Децибел

Единицы измерения, параметры звуковых сигналов

Влияние акустических факторов

На АЧХ звуковой системы оказывает влияние среда, в которой она работает. Если они используются на открытом пространстве, то важными факторами являются ветер, температура и поглощение звуков воздухом. Ветер может отклонять распространяющуюся звуковую волну, а порывистый ветер -- модулировать звук. Под действием перепада температур звук также может отклоняться, причем в большей степени, чем при ветре. Воздух поглощает в основном волны с высокими частотами, так как мощность высокочастотных волн рассеивается быстрее, чем низкочастотных. Вот почему удаленные звуки мы воспринимаем приглушенными. Степень поглощения высокочастотной части спектра звуковой волны в воздухе зависит от относительной влажности воздуха.

Основными факторами, которые влияют на АЧХ системы, работающей внутри помещения, являются отражения от стен, потолка и пола, а также резонанс комнаты. Отражения не только вызывают реверберацию, но могут приводить к подавлению определенных частот (на АЧХ это проявляется в виде уменьшения уровня сигнала). Все эти эффекты придают звуку определенную окраску.

Одна из самых распространенных единиц измерения, применяемая в аудиотехнике называется "децибел" и обозначается "дБ". В децибелах выражают уровень и мощность звуковых сигналов.

Приставка "деци" применяется для обозначения дольных единиц, равных 1/10 от исходных. Соответственно, децибел -- это 1/10 Бела (единица измерения, названная в честь Александра Грэма Белла). Белл определяется, как логарифм отношения электрических, акустических или других мощностей:

Бел = log (P1/P0), дБ = 10log (P1/P0).

Чувствительность слуха человека к громкости звуковых сигналов носит логарифмической характер, поэтому их мощность, выраженная в децибелах, точнее отражает наше восприятие звуков.

Пример. Чему равно в децибелах отношение мощностей 2 Вт и 1 Вт?
дБ = 10 log (P1/P0) = 10log (2/1) = 10 log 2 = 3,01 = 3.

Пример. Чему равно в децибелах отношение мощностей 100 Вт и 10 Вт?

дБ = 10 log (P1/P0) =10 log (100/10) = 10 log 10 = 10 · 1 = 10.

Таким образом, двухкратное увеличение или уменьшение мощности всегда соответствует 3 дБ, а десятикратное увеличение или уменьшение мощности -- 10 дБ.

Децибеллы используются и для характеристики отношений напряже- ний. Мощность пропорциональна квадрату напряжения, поэтому:

дБV = 20 log (E1/E0),

где E0 и E1 -- значения напряжения.

Если при двухкратном увеличении мощности всегда происходит ее возрастание на 3 дБ, то двухкратное увеличение напряжения всегда соответствует его возрастанию на 6 дБ.

Десятикратное увеличение мощности соответствует 10 дБ, а десятикратное возрастание напряжение -- 20 дБ.

Почему же десятикратное увеличение мощности соответствует 10 дБ, а десятикратное увеличение напряжения -- 20 дБ? Давайте рассчитаем реальную мощность, которая рассеивается на нагрузке 8 Ом при подаче на нее напряжения 100 V.

Уравнение для мощности имеет вид: P= E2/R,

т. е. мощность пропорциональна квадрату напряжения, поэтому при удвоении напряжения, мощность будет увеличиваться в четыре раза. Подставим в это уравнение два значения напряжения -- 10 и 100 V.

P1= 102/8 = 100/8 = 12,5 Вт.
P2 = 1002/8 = 10000/8 = 1250 Вт.

При увеличении напряжения в 10 раз мощность возрастет в 100 раз. Теперь определим отношение P1/P2 в децибелах:

дБ (Вт) = 10 log (P1/P2) = 10 log (1250/12,5) = 10 log (100) = 10 · 2 = 20 дБ.

Как видите, несмотря на то, что 100 V в 10 раз превышает 10 V, когда мы возвращаемся к значениям мощности, из которых получено отношение в дБ, оказывается, что оно равно 20 дБ. Поэтому и множитель, который стоит перед логарифмом в уравнении для определения относительного напряжения в децибелах, в два раза больше. В уравнении для нахождения относительной силы тока в дБ также стоит множитель 20.

Если принять, что P0 равно 1 Вт, то из уравнения дБ = 10 log (P1/P0) можно получить значения, приведенные в табл. 4.1.1.

Таблица 4.1.1 Значение больших мощностей в Вт и в дБ

Мощность P1, Вт	дБ

Данные этой таблицы наглядно иллюстрируют то, насколько удобно использовать дБ для выражения относительных уровней мощности: величина, равная всего 50 дБ, позволяет заменить отношение 100 000:1. Значения малых мощностей в Вт и в дБ приведены в табл. 4.1.2.

Таблица 4.1.2 Значения малых мощностей в Вт и в дБ

Мощность P1, Вт	дБ
1,25
1,6
2,5
3,15
6,3

В децибелах всегда выражается только относительная мощность. Использование этих единиц для описания абсолютных величин не имеет смысла. Но, если указано, что опорный уровень сигнала равен 0 дБ, то для характеристики устройства достаточно привести только значение мощности в дБ (оно может быть положительное или отрицательное). Чтобы проиллюстрировать сказанное, приведем несколько примеров записи спецификации.

Пример А. "Максимальный уровень сигнала на выходе микшерного пульта составляет +20 дБ".

Такая формулировка лишена смысла, так как в ней не указано нулевое опорное значение.

Пример Б. "Максимальный уровень сигнала на выходе микшерного пульта составляет 20 дБ выше 1 мВт".

Здесь сообщается о том, что микшерный пульт может выдавать на некоторую нагрузку сигнал мощностью 100 мВт (0,1 Вт). Это следует из приведенного значения максимального уровня сигнала 20 дБ: 10 дБ из них соответствуют десятикратному увеличению мощности от 1 мВт до 10 мВт, а еще 10 дБ -- десятикратному увеличению мощности от 10 мВт до 100 мВт.