Отрицательные децибелы что это
Перейти к содержимому

Отрицательные децибелы что это

  • автор:

Что означает отрицательное число децибел?

Насколько я помню из физики, громкость измеряется в децибелах (точнее, в белах) . часто на муз. центрах и прочей технике индикатор громкости показывает отрицательное число, и, чем громче звук — тем число меньше (для зануд: меньше по модулю).

Лучший ответ

Ничего особенного это не означает — децибеллы могут быть отрицательными. Децибеллы — это логарифмическая величина. Когда она отрицательная, это просто значит, что она меньше опорной.

Остальные ответы

Причина все та же – лень инженеров. Дело в том, что мощность сигнала, а именно она чаще всего измеряется в децибелах, имеет обыкновение очень сильно меняться. Например, вы стоите у окна и разговариваете по телефону, рассеянно глядя на базовую станцию на крыше дома напротив. Сделали шаг в сторону, зашли за бетонную стенку – а мощность сигнала упала в 10-15 раз. Или как вам такое: разность между мощностями принимаемого и передаваемого сигналов – 100000000 раз. Ведь гораздо удобнее писать слабее на 80dB, чем слабее в 100000000 раз.
Децибел – это логарифм соотношения мощностей, а десятичный (буду опускать, потому что других логарифмов в этой статье нет) логарифм – это степень, в которую нужно возвести десятку, чтобы получить то что в скобках.

Простой пример: log(1000) = 3 (считаем нолики) , а log(0.01) = -2

Источник: http://www.onliner.ua/technologies/tech/dbm/print
DaniXЗнаток (405) 5 лет назад
ты шо, тупой?

Скорее всего, за отсчётный уровень (соответствующий 0 дБ) взят уровень максимальной мощности данного устройства. Поскольку для нормального аудиоцентра максимальная мощность — это когда уже разговаривать в комнате нельзя, так он орёт, то все остальные уровни будут ниже отсчётного, то есть логарифм отношения булет отрицательным.

В аудиотехнике используется dBFS (Full Scale — полная шкала) — опорный сигнал 0 дБ соответствует полной шкале. Т.е. 0 дБ — это максимальная мощность, которую может выдать усилитель без искажений, поэтому значения в децибелах отрицательны, поскольку измеренная мощность меньше максимальной мощности.

Кто такие децибелы?

Кто такие децибелы?

Как и для большинства наших статей, предпосылкой для написания этой заметки стали многочисленные вопросы посетителей про уровни шума различных приборов. Особенно актуальны такие вопросы в процессе выбора вытяжек. Но и при выборе холодильников, посудомоечных и даже стиральных машин иной раз помогает определиться цифра с буквами «дБ» после себя. И сегодня мы подробно расскажем, что же такое «децибел» и каково его реальное значение в процессе выбора приборов.

В первую очередь заметим, что децибелы — это не единица измерения уровня шума. И даже больше — это вообще не единица измерения! Децибелы нельзя «измерить» — их можно только «вычислить». Громкость звука гораздо правильнее было бы «измерять» интенсивностью звуковой волны, которая имеет совершенно понятную размерность: Ватт на квадратный метр (Вт/м²). Самый тихий звук, который может различить человеческое ухо, имеет интенсивность 0,000 000 000 001 Вт/м² (или 10 -12 Вт/м²). А, скажем, интенсивность звука при работе ракетного двигателя равна 1000 Вт/м² (или 10 3 Вт/м²). А это в миллион миллиардов раз (или в 10 15 ) больше первого значения! И это еще не предел.

Поскольку диапазон значений, воспринимаемым нашим ухом, крайне велик, потребовалась какая-либо размерность, которая позволила бы более очевидным образом без использования отрицательных степеней и большого количества нулей выразить различия в уровне шума. Именно различие, а не абсолютную величину — это важно. Первой единицей, которая использовалась для чего-то подобного, была миля стандартного кабеля (англ. mile of standard cable — m. s. c.). Она не применялась непосредственно к звуку, а использовалась для отражения потерь мощности сигнала с частотой 800 Гц в телеграфном или телефонном кабеле длиной в 1 милю. Использовала такую величину телекоммуникационная компания «Лаборатории Белла» (Bell Laboratories известна также как Bell Labs). Эта компания развилась из компании AT&T, основанной американским бизнесменом Александром Беллом, более известным широкому кругу людей как изобретатель телефона. Именно поэтому величина m. s. c. спустя некоторое время после введения в обращение была модернизирована, если так можно выразиться, в белы в честь американского ученого.

В более широком понимании белы и децибелы не имеют непосредственного отношения к уровню шума. Децибел может быть определён таким утверждением, что две величины мощности отличаются на 1 децибел, когда они находятся в соотношении 10 0,1 , и любые две величины мощности отличаются на N децибел, когда они находятся в соотношении 10 N(0,1) . Количество единиц передачи (децибелов), выражающее отношение любых двух мощностей, в десять раз превышает десятичный логарифм этого отношения. Но для нас в отношении бытовой техники слово «децибел» будет непосредственно связано только с уровнем шума.

Кто такие децибелы?

