Что такое Децибел (dB)?

Что такое Децибел (dB)?

Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений .

Децибел — десятая часть бела, то есть десятая часть логарифма безразмерного отношения физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную

 

Децибел — это безразмерная единица, применяемая для измерения отношения некоторых величин — «энергетических» (мощности, энергии, плотности потока мощности и т. п.) или «силовых» (силы тока, напряжения и т. п.).

Иными словами, децибел — это относительная величина.

Не абсолютная, как, например, ватт или вольт, а такая же относительная, как кратность («трехкратное отличие») или проценты, предназначенная для измерения отношения («соотношения уровней») двух других величин, причем к полученному отношению применяется логарифмический масштаб.

Русское обозначение единицы «децибел» — «дБ», международное — «dB» (неправильно: дб, Дб). Децибел аналогичен единицам бел (Б, B) и непер (Нп, Np) и прямо пропорционален им.

Децибел не является официальной единицей в системе единиц СИ, хотя по решению Генеральной конференции по мерам и весам допускается его применение без ограничений совместно с СИ, а Международная палата мер и весов рекомендовала включить его в эту систему.

 

Области применения

Децибел широко применяется 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.

Децибел используется не только для измерения отношения физических величин второго порядка (энергетических: мощность, энергия) и первого порядка (напряжение, сила тока). С помощью децибела можно измерять отношения любых физических величин, а также использовать децибелы для представления абсолютных величин (см. опорный уровень).

В настоящее время рекомендуется употреблять децибелы только для измерения уровня мощности и некоторых других связанных с мощностью величин.

 

Как перейти к децибелам?

Любые операции с децибелами упрощаются, если руководствоваться правилом: величина 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 ~ U?), которые должны быть на каком-то этапе вычислений корректно преобразованы в энергетические.

 

Измерение «энергетических» величин

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 P1/P0 — отношение значений двух мощностей: измеряемой P1 к так называемой опорной P0, то есть базовой, взятой за нулевой уровень (имеется ввиду 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

P1/P0 = 10(0.1 · величина в дБ),

а мощность P1 может быть найдена при известной опорной мощности P0 по выражению

P1 = P0 · 10(0.1 · величина в дБ).

 

Измерение «неэнергетических» величин

Из правила (см. выше) следует, что «неэнергетические» величины должны быть преобразованы в энергетические.

Так, согласно закону Джоуля-Ленца P = U?/R или P = I? R.

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»

Из правила (см. выше) следует, что дБ 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 важно) говорят о дБ «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 четко определить, на каких именно сопротивлениях (равных или не равных друг другу) регистрировались напряжение (ток). 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

 

Переход от дБ к «разам»

Чтобы вычислить изменение «в разах» по известному изменению в дБ («dB» в формулах ниже), нужно:

для мощности:

;

для напряжения (силы тока):

 

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

При некотором навыке операции с децибелами вполне реально выполнять в уме. Более того, нередко это очень удобно: вместо умножения, деления, возведения в степень и извлечения корня удается обходиться сложением и вычитанием «децибельных» единиц.

 

Для этого полезно помнить и научиться применять несложную таблицу:

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 10? = 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 4? = 16 раз; и то и другое при R1 = R0 эквивалентно снижению на 4·(?3 дБ) = ?12 дБ.

 

Зачем использовать децибелы?

Зачем вообще применять децибелы и оперировать логарифмами, если для решения задачи в принципе можно обойтись более привычными процентами или долями?

Тому 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 живет по логарифму[3]). Поэтому вполне естественно шкалы приборов и вообще шкалы единц 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 фортепьяно, расчеты спектров при синтезе и обработке музыкальных и других гармонических звуковых, световых волн, графические отображения скоростей в космонавтике, авиации, в скоростном транспорте, графическое отображения других переменных величин, изменения которых в широком диапазоне величин являются критически важными …).
• Удобство отображения и анализа величины, изменяющейся в очень широких пределах (пример — диаграмма направленности антенны, график движений курса валют за год,…).

 

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 ее 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

 

Опорный уровень

Децибел служит для определения отношения двух величин. Но нет ничего удивительного в том, что децибел используют и для измерения абсолютных значений.

Для этого достаточно условиться, какой уровень измеряемой физической величины будет принят за опорный уровень (условный 0 дБ).

