Что такое децибел – примеры уровня дБ из повседневной жизни

История

Распространение децибела берёт начало от методов, используемых для количественной оценки потери (ослабления) сигнала в телеграфных и телефонных линиях. Единицей потерь изначально была миля стандартного кабеля (англ. mile of standard cable — m.s.c.). 1 m.s.c. соответствовала потерям мощности сигнала с частотой 800 Гц в кабеле длиной в 1 милю (примерно 1,6 км), имеющем распределённое сопротивление 88 Ом (на петлю) и распределённую ёмкость 0,054 мкФ (диаметр жил витой пары около 0,9 мм). Такая величина потерь была близка к наименьшей различимой средним слушателем разнице двух сигналов по громкости. Однако миля стандартного кабеля была частотно-зависимой, и она не могла быть полноценной единицей отношения мощностей.

В 1924 году компания «Белл телефон» получила положительный ответ на новое определение единицы среди членов Международного телеграфного союза в Европе: вместо m.s.c. — единица передачи (transmission unit, TU). Единица передачи определялась так, что численное выражение в этих единицах соответствовало десяти десятичным логарифмам отношения измеренной мощности к исходной мощности [9] . Удобство такого определения было в приблизительном соответствии старой и новой единиц (1 m.s.c. — это примерно 0,95 TU). В 1928 году компания «Белл телефон» переименовала единицу передачи TU в децибел, который стал одной десятой вновь определённой единицы логарифмического отношения мощностей, получившей наименование бел в честь американского учёного Александра Белла. Единица бел используется редко, в то время как децибел получил широкое распространение .

Изначальное определение децибела в Ежегоднике стандартов Национального института стандартов и технологий в США от 1931 года :

Децибел может быть определён таким утверждением, что две величины мощности отличаются на 1 децибел, когда они находятся в соотношении 100,1, и любые две величины мощности отличаются на N децибел, когда они находятся в соотношении 10N(0,1). Количество единиц передачи (децибелов), выражающее отношение любых двух мощностей, в десять раз превышает десятичный логарифм этого отношения.

В апреле 2003 года Международный комитет мер и весов (МКМВ) рассматривал рекомендацию о включении децибела в Международную систему единиц (СИ), но отказался от этого предложения. Однако децибел признан другими международными организациями, такими как Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Международная организация по стандартизации (ИСО). МЭК позволяет использовать децибел и с силовыми, и с энергетическими величинам, и этой рекомендации следуют многие национальные организации по стандартизации.

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.

Применение децибел

Один из примеров — последовательное соединение операционных усилителей, каждый из которых усиливает или ослабляет сигнал. Зеленым цветом указаны их коэффициенты усиления в линейном масштабе, красным – в децибелах. Желая определить результирующее усиление всей системы, необходимо перемножить коэффициенты усиления всех элементов. Без калькулятора это достаточно сложно для простого человека :).

Другое дело, когда мы оперируем в децибелах. Здесь нам достаточно сложить отдельные значения и у нас уже есть готовый результат! Может быть, в эпоху калькуляторов и компьютеров, этот пример не такой убедительной, как раньше, но, несмотря на это, все же намного легче складывать, чем умножать.

Зачастую децибелы используются при построении графиков. Это относится, в частности, когда характеристики меняются в очень широком диапазоне. Лучше всего это понять, изучив следующие два графика.

На первом из них приведена характеристика полосового фильтра в линейном масштабе. На горизонтальной оси отмечена частота фильтра в диапазоне от 0 до 10000 Гц, а на вертикальной оси — затухание. Из этого графика мало что видно!

Первый уклон настолько крутой, что он почти вертикальный. Также трудно определить центральную частоту (пик). Точно так же трудно сказать о втором уклоне. Он настолько растянут, что большая часть графика представляет собой горизонтальную линию, которая ни о чем нам не говорит!

А так выглядит та же характеристика, но по шкале децибел:

Первоначально график может напугать своей странной сеткой. Посмотрим на левую часть горизонтальной оси, а точнее на отрезок от 1 до 10. Вспомогательные линии сетки обозначают следующие значения: 2, 3, 4 и т. д. В диапазоне от 10 до 100 вспомогательные линии сетки обозначают значения 20, 30, 40 и т. д. Такая же ситуация наблюдается и по вертикальной оси.

Вернемся к характеристикам. На этот раз все пространство графика заполнено равномерно. Уклоны кажутся прямыми, и нет проблем с определением центральной частоты. Также легко определить характерные точки и крутизну уклонов.

Как децибелы используются в записывающем оборудовании

Итак, вы уяснили для себя, что такое децибел, и теперь готовы работать над своей музыкой в DAW. Открываете программу и видите, что шкала дБ находится в диапазоне от -18 до 6 дБ. Желая сделать свой трек громче, вы выставляете значение 6 дБ и внезапно получаете клиппинг и искажение сигнала. В чем дело?

А дело в том, что 0 дБ в цифровой компьютерной программе – это не 0 дБ в реальном мире, то есть не «отсутствие слышимого звука». Это максимальный уровень сигнала, который DAW может обработать без внесения искажений.