За 0 бел принято пороговое значение нашего уха. То есть тот самый шум интенсивностью 10 -12 Вт/м². Обычный разговор имеет интенсивность в сто тысяч раз большую. То есть больше в 10 5 раз. Или 5 бел. Реактивный двигатель, как мы писали ранее, имеет интенсивность в 10 15 раз больше. То есть по нашей шкале его уровень шума равен 15 белам. Однако шаг в 1 бел недостаточно отражает различимые ухом громкости. Гораздо удобнее использовать десятые доли бела. Или же — децибелы. Из предыдущих примеров становится видно, что уровень шума обычного разговора равен примерно 50 децибелам, а реактивный двигатель шумит на все 150 децибел. Существуют, кстати, и отрицательные значения. Например, в глубинах экспериментальной лаборатории Building 88 на территории кампуса Microsoft находится самая бесшумная комната в мире. И это официально подтверждено — она была занесена в Книгу рекордов Гиннесса. Ее стены выполнены таким образом, что поглощают практически все звуковые колебания. Находясь в этой комнате, можно услышать, как хрустят суставы, как кровь бежит по венам и как, в буквальном смысле, шевелятся волосы. Уровень шума этого помещения −20 дБ. Это означает, что шума в ней в 100 раз меньше, чем может услышать наше ухо!

Таким образом, разница в 10 дБ между двумя источниками шума означает, что один источник шумит в 10 раз сильнее другого. Но разница в 20 децибел означает, что один источник в 100 (сто!) раз громче второго! Применительно к меньшим диапазонам, можно говорить о том, что разница в 3 децибела воспринимается как «вдвое шумнее» или же «вдвое тише», в зависимости от того, что мы сравниваем. Но, при этом, разница в 1 дБ ухом практически не различима: два прибора, один из которых «шумит» на 40 децибел, а второй на 41, будут восприниматься нами почти одинаково, и разница будет очевидна лишь для людей с тонким музыкальным слухом.

Кто такие децибелы?

Теперь представим ситуацию, когда на кухне мы хотим установить посудомоечную машину с уровнем шума, скажем, 42 дБ. А рядом поставим холодильник с заявленным уровнем шума в 40 дБ. Возникает вопрос: каков будет суммарный уровень шума двух этих приборов, работающих одновременно?

Ответ на этот вопрос не простой. И результат НЕ будет равен ни среднему значению, ни сумме двух уровней шума, ни максимальному уровню шума одного из двух приборов. На самом деле будет использована довольно «страшная» формула для человека, давно не погружавшегося в мир математических расчетов и логарифмов. Однако после длительных вычислений их результаты можно описать в одной сводной таблице, которую мы и приводим ниже.

Разность двух складываемых уровней, дБ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 15 20
Добавка к более высокому уровню, необходимая для получения суммарного уровня, дБ 3 2,5 2 1,8 1,5 1,2 1 0,8 0,6 0,5 0,4 0,2 0

Таким образом, ответом на наш вопрос будет число 44. То есть для нашего уха посудомойка (42 дБ) и холодильник (40 дБ), стоящие рядом будут восприниматься как один прибор с уровнем шума в 44 дБ. Эта таблица справедлива для тех случаев, когда приборы располагаются в сравнительной близости друг к другу и в пределах одного помещения. Ну и когда оба они включены, разумеется. Но как выполнить расчет суммарного шума от трех приборов? Предположим, к двум предыдущим приборам добавляется вытяжка, работающая на первой скорости, с уровнем шума в 47 дБ. Для решения этой задачи важно допустить, что все три устройства расположены близко друг к другу таким образом, что с расстояния до нашего уха они условно воспринимаются как единый источник шума. Для трех приборов расчет проводится последовательно, согласно таблице, начиная с двух самых шумных. Суммарно вытяжка и посудомойка будут являться источником шума в 48,2 дБ. Теперь добавляем холодильник. Получаем итог в 49 дБ. Надеемся, что данный «лайв-хак» поможет вам в будущем!

Кто такие децибелы?

В каталогах и технических характеристиках приборов многих производителей, помимо обычного уровня шума, можно увидеть еще и такую величину, как акустическое (или звуковое) давление. Если эти слова не указаны явно, то понять, что речь идет именно о давлении можно по размерности, записанной как «дБ(А)», в то время как обычный уровень шума указывается либо как простое «дБ», либо как «дБ(А) re 1 pW». В чем же разница?

Дело в том, что «чистый» уровень шума отсчитывается от нулевого значения, то есть от минимальной интенсивности звука, воспринимаемой нашим ухом. Но в реальных условиях наш организм никогда не находится в таких условиях, что это пороговое значение достижимо. Мы постоянно окружены сторонними шумами: гул машин с улицы, шелест листьев, пение птиц, гомон соседей, дуновение ветра и т. п. И акустическое давление показывает нам уровень шума прибора не относительно минимальной интенсивности звука, а относительно средней интенсивности звука, постоянно воспринимаемой нашим ухом. И эта интенсивность, понятное дело, всегда выше нулевой отметки. Поэтому и показатель акустического давления всегда меньше реального уровня шума. Примерно на 13 децибел. Это важно понимать и помнить, ведь такая разница дает возможность не самым добросовестным производителям занижать реальные показатели своих приборов. Нередки случаи, когда вы сравниваете, например, дорогую вытяжку немецкого производителя с менее дорогим аналогом из Китая, а в графе «Уровень шума» видите, что дешевый прибор даже тише своего оппонента. А на самом деле, в случае с немецкой вытяжкой, производитель указывает уровень шума, а в случае с китайской — звуковое давление. Которое, напомним, всегда ниже.

