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分贝

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简介编辑本段回目录

分贝(decibel)dB
声音的响度

声音其实是经媒介传递的快速压力变化。当声音於空气中传递,大气压力会循环变化。每一秒内压力变化的次数叫作频率,量度单位是赫兹(Hz),其定义为每秒的周期数目。

频率越高,声音的音调越高。如下图显示,击鼓产生的频率远较吹哨子产生的频率低。请按一下【示范】按钮,听听它们发出的声音,及细察其音调的不同。

响亮度和分贝标度编辑本段回目录

响亮度是声音或噪音的另一个特性。犟的噪音通常有较大的压力变化,弱的噪音压力变化则较小。压力和压力变化的量度单位为巴斯卡,缩写为Pa。其定义为牛顿/平方米 ( N/m2)。

人类的耳朵能感应声压的范围很大。正常的人耳能够听到最微弱的声音叫作「听觉阈」,为20个微巴斯卡 (缩写为μPa) 的压力变化,即20x10-6 Pa ("百万分之二十巴斯卡")。另一方面,非常噪吵的情况能产生很大的压力变化,例如一架太空穿梭机在发出最大马力时能在近距离产生大约 2,000 Pa或2 x 109μPa的噪音。下表显示由上述情况产生不同的声压级,以巴斯卡及微巴斯卡表示。如用巴斯卡(Pa)来表达声音或噪音,我们须处理小至20,大至2,000,000,000的数字。

明显地,如用巴斯卡(Pa)来表达声音或噪音会颇为不便。较简单的做法是用一个对数标度(logarithmic scale)来表达声音或噪音的响亮度,以10作为基数。

为避免以巴斯卡(Pa)来表达声音或噪音(以防处理难以操纵的数字),故使用分贝(dB)这个标度。该标度以「听觉阈」,20 μPa 或20 x 10-6 Pa作为参考声压值,并定义这声压水平为0分贝(dB)。

声压级,缩写通常为SPL或者Lp,其单位为分贝(dB),可经由以下算式求得。

用对数标度来表达声音和噪音还有另一优点:人类的听觉反应是基於声音的相对变化而非绝对的变化。对数标度正好能模仿人类耳朵对声音的反应。

於分贝标度上计算声音或噪音的和

现实生活中我们经常会同时遇到几个声音。你知道一个声音与另一个声音结合时,会产生甚么结果吗?

我们都知道60个苹果加60 个苹果,等於120个苹果。但是,这并不适用於以分贝来表示的声音。事实上,60分贝加60分贝只等於63分贝。下面的公式解释声音相加的原理,请按一下【示范】按钮阅读详细内容:

"A"加权声

正常的人耳能听到20赫玆到20,000赫玆频率的声音。20赫玆到20,000赫兹的范围叫作「人耳可听声范围」。我们听到包含各种频率的声音。整个「人耳可听声范围」可分成8个或24个「频率带」,分别称为倍频程或1/3倍频程。声音或噪音在不同的频率带可有不同的犟度或声压级,如下图所示。请按一下【示范】按钮,看看声音如何分为8个倍频程或24个1/3倍频程。

声音通常以一个声压级值来描述。方法就是将所有倍频程或1/3倍频程所占的部份加在一起,得出一个声压级。

人类耳朵对声音的敏感度取决於声音的频率。对於2,500赫兹到3,000赫兹的声音,人类耳朵的反应最灵敏,而对低频率的声音,敏感度则较低。故此,将所有倍频程或1/3倍频程所占的部份加在一起,所得到的数值并不能有效反映人类耳朵对声音频率的非缐性反应。

以"A"加权声级度为例,在将低频率及高频率的声压级值加在一起之前,声压级值会根据公式减低。声压级值加在一起後所得数值的单位为分贝(A)。分贝(A)较常用是因为这个标度更能准确地反映人类耳朵对频率的反应。量度声压级的仪器通常都附有加权网络,以提供分贝(A)的读数。