Здесь все завязано на кодировании сигнала на входе и выходе.

СОВЕТ!

При домашней записи музыки (вокал, гитара) через аудиоинтерфейс на мастершине в DAW устанавливайте уровень в -6 Дб. Это убережет вашу запись от клиппинга на пиковых значениях.

Не бойтесь того, что ваш трек будет звучать тихо. Громкость добавится на этапах сведения и мастеринга, когда в композиции уже будет достигнут оптимальный баланс всех частот.

Вы просто гитарист, которому нужно сделать короткую демо-запись? Выставьте -6 дБ на входе и -6 дБ на выходе и забудьте обо всем.

Удобства применения децибелов

Прежде всего следует отметить удобство децибела по сравнению с единицей бел. Для практических применений бел оказался слишком крупной единицей, часто предполагающей дробную запись значения логарифмической величины. Перечисленные ниже удобства так или иначе связаны с применением не только децибелов, а логарифмической шкалы и логарифмических величин вообще.

• Характер отображения в органах чувств человека и животных изменений течения многих физических и биологических процессов пропорционален логарифму интенсивности раздражителя (см. Закон Вебера — Фехнера). Эта особенность делает применение логарифмических шкал, логарифмических величин и их единиц вполне естественным. Например, одной из таких шкал является музыкальная равномерно темперированная шкала частот.
• Логарифмическая шкала даёт наглядное графическое представление и упрощение анализа величины, изменяющейся в очень широких пределах (примеры — диаграмма направленности антенны, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) системы автоматического регулирования). Это же относится к передаточным частотным характеристикам электрических фильтров (см. Логарифмическая амплитудно-фазовая частотная характеристика). При этом форма кривой упрощается и возможно применение кусочно-линейной аппроксимации, при которой скорость убывания частотной характеристики имеет размерность дБ/декада или дБ/октава [6] . Упрощается анализ частотной характеристики фильтров, составленных из последовательно включенных звеньев с независимыми друг от друга частотными характеристиками. Следует заметить, что построение графиков в логарифмическом масштабе требует определённого навыка (см. Логарифмическая бумага).
• Логарифмическое представление некоторых относительных величин в ряде случаев упрощает математические операции с ними, в частности, умножение и деление заменяются сложением и вычитанием. Например, если собственные коэффициенты усиления последовательно включённых усилителей выражены в децибелах, то общий коэффициент усиления находится как сумма собственных коэффициентов.

Почему используют децибелы, а не прямые величины

Использование логарифмических зависимостей часто более понятно и несет больше информации, чем прямые измерения. Это видно на примере построения графиков амплитудно-частотной характеристики. И такой случай не единичный, многие зависимости более информативны в логарифмической зависимости.

Кроме того, децибелы используют в тех областях, где параметры изменяются в очень широком диапазоне. Более понятна нам ситуация со звуками. Человек в состоянии воспринимать частоты от 20 Гц до 20 000 Гц. Ничего себе разброс! В тысячу раз.

Интенсивность звука и его соответствие в дБА

С уровнем звука еще круче. Нижний предел восприятия — 10-12 Вт/м, а уровень, при котором возникает боль — 10 Вт/м. То есть, диапазон измерения значений — 13 порядков. Это 10 000 000 000 000 раз. Оперировать такими цифрами, как минимум неудобно. С использованием относительных величин — децибел — цифры получаются значительно меньше, работать, воспринимать и запоминать их легче. Несколько примеров:

• Если показатель увеличился в 10 раз, говорят, что он увеличился на 1 Бел.
• Если тот же показатель увеличился в 100 раз, то говорят об увеличении на 2 Бела.
• Увеличение в 100 000 тысяч раз  — всего на 5 Бел.

Заметили разницу? Показатель увеличился в 100 раз, а в белах увеличился на 2 Б.  Это удобнее. Согласитесь, проще оперировать единицами, чем сотнями тысяч. Важно просто понимать смысл сказанного. При возрастании прямых величин их надо умножать на то число, на которое параметр увеличился. При оперировании децибелами их складывают. Согласитесь, это проще.

Как считают децибелы

Больше в ходу не Белы, а их десятая часть — децибелы (обозначение dB или дБ). Ведь чаще увеличение не в сотни и тысячи раз, а чуть поскромнее. Так что обычно говорят об увеличении того или иного показания или характеристики на 5 дБ или на 10 дБ.

Пример соответствия децибел и «раз»

Но важно помнить, что описанная выше прямая зависимость характерна только для энергетических величин (это если мощность возросла в 10 раз, то она увеличилась на 10 дБ).  Для других зависимость тоже логарифмическая, но вычисляется по другой формуле. И это надо помнить.

Децибелы Соотношение мощностей Соотношение амплитуд

Возможно, поможет понять что такое децибел следующие сравнение. Представим, что мощность изменяется литрами. Соотношение между 0,5 литра и 1 литром такое же как и между 1 литром и 2 литрами. Это 0,5 и равно оно 6 дБ. Но если сравнивать 0,5 и 0,75 литра, то они относятся как 0,66(6) что в децибелах около 3,6 дБ.

Закон Вебера-Фехнера

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

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

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

Допустимый уровень шума.

Допустимый уровень шума – это уровень шума, который не вызывает у человека беспокойства и любых других физиологических либо психических изменений, как правило не превышающий 55 децибел (дБ). Высокий уровень шума таит в себе очень большую опасность. Чтобы понять какое влияние оказывает шум для слуха, необходимо иметь представление о допустимых нормах шума для разного времени суток, а также знать, какой уровень шума в децибелах производят различные звуки. После этого можно понять, являются ли безопасными для слуха определенные звуки или таят в себе опасность. После понимания важности влияния шума, можно будет стараться избегать вредного воздействия звуков на слух.

Чувствительность человеческого уха и громкость звука ( SPL )

Чувствительность человеческого слуха к громкости звука характеризует уровень звукового давления по шкале децибелов ( SPL — Sound Pressure Level). При этом за точку отсчета 0 дБ принят порог слышимости. Это минимальный уровень звукового давления, при котором большинство людей еще способны слышать звук. Хотя этот порог субъективен. Некоторые люди с очень острым слухом могут расслышать звуки при уровне звукового давления даже ниже О дБ.

Допустимые нормы уровня шума в квартире и других жилых помещениях.

Допустимые нормы уровня шума определяются согласно установленным санитарным нормам, допустимым считают уровень шума не наносящий вреда слуху даже после длительного воздействия на слуховой аппарат. Допустимая величина составляет:

• в дневное время допустимый уровень шума равен – 55 децибел (дБ);
• в ночное время допустимый уровень шума равен – 40 децибел (дБ).

Данная величина является оптимальной для нашего уха. Однако в условиях больших городов они, как правило, нарушаются.

Допустимые уровни шума и звука в жилых помещениях№ пп Вид трудовой деятельности, рабочее место Время суток Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц Уровни звука и эквива­лен­тные уровни звука (в д БА)Макси­маль­ные уровни звука LАмакс, д БА

Как измерить уровень шума в жилом помещении?

Шумные соседи, стройка за окном, работающая бытовая техника – все это может создавать акустический фон, от неприятного до ощутимого физически.

Нужно пытаться устранить проблему, но сначала стоит замерить уровень шума. В зависимости от поставленных целей, это можно сделать несколькими способами.

Профессиональным шумомером

Бюджетный вариант оборудования стоит от 2 тыс. руб. Стоит ли тратить деньги на такое оборудование? Наверное, нет, ведь точных данных он не даст, а хороший прибор стоит до 300 тыс. руб.

Прибор необходимо проверить перед измерением. Метрологическая служба должна дать заключение, что прибор исправен и его замеры соответствуют эталонным нормам, а это дополнительные расходы.

Специальные компьютерные программы

Можно провести измерения с помощью специальных компьютерных программ, приложений для смартфонов и планшетов. Их много, большинство бесплатны.

Но стоит учесть, что в мобильных приложениях параметры микрофона и обработчика сигналов не согласованы, поэтому точность измерений планшетами, смартфонами, ноутбуками будет ниже, чем специализированной техникой.

Усилители звуковой частоты

В усилители звуковой частоты с целью повышения их качественных показателей обычно вводится отрицательная обратная связь. Если коэффициент усиления устройства по напряжению без обратной связи равен К, а с обратной связью КОС то число, показывающее, во сколько раз изменяется коэффициент усиления под действием обратной связи, называют глубиной обратной связи. Ее обычно выражают в децибелах. В работающем усилителе коэффициенты К и КОС определяются экспериментально, если только усилитель не возбуждается при разомкнутой петле обратной связи. При проектировании усилителя сначала вычисляют К, а затем определяют значение КОС следующим образом:

где β — коэффициент передачи цепи обратной связи, т. е. отношение напряжения на выходе цепи обратной связи к напряжению на ее входе.

Глубина обратной связи в децибелах может быть рассчитана по формуле:

Стереофонические устройства по сравнению с монофоническими должны удовлетворять дополнительным требованиям. Эффект объемного звучания обеспечивается только при хорошем разделении каналов, т. е. при отсутствии проникновения сигналов из одного канала в другой. В практических условиях это требование полностью удовлетворить не удается, и взаимное просачивание сигналов имеет место, главным образом, через узлы, общие для обоих каналов. Качество разделения по каналам характеризуется так называемым переходным затуханием а ПЗ Мерой переходного затухания в децибелах служит отношение выходных мощностей обоих каналов, когда входной сигнал подается только на один канал:

где РД — максимальная выходная мощность действующего канала; РСВ — выходная мощность свободного канала.

Хорошему разделению каналов соответствует переходное затухание 60—70 дБ, отличному –90—100 дБ.

Как вам статья?

Павел

Бакалавр "210400 Радиотехника" – ТУСУР. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники

Написать

Пишите свои рекомендации и задавайте вопросы