Как видно из этой статьи, уровень шума приборов — это еще один фактор, позволяющий производителю манипулировать параметрами выпускаемой продукции и дающий право «лукавить» при предоставлении информации конечному покупателю. Однако, заметим, что специалисты компании «Технолюкс» в курсе подобных уловок и всегда готовы помочь вам разобраться, где ложь, а где истина. Обращайтесь к нам и получите максимально правдивую и подробную информацию о любых приборах нашего ассортимента!

+7 (812) 382 00 20

ежедневно с 10:00 до 21:00

Измерения. Единицы измерения. Децибелы — универсальная мера

ПРИМЕНЕНИЕ ДЕЦИБЕЛ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ И ЭЛЕКТРОАКУСТИКЕ

ЧТО ТАКОЕ ДЕЦИБЕЛЫ?

Универсальные логарифмические единицы децибелы широко используются при количественных оценках параметров различных аудио и видео устройств в нашей стране и за рубежом. В радиоэлектронике, в частности, в проводной связи, технике записи и воспроизведения информации децибелы являются универсальной мерой.

Децибел — не физическая величина, а математическое понятие

В электроакустике децибел служит по существу единственной единицей для характеристики различных уровней — интенсивности звука, звукового давления, громкости, а также для оценки эффективности средств борьбы с шумами.

Децибел — специфическая единица измерений, не схожая ни с одной из тех, с которыми приходится встречаться в повседневной практике. 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.

Децибел — не физическая величина, а математическое понятие.

В этом отношении у децибел есть некоторое сходство с процентами. Как и проценты, децибелы безразмерны и служат для сравнения двух одноименных величин, в принципе самых различных, независимо от их природы. Следует отметить, что термин «децибел» всегда связывают только с энергетическими величинами, чаще всего с мощностью и, с некоторыми оговорками, с напряжением и током.

Децибел (русское обозначение — дБ, международное — dB) составляет десятую часть более крупной единицы — бела 1 .

Бел — это десятичный логарифм отношения двух мощностей. Если известны две мощности Р1 и Р2, то их отношение, выраженное в белах, определяется формулой:

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.

Напомним вкратце, что такое логарифм. Любое положительное 2 число, как целое, так и дробное, можно представить другим числом в определенной степени.

Так, например, если 10 2 = 100, то 10 называют основанием логарифма, а число 2 — логарифмом числа 100 и обозначают log10 100=2 или lg 100 = 2 (читается так: «логарифм ста при основании десять равен двум»).

Логарифмы с основанием 10 называются десятичными логарифмами и применяются чаще всего. Для чисел, кратных 10, этот логарифм численно равен количеству нулей за единицей, а для остальных чисел вычисляется на калькуляторе или находится по таблицам логарифмов.

Логарифмы с основанием е = 2,718. называются натуральными. В вычислительной технике обычно применяются логарифмы с основанием 2.

Основные свойства логарифмов:

detsibely-2.jpg

Разумеется, эти свойства справедливы и для десятичных и натуральных логарифмов. Логарифмический способ представления чисел часто оказывается очень удобным, так как позволяет подменять умножение — сложением, деление — вычитанием, возведение в степень умножением, а извлечение корня — делением.

На практике бел оказался слишком крупной величиной, например, любые отношения мощностей в границах от 100 до 1000 укладываются в пределах одного бела — от 2 Б до 3 Б. Поэтому для большей наглядности решили число, показывающее количество бел, умножать на 10 и полученное произведение считать показателем в децибелах, т. е., например, 2 Б = 20 дБ, 4,62 Б = 46,2 дБ и т. д.

Обычно отношение мощностей выражают сразу в децибелах по формуле:

detsibely-3.jpg

Действия с децибелами не отличаются от операций с логарифмами.

Нетрудно посчитать, что 1 дБ соответствует отношению мощностей примерно равному 1,259 или 26%.

2 дБ = 1 дБ + 1 дБ → 1,259 * 1,259 = 1,585;
3 дБ → 1,259 3 = 1,995;
4 дБ → 2,512;
5 дБ → 3,161;
6 дБ → 3,981;
7 дБ → 5,012;
8 дБ → 6,310;
9 дБ → 7,943;
10 дБ → 10,00.

Знак → означает «соответствует».

Подобным образом можно составить таблицу и для отрицательных значений децибел. Минус 1 дБ характеризует убывание мощности в 1/0,794 = 1,259 раза, т. е. тоже примерно на 26%.

⇒ Если Р21 т. е. P2 /P1=1, то NдБ = 0, так как lg 1=0.

⇒ Если P2 > Pl, то число децибел положительно.

