Единицы измерения уровня громкости их определение. Измерения

Содержание

Что измеряется в децибелах? Децибел: определение и области применения

Единицы измерения уровня громкости их определение. Измерения

Децибел – это относительная единица измерений, она не похожа на остальные известные величины, поэтому ее не включили в систему общепринятых единиц измерения СИ. Однако во многих расчетах допускается использование децибелов наравне с абсолютными единицами измерений и даже применение их в качестве опорной величины.

Децибелы определяются принадлежностью к физическим величинам, поэтому их нельзя относить к математическим понятиям.

Это легко представить, если провести параллель с процентами, с которыми децибелы имеют много общего.

Они не имеют конкретных размеров, но при этом очень удобны при сопоставлении 2-х одноименных величин, даже если они различны по своей природе. Таким образом, не сложно представить, что измеряется в децибелах.

История возникновения

Как выяснилось в результате длительных исследований, восприимчивость не находится в прямой зависимости от абсолютного уровня распространения звука.

Она является показателем мощности, примененным к заданной единице площади, которая находится в зоне воздействия звуковых волн, что и измеряют в децибелах сегодня.

В результате установили любопытную пропорцию – чем больше места принадлежит полезной площади человеческого уха, тем к лучшему восприятию минимальных мощностей оно расположено.

Таким образом, исследователю Александру Грэхему Беллу удалось установить, что предел восприятия человеческого уха равен от 10 до 12 Вт на метр квадратный. Полученные данные охватывали слишком широкий диапазон, который представлялся всего несколькими значениями. Это создавало определенные неудобства и исследователю пришлось создать собственную шкалу измерений.

В первоначальном варианте безымянная шкала имела 14 значений – от 0 до 13, где человеческий шепот имел значение «3», а разговорная речь – «6». Впоследствии эта шкала нашла широкое применение, а ее единицы назвали белами. Для получения более точных данных в логарифмическом масштабе исходную единицу увеличили в 10 раз – так сформировались децибелы.

Общие сведения

Прежде всего, следует отметить, что децибел – это одна десятая Бела, который является десятичной формой логарифма, определяющего отношение меж 2-мя мощностями.

Природа мощностей, подлежащих сравнению, избирается произвольно. Главное, чтобы соблюдалось правило, представляющее сравниваемые мощности в равных единицах, например, в Ваттах.

Благодаря этой особенности, обозначения децибелов применяют в разных областях:

  • механической;
  • электрической;
  • акустической;
  • электромагнитной.

Так как практическое применение показало, что Бел оказался довольно крупной единицей, то для лучшей наглядности было предложено его значение умножить на десять. Таким образом, появилась общепринятая единица – децибел, в чем измеряется звук сегодня.

Несмотря на обширную зону применения, большинству людей известно, что децибелы применяются для определения степени громкости. Эта величина характеризует интенсивность звуковой волны на метр квадратный. Таким образом, увеличение громкости на 10 децибел сопоставимо с возрастанием силы звука вдвое.

В законодательстве децибел был признан расчетной величиной зашумленности помещения. Он явился определяющей характеристикой для исчисления допустимой силы шума в жилых строениях. Эта величина дает возможность измерить допустимый уровень шума в децибелах в квартире и выявить факты нарушения в случае необходимости.

Область применения

Сегодня проектировщики телекоммуникаций используют децибел в качестве базовой единицы для проведения сравнительных характеристик устройств, отраженных в логарифмическом масштабе. Такие возможности предоставляет конструктивная особенность данной величины, которая является логарифмической единицей разных уровней, используемых при затуханиях или, наоборот, усилениях мощностей.

Децибел получил широкое распространение в разнообразных областях современной техники. Что измеряется в децибелах сегодня? Это различные величины, изменяющиеся в обширном диапазоне, которые могут применяться:

  • в системах, связанных с передачей информации;
  • радиотехнике;
  • оптике;
  • антенной технике;
  • акустике.

Таким образом, децибелы применяют при измерении характеристик динамического диапазона, к примеру, ими можно измерить громкость звучания определенного музыкального инструмента.

А также открывается возможность исчислять затухающие волны в момент их прохождения через поглощающую среду.

Децибелы позволяют определить коэффициент усиления или зафиксировать коэффициент шума, создаваемого усилителем.

Использовать эти безразмерные единицы возможно как для физических величин, относящихся ко второму порядку – энергия или мощность, так и для величин, имеющих отношение к первому порядку – сила тока или напряжение. Децибелы открывают возможности измерения отношений между всеми физическими величинами, а кроме этого, с их помощью сопоставляют абсолютные значения.