另:分贝是音量的单位,分贝数越大代表的所发出的声音越大,分贝在计算上是每增加 10 分贝,则声音大小约是原来的十倍。

分贝(2)
通信系统传输单位
在我们日常生活和工作中离不开自然计数法,但在一些自然科学和工程计算
中,对物理量的描述往往采用对数计数法。从本质上讲,在这些场合用对数
形式描述物理量是因为它们符合人的心理感受特性。这是因为,在一定的刺
激范围内,当物理刺激量呈指数变化时,人们的心理感受是呈线性变化的,
这就是心理学上的韦伯定律和费希钠定律。它揭示了人的感官对宽广范围刺
激的适应性和对微弱刺激的精细分辨,好象人的感受器官是一个对数转换装
置一样。例如两个倍频的声音可以感受一个八度音程,而一个十二平均律的
小二度正好是八度音程的对数的十二分之一。
采用对数描述上述的物理量,一是用较小的数描述了较大的动态范围,特别
有利于作图的情况。它也把某些非线性变化的量转换成线性量。例如频率从
直流到1Hz的差别可比1000Hz到1001Hz差别大得多。当然频率的对数单位不是以dB而是以倍频程表示。另一个好处是把某些乘除运算变成了加减运算,如计算多级电路的增益,只需求各级增益的代数和,而不必将各级的放大/衰减
倍数相乘。
我们知道,零和小于零的负数是没有对数的,只有大于零的正数才能取对数,
这样一来,原来的物理量经过对数转换后,原来的功率、幅度、倍数等这些
非负数性质的量,它们的值域便扩展到了整个实数范围。这并不意味着它们
本身变负了,而只是说明它们与给定的基准值相比,是大于基准值还是小于
基准值,小于则用负对数表示,若大于则用正对数表示。
分贝的计算很简单,对于振幅类物理量,如电压、电流强度等,将测量值与
基准值相比后求常用对数再乘以20;对于它们的平方项的物理量如功率,取
对数后乘以10就行了;不管是振幅类还是平方项,变成分贝后它们的量级是
一致的,可以直接进行比较、计算。
在电信技术中一般都是选择某一特定的功率为基准,取另一个信号相对于这
一基准的比值的对数来表示信号功率传输变化情况,经常是取以10为底的常
用对数和以e=2.718为底的自然对数来表示。其所取的相应单位分别为贝尔
(B)和奈培(Np)。贝尔(B)和奈培(Np)都是没有量纲的对数计量单位。
分贝(dB)的英文为decibel,它的词冠来源于拉丁文decimus,意思是十分之
一,decibel就是十分之一贝尔。分贝一词于1924年首先被应用到电话工程
中。
在1926年国际长途电话咨询委员会召开的第一次全体会议上,讨论并通过了使用传输单位的建议,贝尔和奈培正式在通信领域中普遍使用。分贝的代号
也有过多种形式:DB、Db、db、dB。1968年国际电报电话咨询委员会(CCITT)第四次全会,考虑到在通信领域里同时使用两种传输单位非常不方便,而当时无线电领域中却只使用着一种传输单位dB,因此全会一致通过了第B4号建议,规定在国际上只使用分贝一种传输单位,并统一书写为dB。
我国在1980年以前,无线电领域多使用dB,载波电话、电报等多使用Np,依稀记得在1980年原邮电部邮科字第929号通知规定:全国电信部门统一使用
分贝(dB)为电信传输单位。
我们知道,测量海拔高低的基准点是位于青岛的黄海水准点,测量温度高低
的基准点是纯水在一个大气压时的结冰点,测量电信号(功率、电压、电流)
的基准点就是本文前面提到的人为选择的特定基准,这个基准我们暂且把它
叫做“零电平”。这个特定的功率基准就是取一毫瓦(mW)功率作为基准值
,这里要特别强调的是:这一毫瓦基准值是在600欧姆(Ω)的纯电阻上耗散
一毫瓦功率,此时电阻上的电压有效值为0.775伏(V),所流过的电流为1.291
毫安(mA)。取作基准值的1mW,0.707V,1.291mA分别称为零电平功率,零电平电压和零电平电流。(我们国家不采用电流电平测量基准)
一、功率电平
利用功率关系所确定的电平可以称为功率电平(需要计量的功率值和功率为
一毫瓦的零电平功率比较),用数学表达式描述就是:
Pm=10 lg(P/1)dBm
其中:Pm代表功率电平。P代表需要计量的绝对功率值,单位为毫瓦,零
电平功率为一毫瓦。dBm表示以一毫瓦为基准的功率电平的分贝值。
不同的绝对功率值所对应的以一毫瓦为基准的功率电平值如下:
          绝对功率用dBm表示
绝对功率 dBm    绝对功率dBm    绝对功率dBm   
1pW      -90    1mW    0    1W    30   
10pW     -80    2mW    3    2W    33   
100pW    -70    4mW    6    4W    36   
0.001μW -60    5mW    7    5W    37   
0.01μW    -50    8mW    9    8W    39   
0.1μW    -40    10mW    10    10W    40   
1.0μW    -30    20mW    13    100W    50   
2μW    -27    40mW    16    1000W    60   
4μW    -24    50mW    17    10kW    70   
5μW    -23    80mW    19    100kW    80   
8μW    -21    100mW    20    1000kW    90   
10μW    -20    200mW    23        
20μW    -17    400mW    26        
40μW    -14    500mW    27        
50μW    -13    800mW    29        
80μW     -11            
100μW    -10            
1000μW    0        
二、电压电平
利用电压关系所确定的电平称为绝对电压电平,简称电压电平,用公式表示:
Pv=20Lg(U/0.775) (dB)
上式中Pv代表电压电平值。U代表需要计量的绝对电压值,单位为伏(V)。
零电平电压为0.775伏。
这里需要特别注意的一点是:根据上面“电压电平”的定义,其零电平电压
必须是0.775V有效值,不能随意用其它电压值作为基准来定义“电压电平”,
否则容易引起混乱。
三、功率电平和电压电平的关系
功率电平和电压电平之间有着非常密切的关系,从实质上讲,它们是一致的。
但现在世界上不同国家使用的习惯却是不一样的,比如,英国(包括英联邦
国家)等主要使用功率电平,而有的国家,象法国、俄罗斯等国家却主要使
用电压电平。这样一来,那些专门生产测量仪器的厂家(比如惠普、马可尼、
摩托罗拉、西门子等)就要按照不同国家用户的需要来供货,既可以提供以
功率电平定标的仪器,也可以提供以电压电平定标的仪器。在我们国家,这
两种定标读数的测量仪器都在使用。造成这种混乱现象,一是因为我们国家
在计量领域没有严格立法,二是因为各自为政地引进国外的测量仪器。记得
上个世纪50年代全面向苏联老大哥学习,设备的引进和国产的仪器基本上都
是以电平电压定标的,这种现象延迟到70年代末。80年代前后,我们国家在
“邓大人”领导下开始改革开放,但由于百废待兴,上层建筑领域的立法建
设严重滞后于经济基础领域的经济发展,这就导致了通信行业引进测量仪器
的混乱现象(后面这几句话是个人发牢骚)。
功率电平和电压电平之间可用下面公式来换算:
Pm=Pv+10Lg(600/Z)(dBm)  ,  式中的Pv=20Lg(U/0.775)(dB)
功率电平Pm的计量单位是(dBm),电压电平Pv的计量单位是(dB)
当阻抗Z=600Ω时,10Lg(600/Z)=0 ,此时Pm=Pv ,即功率电平与电
压电平相等。当Z≠600Ω时,即使是同一功率,用功率电平表来测,读数
是Pm ,用电压电平表来测却是Pv,两者读数是不相等的。看下表更直观
一些。
功率          1mW        1mw        1mW        1mW
阻抗          600Ω   300Ω      75Ω      50Ω
电压          0.775V    0.548V      0.274V    0.224V
功率电平读数  0dBm      0dBm        0dBm      0dBm
电压电平读数  0dB      -3dB        -6dB      -10.79dB
我们国内现在使用的测量仪器中,有以一毫功率为0电平刻度的功率电平表,
也有以电压0.775V为0电平刻度的电压电平表,我们在使用这些测量仪器时,
要留心这一点,否则,出现了测量差错,还要埋怨被测机器性能不好。
对于同样是以0.775V为0dB来刻度的电压电平表,在测量时(比如,测量天
线的灵敏度、天线的增益、接收机的灵敏度)还要注意仪器的测量端子与
被测设备、电路端口的阻抗匹配,否则会产生反射损耗,引起测量误差。
这些测量仪器的面板上或档位上常常标有600Ω、300Ω、150Ω、75Ω、
50Ω的不同阻抗,这是提供在阻抗匹配的条件下作终端测量时用的,其仪表
面板的读数都是电压电平。