⇒ Если Р2 k , где k — любое целое число (положительное или отрицательное), то NдБ = 10k, так как lg 10 k = k.

⇒ Если Р2 или Р1 равно нулю, то выражение для NдБ теряет смысл.

И еще одна особенность: кривая, определяющая значения децибел в зависимости от отношений мощностей, вначале быстро растет, затем ее рост замедляется.

Зная число децибел, соответствующих одному отношению мощностей, можно произвести пересчет для другого — близкого или кратного отношения. В частности, для отношений мощностей, различающихся в 10 раз, число децибел отличается на 10 дБ. Эту особенность децибел следует хорошо понять и твердо запомнить — она является одной из основ всей системы

К достоинствам системы децибел относят:

⇒ универсальность, т. е. возможность использования при оценке различных параметров и явлений;

⇒ огромные перепады преобразуемых чисел — от единиц и до миллионов — отображаются в децибелах числами первой сотни;

⇒ натуральные числа, представляющие степени десяти, выражаются в децибелах числами, кратными десяти;

⇒ взаимообратные числа выражаются в децибелах равными числами, но с разными знаками;

⇒ в децибелах могут быть выражены как отвлеченные, так и именованные числа.

К недостаткам системы децибел относят:

⇒ малую наглядность: для преобразования децибел в отношения двух чисел или выполнения обратных действий требуется проведение расчетов;

⇒ отношения мощностей и отношения напряжений (или токов) пересчитываются в децибелы по разным формулам, что иногда ведет к ошибкам и путанице;

⇒ децибелы могут отсчитываться только относительно не равного нулю уровня; абсолютный нуль, например 0 Вт, 0 В, децибелами не выражается.

Зная число децибел, соответствующих одному отношению мощностей, можно произвести пересчет для другого — близкого или кратного отношения. В частности, для отношений мощностей, различающихся в 10 раз, число децибел отличается на 10 дБ. Эту особенность децибел следует хорошо понять и твердо запомнить — она является одной из основ всей системы.

Сравнение двух сигналов путем сопоставления их мощностей не всегда бывает удобным, так как для непосредственного измерения электрической мощности в диапазоне звуковых и радиочастот требуются дорогие и сложные приборы. На практике при работе с аппаратурой гораздо проще измерять не мощность, которая выделяется на нагрузке, а падение напряжения на ней, а в некоторых случаях — протекающий ток.

Зная напряжение или ток и сопротивление нагрузки, легко определить мощность. Если измерения проводятся на одном и том же резисторе, то:

detsibely-4.jpg

Этими формулами очень часто пользуются практике, но обратите внимание, что если напряжения или токи измеряются на разных нагрузках, эти формулы не работают и следует использовать другие, более сложные зависимости.

Пользуясь приемом, который был использован при составлении таблицы децибел мощности, можно аналогично определить, чему равен 1 дБ отношения напряжений и токов. Положительный децибел будет равен 1,122, а отрицательный децибел будет равен 0,8913, т.е. 1 дБ напряжения или тока характеризует возрастание или убывание этого параметра примерно на 12% по отношению к первоначальному значению.

Формулы выводились в предположении, что сопротивления нагрузок имеют активный характер и между напряжениями или токами нет фазового сдвига. Строго говоря, следовало бы рассматривать общий случай и учитывать для напряжений (токов) наличие угла сдвига по фазе, а для нагрузок не только активное, но полное сопротивление, включая и реактивные составляющие, однако это существенно только на высоких частотах.

Полезно запомнить некоторые часто встречающиеся на практике значения децибел и характеризующие их отношения мощностей и напряжений (токов), приведенные в табл. 1.

Таблица 1. Часто встречающиеся значения децибел мощности и напряжения

± дБ 1 3 10 20 30
Р21 1,26
(0,79)
2
(0,5)
10
(0,1)
100
(0,01)
1000
(0,001)
± дБ 1 3 6 10 20 40
U2/U1
или I2/I1
1,12
(0,9)
1,41
(0,707)
2
(0,5)
3,16
(0,316)
10
(0,1)
100
(0,01)

Пользуясь этой таблицей и свойствами логарифмов легко подсчитать, чему соответствуют произвольные значения логарифм. Например, 36 дБ мощности можно представить как 30+3+3, что соответствует 1000*2*2 = 4000. Тот же самый результат мы получим, представив 36 как 10+10+10+3+3 → 10*10*10*2*2 = 4000.

СОПОСТАВЛЕНИЕ ДЕЦИБЕЛ С ПРОЦЕНТАМИ

Ранее отмечалось, что понятие децибел имеет некоторое сходство с процентами. Действительно, так как в процентах выражается отношение какого-то числа к другому, условно принятому за сто процентов, отношение этих чисел также можно представить в децибелах при условии, что оба числа характеризуют мощность, напряжение или ток. Для отношения мощностей:

detsibely-5.jpg

Для отношения напряжений или токов:

detsibely-6.jpg

Можно также вывести формулы для пересчета децибел в проценты отношения:

detsibely-7.jpg

В табл. 2 дан перевод некоторых, наиболее часто встречающихся значений децибел в проценты отношений. Различные промежуточные значения можно найти по номограмме на рис. 1.

detsibely-8.jpg

Рис. 1. Перевод децибел в проценты отношений по номограмме

Таблица 2. Перевод децибел в проценты отношений

% 100 50 10 1 0,1
NU или NI 0 -6 -20 -40 -60
NP 0 -3 -10 -20 -30

Рассмотрим два практических примера, поясняющих перевод процентного отношения в децибелы.

