搞音响的天天挂在嘴边儿的“dB”是什么?

2017-09-27 作者:admin 来源:本站

搞音响的天天挂在嘴边儿的“dB”是什么?


                                                                                                                       -------摘录艾维音响网


在音频和声学领域中,工程师、音响师几乎每天都会用到dB(分贝)这个词。比如“将1000Hz衰减3dB”,“把推子推高3dB”,或者“这款音箱灵敏度是98dB SPL”,可以说dB在音频行业中是个无处不在的单位。而关于dB的讨论也是一个历久常新的话题,因为每一位从业者都会经历一个“搞懂dB是什么”的阶段。

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一.dB的诞生背景

dB是英文“decibel”的简写,其中deci表示十分之一,Bel表示“贝”。Decibel,分贝就是十分之一贝。 “贝”是“贝尔”的简称,是以杰出科学家Alexander Graham Bell的名字来命名的单位。贝尔在1876年获得了电话发明的专利,并在电话的应用和发展上做出了巨大的突破。Bel并不是国际单位制(System International)的单位,但是受到国际单位制的规则影响,用人名表示的单位符号的首字母要大写,所以我们看到dB中B应为大写。由于“Bel”这个单位比较大,使用不方便,更常用的是十分之一贝尔,即分贝。

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《音响系统工程》一书中对于dB的起源和发展,有如下叙述:

  早在1923年,电话线路上的“增益”和“损耗”是使用标准电缆的英里数(MSC,Miles of Standard Cable)来标注的。“标准”电缆是一种规格为19号的裸线电缆,其电阻为88欧/英里,电容为0.054微法/英里。当以正常的语音作为输入时,标准的炭粒式送话器的输出电平被认为是“0电平”。这种“标准”电缆在经过1英里后产生的损耗非常接近哈维·弗莱彻(Harvey Fletcher)在贝尔实验室所测量的正常听力的听音者容易听到的最小增量,他将这种感知单位标记为(SU)。

  由于不同频率的信号在同一电缆中的衰减特性是不同的,因此MSC表示的“增益”或“损耗”对于不同频率是不一样的,“标准”电缆的规格参数在制造、测量上在不同的时间地点也很难维持标准。MSC和SU从定义上就决定了其测量和计算都很不方便,缺乏清晰明了的数学定义使得这两个单位不适合工程应用。 

1923年,马丁(W.H.Martin)《贝尔系统技术杂志》(BellSystem Technical Journal)上撰文写到:设计使用传输单位(TU)取代MSC 和SU,并将两者在电话系统中的应用合二为一。TU被定义为:

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 式中,TU为传输单位;P1为被测得功率;P2为参考的基准功率。

  在1929年,马丁又在《贝尔系统技术杂志》上以“用于传输单位的分贝(Decibel The Name for the Transmission Unit)”为标题撰文。作为贝尔电话公司应邀参加的欧洲国际咨询委员会(European International Advisory Commitee)向欧洲的各个电话局推荐他们所采用的“贝尔”(Bell)或“奈培”(Naperian)单位。贝尔系统采纳了Bel单位,并将其转化为分贝(1/10Bel),以方便对声级进行高分辨率的测量。

  此后的数十年,dB逐渐由贝尔系统向电话行业推广开来,并发展至通讯及电声行业,其用法也由最初的表示功率比衍生出更多的形式,最终成为通讯、广电和专业音响领域广为使用的单位。

 

二. dB的计算

   理解dB的第一个要点,就是要知道它是表示两个具有相同单位的同一种物理量的相对关系。最初在电话工程领域,dB是用于定义于表示两个功率比,是P1/P0的比值再取以10为底的对数,再乘以10,其数学式为:

公式2.jpg

  dB从定义上来说,原本只是用于表示功率比的,然后在实际运用中,又被扩展到其他物理量的比,如电压、电流、声压等等。而当用dB表示电压比时,由于在同一电路中,功率和电压的平方成正比于是有了:

公式3.jpg


因此在表示电压比时:

公式4.jpg



 

这就是为什么dB表示功率比时,它的值等于P1/P0的对数乘以10;而用于电压比时,它的值等于V1/V0的对数乘以20。同样的情况也存在于声压、电流的比。理解这一点对于防止误用和误算dB值是非常重要的。

举例说明,比如两个功率;P0=1W,P1=1000W,那么用dB表示P1与P0的功率比就是:

公式5.jpg


  

而对于电压比,假设两个电压值,其中V0 =1V,V1=1000V,那么用dB表示V1与V0的电压比就是:

公式6.jpg


三.另外一种概念:增益(dB)与放大倍数


增益(dB)

  电学中的分贝定义的是信号放大倍数的对数放大器输出与输入的比值为放大倍数,单位“倍”,如10倍放大器,100倍放大器。当改用“分贝”做单位时,放大倍数就称之为增益,这是一个概念的两种称呼。 

计算方式

 K=10lg(Po/Pi)

 其中K为放大倍数的分贝数,Po为放大信号输出,Pi为信号输入;

 K>0说明信号被放大,K=0信号直通,K<0说明信号被衰减;
 以电压(电流)分贝数为例(对应摄像机的图像信号增益):

 (1)增益为0dB时,信号直通,未经放大
 (2)增益为3dB时,实际放大倍数约为1.4
 (3)增益为6dB时,实际放大倍数约为2
 (4)增益为9dB时,实际放大倍数约为2.8
 (5)增益为12dB时,实际放大倍数约为4
 (6)增益为18dB时,实际放大倍数约为8

