При измерениях чего-то (например, напряжения) мы обычно думаем в прямых единицах (в вольтах). Но иногда более предпочтительно использовать относительную шкалу. В этом случае, наиболее часто используемой единицей измерений является децибел (дБ) - мощный инструмент, приводящий в замешательство начинающих. При знании происхождения этого термина и одного простого правила, затруднения могут быть исключены, а значение величины, выраженной в децибелах, может быть понято.
Александр Грехэм Белл стал известен благодаря изобретению телефона. Менее известны его работы по определению порога слышимости. В 1890 году он основал Ассоциацию глухих и плохо слышащих, которая действует до сих пор. Он был первым ученым, который количественно определил чувство слуха и установил, что слуховая восприимчивость зависит не от реального уровня мощности звуковой волны, достигающей нашего уха, а от ее логарифма.
Белл обнаружил, что порог слышимости ребенка составляет около 10 -12 Вт/м 2 , а уровень, при котором возникают болевые ощущения - около 10 Вт/м 2 . Таким образом, диапазон громкости, нормально воспринимаемой человеком, составляет 13 порядков!
Исходя из полученных значений, Белл определил шкалу звуковой мощности от 0 до 13. Единицы громкости этой шкалы называются белами (последнее "л" от его фамилии было отброшено). Уровень звука тихого шепота составляет около 3 белов, а нормальной речи - около 6 белов.
Поскольку ощущение громкости базируется на логарифмической шкале уровня мощности, то преобразование между мощностью и громкостью по шкале Белла выглядит следующим образом: громкость (в белах) = lg(P1/P0), где P0 - порог слышимости звука.
Следовательно, уровень звука в 4 бела соответствует звуковой мощности, равной 10 4 P0.
Бел стал фактически стандартной единицей измерения логарифма отношения двух энергетических уровней: отношение, выраженное в белах, есть lg(P1/P0), т.е. увеличение на 3 бела соответствует увеличению в 1000 раз. Если новое значение убывает, то логарифм отношения становится отрицательным. Чтобы сделать обратное преобразование необходимо 10 возвести в степень, равную белам.
Важнейшая особенность белов состоит в том, что они относятся только к отношению двух мощностей или двух энергий. Если же есть необходимость описания отношения двух амплитудных сигналов, например, напряжений, то возможно лишь опираться на отношение мощностей, ассоциированных с этими напряжениями. Мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока: V 2 и I 2 .
Отношение двух напряжений, выраженное в белах, связано с отношением их мощностей: lg(P1/P0) = 2lg(V1/V0). Следовательно, отношение напряжений равно V1/V0 = lg10 (белы*2) .
Стало достаточно общим выражать отношение в десятых долях бела или в децибелах (дБ). Отношение двух мощностей в дБ равняется 10lg(P1/P0), а напряжений - 10 2lg(V1/V0). Для получения отношения напряжений необходимо выполнить преобразование V1/V0 = 10 (дБ/20) .
Порой достаточно мудрено определить, что считать амплитудной величиной, а что энергетической. Напряжение, ток, импеданс, напряженности электрического или магнитного полей и размахи любых волновых процессов считаются амплитудными величинами. Когда происходит измерение в децибелах, то вычисляется логарифм отношения квадратов этих величин. Энергия, мощность и интенсивность являются энергетическими величинами, и в отношении логарифма они используются непосредственно.
Например, 5% напряжения одной цепи передается в другую цепь. Отношение напряжений в этом случае равно 0,05. Для измерения в децибелах необходимо взять логарифм отношения напряжений, умножить его на 2, чтобы получить отношение в белах, а затем умножить на 10 для получения отношения в дБ: 20lg(0,05) = -26 дБ связи между сигналами.
В таблице приведены некоторые, часто используемые значения в децибелах и отношения амплитуд и мощностей.
|
Отношение амплитуд |
Отношение мощностей |
Значение в дБ |
Довольно часто в популярной радиотехнической литературе , в описании электронных схем употребляется единица измерения – децибел (дБ или dB).
При изучении электроники начинающий радиолюбитель привык к таким абсолютным единицам измерения как Ампер (сила тока), Вольт (напряжение и ЭДС), Ом (электрическое сопротивление) и многим другим, с помощью которых обозначают количественно тот или иной электрический параметр (ёмкость , индуктивность, частоту).