Пример 1. Какому уровню гармоник в децибелах по отношению к уровню сигнала основной частоты соответствует коэффициент нелинейных искажений в 3%?

Воспользуемся рис. 1. Через точку пересечения вертикальной линии 3% с графиком «напряжение» проведем горизонтальную линию до пересечения с вертикальной осью и получим ответ: –31 дБ.

Пример 2. Какому ослаблению напряжения в процентах соответствует его изменение на –6 дБ?

Ответ. На 50% первоначальной величины.

В практических расчетах дробную часть численного значения децибел часто округляют до целого числа, однако при этом в результаты расчетов вносится дополнительная погрешность.

ДЕЦИБЕЛЫ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Рассмотрим несколько примеров, поясняющих методику использования децибел в радиоэлектронике.

Затухание в кабеле

Потери энергии в линиях и кабелях на единицу длины характеризуются коэффициентом затухания α, который при равном входном и выходном сопротивлениях линии определяется в децибелах:

detsibely-9.jpg

где U1 — напряжение в произвольном сечении линии; U2 — напряжение в другом сечении, отстоящем от первого на единицу длины: 1 м, 1 км и т. д. Например, высокочастотный кабель типа РК-75-4-14 имеет на частоте 100 МГц коэффициент затухания α, = –0,13 дБ/м, кабель витой пары категории 5 на той же частоте имеет затухание порядка –0,2 дБ/м, а у кабеля категории 6 несколько меньше. График затухания сигнала в неэкранированном кабеле витой пары показан на рис. 2.

detsibely-10.jpg

Рис. 2. График затухания сигнала в неэкранированном кабеле витой пары

Оптоволоконные кабели имеют существенно более низкие величины затухания в диапазоне от 0,2 до 3 дБ при длине кабеля в 1000 м. Все оптические волокна имеют сложную зависимость затухания от длины волны, которая имеет три «окна прозрачности» 850 нм, 1300 нм и 1550 нм. «Окно прозрачности» означает наименьшие потери при максимальной дальности передачи сигнала. График затухания сигнала в оптоволоконных кабелях показан на рис. 3.

detsibely-11.jpg

Рис. 3. График затухания сигнала в оптоволоконных кабелях

Пример 3. Найти, каким будет напряжение на выходе отрезка кабеля РК-75-4-14 длиной l = 50 м, если ко входу его приложено напряжение 8 В частоты 100 МГц. Сопротивление нагрузки и волновое сопротивление кабеля равны, или, как говорят, согласованы между собой.

Очевидно, что затухание, вносимое отрезком кабеля, составляет K = –0,13 дБ/м * 50 м = –6,5 дБ. Это значение децибел примерно соответствует отношению напряжений 0,47. Значит, напряжение на выходном конце кабеля U2 = 8 В * 0,47 = 3,76 В.

Этот пример иллюстрирует очень важное положение: потери в линии или кабеле с ростом их длины возрастают чрезвычайно быстро. Для отрезка кабеля длиной в 1 км затухание составит уже –130 дБ, т. е. сигнал будет ослаблен более чем в триста тысяч раз!

Затухание в значительной мере зависит от частоты сигналов — в диапазоне звуковых частот оно будет гораздо меньше, чем в видео диапазоне, но логарифмический закон затухания будет тот же, и при большой длине линии ослабление будет существенным.

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:

detsibely-12.jpg

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:

detsibely-13.jpg

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 аПЗ Мерой переходного затухания в децибелах служит отношение выходных мощностей обоих каналов, когда входной сигнал подается только на один канал:

detsibely-14.jpg

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.

Шум и фон

На выходе любого приемно-усилительного устройства даже при отсутствии полезного входного сигнала можно обнаружить переменное напряжение, которое вызвано собственными шумами устройства. Причины, вызывающие собственные шумы, могут быть как внешними — за счет наводок, плохой фильтрации напряжения питания, так и внутренними, обусловленными собственными шумами радиокомпонентов. Сильнее всего сказываются шумы и, помехи, возникающие во входных цепях и в первом усилительном каскаде, так как они усиливаются всеми последующими каскадами. Собственные шумы ухудшают реальную чувствительность приемника или усилителя.

Количественная оценка шумов осуществляется несколькими способами.

