Децибелы что это

 

Децибел широко используется при количественных оценках параметров различных аудио, видео, измерительных устройств. Из этой статьи вы узнаете.. Из статьи вы узнаете, что такое децибел и как децибелы влияют на воспринимаемую громкость. Также мы расскажем, как децибелы используются в звукозаписи.

Области применения

Децибелы широко применяются в любых областях техники, где требуется измерение величин, меняющихся в широком диапазоне: в радиотехнике, антенной технике, в системах передачи информации, в оптике, акустике (в децибелах измеряется уровень громкости звука) и др. Так, в децибелах принято измерять динамический диапазон (например, диапазон громкости звучания музыкального инструмента), затухание волны при распространении в поглощающей среде, коэффициент усиления и коэффициент шума усилителя.

Децибелы используются не только для измерения отношения физических величин второго порядка (энергетических: мощность, энергия) и первого порядка (напряжение, сила тока). В децибелах можно измерять отношения любых физических величин, а также использовать децибелы для представления абсолютных величин (см. опорный уровень).

Децибелы и АЧХ усилителя

Как вы помните в  прошлом примере с ОУ, у нас неинвертирующий усилитель усиливал сигнал в 10 раз. Если посмотреть в нашу табличку, то это получается 20 дБ относительно входного сигнала. Ну да, так оно и есть:

Также в дБ на некоторых графиках АЧХ обозначают наклон характеристики АЧХ. Это может выглядеть примерно вот так:

На графике мы видим АЧХ полосового фильтра. Изменение сигнала +20 дБ на декаду (дБ/дек, dB/dec) говорит нам о том, что при каждом увеличении частоты в 10 раз, амплитуда сигнала возрастает на 20 дБ. То же самое можно сказать и про спад сигнала -20 дБ на декаду. При каждом увеличении частоты в 10 раз, у нас амплитуда сигнала будет уменьшаться на -20 дБ. Есть также похожая характеристика дБ на октаву (дБ/окт, dB/oct). Здесь почти все то же самое, только изменение сигнала происходит при каждом увеличении частоты в 2 раза.

Давайте рассмотрим пример. Имеем фильтр высоких частот (ФВЧ) первого порядка, собранного на RC-цепи.

Его АЧХ будет выглядеть следующим образом (кликните для полного открытия)

Нас сейчас интересует  наклонная прямая линия АЧХ. Так как у нее наклон примерно одинаковый до частоты среза  в -3дБ, то можно найти ее крутизну, то есть узнать, во сколько раз увеличивается сигнал при каждом увеличении частоты в 10 раз.

Итак возьмем первую точку на частоте в 10 Герц. На частоте в 10 Герц амплитуда сигнала уменьшилась на 44 дБ, это видно в правом нижнем углу (out:-44)

Умножаем частоту на 10 (декада) и получаем вторую точку в 100 Герц. На частоте в 100 Герц наш сигнал уменьшился приблизительно на 24 дБ

То есть получается за одну декаду у нас сигнал увеличился с -44  до -24 дБ на декаду. То есть наклон характеристики составил +20 дБ/декаду. Если +20 дБ/декаду перевести в дБ на октаву, то получится 6 дБ/октаву.

Достаточно часто, дискретные аттенюаторы (делители) выходного сигнала на измерительных приборах (особенно на генераторах) проградуированы в децибелах:
0, -3, -6, -10, -20, -30, -40 дБ. Это позволяет быстро ориентироваться в относительном уровне выходного сигнала.

Представление размерных величин[править]

Опорный уровень и обозначения[править]

Децибел служит не только для указания значения отношения двух физических величин в логарифмическом масштабе. Децибел используют и для указания значения (уровня) физической величины по отношению к некоторому значению (опорному уровню) этой же величины, то есть для указания значения и размерности абсолютных величин. Для этого необходимо условиться, какое конкретно абсолютное значение измеряемой величины принято за опорный уровень (условный 0 дБ).

Указанную в логарифмическом масштабе величину и значение x по отношению к опорному значению xref часто называют «уровнем x (по отношению к xref)» и обозначают «Lx» (от англ. Level). В соответствии с международным стандартом МЭК 60027-3[6], при необходимости указать опорный уровень его значение помещают в скобках за обозначением логарифмической величины. Например, уровень Lp звукового давления p (то есть абсолютное значение амплитуды звукового давления) можно записать следующим образом: «Lp (исх. 20 мкПа) = 20 дБ», с использованием международных обозначений — «Lp (re 20 µPA) = 20 dB» (re — сокращение от англ. relative — относительно). Также используется краткая форма, например, уровень LP мощности P «LP(1 мВт) = 30 дБ» или «LP = 30 дБ(1 мВт)». Значение «1» опорного уровня может быть опущено, например, «LP = 30 дБ(мВт)». То есть, если в скобках указана только размерность опорного уровня, а его значение явно не указано, то подразумевается, что оно равно «1». Для сокращения записи широко используются специальные обозначения (см. далее) опорного уровня, например, «LP = 30 дБм». Всё это означает: «уровень мощности составляет +30 дБ относительно 1 мВт» или «мощность составляет 1 Вт».