分贝数值中,-3dB和0dB两个点是必须了解的。

关于-3dB带宽

-3dB也叫半功率点或截止频率点。这时功率是正常时的一半,电压或电流是正常时的0.707。在电声系统中,±3dB的差别被认为不会影响总特性。所以各种设备指标,如频率范围,输出电平等,不加说明的话都可能有±3dB的出入。
  随着输入频率上升,放大电路的电压放大倍数将下降,当电压幅度降至最大值的0.707倍时的位置,为截止频率。这时功率值恰好是最大功率的一半所以又称为是半功率点。用分贝表示正好下降了3dB(根据电压幅度计算:20log(0.707)=-3dB ,根据功率计算:10log(0.5)=-3dB),对应的频率称为上截止频率,又常称为-3dB带宽。

关于0dB
  0dB表示输出与输入或两个比较信号一样大。分贝是一个相对大小的量,没有绝对的量值。可您在电平表或马路上的噪声计上也能看到多少dB的测出值,这是因为人们给0dB先定了一个基准。
  例如声音计的0dB是2×10-4μb(微巴),这样马路上的噪声是50dB、60dB就有了绝对的轻响概念。常用的0dB基准有下面几种:dBFS——以满刻度的量值为0dB,常用于各种特性曲线上;dBm——在600Ω负载上产生1mW功率(或0.775V电压)为0dB,常用于交流电平测量仪表上;dBV——以1伏为0dB;dBW——以1瓦为0dB。
  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。放大器级联时,总的放大倍数是各级相乘。用分贝做单位时,级联放大器的总增益就是相加。

 

四.dB应用的扩展

  如上所述,dB表示的是两个功率、两个电压或其他量相对关系。不过在将其中一个值设定为参考值时,dB就可以用来表示一个绝数值的功率级、电压电平、声压级等。此时单位符号通常会加上后缀,来区别不同的参考值,比如:dBm,dBV,dBu。作为音响工程师,我们有必要了解其中的一些常见单位。

  常用作功率级的单位:dBm,dBW

  dBm,是1毫瓦(milliwatts)为参考基准的功率级的单位。即0dBm=1mW。dBm是衡量功率的单位,由于很多音频测量仪器(仪表)都是基于电压测量而不是功率测量,所以在仪表上读出有效的dBm值的前提是要明确知道被测电路的阻抗。在早期专业音响和广电领域,最常见的阻抗是600Ω。在使用dBm时,可能会以下标的形式注明参考的阻抗值,比如dBm600。有些简单的音频测量表会将电路阻抗假设为600Ω,再以其测得的电压换算出功率的dBm值。一些高级的测量仪器,特别是基于计算机的测量仪器,可以由用户选择不同的阻抗档位或者自由设定阻抗值。在不知道电路阻抗的情况下使用dBm来描述功率不太合适。

  在几十年前,当专业音响还处于电子管时代,多数音频设备都要进行最大功率传输,这需要将上级设备的输出阻抗与下级设备的输入阻抗设计为相等。因此假如一个调音台的输出阻抗为600Ω,那下一级的功率放大器的输入阻抗也需要是600Ω,这时调音台的输出信号表将电路阻抗认定为600Ω是正确的。现代的固态电路音频设备不再以功率传输为前提,而是以最大电压传输来实现信号传输,因而设备的输出阻抗通常很低,可能低于50Ω,甚至会接近0Ω。输入阻抗则相对很高,专业设备常见阻抗值有10kΩ/20kΩ,民用设备则可能为100kΩ。这样一来,输出的开路电压得以最大程度传输到下级输入,而电路的电流和功率是极小的,且对于信号传输并不重要,因此dBm这个功率单位对于今天的专业设备不太适用。dBW是以1瓦为参考基准的功率级单位 

  常用于表示电压电平的单位: dBu/dBv, dBV

  dBu或dBv,是以0.775V rms为参考基准的电平单位,一开始这个单位被记作dBv,由于容易和dBV混淆,后更改为dBu。之所以是0.775V,是因为这是一个600Ω的电阻的电路上产生1mW(0dBm)功率的电压。而600Ω是早期电话电路设备的标准参考阻抗值。也就是说,在一个600欧姆的电路中,0dBu的电压得到一个0dBm的功率。由于行业历史的原因,dBu成为专业音频最为常用的单位。

电路.png

4 dBmdBu定义的电路示意图


   dBV,是1V rms为参考基准的。在专业音频设备的参数中并不常见,更多是见于民用设备上的参数描述上。

  数字音频设备的dB FS

dBFS,这里的FS是指Full Scale,是满刻度的意思。0dBFS是指以数字设备削波前的最大工作电平。在信号由模拟-数字转换过程中,采样器对模拟信号采样,每一个采样的幅度都会被量化,比特深度(bit-depth)决定其量化精度和最大可编码信号,超过最大值的信号也会以最大值被记录,即会发生数字削波。不同设备在达到0dBFS时,所达到的实际信号电平是不同的。专业级扩声用的数字调音台在信号达到0dBFS,常见的输出电平有+24dBu,或+18dBu;小型的家庭工作室设备则可能相对较低,具体要参阅产品手册。

  dB SPL / dB(A)/dB(C)/ dB(Z)

在声学测量中,dB最多用作表示声压级的单位,会被记为dB SPL,SPL表示Sound Pressure Level,即声压级。受到国际标准的影响,声压级更倾向于用用符号LP来表示,以dB为单位。在空气中,这是以20微帕(2×10<span style="font-family: 微软雅黑, sans