Начинающему радиолюбителю, как правило, не составляет особого труда разобраться, что такое ампер или вольт. Тут всё понятно, есть электрический параметр или величина, которую нужно измерить . Есть начальный уровень отсчёта, который принимается по умолчанию в формулировке данной единицы измерения. Есть условное обозначение этого параметра или величины (A, V). И вправду, как только мы читаем надпись 12 V, то мы понимаем, что речь идёт о напряжении, аналогичном, например, напряжению автомобильной аккумуляторной батареи .
Но как только встречается надпись, к примеру: напряжение повысилось на 3 дБ или мощность сигнала составляет 10 дБм (10 dBm), то у многих возникает недоумение. Как это? Почему упоминается напряжение или мощность, а значение указывается в каких-то децибелах?
Практика показывает, что не многие начинающие радиолюбители понимают, что же такое децибел. Попытаемся развеять непроглядный туман над такой таинственной единицей измерения как децибел.
Единицу измерения под названием Бел стали впервые применять инженеры телефонной лаборатории Белла. Децибел является десятой частью Бела (1 децибел = 0,1 Бел). На практике широко используется как раз децибел.
Как уже говорилось, децибел, это особенная единица измерения. Стоит отметить, что децибел не является частью официальной системы единиц СИ. Но, несмотря на это, децибел получил признание и занял прочное место наряду с другими единицами измерения.
Вспомните, когда мы хотим объяснить какое-либо изменение, мы говорим, что, например, стало ярче в 2 раза. Или, например, напряжение упало в 10 раз. При этом мы устанавливаем определённый порог отсчёта, относительно которого и произошло изменение в 10 или 2 раза. С помощью децибел также измеряют эти “разы”, только в логарифмическом масштабе .
Например, изменение на 1 дБ, соответствует изменению энергетической величины в 1,26 раза. Изменение на 3 дБ соответствует изменению энергетической величины в 2 раза.
Но зачем так заморачиваться с децибелами, если отношения можно измерять в разах? На этот вопрос нет однозначного ответа. Но уж, поскольку, децибелы активно применяются, то наверняка это оправдано.
Причины для использования децибел всё-таки есть. Перечислим их.
Частично ответ на этот вопрос кроется в так называемом законе Вебера-Фехнера . Это эмпирический психофизиологический закон, т.е основан он на результатах реальных, а не теоретических экспериментов. Суть его заключается в том, что любые изменения каких-либо величин (яркости, громкости, веса) ощущаются нами при условии, если эти изменения носят логарифмический характер.
График зависимости ощущения громкости от силы (мощности) звука. Закон Вебера-Фехнера
Так, например, чувствительность человеческого уха уменьшается с ростом уровня громкости звукового сигнала. Именно поэтому, при выборе переменного резистора , который планируется применить в регуляторе громкости звукового усилителя стоит брать с показательной зависимостью сопротивления от угла поворота ручки регулятора. В этом случае, при повороте движка регулятора громкости звук в динамике будет нарастать плавно. Регулировка громкости будет линейной, так как показательная зависимость регулятора громкости компенсирует логарифмическую зависимость нашего слуха и в сумме станет линейной. При взгляде на рисунок это станет более понятно.
Зависимость сопротивления переменного резистора от угла поворота движка (А-линейная, Б-логарифмическая, В-показательная)
Здесь показаны графики зависимости сопротивления переменных резисторов разных типов: А – линейная, Б – логарифмическая, В – показательная. Как правило, на переменных резисторах отечественного производства указывается, какой зависимостью обладает переменный резистор. На тех же принципах основаны цифровые и электронные регуляторы громкости.
Также стоит отметить, что человеческое ухо воспринимает звуки, мощность которых различается на колоссальную величину в 10 000 000 000 000 раз! Таким образом, самый громкий звук отличается от самого тихого, который может уловить наш слух, на 130 дБ (10 000 000 000 000 раз).
Вторая причина широкого использования децибел является простота вычислений.