Таким образом, должно быть однозначно определено, какая именно физическая величина и какое именно её значение используются в качестве опорного уровня. В случае затруднения и во избежание путаницы достаточно указать опорный уровень явно. Например, запись «−20 дБ (относительно значения напряжения 0,775 B на нагрузке сопротивлением 50 Ом)» исключает возможность двоякого толкования.

Специальные обозначения[править]

На практике распространены следующие опорные уровни и специальные обозначения для них:

  • dBW (русское дБВт) — опорным уровнем является мощность в 1 Вт. Например, уровень мощности +30 дБВт означает мощность 1 кВт, выраженную в децибелах.
  • dBm (русское дБм) — опорным уровнем является мощность в 1 мВт. Мощность обычно определяется на номинальной нагрузке (для профессиональной техники — обычно 10 кОм для частот менее 10 МГц, для радиочастотной техники — 50 Ом или 75 Ом). Например, «выходная мощность усилительного каскада составляет 13 дБм» (то есть мощность, выделяющаяся на номинальной для этого усилительного каскада нагрузке, составляет 20 мВт).
  • dBm0 (русское дБм0) — опорным уровнем является мощность в 1 мВт в точке линии передачи с потерями, от которой ведется отсчет относительного уровня. «Абсолютный уровень мощности относительно 1 мВт в точке линии передачи с нулевым уровнем»[2].
  • dBV (русское дБВ) — опорное напряжение 1 В на номинальной нагрузке (для бытовой техники — обычно 47 кОм); например, стандартизованный уровень сигнала для бытового аудиооборудования составляет −10 дБВ, то есть 0,316 В на нагрузке 47 кОм.
  • dBuV (русское дБмкВ) — опорное напряжение 1 мкВ; например, «чувствительность радиоприёмника, измеренная на антенном входе, составляет −10 дБмкВ … номинальное сопротивление антенны — 50 Ом».
Связь напряжения в dBu с вольтами, ваттами и дБм. Падение напряжения в 0,775 В (среднеквадратическое значение) на нагрузке с сопротивлением 600 Ом приводит к рассеянию на этой нагрузке средней мощности в 1 мВт (0 дБм). Говорят, что в этом случае уровень сигнала составляет 0 dBu
  • dBu — опорное напряжение В, соответствующее мощности 1 мВт на нагрузке 600 Ом; например, стандартизованный уровень сигнала для профессионального аудиооборудования составляет +4 dBu, то есть 1,23 В. Значение 600 Ом здесь выбрано в качестве весьма приблизительного значения волнового сопротивления некоторых типов симметричных двухпроводных телефонных линий.
  • dBrn — опорное напряжение соответствует тепловому шуму идеального резистора сопротивлением 50 Ω при комнатной температуре в полосе 1 Гц: . Например, «уровень шума усилителя составляет 6 dBrn».
  • dBFS (от англ. Full Scale — «полная шкала») — опорное напряжение соответствует полной шкале прибора; например, «уровень записи составляет −6 dBFS». Для линейного цифрового кода каждый разряд соответствует 6 дБ, и максимально возможный уровень записи равен 0 dBFS.
  • dBSPL (от англ. Sound Pressure Level — «уровень звукового давления») — опорное значение амплитуды звукового давления 20 мкПа, соответствующее порогу слышимости гармонического звукового колебания с частотой 1 кГц; например, «громкость 100 dBSPL».
  • dBPa (русское дБПа) — опорным уровнем является амплитуда звукового давления 1 Па. Уровень громкости 1 dBPa соответствует 94 dBSPL. Например, «для громкости 6 dBPa микшером установили +4 dBu, а регулятором записи −3 dBFS, искажения при этом составили −70 dBc».
  • dBA, dBB, dBC, dBD — опорные уровни выбраны в соответствии с частотными характеристиками «весовых фильтров» в соответствии с кривыми равной громкости (см.: Фон (единица измерения)).
  • dBc (русское дБн) — опорным является уровень излучения на частоте несущей (англ. carrier) или уровень основной гармоники в спектре сигнала. Примеры использования: «уровень побочного излучения радиопередатчика на частоте второй гармоники составляет −60 дБн» (то есть мощность этого побочного излучения в 1 млн раз меньше мощности несущей) или «уровень искажений составляет −60 дБн».
  • dBi (русское дБи) — изотропный децибел (децибел относительно изотропного излучателя). Характеризует коэффициент направленного действия, а также коэффициент усиления антенны относительно коэффициента направленного действия изотропного излучателя. Как правило, если не оговорено специально, то коэффициент усиления реальных антенн указывается именно относительно изотропного излучателя. То есть, если говорят, что коэффициент усиления антенны равен 12 дБ, то подразумевается 12 дБи.
  • dBd (русское дБд) — децибел относительно полуволнового вибратора («относительно диполя»). Характеризует коэффициент направленного действия, а также коэффициент усиления антенны относительно коэффициента направленного действия полуволнового вибратора, размещенного в свободном пространстве. Поскольку коэффициент направленного действия указанного полуволнового вибратора приближённо равен 2,15 дБи, то коэффициент направленного действия, выраженный в дБд, всегда меньше коэффициента направленного действия, выраженного в дБи, на фиксированную величину, равную 2,15 дБ.
  • dBsm — децибел относительно одного квадратного метра. Характеризует эффективную поверхность рассеяния рассеивателя в радиолокации.