Простейший состоит в том, что все шумы, независимо от причины и места их возникновения, пересчитываются ко входу, т. е. напряжение шумов на выходе (при отсутствии входного сигнала) делится на коэффициент усиления:

detsibely-15.jpg

Это напряжение, выраженное в микровольтах, и служит мерой собственных шумов. Однако для оценки устройства с точки зрения помех важно не абсолютное значение шумов, а отношение между полезным сигналом и этим шумом (отношение сигнал/шум), так как полезный сигнал должен надежно выделяться на фоне помех. Отношение сигнал/шум обычно выражают в децибелах:

detsibely-16.jpg

где Рс — заданная или номинальная выходная мощность полезного сигнала вместе с шумом; Рш — выходная мощность шумов при выключенном источнике полезного сигнала; Uc — напряжение сигнала и шумов на нагрузочном резисторе; UШ — напряжение шумов на том же резисторе. Так получается т.н. «невзвешенное» («unweighted») отношение сигнал/шум.

Часто в параметрах аудиоаппаратуры приводится отношение сигнал/шум, измеренное со взвешивающим фильтром («weighted»). Фильтр позволяет учесть разную чувствительность слуха человека к шуму на разных частотах. Чаще всего используется фильтр типа А, в этом случае в обозначении обычно указывается единица измерения «дБА» («dBA»). Использование фильтра дает обычно лучшие количественные результаты, чем для невзвешенного шума (обычно отношение сигнал/шум получается на 6—9 дБ больше), поэтому (из маркетинговых соображений) производители аппаратуры чаще указывают именно «взвешенное» значение. Подробнее о взвешивающих фильтрах см. ниже в разделе «Шумомеры».

Очевидно, что для успешной эксплуатации устройства отношение сигнал/шум должно быть выше какого-то минимально допустимого значения, которое зависит от назначения и требований, предъявляемых к устройству. Для аппаратуры класса Hi-Fi этот параметр должен быть не менее 75 дБ, для аппаратуры Hi-End — не менее 90 дБ.

Иногда на практике пользуются обратным отношением, характеризуя им уровень шумов относительно полезного сигнала. Уровень шумов выражается тем же числом децибел, что и отношение сигнал/шум, но с отрицательным знаком.

В описаниях приемно-усилительной аппаратуры иногда фигурирует термин уровень фона, который характеризует в децибелах отношение составляющих напряжения фона к напряжению, соответствующему заданной номинальной мощности. Составляющие фона кратны частоте питающей сети (50, 100, 150 и 200 Гц) и при измерении выделяются из общего напряжения помех при помощи полосовых фильтров.

Отношение сигнал/шум не позволяет, однако, судить о том, какая часть шумов обусловлена непосредственно элементами схемы, а какая внесена в результате несовершенства конструкции (наводки, фон). Для оценки шумовых свойств радиокомпонентов вводится понятие коэффициента (фактора) шума. Коэффициент шума оценивается по мощности и также выражается в децибелах. Характеризовать этот параметр можно следующим образом. Если на входе устройства (приемника, усилителя) одновременно действуют полезный сигнал мощностью Рс и шумы мощностью Рш, то отношение сигнал/шум на входе будет сш)вх После усиления отношение сш)вых окажется меньше, так как к входным шумам добавятся и усиленные собственные шумы усилительных каскадов.

Коэффициентом шума называют выраженное в децибелах отношение:

detsibely-17.jpg

где Кр — коэффициент усиления по мощности.

Следовательно, коэффициент шума представляет отношение мощности шумов на выходе к усиленной мощности шумов, действующих на входе.

Значение Рш.вх определяется расчетным путем; Рш.вых измеряется, а Кр обычно . известно из расчета или после измерения. Идеальный с точки зрения шумов усилитель должен усиливать только полезные сигналы и не должен вносить дополнительные шумы. Как следует из уравнения, для подобного усилителя коэффициент шума FШ = 0 дБ.

Для транзисторов и ИС, предназначенных для работы в первых каскадах усилительных устройств, коэффициент шума регламентируется и приводится в справочниках.

Напряжение собственных шумов определяет и другой важный параметр многих усилительных устройств — динамический диапазон.

Динамический диапазон и регулировки

Динамическим диапазоном называется выраженное в децибелах отношение максимальной неискаженной выходной мощности к ее минимальному значению, при котором, еще обеспечивается допустимое отношение сигнал/шум:

detsibely-18.jpg

Чем меньше уровень собственных шумов и чем выше неискаженная выходная мощность, тем шире динамический диапазон.

Аналогичным образом определяется и динамический диапазон источников звука — оркестра, голоса, только здесь минимальная мощность звука определяется шумовым фоном. Чтобы устройство могло передать без искажений как минимальную, так и максимальную амплитуды входного сигнала, его динамический диапазон должен быть не меньше динамического диапазона сигнала. В случаях, когда динамический диапазон входного сигнала превышает динамический диапазон устройства, его искусственно сжимают. Так поступают, например, при звукозаписи.

Эффективность действия ручного регулятора громкости проверяется при двух крайних положениях регулятора. Сначала при регуляторе в положении максимальной громкости на вход усилителя звуковой частоты подается напряжение частотой 1 кГц такой величины, чтобы на выходе усилителя установилось напряжение, соответствующее некоторой заданной мощности. Затем ручку регулятора громкости переводят на минимальную громкость, а напряжение на входе усилителя поднимают до тех пор, пока напряжение на выходе снова не станет равным первоначальному. Отношение входного напряжения при регуляторе в положении минимальной громкости к входному напряжению при максимальной громкости, выраженное в децибелах, является показателем работы регулятора громкости.