Громкость звука

Физическая составляющая громкости звукового воздействия определяется уровнем имеющегося звукового давления, воздействующего на единицу контактной площади, что измеряется в децибелах.

Формируется уровень шума из хаотического слияния звуков. На низкие частоты или, наоборот, звуки высокой частоты человек реагирует как на более тихие звуки.

А звуки средних частот будут восприняты как более громкие, несмотря на одинаковую интенсивность.

Учитывая неравномерное восприятие звуков различной частоты человеческим ухом, на электронной базе был создан частотный фильтр, способный передавать эквивалентную степень звука с единицей измерения, которая выражается в дБа – где «а» обозначает применение фильтра. Этот фильтр, по итогам нормирования измерений, способен моделировать взвешенное значение уровня звука.

Способность разных людей воспринимать звуки находится в пределах громкости от 10 до 15 дБ, а в отдельных случаях даже выше. Воспринимаемые пределы интенсивности звука составляют частоты от 20 до 20 тыс.

Герц. Наиболее легкие для восприятия звуки располагаются в частотном диапазоне от 3-х до 4-х кГц. Такую частоту принято использовать в телефонах, а также при радиовещании на средних и длинных волнах.

С годами диапазон воспринимаемых звуков сужается, особенно это касается высокочастотного спектра, где восприимчивость может снижаться до 18 кГц. Это приводит к общему ухудшению слуха, которому подвержены многие пожилые люди.

Допустимые показатели уровня шума в жилых помещениях

С использованием децибелов появилась возможность определить более точную шкалу шумов для окружающих звуков.

Она отражает превосходящие по точности характеристики по сравнению с исходной шкалой, созданной в свое время Александром Беллом.

С использованием этой шкалы законодательными органами определен уровень шума, норма которого действует в пределах жилых помещений, предназначенных для отдыха граждан.

Таким образом, значение «0» дБ означает полнейшую тишину, от которой раздается звон в ушах. Следующее значение 5 дБ также определяет полную тишину при наличии небольшого звукового фона, заглушающего внутренние процессы организма. При 10 дБ становятся различимы нечеткие звуки – всевозможные шорохи или шуршание листвы.

Значение в 15 дБ находится в диапазоне четкой слышимости самых тихих звуков, таких как тиканье наручных часов. При силе звука в 20 дБ можно разобрать осторожный шепот людей на расстоянии 1 метра. Отметка 25 дБ позволяет слышать более отчетливо разговор шепотом и шорох от трения мягких тканей.

30 дБ определяет, сколько децибел разрешено в квартире ночью и сопоставляется с беззвучным разговором или тиканьем настенных часов. При 35 дБ можно отчетливо слышать приглушенную речь.

Уровень в 40 децибел определяет силу звука обычного разговора. Это достаточная громкость, позволяющая свободно общаться в пределах помещения, смотреть телевизор или прослушивать музыкальные треки. Данная отметка определяет, сколько децибел разрешено в квартире днем.

Уровень шума, допустимый в рабочих условиях

По сравнению с допустимым уровнем шума в децибелах в квартире, на производстве и в офисной деятельности в рабочее время допускаются другие нормы уровня звука. Здесь действуют ограничения иного прядка, четко отрегулированные для каждого рода занятий. Основное правило в данных условиях – не допускать уровня шума, который способен отрицательно повлиять на здоровье человека.

В офисах

Значение уровня шума в 45 дБ находится в пределах хорошей слышимости и сопоставимо с шумом работы дрели или электродвигателя. Шум в 50 дБ также характеризуется пределами отличной слышимости и совпадает по силе со звуком печатающей машинки.

Уровень шума в 55 децибел остается в пределах превосходной слышимости, его можно представить на примере одновременного звучного разговора сразу нескольких людей. Этот показатель принимают в качестве верхней отметки, допустимой для офисных помещений.

В животноводстве и канцелярской деятельности

Сила шума в 60 дБ считается повышенной, такой уровень зашумленности можно встретить в конторах, где одновременно работает много печатных машинок. Показатель в 65 дБ также считают повышенным и его можно зафиксировать при работе типографского оборудования.

Уровень шума, достигающий отметки 70 дБ, сохраняет значение повышенного и встречается на животноводческих фермах. Значение шума в 75 дБ – это предельное значение повышенного уровня шума, его можно отметить на птицефабриках.