По аналогии образуются составные единицы измерений. Например, уровень спектральной плотности мощности дБВт/Гц — «децибельный» аналог единицы измерения Вт/Гц (мощность, выделяющаяся на номинальной нагрузке в полосе частот шириной в 1 Гц с центром на указанной частоте). Опорным уровнем в данном примере является 1 Вт/Гц, то есть физическая величина «спектральная плотность мощности», её размерность «Вт/Гц» и значение «1». Так, запись «−120 дБВт/Гц» полностью эквивалентна записи «10−12 Вт/Гц».

Правила действий с размерными величинами[править]

Следующие правила являются следствием правил действий с размерными величинами:

  • перемножать или делить «децибельные» значения нельзя (это бессмысленно);
  • суммирование «децибельных» значений соответствует умножению абсолютных значений, вычитание «децибельных» значений — делению абсолютных значений;
  • суммирование или вычитание «децибельных» значений может выполняться независимо от их «исходной» размерности. Например, равенство 10 дБм + 13 дБ = 23 дБм является корректным, полностью эквивалентно равенству 10 мВт · 20 = 200 мВт и может трактоваться как «усилитель с коэффициентом усиления 13 дБ увеличивает мощность сигнала с 10 дБм до 23 дБм». Но в то же время 10 дБм — 7 дБм = 3 дБ, поскольку это эквивалентно 10 мВт / 5 мВт = 2 (раза).

Примеры операций, их результат и значение:

Пересчет мощности и напряжения на стандартных нагрузках[править]

При пересчёте значения мощности (дБВт, дБм) в значение напряжения (дБВ, дБмкВ) и обратно необходимо учитывать сопротивление нагрузки, на котором определяется мощность и напряжение.

Для сопротивления 50 Ом:

  • Мощность в напряжение:
    • дБмкВ = дБм + 107
    • дБмкВ = дБВт + 137
    • дБВ = дБм − 13
    • дБВ = дБВт + 17
  • Напряжение в мощность:
    • дБм = дБмкВ − 107
    • дБм = дБВ + 13
    • дБВт = дБмкВ − 137
    • дБВт = дБВ − 17

Для сопротивления 75 Ом:

  • Мощность в напряжение:
    • дБмкВ = дБм + 108,75
    • дБмкВ = дБВт + 138,75
    • дБВ = дБм − 11,25
    • дБВ = дБВт + 18,75
  • Напряжение в мощность:
    • дБм = дБмкВ − 108,75
    • дБм = дБВ + 11,25
    • дБВт = дБмкВ − 138,75
    • дБВт = дБВ − 18,75

Децибел – НЕЛИНЕЙНОЕ измерение

Фото 2

Чтобы лучше понять сущность децибела, необходимо уяснить, что это не постоянная физическая величина, а относительное математическое понятие. Такое же, как, например, процент.

Децибелы используются, потому что человек лучше воспринимает логарифмическое изменение уровня громкости.

Зависимость силы звука и ощущения громкости

Это связано с чувствительностью человеческого уха. Тишина (0 дБ) не означает, что звука нет. Это означает, что человек его не слышит, то есть звуковая волна настолько слабая, что ей не хватает мощности колебать барабанную перепонку. Но чем мощнее становится волна, тем сильнее колеблется перепонка и тем больше ощущается уровень громкости.