在有线通信系统和设备常常采用600欧的输入/输出端口,无线通信系统和设备
的平衡输入/输出端口常常采用300欧的阻抗,电视、图像、视频系统的输入
/输出端口常常采用75欧的阻抗,无线通信系统和设备的射频不平衡输入/输
出端口往往采用50欧的标准阻抗。
dBm----mV/μV换算表
dBm 信号电压 dBm 信号电压 dBm 信号电压 dBm 信号电压 dBm 信号电压
6    446mV  -21  19.93  -48  890    -76  35.4     -103  1.583
5    398      -22  17.76  -49  793    -77  31.5    -104  1.411
4    354      -23  15.83  -50  707    -78  28.2     -105  1.257
3    316      -24  14.11  -51 630    -79  25.1     -106  1.121
2    281      -25  12.57  -52 562    -80  22.4     -107  0.999
1    251      -26  11.21  -53 501    -81  19.93    -108  0.89
0    224      -27  9.99   -54 446    -82  17.76    -109  0.793
-1  199.3    -28  8.9     -55 398    -83  15.83    -110  0.707
-2  177.6    -29  7.93   -56 354    -84  14.11    -111  0.63
-3  158.3    -30  7.07   -57 316    -85  12.57    -112  0.562
-4  141.1    -31  6.3     -58 282    -86  11.21    -113  0.501
-5  125.7    -32  5.62   -59 251    -87    9.99    -114  0.446
-6  112.1    -33  5.01   -60 224    -88    8.91    -115  0.398
-7    99.9    -34  4.46   -61 199    -89    7.93    -116  0.354
-8    89.1    -35  3.98   -62 177    -90    7.07    -117  0.316
-9    79.3    -36  3.54   -63 158    -91    6.03    -118  0.282
-10  70.7    -37  3.16   -64 141    -92    5.62    -119  0.251
-11  63.1    -38  2.82   -65 125    -93    5.01    -120  0.224
-12  56.2    -39  2.51   -66 112    -94    4.46    -121  0.199
-13  50.1    -40  2.24   -67 99.9   -95    3.98    -122  0.177
-14  44.6    -41  1.99   -68 89     -96    3.54     -123  0.158
-15  39.8    -42  1.77   -69 79.3   -97    3.16    -124  0.141
-16  35.4    -43  1.58   -70 70.7  -98    2.82     -125  0.125
-17  31.6    -44  1.41   -71 63     -99    2.51     -126  0.112
-18  28.2    -45  1.25   -72 56.2  -100  2.24     -127  0.0999
-19  25.1    -46  1.21   -73 50.1  -101  1.99     -128      0.089
-20  22.4    -47  999μV -74 44.6  -102  1.78     -129  0.078
                             -75 39.8

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