В производстве и транспорте

С отметкой в 80 дБ наступает уровень громкого звука, длительное воздействие которого станет следствием частичной утраты слуха. Поэтому, при работе в таких условиях рекомендуется применять защитные наушники. Сила шума в 85 дБ также находится в пределах уровня громкого звука, такие показания можно сопоставить с работой оборудования ткацкой фабрики.

Показатель шума в 90 дБ сохраняется в пределах громкого звука, такую силу зашумленности можно зарегистрировать при движении железнодорожного состава. Величина шума в 95 дБ достигает крайних пределов громкого звука, такой силы шум можно зафиксировать в металлопрокатном цеху.

Предельный уровень шума

Уровень шума на отметке 100 дБ достигает пределов чрезмерно громкого звука, его можно сравнить с раскатами грома. Работа в таких условиях считается вредной для здоровья и выполняется в рамках определенного стажа, по истечении которого человек считается непригодным для вредных работ.

Значение шума в 105 дБ также находится в пределах чрезмерно громкого звука, шум такой силы создает бензорезка при порезке металла. Сила шума в 110 дБ остается в границах чрезмерно громкого звука, такой показатель фиксируется при взлете вертолета. Величина шума в 115 дБ считается предельной для границ чрезмерно громкого звука, такой шум издает пескоструйный аппарат.

Уровень шума 120 дБ считается невыносимым, его можно сравнить с работой отбойного молотка. Шумовая отметка в 125 дБ также характеризуется невыносимым уровнем шума, такой отметки достигает самолет на старте. Максимальный уровень шума в дБ считается предельным на отметке 130, после чего наступает болевой порог, вынести который способен далеко не каждый.

Критический уровень шума

Сила шума на отметке 135 дБ считается недопустимой, человек, оказавшийся в зоне действия звука такой силы, получает контузию. Уровень шума в 140 дБ также приводит к контузии, таким звуком сопровождается старт реактивного самолета. При величине шума в 145 дБ разрывается осколочная граната.

Достигает отметки 150-155 дБ разрыв кумулятивного снаряда на танковой броне, звук такой силы приводит к контузии и травмам. После отметки 160 дБ наступает звуковой барьер, звук, превышающий этот предел, приводит к разрыву ушных барабанных перепонок, распаду легких и множественным травмам, нанесенным ударной волной, что вызывает мгновенную смерть.

Воздействие на организм неслышимых звуков

Звук, частота которого ниже 16 Гц, называют инфракрасным, а если частота его превышает 20 тыс. Гц, то такой звук называют ультразвуком. Барабанные перепонки человеческого уха не способны воспринимать звуки такой частоты, поэтому они находятся за пределами человеческого слуха. Децибелы, в чем измеряется звук сегодня, также определяют значения не слышимых звуков.

Звуки низкой частоты, находящиеся в пределах от 5-ти до 10-ти Гц, плохо переносятся человеческим организмом.

Такое воздействие способно активизировать сбои в работе внутренних органов и отражаться на мозговой активности.

Кроме этого, интенсивность низких частот оказывает воздействие на костные ткани, провоцируя суставные боли у людей, страдающих различными заболеваниями или перенесших травмы.

Повседневными источниками ультразвука являются различные транспортные средства, также ими могут служить раскаты грома или работа электронной аппаратуры. Такие воздействия выражаются в нагреве тканей, а сила их влияния находится в зависимости от расстояния до действующего источника и от степени звука.

Для общедоступных мест работы, обладающих источниками звуков неслышимого диапазона, также существуют определенные ограничения. Максимальная сила инфракрасного звука должна удерживаться в пределах 110 дБа, а сила ультразвука ограничивается отметкой в 125 дБа. Строго запрещено даже кратковременное нахождение в зонах, где звуковое давление превышает 135 дБ любой частоты.

Влияние шума, исходящего от оргтехники, и способы защиты

Шум, который издает компьютер и прочая организационная техника, может быть выше значения в 70 дБ. В связи с этим специалисты не рекомендуют устанавливать большое количество данной аппаратуры в одном помещении, особенно, если оно не большое. Шумные агрегаты рекомендуется устанавливать за пределами помещения, в котором находятся люди.

Для снижения уровня зашумленности в отделочных работах применяют материалы, обладающие шумопоглощающими свойствами. Кроме этого, можно использовать шторы из плотной ткани или, в крайнем случае, бируши, закрывающие от воздействия барабанные перепонки.

