分貝的概念
概述
分貝表示一種單位,即兩種電或聲功率之比或兩種電壓或電流值或類似聲量之比;分貝還是一種測量聲音相對響度的單位。
分貝 [decibel]
(1)∶表示兩種電或聲功率之比的一種單位,它等于功率比的常用對數(shù)的10倍——縮寫為dB
(2)∶表示兩種電壓或電流值或類似聲量(如聲壓或質(zhì)點速度)之比的一種單位,等于電壓或電流比的常用對數(shù)的20倍,如果兩種電壓或電流是在相同電阻上測得的話
(3)∶一種測量聲音的相對響度的單位,大約等于人耳通常可覺察響度差別的最小值;人耳對響度差別能察覺的范圍,大約包括以最微弱的可聞聲為1而開始的標(biāo)度上的130分貝
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對數(shù)標(biāo)度表示聲音的原因
用 對數(shù)標(biāo)度來表達聲音和噪音還有另一優(yōu)點:人類的聽覺反應(yīng)是基于聲音的相對變化而非絕對的變化。對數(shù)標(biāo)度正好能模仿人類耳朵對聲音的反應(yīng)。于分貝標(biāo)度上計算 聲音或噪音的和現(xiàn)實生活中我們經(jīng)常會同時遇到幾個聲音。你知道一個聲音與另一個聲音結(jié)合時,會產(chǎn)生什么結(jié)果嗎?我們都知道60個蘋果加60 個蘋果,等于120個蘋果。但是,這并不適用于以分貝來表示的聲音。事實上,60分貝加60分貝只等于63分貝。
人們以分貝為單位來表示聲音強弱的等級。0dB是人剛能聽到的最微弱的的聲音;30-40dB是較為理想的安靜環(huán)境;70dB會干擾談話,影響工作效率;長期生活在90dB以上的噪音環(huán)境中,聽力會受到嚴(yán)重影響并產(chǎn)生神經(jīng)衰弱、頭疼、高血壓等疾病;如果突然暴露在高達150dB的噪音環(huán)境中,鼓膜會破裂出血,雙耳完全失去聽力。
為了保護聽力,聲音不能超過90dB;為了保證工作和學(xué)習(xí),聲音不能超過70dB ;為了保證休息和睡眠,聲音不能超過20dB。
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人類耳朵對聲音的敏感度取決于聲音的頻率。對于2,500赫茲到3,000赫茲的聲音,人類耳朵的反應(yīng)最靈敏,而對低頻率的聲音,敏感度則較低。故此,將所有倍頻程或1/3倍頻程所占的部份加在一起,所得到的數(shù)值并不能有效反映人類耳朵對聲音頻率的非線性反應(yīng)。
分貝是音量的單位,分貝數(shù)越大代表的所發(fā)出的聲音越大,分貝在計算上是每增加 10 分貝,則聲音大小約是原來的十倍。也就是說,20分貝的聲音功率是10分貝功率的十倍,30分貝的聲音功率是20分貝聲音功率的十倍,以此類推。
10個聲源同時發(fā)出10分貝的聲音,那么功率是10分貝的10倍,也就是20分貝。
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通信系統(tǒng)中在分貝:
在我們?nèi)粘I詈凸ぷ髦须x不開自然計數(shù)法,但在一些自然科學(xué)和工程計算中,對物理量的描述往往采用對數(shù)計數(shù)法。從本質(zhì)上講,在這些場合用對數(shù)形式描述物理量是因為它們符合人的心理感受特性。這是因為,在一定的刺激范圍內(nèi),當(dāng)物理刺激量呈指數(shù)變化時,人們的心理感受是呈線性變化的,這就是心理學(xué)上的韋伯定律和費希鈉定律。它揭示了人的感官對寬廣范圍刺激的適應(yīng)性和對微弱刺激的精細(xì)分辨,好像人的感受器官是一個對數(shù)轉(zhuǎn)換裝置一樣。例如兩個倍頻的聲音可以感受一個八度音程,而一個十二平均律的小二度正好是八度音程的對數(shù)的十二分之一。采用對數(shù)描述上述的物理量,一是用較小的數(shù)描述了較大的動態(tài)范圍,特別有利于作圖的情況。它也把某些非線性變化的量轉(zhuǎn)換成線性量。例如頻率從直流到1Hz的差別可比1000Hz到1001Hz差別大得多。當(dāng)然頻率的對數(shù)單位不是以dB而是以倍頻程表示。另一個好處是把某些乘除運算變成了加減運算,如計算多級電路的增益,只需求各級增益的代數(shù)和,而不必將各級的放大/衰減倍數(shù)相乘。
