два выступления, каждое из которых состояло из четырех музыкальных произведений. В двух произведениях каждого концерта под основной мелодией звучали тоны частотой 17 Гц. Во втором концерте произведения с 17-герцовым подтоном были заменены, чтобы результаты исследования не были связаны с конкретным музыкальным фрагментом. Участникам не сообщалось, в каких произведениях использовался низкочастотный 17-герцовый тон, близкий к инфразвуку. Присутствие этого тона привело к тому, что значительное число (22%) респондентов сообщили о чувстве дискомфорта или печали, ознобе, нервном отвращении или страхе. Тэнди предположил, что именно поэтому он увидел призрачную фигуру – по его мнению, это была оптическая иллюзия, вызванная резонансом глазных яблок. Длина комнаты была ровно равна половине длины волны, а стол находился в центре, что создавало стоячую волну, вызывавшую вибрацию фольги. Тэнди продолжил изучение этого явления и опубликовал статью под названием «Призрак в машине». Он провел ряд расследований в местах, считающихся населенными привидениями, включая подвал туристического информационного бюро рядом с Ковентрийским собором и Эдинбургский замок.

Обнаружение и измерение

NASA Langley разработала и создала систему обнаружения инфразвука, позволяющую проводить полезные измерения инфразвука в местах, где это ранее было невозможно. Система состоит из электроэлектрического конденсаторного микрофона PCB модели 377M06 с 3-дюймовой мембраной и небольшого компактного ветрозащитного экрана. Технология на основе электроэлектретов обеспечивает минимальный уровень фонового шума, поскольку шум Джонсона, генерируемый в поддерживающей электронике (предусилитель), сведен к минимуму. Было установлено, что пенополиуретан с закрытыми порами хорошо подходит для этой цели. В ходе запланированных испытаний будут оцениваться чувствительность, фоновый шум, точность сигнала (гармонические искажения) и временная стабильность. Конструкция микрофона отличается от конструкции обычной аудиосистемы тем, что учитываются специфические особенности инфразвука. Во-первых, инфразвук распространяется на огромные расстояния в атмосфере Земли благодаря очень низкому атмосферному поглощению и рефракционному волноводу, обеспечивающему распространение за счет многократных отражений между поверхностью Земли и стратосферой. Второе свойство, которому уделяется мало внимания, – это высокая проникающая способность инфразвука через твердые материалы, что было учтено при проектировании и изготовлении ветрозащитных экранов системы. Инфразвуковые станции IMS состоят из восьми микробарометрических датчиков и пространственных фильтров, расположенных в массиве площадью примерно от 1 до 9 км². Пространственные фильтры представляют собой излучающие трубы с входными портами по всей длине, предназначенные для усреднения колебаний давления, таких как турбулентность ветра, для повышения точности измерений. Подготовительная комиссия Организации по всеобщему запрещению ядерных испытаний использует инфразвук в качестве одной из технологий мониторинга наряду с сейсмическим, гидроакустическим и мониторингом атмосферных радионуклидов. Самый мощный инфразвук, зарегистрированный системой мониторинга на сегодняшний день, был вызван челябинским метеором 2013 года.

В популярной культуре

В фильме 2017 года "Звук" инфразвук является ключевым элементом сюжета. В эпизоде "Фермата" франко-бельгийского телесериала "Астрид и Рафаэль" 2020 года инфразвук, излучаемый генератором, спрятанным в трубном органе Большого зала в Maison de la Radio et de la Musique – парижской штаб-квартире Radio France – используется как орудие убийства.