Сегодня при строительстве современных зданий существует новая норма, определяющая степень звукоизоляции помещений. Стены и перекрытия корпусов многоквартирных домов проверяют на устойчивость к воздействию шума. Если уровень звукоизоляции находится ниже допустимого предела, здание не может быть сдано в эксплуатацию до устранения неполадок.

Кроме всего, сегодня устанавливают ограничения по силе звука для различных сигнальных и оповещающих устройств. Для противопожарных систем, к примеру, сила звука оповещающего сигнала должна находиться в рамках от 75 дБа до 125 дБа.

Источник: https://FB.ru/article/429858/chto-izmeryaetsya-v-detsibelah-detsibel-opredelenie-i-oblasti-primeneniya

Громкость

Единицы измерения уровня громкости их определение. Измерения

Амплитуда колебаний в нашем восприятии соответствует громкости звука:

Единицы измерения громкости

Существуют различные способы количественного описания звуковых колебаний, использующиеся в разных областях.

Обычно используются следующие основные единицы измерения:

  • Интенсивность звука — скалярная физическая величина, характеризующая мощность, переносимую звуковой волной в направлении распространения. Единица измерения — ватт на квадратный метр (Вт/м2).
  • Звуковое давление — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения — паскаль (Па).
  • Громкость звука (Уровень звукового давления, SPL или sound pressure level) — субъективное восприятие силы звука. Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.

Интенсивность звука и Звуковое давление находятся в квадратичной зависимости, точнее:

где I — интенсивность звука, Вт/м2; p — звуковое давление, Па; Zs — удельное акустическое сопротивление среды; t — усреднение по времени.

Громкость звука является относительной величиной и определяется как измеренное по относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению PSPL = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц.

Единицей измерения громкости является децибел (дБ, dB) — относительная единица, подобная кратности («трёхкратное отличие») или, например, процентам.

Величина, выраженная в децибелах, равна десятичному логарифму отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за исходную, умноженному на десять (умножение на 10 переводит белы в децибелы):

где AdB — величина в децибелах, A — измеренная физическая величина, A0 — величина, принятая за точку отсчета.

В приведенной формуле дБ используется для оценки отношения интенсивности звука, однако, чаще для этого используется звуковое давление.

Таким образом, когда мы говорим о громкости звука в децибелах, мы имеем в виду отношение значения его звукового давления к “нулевой” или “опорной” величине (условный 0 дБ), которая составляет 20 мкПа и соответствует стандартному порогу слышимости (порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц).
В этом случае используется формула:

В основном формула аналогична приведенной выше, только в качества точки отсчета указано 20 мкПа, а вместо 10 логарифм умножен на 20 (т.е. на 10 и на 2). Это отражает уже упомянутую выше квадратичную зависимость силы звука и звукового давления1.

Приведем некоторые соответствия значений в децибелах увеличению звукового давления относительно порога слышимости:

6 дБ → в 2 раза (lg(2) = 0,30102999566), 9,5 дБ → в 3 раза (lg(3)= 0,47712125472), 12 дБ → в 4 раза (lg(4)= 0,60205999132),

20 дБ → в 10 раз (lg(10)= 1).

Любое удвоение величины звукового давления выражается в увеличении его уровня на 6 дБ, как видно из следующей таблицы:

Отношение силы звука или электрической мощности (“энергетические” величины)ДецибелыОтношение звукового давления, напряжения или тока (“амплитудные” величины)Децибелы
1010
2326
34,839,5
46412,0
57514,0
67,8615,6
78,5716,9
89,0818,1
99,5919,1
1010,01020,0
10020,010040,0
100030,0100060,0
1000040,01000080,0
10000050,0100000100,0
100000060,01000000120,0

См. также: Сравнительные шкалы для расчёта уровня цифрового звука2

Следует иметь в виду, что в децибелах может выражаться не только SPL, но и, например, напряжение, а также, что могут использоваться различные опорные уровни или “точки отсчета”, на что указывает соответствующая аббревиатура после dB: dBSPL, dBFS и т.д. Так например, часто используются:

  •  dBFS (от англ. Full Scale — «полная шкала») — опорное напряжение соответствует полной шкале прибора; например, «уровень записи составляет −6 dBFS». При этом максимально возможный уровень записи равен 0 dBFS.
  • dBSPL (от англ. Sound Pressure Level — «уровень звукового давления») — опорное звуковое давление 20 мкПа, соответствующее порогу слышимости; например, «громкость 100 dBSPL».
  • dBPa — опорное звуковое давление 1 Па, или 94 дБ звуковой шкалы громкости dBSPL; например, «для громкости 6 dBPa микшером установили +4 dBu, а регулятором записи −3 dBFS, искажения при этом составили −70 dBc» и т.д.

Зачем такие сложности?

Для применения децибелов и 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”, см. Закон Вебера-Фехнера3). Поэтому вполне естественно шкалы приборов и вообще шкалы единиц устанавливать именно в логарифмические, в том числе, используя децибелы.
  • Удобство отображения и анализа величин, изменяющейся в очень широких пределах (например, графическое отображение уровней сигнала звукозаписывающих и звуковоспроизводящих устройств)
  • Удобство согласования электрических и акустических величин (т.е. напряжений и SPL) и шкал их значений в звукозаписывающих и звуковоспроизводящих устройствах:

На звуковом оборудовании за точку отсчета обычно берется максимальный уровень громкости.

Значения отображаются по отношению к максимальному уровню громкости, на который способно оборудование и это должны быть отрицательные величины, любое положительное значение означает “перегрузку” и искажения при воспроизведении или записи. В цифровой и аналоговой технике используются шкалы dBFS и dBu соответственно.4

Представьте, что вы находитесь в очень тихом помещении и определили, что уровень звукового давления, создаваемого жужжанием мухи, составляет 40 дБ SPL. Из табл.

1 мы видим, что 40 дБ соответствует отношению звукового давления 100, то есть жужжание мухи создает звуковое давление в 100 раз большее, нежели 0 дБ SPL, соответствующих порогу слышимости.

Величина порога слышимости, представленная относительным уровнем 0 дБ SPL, соответствует давлению 0,0002 дин на квадратный сантиметр (дин/см2) или 20 мкПа (1 дин/см2 = 0,1 Па). Дин есть единица измерения силы.

Буквенное обозначение “SPL” после выражения в децибелах говорит о том, что уровень 0,0002 дин/см2 является референсным уровнем. Зная это, мы можем вычислить давление, создаваемое звуком жужжания мухи: оно составляет 0,02 дин/см2 (100×0,0002).

Две жужжащие мухи создают звуковое давление 46 дБ, то есть давление удваивается и уровень повышается на 6 дБ по сравнению с уровнем в 40 дБ, создаваемым одной мухой.

Поскольку 40 дБ соответствуют давлению 0,02 дин/см2, то для 46 дБ уровень давления составит 0,04 дин/см2. В настоящем примере мы предполагаем, что мухи производят одинаковое звуковое давление и создаваемые ими звуки абсолютно синфазны.

Фактически фазовый сдвиг между двумя звуками является произвольным, что приводит к увеличению уровня мощности звука на 3 децибела.

Теперь давайте рассмотрим другой пример. Предположим, что взлетающий реактивный самолет создает звуковое давление (SPL) 120 дБ. Обратившись к таблице 1, мы увидим, что 120 децибел соответствуют отношению давления, равному 1000000.

Иными словами, самолет создает такое давление звука на наши барабанные перепонки, которое в миллион раз превышает порог слышимости.

Умножив 1000000 на референсное давление (0,0002 дин/см2), мы узнаем, что уровень давления составляет 200 дин/см2 (0,002 х 1000000).

Если же добавить еще один взлетающий самолет, то, как мы уже знаем, количество децибел SPL увеличится со 120 дБ до 126 дБ, а давление — с 200 дин/см2 до 400 дин/см2 (при том условии, что оба самолета создают синфазные звуки равной громкости).

Разумеется, звук второго взлетающего самолета намного сильнее жужжания второй мухи. И тем не менее, в обоих случаях возрастание уровня звукового давления выражается одним и тем же значением — 6 дБ.

Сравнительная таблица громкости в дБ

Уровни звукового давления от различных источников5

См. также: http://audiophilesoft.ru/publ/my/digital_loudness/11-1-0-86 http://soundex.ru/index.php?showtopic=25838

Источник: http://www.moozon.ru/node/3985

Что такое децибел

Единицы измерения уровня громкости их определение. Измерения

Очень часто новички сталкивается с таким понятием, как децибел. Многие из них интуитивно догадываются, что это такое, но у большинства до сих пор возникают вопросы.

Что такое децибел?