Фото 2

Переход к децибелам[править]

Ошибок при оперировании децибелами можно избежать, если руководствоваться правилом: величина, выраженная в дБ — это 10 десятичных логарифмов отношения двух одноименных энергетических величин. Всё остальное — следствия этого правила. «Энергетические» — величины второго порядка (энергия, мощность). По отношению к ним напряжение и сила электрического тока («неэнергетические») — величины первого порядка (P ~ U²), которые должны быть на каком-то этапе вычислений корректно преобразованы в энергетические [4].

Измерение «энергетических» величин[править]

Изначально дБ использовался для оценки отношения мощностей, и в каноническом, привычном смысле величина, выраженная в дБ, предполагает логарифм отношения двух мощностей и вычисляется по формуле:

,

где x — величина, измеряемая в дБ; P1/P0 — отношение значений двух мощностей: измеряемой P1 к так называемой опорной P0, то есть базовой, взятой за нулевой уровень (имеется в виду нулевой уровень в единицах дБ, поскольку в случае равенства мощностей P1 = P0 логарифм их отношения lg(P1/P0) = 0).

Соответственно, переход от дБ к отношению мощностей осуществляется по формуле:

,

где x — величина, измеряемая в дБ. Мощность P1 может быть найдена при известной опорной мощности P0 по выражению

.

Измерение «неэнергетических» величин[править]

Из правила (см. выше) следует, что «неэнергетические» величины должны быть преобразованы в энергетические. Так, согласно закону Джоуля-Ленца или . Следовательно, , где R1 — сопротивление, на котором определяется изменяемое напряжение U1, а R0 — сопротивление, на котором было определено опорное напряжение U0.

В общем случае напряжения U1 и U0 могут регистрироваться на различных по величине сопротивлениях (R1 не равно R0). Такое может быть, например, при определении коэффициента усиления усилителя, имеющего различные выходное и входное сопротивления, или при измерении потерь в согласующем устройстве, трансформирующем сопротивления. Поэтому в общем случае

величина в децибелах = .

Только в частном (весьма распространенном) случае, если оба напряжения U1 и U0 измерялись на одном и том же сопротивлении (R1 = R0), можно пользоваться кратким выражением

величина в децибелах = .

Децибелы «по мощности», «по напряжению» и «по току»[править]

Из правила (см. выше) следует, что децибелы бывают только «по мощности». Тем не менее, в случае равенства R1 = R0 (в частности, если R1 и R0 — одно и то же сопротивление) или в случае, если соотношение сопротивлений R1 и R0 по той или иной причине не учитывается или не важно, говорят о децибелах «по напряжению» и «по току», подразумевая при этом выражения:

дБ по напряжению = ; дБ по току = .

Для перехода от «дБ по напряжению» («дБ по току») к «дБ по мощности» следует чётко определить, на каких именно сопротивлениях (равных или не равных друг другу) регистрировались напряжения (токи). Если R1 не равно R0, следует пользоваться выражением для общего случая (см. выше).

Нетрудно подсчитать, что, в частности:

  • при регистрации мощности изменению на +1 дБ (+1 дБ «по мощности») соответствует приращение мощности в ≈1,259 раза, изменению на −3,01 дБ — снижение мощности в два раза, в то время как
  • при регистрации напряжения (силы тока) изменению на +1 дБ (+1 дБ «по напряжению», «по току») будет соответствовать приращение напряжения (силы тока) в ≈1,122 раза, при изменении на −3,01 дБ напряжение (сила тока) снизятся и составят ≈ 0,707 от своего исходного значения.

В акустике[править]

Звуковое давление p [Па] — величина первого порядка, а интенсивность звука I ~ p2 (плотность потока мощности, переносимой звуковой волной, Вт/м2) — величина второго порядка, то есть является «энергетической» величиной. Например, если громкость звука возросла на 10 дБ, то это значит, что I возросла в 10 раз, а p — приблизительно в раз.

Использование дБ при указании громкости звука, то есть использование дБ для указания размерной величины, основано на сравнении интенсивности звукового колебания произвольного спектрального состава с интенсивностью гармонического звукового колебания с амплитудой звукового давления, равной 20 мкПа. Гармоническое колебание с такой амплитудой (20 мкПа, соответствует плоской волне с плотностью потока мощности 1·10−12 Вт/м2) и частотой 1 кГц приближенно соответствует порогу слышимости звука человеком (см. представление размерных величин, dBSPL). Например, утверждение «громкость звука составляет 30 дБ» означает, что интенсивность звуковой волны в 1000 раз превышает порог слышимости звука человеком.

Для измерения громкости звука также используют единицы измерения фон и сон, учитывающие частотную и субъективную восприимчивость звука человеком.

Условные обозначения

Для различных физических величин одному и тому же числовому значению, выраженному в децибелах, могут соответствовать разные уровни сигналов (вернее разности уровней). Поэтому во избежание путаницы такие «конкретизированные» единицы измерения обозначают теми же буквами «дБ», но с добавлением индекса — общепринятого обозначения измеряемой физической величины. Например дБВ (децибел относительно вольта) или дБмкВ (децибел относительно микровольта), дБВт (децибел относительно ватта) и т. п. В соответствии с международным стандартом МЭК 27-3 при необходимости указать исходную величину её значение помещают в скобках за обозначением логарифмической величины, например, для уровня звукового давления: LP (re 20 µPA) = 20 dB; LP (исх. 20 мкПа) = 20 дБ

Примеры вычислений[править]

Переход к дБ[править]

Пусть значение мощности P1 стало в 2 раза больше исходного значения мощности P0, тогда

10 lg(P1/P0) = 10 lg(2) ≈3,0103 дБ ≈ 3 дБ,

то есть рост мощности на 3 дБ означает её увеличение в 2 раза.

Пусть значение мощности P1 стало в 2 раза меньше исходного значения мощности P0, то есть P1 = 0,5 P0. Тогда

10 lg(P1/P0) = 10 lg(0,5) ≈ −3 дБ,

то есть снижение мощности на 3 дБ означает её снижение в 2 раза. По аналогии:

  • рост мощности в 10 раз: 10 lg(P1/P0) = 10 lg(10) = 10 дБ, снижение в 10 раз: 10 lg(P1/P0) = 10 lg(0,1)= −10 дБ;
  • рост в 1 млн раз: 10 lg(P1/P0) = 10 lg(1 000 000) = 60 дБ, снижение в 1 млн раз: 10 lg(P1/P0) = 10 lg(0,000001) = −60 дБ.

Переход от дБ к «разам»[править]

Изменение «в разах» по известному изменению в дБ (условное обозначение «dB» в формулах ниже) вычисляется следующим образом:

  • для мощности: ; таким образом, например, если изменение мощности составило +20 децибел, это значит, что «P1 больше P0 на два порядка» или «P1 больше P0 в 100 раз»;
  • для напряжения (силы тока): ; таким образом, например, если изменение напряжения составило +20 децибел, это значит, что U1 больше U0 «на порядок» или «в 10 раз».

Формула приблизительного значения для мощности:

Для неэнергетических величин: (квадратный корень предыдущего).

Переход от дБ к мощности[править]

Для этого нужно знать значение опорного уровня мощности P0. Например, при P0 = 1 мВт и известном изменении на +20 дБ:

Вт.

Переход от дБ к напряжению (току)[править]

Для этого нужно знать значение опорного уровня напряжения U0 и определиться, регистрировалось ли напряжение на одинаковом сопротивлении, или же для решаемой задачи различие значений сопротивлений не важно. Например, при условии R0 = R1, заданном U0 = 2 В и приросте напряжения на 6 дБ:

≈ 4 В.

Рекомендация[править]

Операции с децибелами можно выполнять в уме: вместо умножения, деления, возведения в степень и извлечения корня применяется сложение и вычитание децибельных единиц. Для этого полезно запомнить соответствие:

1 дБ в ≈1,26 раза, 3 дБ в ≈2 раза, 10 дБ в 10 раз.

Далее, раскладывая «более сложные значения» на «составные», получаем:

6 дБ = 3 дБ + 3 дБ в ≈2·2 = в 4 раза, 9 дБ = 3 дБ + 3 дБ + 3 дБ в ≈2·2·2 = в 8 раз, 12 дБ = 4 · (3 дБ) в ≈24 = в 16 раз

и т. п., а также:

13 дБ = 10 дБ + 3 дБ в ≈10·2 = в 20 раз, 20 дБ = 10 дБ + 10 дБ в 10·10 = в 100 раз, 30 дБ = 3 · (10 дБ) в 10³ = в 1000 раз

и т. п.

Сложению (вычитанию) значений в дБ соответствует умножение (деление) самих отношений. Отрицательные значения дБ соответствуют обратным отношениям. Например:

  • уменьшение мощности в 40 раз это в 4·10 раз или на −(6 дБ + 10 дБ) = −16 дБ;
  • увеличение мощности в 128 раз это 27 или на 7·(≈3 дБ) = 21 дБ;
  • снижение напряжения в 4 раза эквивалентно снижению мощности (величины второго порядка) в 4² = 16 раз; и то, и другое при R1 = R0 эквивалентно снижению на ≈4·(−3 дБ) = −12 дБ.
Фото 3

Формулы для вычисления децибелов

Бел (Б) = lg (P2/P1)

где

P1 – мощность до усиления, Вт

P2 – мощность после усиления или ослабления, Вт

На практике, оказалось, что удобнее пользоваться уменьшенным в 10 раз значением Бел, т.е. децибел, поэтому:

дециБел (дБ) = 10 * lg(P2/P1)

Усиление или ослабление мощности в децибелах выражается формулой:

где

NдБ – усиление, либо ослабление мощности в децибелах

P1 – мощность до усиления, Вт

P2 – мощность после усиления или ослабления, Вт

Значения Бел, децибел могут быть со знаком “плюс”, если P2 > P1 (усиление сигнала)  и со знаком “минус”, если P2 < P1 (ослабление сигнала)

Во многих случаях, сравнение сигналов путем измерения мощностей может быть неудобным или невозможным – проще измерить напряжение или ток.
В этом случае, если мы сравниваем напряжения или токи, формула примет уже другой вид:

где

NдБ – усиление, либо ослабление мощности в децибелах

U1 – это напряжение до усиления, В

U2  – напряжение после усиления, В

I1 – сила тока до усиления, А

I2 – сила тока после усиления, А

Вот небольшая табличка, в которой приведены основные отношения напряжений и соответствующее число децибел:

Дело в том, что операции умножения и деления над числами в обычном базисе, заменяются операциями сложения и вычитания в логарифмическом базисе. Например, у нас есть два каскадно-включенных усилителя с коэффициентами усиления K1 = 963 и K2 = 48. Какой общий коэффициент усиления? Правильно – он равен произведению K = K1 * K2. Вы можете в уме быстро вычислить 963*48? Я – нет. Я могу прикинуть K = 1000*50 = 50 тыс., не более. А, если нам известно, что K1 = 59 дБ и K2 = 33 дБ, то К = 59+33 = 92 дБ – сложить было не трудно, надеюсь.

Впрочем, актуальность таких вычислений было велика в эпоху, когда ввели понятие Бел и когда не было не то, что айфонов, но и электронных калькуляторов.  Сейчас же достаточно открыть калькулятор на ваших гаджетах и быстренько посчитать , что есть что. Ну и чтобы не париться каждый раз при переводе дБ в разы, удобнее всего найти в интернете онлайн-калькулятор. Да хотя бы вот.

Примеры уровня дБ из повседневной жизни

Приведем таблицу с примерами уровня дБ и тем звуком, который человек слышит.

ВАЖНО!

Нельзя перегружать свои уши избыточным звуковым давлением. Это ведет к снижению чувствительности слуха. Что это значит? Не слушайте долго музыку в наушниках. Порог звукового давления в наушниках по европейским стандартам равен 100 дБ.

Закон Вебера-Фехнера

Почему именно децибелы? Все исходит от закона Вебера-Фехнера, который говорит нам, что интенсивность ощущения человеческих чувств прямо-пропорциональна логарифму интенсивности какого-либо раздражителя.

Так светильник, в котором восемь лампочек, кажется нам настолько же ярче светильника из четырёх лампочек, насколько светильник из четырёх лампочек ярче светильника из двух лампочек. То есть количество лампочек должно увеличиваться  каждый раз вдвое, чтобы нам казалось, что прирост яркости постоянен. То есть если добавить к нашим 32 лампочкам на графике еще одну лампочку, то мы даже и не заметим разницы. Для того, чтобы для нашего глаза была заметна разница, мы должны к 32 лампочкам добавить еще 32 лампочки, и т.д. Или иными словами, для того, чтобы нам казалось, что наш светильник плавно набирает яркость, нам надо зажигать вдвое больше лампочек каждый раз, чем было предыдущее значение.

Поэтому децибел действительно удобнее в некоторых случаях, так как сравнивать две величины намного проще в маленьких цифрах, чем в миллионах и миллиардах. А так как электроника – это чисто физическое явление, то и децибелы не обошли ее стороной.

Фото 4

Примеры вычислений

Переход к дБ

Пусть значение мощности P1 стало в 2 раза больше исходного значения мощности P0, тогда

10 lg(P1/P0) = 10 lg(2) ≈3,0103 дБ ≈ 3 дБ,

то есть рост мощности на 3 дБ означает её увеличение в 2 раза.

Пусть значение мощности P1 стало в 2 раза меньше исходного значения мощности P0, то есть P1 = 0,5 P0. Тогда

10 lg(P1/P0) = 10 lg(0,5) ≈ −3 дБ,

то есть снижение мощности на 3 дБ означает её снижение в 2 раза. По аналогии:

  • рост мощности в 10 раз: 10 lg(P1/P0) = 10 lg(10) = 10 дБ, снижение в 10 раз: 10 lg(P1/P0) = 10 lg(0,1)= −10 дБ;
  • рост в 1 млн раз: 10 lg(P1/P0) = 10 lg(1 000 000) = 60 дБ, снижение в 1 млн раз: 10 lg(P1/P0) = 10 lg(0,000001) = −60 дБ.

Переход от дБ к «разам»

Изменение «в разах» по известному изменению в дБ (условное обозначение «dB» в формулах ниже) вычисляется следующим образом:

  • для мощности: ; таким образом, например, если изменение мощности составило +20 децибел, это значит, что «P1 больше P0 на два порядка» или «P1 больше P0 в 100 раз»;
  • для напряжения (силы тока): ; таким образом, например, если изменение напряжения составило +20 децибел, это значит, что «U1 больше U0 на порядок» или «в 10 раз».

Переход от дБ к мощности

Для этого нужно знать значение опорного уровня мощности P0. Например, при P0 = 1 мВт и известном изменении на +20 дБ:

Вт.

Переход от дБ к напряжению (току)

Для этого нужно знать значение опорного уровня напряжения U0 и определиться, регистрировалось ли напряжение на одинаковом сопротивлении, или же для решаемой задачи различие значений сопротивлений не важно. Например, при условии R0 = R1, заданном U0 = 2 В и приросте напряжения на 6 дБ:

≈ 4 В.

Рекомендации

Операции с децибелами можно выполнять в уме: вместо умножения, деления, возведения в степень и извлечения корня применяется сложение и вычитание децибельных единиц. Для этого можно использовать таблицы соотношений (первые 2 — приближённые):

1 дБ  в 1,25 раза, 3 дБ  в 2 раза, 10 дБ  в 10 раз.

Отсюда, раскладывая «более сложные значения» на «составные», получаем:

6 дБ = 3 дБ + 3 дБ  в 2·2 = в 4 раза, 9 дБ = 3 дБ + 3 дБ + 3 дБ  в 2·2·2 = в 8 раз, 12 дБ = 4 · (3 дБ)  в 24 = в 16 раз

и т. п., а также:

13 дБ = 10 дБ + 3 дБ  в 10·2 = в 20 раз, 20 дБ = 10 дБ + 10 дБ  в 10·10 = в 100 раз, 30 дБ = 3 · (10 дБ)  в 10³ = в 1000 раз

и т. п.

Сложению (вычитанию) значений в дБ соответствует умножение (деление) самих отношений. Отрицательные значения дБ соответствуют обратным отношениям. Например:

  • уменьшение мощности в 40 раз  это в 4·10 раз или на −(6 дБ + 10 дБ) = −16 дБ;
  • увеличение мощности в 128 раз это 27 или на 7·(3 дБ) = 21 дБ;
  • снижение напряжения в 4 раза эквивалентно снижению мощности (величины второго порядка) в 4² = 16 раз; и то и другое при R1 = R0 эквивалентно снижению на 4·(−3 дБ) = −12 дБ.

Как децибелы применимы к музыке и звукам

Еще раз: изменение звука происходит не на определенное число единиц, а в определенное число раз. Это очень важно для того, чтобы правильно понимать природу звуков и музыки.

Например, частота двух нот, отличающихся в 1 октаву, отличается в 2 раза или на 6 дБ.

В музыке децибелы применяются для измерения динамического диапазона звучащих инструментов. Или, другими словами, звукового давления, которое они создают. Это очень важно для создания сбалансированного звукового полотна.

Благодаря этому принципу гитарное соло, сыгранное высокими нотами, не теряется даже в плотном миксе среди нескольких звучащих инструментов, а бас и барабаны создают тот самый приятный грув, за который все любят рок-музыку.

Децибел – НЕ единица измерения громкости

В обычной жизни громкость принято оценивать в децибелах. Но это неправильно. Децибел – это десятая часть бела, который, в свою очередь, является десятичным логарифмом отношения двух мощностей.

Если взглянуть на это понятие с точки зрения звука и его громкости, то можно уяснить для себя, что децибел измеряет уровень звукового шума (интенсивности) или уровень звукового давления.

В русском языке эта величина обозначается так: дБ.

Области применения[править]

Децибелы широко применяются в областях техники, где требуется измерение величин, меняющихся в широком диапазоне: в радиотехнике, антенной технике, в системах передачи информации, автоматического регулирования и управления, в оптике, акустике (в децибелах измеряется уровень громкости звука) и др. Так, в децибелах принято измерять динамический диапазон (например, диапазон громкости звучания музыкального инструмента), затухание волны при распространении в поглощающей среде, коэффициент усиления и коэффициент шума усилителя.

Децибелы используются не только для измерения отношения физических величин второго порядка (энергетических, например, мощность, энергия, интенсивность, плотность потока мощности, спектральная плотность мощности и др.) и первого порядка (напряжение, сила тока, напряженность поля, звуковое давление, скорость движения и плотность электрических зарядов и др.). В децибелах можно измерять отношения любых физических величин, а также использовать децибелы для представления абсолютных величин (см. представление размерных величин).

Как частотный баланс влияет на громкость

Воспринимаемая громкость зависит не только от звукового давления, но и частоты звука. Так, например, средние частоты субъективно воспринимаются громче, чем низкие и высокие. Даже при одинаковых показателях дБ. Лучше всего наш слух воспринимает частотный диапазон в районе 1 – 4 кГц.

Вы можете проверить это самостоятельно. Включите любую песню, откройте эквалайзер в мультимедиа-плеере и увеличьте количество децибел на частоте 2000 Гц. Песня стала громче. Теперь верните все как было и увеличьте количество дБ на частоте 70 – 100 Гц. Особенно громче песня не стала, но звук стал более ватным и замыленным.

Причины использования децибелов[править]

Для применения децибелов и оперирования логарифмами вместо процентов или долей есть ряд причин:

  • Характер отображения в органах чувств человека и животных изменений течения многих физических и биологических процессов пропорционален не амплитуде входного воздействия, а логарифму входного воздействия (живая природа живёт по логарифму[5]). Поэтому вполне естественно шкалы приборов и вообще шкалы единиц устанавливать именно в логарифмические, в том числе, используя децибелы. Например, музыкальная равномерно темперированная шкала частот является одной из таких логарифмических шкал.
  • Удобство логарифмической шкалы в тех случаях, когда в одной задаче приходится оперировать одновременно величинами, различающимися не во втором знаке после запятой, а в разы и, тем более, различающимися на много порядков (примеры: задача выбора графического отображения уровней сигнала, частотных диапазонов радиоприемников и др. звуковоспроизводящих устройств, расчет частот для настройки клавиатуры фортепиано, расчеты спектров при синтезе и обработке музыкальных и других гармонических звуковых, световых волн, графические отображения скоростей в космонавтике, авиации, в скоростном транспорте, графические отображения других переменных величин, изменения которых в широком диапазоне величин являются критически важными).
  • Удобство отображения и анализа величины, изменяющейся в очень широких пределах (примеры — диаграмма направленности антенны, амплитудно-частотная характеристика электрического фильтра).
  • Удобство графического представления передаточных частотных характеристик (АЧХ, ФЧХ) электрических фильтров в логарифмическом масштабе (см. логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика). При этом форма кривой упрощается и возможно применение кусочно-линейной аппроксимации, при которой скорость убывания частотной характеристики имеет размерность дБ/декада или дБ/октава. Упрощается анализ частотной характеристики фильтров, составленных из каскадно включенных звеньев, поскольку в логарифмическом масштабе АЧХ каскадного включения есть сумма АЧХ звеньев, что выражается в изменении угла наклона аппроксимирующих реальную кривую прямолинейных отрезков. Напротив, при изображении тех же графиков в линейном масштабе взаимосвязь АЧХ многозвенного фильтра и АЧХ его звеньев имеет существенно более сложный вид. Справедливо заметить, что использование логарифмического масштаба требует определённого навыка, подробное описание приведено в статье, посвящённой логарифмической бумаге.

Вопросы и ответы

Источники

Использованные источники информации.

  • https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/16479
  • https://www.ruselectronic.com/chto-takoe-decibel/
  • http://wp.wiki-wiki.ru/wp/index.php/%d0%94%d0%b5%d1%86%d0%b8%d0%b1%d0%b5%d0%bb
  • https://gitarmonstr.ru/zvukozapis/chto-takoe-detsibel.html
0 из 5. Оценок: 0.

Комментарии (0)

Поделитесь своим мнением о статье.

Ещё никто не оставил комментария, вы будете первым.


Написать комментарий