Строго говоря, должно быть однозначно определено, какая именно физическая величина и какое именно ее значение используются в качестве опорного уровня.

Опорный уровень указывается в виде «добавки», следующей за символами «дБ» (например, «дБм»), либо опорный уровень должен быть ясен из контекста (например, «дБ относительно 1 мВт»).

 

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

dBm (русское дБм) — опорный уровень — это 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).

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 — ?10 дБмкВ … номинальное сопротивление антенны — 50 Ом».

dBu — опорное напряжение 0,775В, соответствующее мощности 1мВт на нагрузке 600?;

например, стандартизованный уровень сигнала для профессионального аудиооборудования составляет +4dBu, то есть 1.23В.

dBm0 (русское дБм0) — опорная мощность в дБм в точке нулевого относительного уровня.

«Абсолютный уровень мощности относительно 1 мВт в точке линии передачи с нулевым уровнем»[1]

dBFS (англ. Full Scale — «полная шкала») — опорное напряжение соответствует полной шкале прибора; например, «уровень записи составляет -6dBfs».

Для линейного цифрового кода каждый разряд соответствует 6дБ, и максимально возможный уровень записи равен 0dBFS.

dBSPL (англ. Sound Pressure Level — «уровень звукового давления») — опорное звуковое давление 20мкПа, соответствующее порогу слышимости; например, «громкость 100dBSPL».

dBPa — опорное звуковое давление 1Па или 94дБ звуковой шкалы громкости dBSPL;

например, «для громкости 6dBPa микшером установили +4dBu, а регулятором записи -3dBFS, искажения при этом составили -70dBc».

dBA, dBB, dBC, dBD — опорные уровни выбраны в соответствии с частотными характеристиками «весовых фильтров» в соответствии с кривыми равной громкости (см. Фон).

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, характеристики усиления реальных антенн даются именно относительно усиления изотропного излучателя. То есть, когда вам говорят, что коэффициент усиления какой-то антенны равен 12 децибел, 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 приближенно равен 2.15 дБи, то 1 дБд = 2.15 дБи.

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», ее размерность «Вт/Гц» и значение «1». Так, запись «-120 дБВт/Гц» полностью эквивалентна записи «10?12 Вт/Гц».

В случае затруднения во избежание путаницы достаточно указать опорный уровень явно. Например, запись ?20 дБ (относительно 0.775 B на нагрузке 50 Ом) исключает двойное толкование.

Справедливы следующие правила (следствие 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».

Следует аккуратно использовать знак «минус», поскольку цена ошибки со знаком в операциях с децибелами — не «в два раза», а «на много порядков».

Например, из записи «входной уровень — 10 дБм» не ясно, идёт ли речь о «+10 дБм» или же о «минус 10 дБм».

В зависимости от ситуации лучше писать: «входной уровень +10 дБм», «входной уровень: 10 дБм», «входной уровень минус 10 дБм».

 

Громкость звука. Уровень шума и его источники

Физическая характеристика громкости звука — уровень звукового давления, в децибелах (дБ). «Шум» — это беспорядочное смешение звуков.

Звуки с низкой и высокой частотой кажутся тише, чем среднечастотные той же интенсивности. С учётом этого, неравномерную чувствительность человеческого уха к звукам разных частот модулируют с помощью специального электронного частотного фильтра, получая, в результате нормирования

измерений, так называемый эквивалентный (по энергии, «взвешенный») уровень звука с размерностью дБА (дБ(А), то есть — с фильтром «А»).

Человек может слышать звуки громкостью от 10-15 дБ и выше. Максимальный диапазон частот для человеческого уха — от 20 до 20 000 Гц. Лучше слышен звук с частотой 3-4 КГц (обычен в телефонах и по радио на СВ и ДВ диапазонах).

С возрастом, воспринимаемый на слух звуковой диапозон сужается, особенно для высокочастотных звуков, уменьшаясь до 18 килогерц и менее.

В случае отсутствия на стенах помещений звукопоглощающих материалов (ковров, специальных покрытий), звук будет громче из-за многократного отражения (реверберации, то есть — эха от стен, потолка и мебели), что увеличит уровень шума на несколько децибел.

 

Шкала шумов (уровни звука, децибел):

0 Ничего не слышно

5 Почти не слышно

10 Почти не слышно тихий шелест листьев

15 Едва слышно шелест листвы

20 Едва слышно шепот человека (1м).

25 Тихо шепот человека (1м)

30 Тихо шепот, тиканье настенных часов.

Норма для жилых помещений ночью, с 23 до 7 ч.

35 Довольно слышно приглушенный разговор

40 Довольно слышно обычная речь.

Норма для жилых помещений, с 7 до 23 ч.

45 Довольно слышно обычный разговор

50 Отчётливо слышно разговор, пишущая машинка

55 Отчётливо слышно Норма для офисных помещений класса А (по европейским нормам)

60 Шумно Норма для контор

65 Шумно громкий разговор (1м)

70 Шумно громкие разговоры (1м)

75 Шумно крик, смех (1м)

80 Очень шумно крик, мотоцикл с глушителем.

85 Очень шумно громкий крик, мотоцикл с глушителем

90 Очень шумно громкие крики, грузовой железнодорожный вагон (в семи метрах)

95 Очень шумно вагон метро (7м)

100 Крайне шумно оркестр, вагон метро (прерывисто), раскаты грома

Максимально допустимое звуковое давление для наушников плеера (по европейским нормам)

105 Крайне шумно в самолёте (до 80-х годов ХХ столетия)

110 Крайне шумно вертолёт

115 Крайне шумно пескоструйный аппарат (1м)

120 Почти невыносимо отбойный молоток (1м)

125 Почти невыносимо

130 Болевой порог самолёт на старте

135 Контузия

140 Контузия звук взлетающего реактивного самолета

145 Контузия старт ракеты

150 Контузия, травмы

155 Контузия, травмы

160 Шок, травмы ударная волна от сверхзвукового самолёта

При уровнях звука свыше 160 дБ возможен разрыв барабанных перепонок и лёгких, больше 200 — смерть

Максимально допустимые уровни звука (LАмакс, дБА) — больше «нормальных» на 15 децибел.

Например, для жилых комнат квартир допустимый постоянный уровень звука в дневное время — 40 децибелов, а временный максимальный — 55.

Неслышный шум — звуки с частотами менее 16-20 Гц (инфразвук) и более 20 КГц (ультразвук).

Низкочастотные колебания в 5-10 герц могут вызывать

резонанс внутренних органов и влиять на работу мозга.

Низкочастотные акустические колебания усиливают ноющие боли в костях и суставах у больных.

Источники инфразвука: автомобили, вагоны, гром от молнии и т.д.

Высокочастотные колебания вызывают нагрев тканей. Эффект зависит от силы звука, расположения и свойств его источников.

На рабочих местах предельно допустимые эквивалентные уровни звука для прерывистого шума: максимальный уровень звука не должен превышать 110 дБА, а для импульсного шума — 125 дБАI.

Запрещается даже кратковременное пребывание в зонах с уровнями звукового давления свыше 135 дБ в любой октавной полосе.

Шум, издаваемый компьютером, принтером и факсом в комнате без звукопоглощающих материалов — может превышать уровень 70 db.

Поэтому не рекомендуется размещать много оргтехники в одном помещении. Слишком шумное оборудование должно выноситься за пределы помещения, где располагаются рабочие места.

Снизить уровень шума можно, если использовать шумопоглощающие материалы в качестве отделки помещения и занавески из плотной ткани.

Помогут и противошумные бируши для ушей.

При возведении зданий и сооружений, в соответствии с современными, более жесткими требованиями звукоизоляции, должны применяться технологии и материалы, способные обеспечить надёжную защиту от шума.

Для пожарной сигнализации: уровень звукового давления полезного аудиосигнала, обеспечиваемый оповещателем, должен быть не менее 75 дБА на расстоянии 3 м от оповещателя и не более 120 dba в любой точке защищаемого помещения (п.3.14 НПБ 104-03).

Сирена большой мощности и корабельный ревун — давит больше 120-130 децибел.

Спецсигналы (сирены и «крякалки» — Air Horn), устанавливаемые на служебном транспорте, регламентируются ГОСТ Р 50574 — 2002.

Уровень звукового давления сигнального устройства при подаче специального звук. сигнала, на расстоянии 2 метра по оси рупора, должен быть не ниже:

116 дБ(А) — при установке излучателя звука на крыше транспортного средства;

122 дБА — при установке излуч-ля в подкапотное пространство автотранспорта.

Изменения основной частоты должны быть от 150 до 2000 Гц.

Продолжительность цикла — от 0,5 до 6,0 с.

Клаксон гражданского автомобиля, согласно ГОСТ Р 41.28-99 и Правил ЕЭК ООН №28, должен издавать непрерывный и монотонный звук с уровнем

акустического давления не более 118 децибел. Такого порядка максимально допустимые значения — и для автосигнализации.

Если городской житель, привыкший к постоянному шуму, окажется на некоторое время в полной тишине (в сухой пещере, например, где уровень шума — менее 20 db), то он вполне может испытать депрессивные состояния вместо отдыха.

Прибор шумометр для измерения уровня звука, шума

Для измерения уровня шума применяется прибор шумомер (на фото), который производят в разных модификациях: бытовые (ориентировочная цена — 3-4

т.р, диапазоны измерения: 30-130 дБ, 31,5 Гц — 8 кГц, фильтры А и С), промышленные (интегрирующие и т.д.)

 

Наиболее распространённые модели:

SL, октава, svan.

Для измерений инфразвуковых и ультразвуковых шумов применяются широкодиапазонные шумометры.

 

Как сохранить свой слух

Длительное воздействие шума с уровнем более 80-90 децибелл может привести к частичной или полной потере слуха.

Так же, могут произойти патологические изменения в сердечно-сосудистой и нервной системе. Безопасны только звуки громкостью до 35 дБ.

Реакцией на длительное и сильное шумовое воздействие является «тиннитус» — звон в ушах, «шум в голове», который может перерасти в прогрессирующее снижение слуха.

Характерно для возрастов старше 30 лет, при ослабленном организме, стрессах, злоупотреблении алкоголем и курении.

В простейшем случае, причиной ушного шума или тугоухости может быть серная пробка в ухе, которая легко удаляется врачём-специалистом (промыванием или извлечением).

Если воспалён слуховой нерв — это лечится, тоже сравнительно легко, и без медиков.

Пульсирующий шум — более тяжёлый случай (сужение кровенослых сосудов при атеросклерозе или опухолях, а так же — при подвывихе шейных позвонков).

Чтобы уберечь слух:

• не увеличивать громкость звука в наушниках плеера, пытаясь заглушить внешний шум (в метро или на улице). При этом увеличивается и электромагнитное излучение на мозг от динамика наушника;

• в шумном месте использовать противошумные мягкие «беруши» или наушники-вкладыши. Их надо «подгонять» индивидуально под ухо;

• в помещениях применять шумоизолирующие экологичные материалы для снижения шума;

• при подводном погружении, чтобы не произошёл разрыв барабанной перепонки — вовремя продуваться (проводить продувание ушей зажав нос или глотательным движением). Сразу после дайвинга — нельзя на самолёт.

Прыгая с парашютом — так же надо своевременно выравнивать давление, чтобы не получить баротравму.

Последствия баротравмы: шум и звон в ушах (субъективный «тиннитус»), снижение слуха, боль в ухе, тошнота и головокружение, в тяжёлых случаях — потеря сознания.

• с простудой и насморком, когда заложен нос и гайморовы пазухи, недопустимы резкие перепады давления: ныряние (гидростатическое давл-е – 1 атмосфера на 10 метров глубины погружения в воду, то есть: две — на десяти, три — на 20 м. и т.д.), парашютные прыжки (0,01 атм. на 100 м. высоты, быстро увеличивается);

• давать своим ушам отдыхать

Приёмы выравнивания давления с обеих сторон барабанной перепонки уха: глотание, зевание, продувание с закрытым носом.

Артиллеристы, производя выстрел — открывают рот или закрывают уши ладонями рук.

Частые причины снижения слуха: попадание в уши воды, инфекции (в том числе и органов дыхания), травмы и опухоли, образование серной пробки и её набухание при контакте с водой, длительное пребывание в шумной обстановке, баротравма при резком перепаде давления, воспаление среднего уха

— отит (скопление жидкости за барабанной перепонкой).