Относительные логарифмические единицы Белы (децибелы) широко используются при количественных оценках параметров различных аудио, видео, измерительных устройств.

Физическая природа сравниваемых мощностей может быть любой — электрической, электромагнитной, акустической, механической, — важно лишь, чтобы обе величины были выражены в одинаковых единицах — ваттах, милливаттах и т. п.

Бел выражает отношение двух значений энергетической величины десятичным логарифмом этого отношения, причем под энергетическими величинами понимаются: мощность, энергия.

Кстати, эта единица получила свое название в честь Александра Белл (1847 – 1922) – американского ученого шотландского происхождения, основоположника телефонии, основателя всемирно известных компаний AT&T и “Bell Laboratories”.

Еще интересно напомнить, что во многих современных мобильных телефонах (смартфонах) обязательно есть выбираемый звук звонка (оповещения), так и называемый “bell”.

Впрочем, Бел относится к единицам, не входящим в Международную систему единиц (СИ), но в соответствии с решением Международного комитета мер и весов допускается к применению без ограничений совместно с единицами СИ. В основном применяется в электросвязи, акустике, радиотехнике.

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.

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.

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.

Что еще измеряют в децибелах?

Также очень часто в дБ выражают отношение сигнал-шум (signal-to-noise ratio, сокр. SNR)

где

Uc – это эффективное значение напряжения сигнала, В

Uш – эффективное значение напряжения шума, В

Чем выше значение сигнал/шум, тем более чистый звук обеспечивается аудиосистемой. Для музыкальной аппаратуры желательно, чтобы это отношение было не менее 75 дБ, а для Hi-Fi аппаратуры не менее 90 дБ. Не имеет значение физическая природа сигнала, важно, чтобы единицы были в одинаковых измерениях.

В качестве единицы логарифмического отношения двух одноимённых физических величин применяется также непер (Нп) — 1 Нп ~ 0,8686 Б. В основе лежит не десятичный (lg), а натуральный (ln) логарифм отношений. В настоящее время используется редко.

Во многих случаях, удобно сравнивать между собой не произвольные величины, а одну величину относительно другой, названной условно опорной (нулевой, базовой).

В электротехнике, в качестве такой опорной или нулевой величины выбрано значение мощности равное 1 мВт выделяемое на резисторе сопротивлением 600 Ом.

В этом случае, базовыми значениями при сравнении напряжений или токов станут величины 0.775 В или 1.29 мА.

Для звуковой мощности такой базовой величиной является 20 микроПаскаль (0 дБ), а порог +130 дБ считается болевым для человека:

Более подробно об этом написано в Википедии по этой ссылке.

Для случаев когда в качестве базовых значений используются те или иные конкретные величины, придуманы даже специальные обозначения единиц измерений:

dbW (дБВт) – здесь отсчет идет относительно 1 Ватта (Вт). Например, пусть уровень мощности составил +20 дБВт. Это значит что мощность увеличилась в 100 раз, то есть на 100 Вт.

dBm (дБм) – здесь у нас отсчет уже идет относительно 1 милливатта (мВт). Например, уровень мощности в +30дБм будет соответственно равен 1 Вт. Не забываем, что это у нас энергетические децибелы, поэтому для них будет справедлива формула

Следующие характеристики – это уже амплитудные децибелы. Для них будет справедлива формула

dBV (дБВ) – как вы догадались, опорное напряжение 1 Вольт. Например, +20дБВ даст – это 10 Вольт

От  дБВ также вытекают другие виды децибелов с разными приставками:

dBmV (дБмВ) – опорный уровень 1 милливольт.

dBuV (дБмкВ) – опорное напряжение 1 микровольт.

Здесь я привел наиболее употребимые специальные виды децибелов в электронике.

Децибелы используются и в других отраслях, где они также показывают отношение каких-либо двух измеряемых величин в логарифмическом масштабе.

Также на есть интересное видео о децибелах.

При участии Jeer

Источник: https://www.RusElectronic.com/chto-takoe-decibel/

Звук в цифрах

Единицы измерения уровня громкости их определение. Измерения

При покупке звукового оборудования, будь то наушники, микрофон, звуковая карта и т.д., вы выбираете его по тем или иным характеристикам, а кто-то просто по отзывам и совету продавца, потому что не особо разбирается в тех цифрах, что представлены в описании товара.

Давайте же станем покупателями, которые делают свой выбор осознанно, покупая товар за его характеристики, а не репутацию.

Поэтому данная статья будет посвящена звуку и тем его характеристикам, которые можно измерить и выразить в цифрах, на примерах устройств звукоусиления (наушников и акустических систем).

Вспомним школьный курс физики, который учил нас, что звук – это механическая волна, т.е. колебания, распространяющиеся в среде, и курс биологии, рассказывающий, что эти колебания воспринимаются нашим ухом и преобразуются в нервные импульсы, посылаемые в мозг и воспринимаемые как конкретные звуки.

Звуковые волны – это волны сжатия и разряжения воздушной среды, в которой звук распространяется. Основными характеристиками звука являются его высота, определяемая частотой, и громкость, определяемая амплитудой.

Если говорить о музыкальном звуке, то стоит добавить две характеристики: длительность и тембр.

Высота

Высота звука, как было сказано выше, определяется частотой колебаний. Причем зависимость эта не линейная, а представляет собой геометрическую прогрессию. Если говорить об инструменте, то частота зависит от толщины, длины и упругости струны, например.

Человеческое ухо способно воспринимать звуки в частотном диапазоне 16 – 20000 Гц, хотя верхняя граница незначительно изменяется с возрастом. Низкие звуки хорошо воспринимаются в любом возрасте. В музыке используется диапазон наиболее четкого восприятия звука: 16 – 4500 Гц.

Если говорить о наушниках, то чаще всего в их характеристиках можно встретить следующие цифры: 20 – 20000 Гц, которые и означают диапазон воспроизводимых частот. Эти цифры не несут практически никакой информации о звуке наушников и не позволяет сравнивать разные модели.

Строго говоря, нет никаких стандартов по поводу измерения и указания частотного диапазона наушников, поэтому производитель может и не указывать этот параметр.

Но некоторые покупатели являются жертвами маркетинга, и, когда видят, что указан расширенный диапазон, например, 15-21000 Гц, бегут приобретать модель с уникальными характеристиками.

Хотя нижние и верхние границы они просто не услышат… Хотя границы частотного диапазона говорят о том, что окончательные спады АЧХ начинаются только у этих дальних границ, а не раньше. Поэтому заниженная нижняя граница позволяет надеяться, что нижний бас в данной модели хотя бы присутствует.

Громкость

Громкость звука – это отражение в восприятии силы звука. Громкость определяет уровень мощности, которая зависит от амплитуды звукового сигнала. Ухо воспринимает не мощность, а звуковое давление на барабанную перепонку, то есть звуковую энергию, приходящуюся на единицу площади, получаемую от источника, находящегося на расстоянии 1 метр.

Громкость выражается в децибелах (дБ). Минимальная громкость, которую слышит человек, называется порог слышимости. Громкость, при которой человек испытывает боль, называется болевым порогом. Интервал между порогом слышимости и болевым порогом Александр Бел поделили на 13 ступеней, создав, таким образом, шкалу звуковой мощности.

Что же такое 0 дБ? Это давление, оказываемое на ухо полностью неподвижной средой, что практически не достижимо. А вот 10 дБ соответствует средней громкости дыхания человека, 20 дБ – тиканью часов.

Человеческое ухо вообще вещь довольно интересная, и воспринимает различные звуки по-разному. Например, звуки голоса и взлетающего самолета различаются в миллион раз по силе создаваемого давления.

Таким образом, небольшое отличие по громкости в дБ (например рок-концерт 120 дБ и смертельные 160дБ) отличается по силе звукового давления в тысячи раз.

Т.е. увеличение на сколько-то дБ приводит к увеличению восприятия громкости в несколько раз. Попробуем объяснить на конкретных цифрах:      

  • Добавить 10 дБ = увеличить громкость в 2 раза.

  • Добавить 20 дБ = увеличить громкость в 4 раза.

  • Добавить 40 дБ = увеличить громкость в 16 раз.

  • Добавить 60 дБ = увеличить громкость в 1 000 000 раз и так далее

Еще немного цифр.

  • Увеличиваем расстояние до источника звука в 2 раза = минус 6 дБ.

  • Увеличиваем расстояние до источника звука в 10 раз = минус 20 дБ.

Вы можете подумать, что это какая-то странная и непонятная зависимость. И будете правы, ибо она не линейная, а логарифмическая, то есть добавление единицы в несколько раз увеличивает результат.

Следует также отметить, что громкость — это характеристика субъективная, зависящая от частоты. Что интересно, человек воспринимает одинаковую громкость на разных частотах как звуки разной громкости.

Чувствительность

Чувствительность – параметр, который часто указывается производителями акустических систем.

Для АС чувствительность – это интенсивность звукового давления, измеренная на расстоянии 1 м от источника звука частотой 1000 Гц и мощностью 1 Вт.

Чувствительность – величина относительная и измеряется в децибелах относительно порога слышимости. Можно встретить такое обозначение – уровень характеристической чувствительности или SPL, указываемый в дБ/Вт*м.

Для характеристики наушников чувствительность указывается по отношению к мощности (дБ/мВт), что не совсем удобно. Гораздо удобнее выражать чувствительность относительно напряжения (дБ/В), тогда её можно брать прямо из АЧХ на частоте 1 кГц.

Если представлять чувствительность относительно напряжения, то можно оценить зависимость громкости звука от подаваемого напряжения (а изменение громкости источника – это и есть изменение напряжения).

Сочетание высокой чувствительности и низкого сопротивления обеспечивают более высокую громкость, но, при этом вероятно появление лишних шумов в наушниках, которые будут слышны только тогда, когда не играет музыка, а некоторых это раздражает.

Мощность

Если снова обратиться к курсу физики, то мощность – это энергия, выделяемая в единицу времени. Поэтому более мощный звук не означает более громкий. Мощность – это скорее про механическую надежность акустической системы, а не про ее громкость.

Поясним: мощность, указываемая производителем в паспорте динамика или системы, гарантирует, что при подаче сигнала данной мощности динамическая головка не выйдет из строя.

То есть мощность – это не параметр звука, а технический параметр, который влияет на громкость.

Мощность акустической системы можно измерит разными способами и в разных условиях. Но наиболее важной характеристикой, указываемой производителем в описании акустических систем является значение мощности, указанной в Вт (RMS). Но стоит помнить о том, что громкость звука характеризуется всё же уровнем звукового давления, поэтому судить о громкости системы по показателю мощности не стоит.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ )

Что такое АЧХ? Это график, который показывает зависимость разницы амплитуд колебаний выходного и входного сигналов (вертикальная ось) от частоты (ось горизонтальная).

За 0 дБ принимают амплитуду колебаний на частоте 1 кГц. Идеальная АЧХ – это прямая линия, которую встретить нереально, к сожалению.

Поэтому чем более неравномерна кривая, тем больше искажений частот стоит ожидать от звука.

Что же означают цифры в описании неравномерности АЧХ устройства? Давайте разберем на примере. Если указано, например, 50 Гц – 16 кГц (±3 дБ), то это следует читать так: акустическая система на данном диапазоне имеет достоверное звучание, а на частотах, не попадающих в указанный диапазон, неравномерность резко увеличивается и АЧХ имеет «завал» (резкий спад характеристики).

Неравномерность АЧХ может выражаться в подъемах и спадах кривой. Так вот уменьшение уровня низких частот ведет к потере насыщенного звучания басов, а подъем вызывает гул. Если говорить о высоких частотах, при их завалах звук получается невнятным, а на подъемах будет раздражать свистом и шипящими звуками.

По отношению к наушникам, АЧХ показывает их тональный баланс. Именно по АЧХ и стоит выбирать наушники для определенных целей (басы, вокал, классика и т.д.). Вид АЧХ наушников зависит от их импеданса и полного сопротивления усилителя.

Нелинейные искажения

Так как акустические системы представляют собой сложное устройство, в котором происходят усиления сигнала, то на выходе звук обязательно имеет нелинейные искажения, одними из которых являются искажения гармонические, придающие звучанию новый тембр и ведущие к звуковым потерям.

Измеряют гармонические искажения с помощью коэффициента гармоник (КГ), который измеряется в процентах или в децибелах. Соответственно чем выше коэффициент гармоник, тем хуже звучание. Числовое значение КГ акустической системы зависит от мощности входящего сигнала.

Итак, рассмотрев основные характеристики звука, можно сказать, что правило «Чем больше цифры – тем лучше», работает далеко не всегда.

Поэтому либо осваивайте теорию и вперед со знанием дела выбирать нужное вам устройство, либо не вникайте и продолжайте доверять советам опытных продавцов-консультантов.

Что же касается основных звуковых характеристик микрофона, то этот вопрос следует разобрать более подробно и посвятить отдельную статью, что и будет сделано в скором времени.

Удачных покупок и творческих успехов!

Источник: https://pop-music.ru/articles/zvuk-v-tsifrakh/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.