Приведенными примерами далеко не исчерпываются практические случаи приложения децибел к оценке параметров радиоэлектронных устройств. Зная общие правила, применения этих единиц, можно понять, как они используются в других, не рассмотренных здесь условиях. Встретившись с незнакомым термином, определенным в децибелах, следует отчетливо представить, отношению каких двух величин он соответствует. В одних случаях это понятно из самого определения, в других случаях связь между составляющими сложнее, и, когда нет четкой ясности, следует обратиться к описанию методики измерения во избежание серьезных ошибок.

Оперируя с децибелами, следует всегда обращать внимание на то, отношению каких единиц — мощности или напряжения — соответствует каждый конкретный случай, т. е. какой коэффициент — 10 или 20 — должен стоять перед знаком логарифма.

ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ МАСШТАБ

Логарифмическая система, в том числе и децибелы, часто применяется при построении амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) — кривых, изображающих зависимость коэффициента передачи различных устройств (усилителей, делителей, фильтров) от частоты внешнего воздействия. Для построения частотной характеристики расчетным или опытным путем определяется ряд точек, характеризующих выходное напряжение или мощность при неизменном входном напряжении на разных частотах. Плавная кривая, соединяющая эти точки, характеризует частотные свойства устройства или системы.

Если по оси частот численные значения откладывать в линейном масштабе, т. е. пропорционально их фактическим значениям, то такая частотная характеристика окажется неудобной для пользования и не будет наглядной: в области низших частот она сжата, а высших — растянута.

Частотные характеристики строятся обычно в так называемом логарифмическом масштабе. По оси частот в удобном для работы масштабе откладываются величины, пропорциональные не самой частоте f, а логарифму lgf/fo, где fо — частота, соответствующая началу отсчета. Против отметок на оси надписываются значения f. Для построения логарифмических АЧХ используют специальную логарифмическую миллиметровую бумагу.

При проведении теоретических расчетов обычно пользуются не просто частотой f, а величиной ω = 2πf которую называют круговой частотой.

Частота fо, соответствующая началу отсчета, может быть сколь угодно малой, но не может быть равной нулю.

По вертикальной оси откладываются в децибелах либо в относительных числах отношения коэффициентов передачи при различных частотах к его максимальному либо среднему значению.

Логарифмический масштаб позволяет на небольшом отрезке оси отобразить широкий диапазон частот. На такой оси одинаковым отношениям двух частот соответствуют равные по длине участки. Интервал, характеризующий рост частоты в десять раз, называют декадой; двукратному отношению частот соответствует октава (этот термин заимствован из теории музыки).

Частотный диапазон с граничными частотами fH и fВ занимает в декадах полосу fB/fH= 10m, где m — число декад, а в октавах 2 n , где n — число октав.

Если полоса в одну октаву слишком широка, то можно применять интервалы с меньшим отношением частот в пол-октавы или трети октавы.

Средняя частота октавы (полуоктава) не равна среднему арифметическому от нижней и верхней частот октавы, а равна 0,707 fВ.

Частоты, найденные подобным образом, называют среднеквадратичными.

Для двух соседних октав средние частоты также образуют октавы. Пользуясь этим свойством, можно по желанию один и тот же логарифмический ряд частот считать либо границами октав, либо их средними частотами.

На бланках с логарифмической сеткой средняя частота делит октавный ряд пополам.

На оси частот в логарифмическом масштабе на каждую треть октавы приходятся равные отрезки оси, каждый длиной в одну треть октавы.

При испытаниях электроакустической аппаратуры и проведении акустических измерений рекомендуется применять ряд предпочтительных частот. Частоты этого ряда являются членами геометрической прогрессии со знаменателем 1,122. Для удобства значения некоторых частот округлены в пределах ±1%.

Интервал между рекомендованными частотами составляет одну шестую октавы. Сделано это не случайно: ряд содержит достаточно большой набор частот для разных видов измерений и вбирает ряды частот с интервалами в 1/3, 1/2 и целую октаву.

И еще одно важное свойство ряда предпочтительных частот. В некоторых случаях в качестве основного интервала частот используется не октава, а декада. Так вот, предпочтительный ряд частот в равной мере можно рассматривать и как двоичный (октавный), и как десятичный (декадный).

Знаменатель прогрессии, на основе которой построен предпочтительный ряд частот, численно равен 1дБ напряжения, или 1/2 дБ мощности.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИМЕНОВАННЫХ ЧИСЕЛ В ДЕЦИБЕЛАХ

До сих пор мы полагали, что и делимое и делитель под знаком логарифма имеют произвольную величину и для выполнения децибельного пересчета важно знать только их отношение независимо от абсолютных значений.