Согласитесь, что куда проще при вычислениях использовать небольшие числа вроде 10, 20, 60,80,100,130 (наиболее часто используемые числа при расчёте в децибелах) по сравнению с числами 100 (20 дБ), 1000 (30 дБ), 1000 000 (60 дБ),100 000 000 (80 дБ),10 000 000 000 (100 дБ), 10 000 000 000 000 (130 дБ). Ещё одним достоинством децибел является то, что их просто суммируют. Если проводить вычисления в разах, то числа необходимо умножать.
Например, 30 дБ + 30 дБ = 60 дБ (в разах: 1000 * 1000 = 1000 000). Думаю, с этим всё ясно.
Также децибелы очень удобны при графическом построении различных зависимостей. Все графики вроде диаграмм направленности антенн, амплитудно-частотных характеристик усилителей выполняют с применением децибел.
Децибел является безразмерной единицей измерения . Мы уже выяснили, что децибел на самом деле показывает, во сколько раз возросла, либо уменьшилась какая-либо величина (ток, напряжение, мощность). Отличие децибел от разов заключается лишь в том, что происходит измерение по логарифмическому масштабу. Чтобы это как-то обозначить и приписывают обозначение дБ . Так или иначе, при оценке приходится переходить от децибел к разам. Сравнивать с помощью децибел можно любые единицы измерения (не только ток, напряжение и проч.), так как децибел является относительной, безразмерной величиной.
Если указывается знак “-”, например, –1 дБ , то значение измеряемой величины, например, мощности, уменьшилось в 1,26 раз. Если перед децибелами не ставят никакого знака, то речь идёт об увеличении, росте величины. Это стоит учитывать. Иногда вместо знака “-” говорят о затуханиях, снижении коэффициента усиления.
Переход от децибел к разам.
На практике чаще всего приходится переходить от децибел к разам. Для этого есть простая формула:
Внимание! Данные формулы применяются для так называемых “энергетических” величин. Таких как энергия и мощность.
m = 10 (n / 10) ,где m – отношение в разах, n – отношение в децибелах.
Например, 1дБ равен 10 (1дБ / 10) = 1,258925…= 1,26 раза.
Аналогично,
при 20 дБ: 10 (20дБ / 10) = 100 (увеличение величины в 100 раз)
при 10 дБ: 10 (10дБ / 10) = 10 (увеличение в 10 раз)
Но, не всё так просто. Есть и подводные камни. Например, затухание сигнала составляет -10 дБ. Тогда:
при -10 дБ: 10 (-10дБ / 10) = 0,1
Если мощность с 5 Вт уменьшилась до 0,5 Вт, то снижение мощности равно -10 дБ (уменьшению в 10 раз).
при -20 дБ: 10 (-20дБ / 10) = 0,01
Здесь аналогично. При снижении мощности с 5 Вт до 0,05 Вт, в децибелах падение мощности составит -20 дБ (уменьшению в 100 раз).
Таким образом, при -10 дБ мощность сигнала уменьшилась в 10 раз! При этом если мы перемножим начальную величину сигнала на 0,1 ,то и получим значение мощности сигнала при затухании в -10 дБ. Именно поэтому значение 0,1 и указано без "разов", как в предыдущих примерах. Учитывайте эту особенность при подстановке в данные формулы значений децибел со знаком "-".
Переход от разов к децибелам можно осуществить по следующей формуле:
n = 10 * log 10 (m) ,где n – значение в децибелах, m – отношение в разах.
Например, рост мощности в 4 раза будет соответствовать значению в 6,021 дБ.
10 * log 10 (4) = 6,021 дБ.
Внимание! Для пересчёта отношений таких величин как напряжение и сила тока существуют немного иные формулы:
(Сила тока и напряжение, это так называемые “силовые” величины. Поэтому и формулы отличаются.)
Для перехода к децибелам: n = 20 * log 10 (m)
Для перехода от децибел к разам: m = 10 (n / 20)
n – значение в децибелах, m – отношение в разах.
Если Вы успешно дошли до этих строк, то считайте, что сделали ещё один весомый шаг в освоении электроники!
При проведении измерений параметров радиоаппаратуры довольно часто приходится иметь дело с относительными величинами выраженными в децибелах [дБ]. В децибелах выражают интенсивность звука, усиление каскада по напряжению, току или мощности, потери передачи или ослабление сигнала, и т.д.
Децибел — это универсальная логарифмическая единица. Широкое использование представления величин в дБ связано с удобством логарифмического масштаба, а при расчетах децибелы подчиняются законам арифметики — их можно складывать и вычитать, если сигналы имеют одинаковую форму.
Существует формула для пересчета отношения двух напряжений в число децибелов (аналогичная формула справедлива и для токов):
Например, если выходной сигнал U2 имеет уровень вдвое больше, чем U1, то это отношение составит +6 дБ (Ig2=0,301). Если U2>U1 в 10 раз, то отношение сигналов составляет 20 дБ (Ig10=1). Если U1>U2, то знак у отношения меняется на минус 20 дБ.
Так, например, у измерительного генератора аттенюатор для ослабления выходного сигнала может иметь градуировку в дБ. В этом случае для перевода величины из децибелов в абсолютное значение быстрей будет получен результат, если воспользоваться уже посчитанной табл. 6; 1. Она имеет дискретность 1 дБ (что вполне достаточно в большинстве случаев) и диапазон значений 0...-119 дБ.
Табл. 6.1 можно использовать для перевода децибелов ослабления аттенюатора в уровень выходного напряжения. Для удобства использования таблицы потребуется на выходе генератора установить при отсутствии ослабления (0 дБ на аттенюаторе) уровень напряжения 1 В (действующего или амплитудного). В этом случае соответствующее нужное значение выходного напряжения после установки ослабления находится на пересечении горизонтальной и вертикальной граф (значения в децибелах складываются арифметически).
Величина выходного напряжения в таблице указана в микровольтах (1 мкВ=10-6 В). I
Воспользовавшись данной таблицей, не трудно решить и обратную задачу — по необходимому напряжению определить, какое нужно установить ослабление сигнала на аттенюаторе в децибелах. Например, чтобы получить на выходе генератора напряжения 5 мкВ, как видно из таблицы, на аттенюаторе потребуется установить ослабление 100+6=106 дБ. Отношение мощностей двух сигналов в децибелах вычисляется по формуле:
Формула для мощности справедлива при условии, что входное и выходное сопротивления устройства одинаковые, что часто выполняется в высокочастотных устройствах для облегчения их согласования между собой.
Для определения мощности можно воспользоваться посчитанной табл. 6.2
Нередко при практическом использовании дБ важно знать и абсолютное значение соотношения двух величин, т.е. во сколько раз напряжение или мощность на выходе больше, чем на входе (или наоборот). Если отношение двух величин обозначить: K=U2/U1 или К=Р2/Р1, то можно воспользоваться табл. 6.3 для перевода величины из дБ в разы (К) и наоборот.
Так, например, антенный усилитель обеспечивает усиление сигнала по мощности на 28 дБ. Из табл. 6.3 видно, что усиление сигнала выполняется в 631 раз.
Литература: И.П. Шелестов - Радиолюбителям полезные схемы, книга 3.
Задайте самому себе вопрос… как много музыкантов на самом деле понимают, что такое децибел ?
Не очень-то много, да? И это неудивительно.
Потому что на самом деле децибелы - сложное понятие.
Но есть и хорошие новости… для аудиозаписи всё, что вам нужно знать, - это несколько базовых моментов.
И в сегодняшнем посте я расскажу о КЛЮЧЕВЫХ вещах, которые каждый музыкант должен знать о децибелах.
Надеюсь, это будет полезно для вас.
Для начала давайте развеем стандартный миф :
ФАКТ: децибел - НЕ единица измерения громкости
Это вообще ничего не единица. Это СООТНОШЕНИЕ. Оно сравнивает одно число с другим.
И хотя в этих числах обычно измеряется уровень звука, это не всегда так. В музыке децибелы также используются для измерения напряжения и мощности оборудования.
ЕЩЁ ФАКТ: децибел - НЕЛИНЕЙНОЕ измерение
Большинство единиц измерения линейны. Например, 2 дюйма в 2 раза длиннее, чем 1 дюйм, а 4 дюйма в 2 раза длиннее, чем 2 дюйма. Если построить график из этих чисел, то их свяжет прямая линия.
Но с децибелами так не получится. Децибелы - ЛОГАРИФМИЧЕСКИЕ единицы измерения. Если вы не помните логарифмы из школьного курса математики, вот очень краткое их объяснение:
Когда мы имеем дело с логарифмами, каждая следующая единица экспоненциально увеличивает число. Например:
- +3 дБ = мощность х2
- +10 дБ = мощность х10
- +60 дБ = мощность х1000000
Поняли? Хорошо. Вот почему вам это нужно знать :
Как децибелы применимы к музыке и звукам
Децибелы в музыке - это измерение у ровня з вукового д авления (УЗД) . Когда мы говорим, что динамики на рок-концерте играют на 110 дБ, мы имеем в виду, что они играют на УЗД в 110 дБ.
Поскольку децибел - всего лишь соотношение, то 110 дБ на самом деле является сравнением с другим числом: 0 УЗД.
0 УЗД - обычное давление воздуха в атмосфере (20 мПа). Это считается нижним порогом слышимости и точкой отсчёта для всех звуков.
Теперь… к практическим вещам.
Полезные примеры из жизни уровней децибелов
Самый простой способ осознать, что такое децибел - измерить шумы, которые нам постоянно встречаются. Вот примеры шумов, с которыми мы все знакомы:
- Дыхание : 10 dB
- Шёпот : 20 dB
- Обычный разговор : 40 dB
- Фоновый шум в ресторане : 60 dB
- Громкость радио/телевизора : 70 dB
- Мусорная машина : 80 dB
- Отбойный молоток : 100 dB
- Болевой порог : 130 dB
- Реактивный двигатель : 150 dB
Как децибелы влияют на воспринимаемую громкость
Чтобы полностью уловить концепт децибелов, необходимо интуитивно понимать, как изменения в децибелах соотносятся с изменениями в громкости .
Буду честен… от математики у вас заболит голова. Вместо этого - простые примеры, используйте их как шпаргалку:
- +10 дБ = громкость х2
- +20 дБ = громкость х4
- +40 дБ = громкость х16
Предупреждение : Хотя эти числа могут быть полезными, они не “идеальны”. Один и тот же уровень децибелов может быть услышан на разной громкости.
Вот как:
Как частотный баланс влияет на громкость
Когда вы задумываетесь об УЗД в 60 дБ, вы представляете какой-то один уровень громкости.
Оказывается, это не так. Уровень громкости, воспринимаемый нашим мозгом, также зависит от частот, передаваемых звуком.
На равных уровнях децибелов, средние частоты (1–4 кГц) воспринимаются “громче”, чем низкие и высокие частоты.
Этот феномен, известный как кривая Флетчера-Мэнсона, мы рассмотрим в другой статье.
Следующий пункт:
Как расстояние влияет на громкость
Менее очевидно, насколько. Опять же, вычисления очень сложные.
Поэтому, проще говоря, вот 2 простых примера:
- дистанция х2 = -6 дБ
- дистанция х10 = -20 дБ
Теперь, когда вы интуитивно разбираетесь в том, как децибелы измеряют уровень звука, осталось узнать одну вещь:
Как децибелы используются в записывающем оборудовании
Чаще всего в звукозаписывающей студии вы наткнётесь на децибелы в измерителях уровня …
Которые можно найти во многих устройствах: , и других .
Наверху измерителя вы заметите отметку в 0 дБпш (0 дБ полной шкалы). Это - наивысший уровень сигнала, достижимый на этом оборудовании до ограничения или искажения сигнала.
Ниже - отрицательные значения дБпш, вплоть до -∞ дБпш.
В зависимости от того, кого вы спросите, люди скажут, что они настраивают оборудование для записи между -15 и -6 дБ. Думаю, -10 дБ - хороший компромисс.
Единицу измерения под названием Бел впервые стали использовать инженеры зарубежной телефонной компании Белла. 1 Дб - десятая часть Бела 1 дБ = 0,1 Бел . А вот на практике широкое распространение получил как раз децибел.
Если мы пытаемся объяснить какое-либо изменение, мы скажем, стало громче в два раза или ток снизился в десять раз. При этом мы пользуемся определенным порогом отсчета, относительно которого и стали заметны изменения. С помощью децибел также фиксируют эти изменения, только в логарифмическом виде.
Например, изменение на один дБ, соответствует изменению какой либо энергетической величины в 1,26 раза. Изменение на три дБ - в два раза. Но зачем такие сложности, скажет начинающий. Но причины для применения децибела все-таки имеются и причем довольно существенные.
Обратимся к правилам Вебера-Фехнера. Это эмпирический психофизиологический закон, базирующийся на реальных полученных результатах экспериментов, а не на теории. Суть его кроется в том в том, что абсолютно любые изменения любых величин (громкости, веса, скорости) ощущаются только при условии, если они носят логарифмический характер.
Так чувствительность уха человека снижается с ростом уровня громкости, поэтому, при выборе переменного сопротивления, которое планируется поставить в регулятор громкости самодельного УНЧ стоит использовать с хорошей показательной зависимостью сопротивления от угла поворота ручки резистора. Только тогда, при повороте ручки уровень громкости будет нарастать плавно и постепенно. Регулировка громкости будет строго линейной, так как показательная зависимость уровня громкости компенсирует логарифмическая зависимость нашего слуха. На рисунке ниже показана зависимость сопротивления переменного резистора от угла поворота движка регулятора (А-линейная, Б-логарифмическая, В-показательная).
Как известно человеческое ухо способно слышать звуки, мощность которых разниться на гигантскую величину в 10 000 000 000 000 раз! Поэтому, самый громкий звук отличается от максимально тихого, на 130 дБ (10 000 000 000 000 раз). Согласитесь, это куда проще если при расчетах использовать небольшие числа вроде. Еще одним плюсом децибел является тот факт, что их можно просто сложить. Если математические вычисления шли бы в разах, то числа требовалос умножать. Допустим, 30 дБ + 30 дБ = 60 дБ (в разах: 1000 * 1000 = 1000 000). Думаю,ход мыслей понятен. Кроме всего прочего децибелы очень удобны при графическом выводе все-возможных зависимостей.
Дб принято считать безразмерной единицей. Так как децибел на самом деле отображает, во сколько раз возросла, либо упала какая-либо энергетическая величина (ток, напряжение, мощность). Отличие децибел от разов состоит лишь в том, что все это осуществляется по логарифмическому закону. Чтобы это можно было как-то обозначить и приписать дБ при оценке можно переходить от децибел к разам. Сравнивать с помощью децибел можно абсолютно любые единицы измерени, так как Кроме того, это относительная и безразмерная величина .
Если указывается знак “минус ”, например – 1 дБ , то значение измеряемой величины, снизилось в 1,26 раз. Если перед децибелами нет знака, то говорят об увеличении, росте какой либо энергетической величины. Это необходимо запомнить. В некоторых технических источниках литературы вместо знака “-” говорят о затуханиях или о уменьшении коэффициента усиления.
Итак, можно сказать, что децибел показывает логарифм отношения уровня одного сигнала к другому и применяется для сравнения двух сигналов. Из формулы, кстати, хорошо видно, что децибелах можно сравнивать практически любые сигналы (и не только звуковую мощность), так как эта величина безразмерная.
Итак, мы поняли, что децибелы - это соотношение двух величин, выраженное в логарифмическом масштабе. При этом отношение величины тока и напряжения имеет коэффициент равный 20
а отношение мощности коэффициент равный десяти.
Если у нас имеются напряжения 1В, 10В, 100В, 1000В , то каждое напряжение выше предыдущего на 20дБ. Переводить в уме разы в децибелы не каждый сможет, но имеются два более простых исключения. Увеличению в два раза и в десять раз соответствуют круглые значения в децибелах, их легко выучить, а промежуточные варианты вычисляют приблизительно. Кроме того, существуют специальные таблицы. Ниже представлены таблицы перевода из децибел в разы Левая таблица для ослаблений сигнала (синяя), правая для усиления (зеленая)
таблица перевода из децибел в разы
Посмотрев на таблицу выше, можно сказать, что децибел всего лишь удобное инженерное решение, которое введено в результате долгих практических измерений и выгоды от его применения.