我們知道,零和小于零的負(fù)數(shù)是沒有對數(shù)的,只有大于零的正數(shù)才能取對數(shù),這樣一來,原來的物理量經(jīng)過對數(shù)轉(zhuǎn)換后,原來的功率、幅度、倍數(shù)等這些非負(fù)數(shù)性質(zhì)的量,它們的值域便擴展到了整個實數(shù)范圍。這并不意味著它們本身變負(fù)了,而只是說明它們與給定的基準(zhǔn)值相比,是大于基準(zhǔn)值還是小于基準(zhǔn)值,小于則用負(fù)對數(shù)表示,若大于則用正對數(shù)表示。分貝的計算很簡單,對于振幅類物理量,如電壓、電流強度等,將測量值與基準(zhǔn)值相比后求常用對數(shù)再乘以20;對于它們的平方項的物理量如功率,取對數(shù)后乘以10就行了;不管是振幅類還是平方項,變成分貝后它們的量級是一致的,可以直接進行比較、計算。
在電信技術(shù)中一般都是選擇某一特定的功率為基準(zhǔn),取另一個信號相對于這一基準(zhǔn)的比值的對數(shù)來表示信號功率傳輸變化情況,經(jīng)常是取以10為底的常用對數(shù)和以e=2.718為底的自然對數(shù)來表示。其所取的相應(yīng)單位分別為貝爾(B)和奈培(Np)。貝爾(B)和奈培(Np)都是沒有量綱的對數(shù)計量單位。分貝(dB)的英文為decibel,它的詞冠來源于拉丁文decimus,意思是十分之一,decibel就是十分之一貝爾。
我們知道,測量海拔高低的基準(zhǔn)點是位于青島的黃海水準(zhǔn)點,測量溫度高低的基準(zhǔn)點是純水在一個大氣壓時的結(jié)冰點,測量電信號(功率、電壓、電流)的基準(zhǔn)點就是本文前面提到的人為選擇的特定基準(zhǔn),這個基準(zhǔn)我們暫且把它叫做“零電平”。 這個特定的功率基準(zhǔn)就是取一毫瓦(mW)功率作為基準(zhǔn)值,這里要特別強調(diào)的是:這一毫瓦基準(zhǔn)值是在600歐姆(Ω)的電阻上耗散一毫瓦功率,此時電阻上的 電壓有效值為0.775伏(V),所流過的電流為1.291毫安(mA)。取作基準(zhǔn)值的1mW,0.775V,1.291mA分別稱為零電平功率,零電平 電壓和零電平電流。(我們國家不采用電流電平測量基準(zhǔn))。
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感性認(rèn)識聲音中在分貝單位
聽力損失以純音測聽500、1000、2000赫茲Hz的氣導(dǎo)平均聽力計算。正常人的聽力范圍在0~25分貝(dB)之間。
根據(jù)世界衛(wèi)生組織耳聾分級標(biāo)準(zhǔn):
26~40分貝;輕度聾
41~55分貝:中度聾
56~70分貝:中重度聾
71~90分貝:重度聾
音量 類比
130分貝 噴射機起飛聲音
110分貝 螺旋漿飛機起飛聲音
105分貝 永久損聽覺
100分貝 氣壓鉆機聲音
90分貝 嘈雜酒吧環(huán)境聲音
85分貝及以下 不會破壞耳蝸內(nèi)的毛細(xì)胞
80分貝 嘈雜的辦公室
75分貝 人體耳朵舒適度上限
70分貝 街道環(huán)境聲音
50分貝 正常交談聲音
20分貝 竊竊私語
按普通人的聽覺
0 -2 0 分貝 很靜、幾乎感覺不到;
2 0 -4 0 分貝安靜、猶如輕聲絮語;
4 0 -6 0 分貝一般。普通室內(nèi)談話;
6 0 -7 0 分貝吵鬧、有損神經(jīng);
7 0 -9 0 分貝很吵、神經(jīng)細(xì)胞受到破壞。
9 0 -1 0 0 分貝 吵鬧加劇、聽力受損;
1 0 0 -1 2 0 分貝難以忍受、呆一分鐘即暫時致聾。
120分貝以上:極度聾或全聾
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分貝表示的放大倍數(shù)--增益:
簡單地說,分貝就是放大器增益的單位。放大器輸出與輸入的比值為放大倍數(shù),單位是“倍”,如10倍放大器,100倍放大器。當(dāng)改用“分貝”做單位時,放大倍數(shù)就稱之為增益,這 是一個概念的兩種稱呼。電學(xué)中分貝與放大倍數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為:AV(I)(dB)=20lg[Vo/Vi(Io/Ii)];Ap(dB)=10lg(Po /Pi)分貝定義時電壓(電流)增益和功率增益的公式不同,但我們都知道功率與電壓、電流的關(guān)系是P=V2/R=I2R。采用這套公式后,兩者的增益數(shù)值就一樣了:10lg[Po/Pi]=10lg(V2o/R)/(V2i/R)=20lg(Vo/Vi)。使用分貝做單位主要有三大好處。
(1)數(shù)值變小,讀寫方便。電子系統(tǒng)的總放大倍數(shù)常常是幾千、幾萬甚至幾十萬,一架收音機從天線收到的信號至送入喇叭放音輸出,一共要放大2萬倍左右。用分貝表示先取個對數(shù),數(shù)值就小得多。附表為放大倍數(shù)與增益的對應(yīng)關(guān)系。
(2)運算方便。放大器級聯(lián)時,總的放大倍數(shù)是各級相乘。用分貝做單位時,總增益就是相加。若某功放前級是100倍(20dB),后級是20倍(13dB),那么總功率放大倍數(shù)是100×20=2000倍,總增益為20dB+13dB=33dB。
(3)符合聽感,估算方便。 人聽到聲音的響度是與功率的相對增長呈正相關(guān)的。例如,當(dāng)電功率從0.1瓦增長到1.1瓦時,聽到的聲音就響了很多;而從1瓦增強到2瓦時,響度就差不太 多;再從10瓦增強到11瓦時,沒有人能聽出響度的差別來。如果用功率的絕對值表示都是1瓦,而用增益表示分別為10.4dB,3dB和0.4dB,這就 能比較一致地反映出人耳聽到的響度差別了。您若注意一下就會發(fā)現(xiàn),Hi-Fi功放上的音量旋鈕刻度都是標(biāo)的分貝,使您改變音量時直觀些。分貝數(shù)值中,-3dB和0dB兩個點是必須了解的。-3dB也叫半功率點或截止頻率點。這時功率是正常時的一半,電壓或電流是正常時的1/2。在電聲系統(tǒng)中,±3dB的差別被認(rèn)為不會影響總特性。所以各種設(shè)備指標(biāo),如頻率范圍,輸出電平等,不加說明的話都可能有±3dB的出入。例如,前面提到的頻響10Hz~40kHz,就是表示在這段頻率中,輸出幅度不會超過±3dB,也就是說在10Hz和40kHz這二個端點頻率上,輸出電壓幅度只有中間頻率段的0.707(1/)倍了。0dB表示輸出與輸入或兩個比較信號一樣大。分貝是一個相對大小的量,沒有絕對的量值。可您在電平表或馬路上的噪聲計上也能看到多少dB的測出值,這是因為人們給0dB先定了一個基準(zhǔn)。例如聲級計的 0dB是2×10-4μb(微巴),這樣馬路上的噪聲是50dB、60dB就有了絕對的輕響概念。常用的0dB基準(zhǔn)有下面幾種:dBFS——以滿刻度的量 值為0dB,常用于各種特性曲線上;dBm——在600Ω負(fù)載上產(chǎn)生1mW功率(或0.775V電壓)為0dB,常用于交流電平測量儀表上;dBV——以 1伏為0dB;dBW——以1瓦為0dB。一般讀出多少dB后,就不用再化為電壓、聲壓等物理量值了,專業(yè)人士都能明白。只有在極少數(shù)場合才要折合。這時只需代入公式:10A/20(或A/10)×D0計算即可。A為讀出的分貝數(shù)值,D0為0dB時的基準(zhǔn)值,電壓、電流或聲壓用A/20,電功率、聲功率或聲強則用A/10。現(xiàn)在您就可以來回答本文開頭的問題了。
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