В децибелах можно выражать также конкретные значения мощностей, а также напряжений и токов. Когда величина одного из членов, стоящих под знаком логарифма в рассмотренных ранее формулах задана, второй член отношения и числа децибел будут однозначно определять друг друга. Следовательно, если задаться какой-либо эталонной мощностью (напряжением, током) в качестве условного уровня сравнения, то другой мощности (напряжению, току), сопоставляемой с ней, будет соответствовать строго определенное число децибел. Нулю децибел в этом случае отвечает мощность, равная мощности условного уровня сравнения, так как при NP= 0 Р21 поэтому этот уровень обычно называют нулевым. Очевидно, что при разных нулевых уровнях одна и та же конкретная мощность (напряжение, ток) будут выражаться разными числами децибел.

detsibely-19.jpg

где Р — мощность, подлежащая преобразованию в децибелы, а Р0 — нулевой уровень мощности. Величина Р0 ставится в знаменателе, при этом положительными децибелами выражаются мощности Р > Р0.

Условный уровень мощности, с которым производится сравнение, в принципе может быть любым, однако не каждый был бы удобен для практического использования. Чаще всего за нулевой уровень выбирается мощность в 1 мВт, рассеиваемая на резисторе сопротивлением 600 Ом. Выбор этих параметров произошел исторически: первоначально децибел как единица измерения появился в технике телефонной связи. Волновое сопротивление воздушных двухпроводных линий из меди близко к 600 Ом, а мощность в 1 мВт развивает без усиления высококачественный угольный телефонный микрофон на согласованном сопротивлении нагрузки.

Для случая, когда Р0 = 1 мВт=10 –3 Вт: Pр = 10 lg P + 30

Тот факт, что децибелы представляемого параметра отчитываются относительно определенного уровня, подчеркивают термином «уровень»: уровень помех, уровень мощности, уровень громкости

Пользуясь этой формулой, легко найти, что относительно нулевого уровня 1 мВт мощность 1 Вт определяется как 30 дБ, 1 кВт как 60 дБ, а 1 МВт — это 90 дБ, т. е. практически все мощности, с которыми приходится встречаться, укладываются в пределах первой сотни децибел. Мощности, меньшие 1 мВт, будут выражаться отрицательными числами децибел.

Децибелы, определенные относительно уровня 1 мВт, называют децибел-милливаттом и обозначают дБм или dBm. Наиболее распространенные значения нулевых уровней сведены в таблицу 3.

Аналогичным образом можно представить формулы для выражения в децибелах напряжений и токов:

detsibely-20.jpg

  • Главная
  • Статьи
  • Измерения. Единицы измерения. Децибелы — универсальная мера

Что такое «децибел»? И как он появился?

Фото к статье «Что такое «децибел»? И как он появился?»

Как правило, громкость звука оценивается в децибелах. Но что такое эти «децибелы», как и откуда они появились? Давайте разбираться.

Фото к статье «Что такое «децибел»? И как он появился?»

Децибел — это всего лишь десятая часть более крупной величины — Бела. Поэтому сначала стоит рассмотреть, что такое 1 Бел.
Прежде всего, необходимо прояснить, что Бел не является единицей измерения! 1 Бел — это относительное математическое понятие, которое показывает разницу двух мощностей. Важно понимать, что в Белах оценивают не только интенсивность (громкость) звука, но и многие другие показатели. Единственное важное условие: обе величины должны быть выражены в одинаковых единицах измерения. Оценку мощности в Белах применяют в разных сферах: электрической, механической, акустической и электромагнитной.

В акустике Бел показывает насколько та или иная звуковая величина интенсивнее (больше) по отношению к определённому опорному значению. За это значение берётся условный ноль, то есть интенсивность звука на минимальном пороге слышимости человека. Таким образом, Бел — это логарифмическое отношение двух измеряемых мощностей: конкретного звукового сигнала и условного нуля. Соответственно, децибел представляет собой одну десятую часть от данного отношения или попросту в 10 раз меньше её.

Динамический диапазон слуха человека располагается в промежутке от 0 до 120 дБ. Стоит отметить, что 0 дБ — это минимальное различимое человеческим ухом звуковое значение, а 130 дБ являются болевым порогом. При воздействии на человека звука интенсивностью в 140 дБ (например, рёв взлетающего реактивного самолёта) — наступает контузия, а при 160 дБ происходит шок и разрыв барабанной перепонки. Длительное воздействие звука интенсивностью в 180 дБ и более вызывает смерть человека. В свою очередь, максимальное значение громкости звука составляет 194 дБ. Всё, что выше уже можно отнести к разряду ударных волн. Именно поэтому ударные волны уже не относятся тому звуковому диапазону, которое может различить человеческое ухо. На фото приведены примеры соотношения звуковых сигналов, различаемых человеком, и уровнем их громкости в децибелах.

Однако существуют и звуки, которые наш орган слуха воспринять не может. Такие звуковые сигналы относятся к области отрицательных децибел. Как правило, они характеризуют потери энергии (в фильтрах, делителях, длинных линиях) и называются «децибелами затухания или потерь».

Таким образом, 1 Бел — это математическая величина, которая оценивает отношение двух мощностей. В акустической сфере Бел показывает интенсивность звуковой волны на квадратный метр. А децибел является десятой частью 1 Бела и используется для сокращения и упрощения вычислений.

Узнавайте всё самое интересное о слухе вместе с «Аудиале»!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *