Децибел
Децибе́л (українське позначення: дБ, міжнародне: dB) — популярна одиниця вимірювання рівня гучності, підсилення потужності сигналу або власне потужності сигналу, значення якої дорівнює одній десятій бела. Підсилення в децибелах вимірюється у логарифмічному масштабі.
| дБ | Співвідношення потужності |
Співвідношення амплітуди | ||
|---|---|---|---|---|
| 100 | 10000000000 | 100000 | ||
| 90 | 1000000000 | 31623 | ||
| 80 | 100000000 | 10000 | ||
| 70 | 10000000 | 3162 | ||
| 60 | 1000000 | 1000 | ||
| 50 | 100000 | 316 | .2 | |
| 40 | 10000 | 100 | ||
| 30 | 1000 | 31 | .62 | |
| 20 | 100 | 10 | ||
| 10 | 10 | 3 | .162 | |
| 6 | 3 | .981 ≈ 4 | 1 | .995 ≈ 2 |
| 3 | 1 | .995 ≈ 2 | 1 | .413 ≈ √2 |
| 1 | 1 | .259 | 1 | .122 |
| 0 | 1 | 1 | ||
| −1 | 0 | .794 | 0 | .891 |
| −3 | 0 | .501 ≈ 1⁄2 | 0 | .708 ≈ √1⁄2 |
| −6 | 0 | .251 ≈ 1⁄4 | 0 | .501 ≈ 1⁄2 |
| −10 | 0 | .1 | 0 | .3162 |
| −20 | 0 | .01 | 0 | .1 |
| −30 | 0 | .001 | 0 | .03162 |
| −40 | 0 | .0001 | 0 | .01 |
| −50 | 0 | .00001 | 0 | .003162 |
| −60 | 0 | .000001 | 0 | .001 |
| −70 | 0 | .0000001 | 0 | .0003162 |
| −80 | 0 | .00000001 | 0 | .0001 |
| −90 | 0 | .000000001 | 0 | .00003162 |
| −100 | 0 | .0000000001 | 0 | .00001 |
| Приклад у вигляді шкали, яка показує співвідношення потужності x, співвідношення амплітуд √x, і еквівалентні значення в дБ 10 log10 x. | ||||
Величина, виражена в децибелах, чисельно дорівнює десятковому логарифму відношення фізичної величини до однойменної фізичної величини, прийнятої за основу, помноженому на десять:
де AdB — величина у децибелах, A — виміряна фізична величина, A0 — величина, прийнята за основу.
Децибел — безрозмірнісна одиниця. Міжнародне позначення одиниці «децибел» — «dB» або «дБ».[1] (неправильно: дб, Дб).
Децибел не є одиницею в системі одиниць системи SI, хоча за рішенням Генеральної конференції мір і ваг, допускається його застосування без обмежень спільно із одиницями SI, а Міжнародне бюро мір і ваг рекомендувало включити його до цієї системи.
Застосування
Одиниця вимірювання «децибел» широко застосовується в областях техніки, де є необхідним вимірювання величин, які змінюються в широкому діапазоні: в радіотехніці, антенній техніці, в системах передачі інформації, автоматичного регулювання та керування, в оптиці, акустиці (для вимірювання гучності звуку) та ін. В децибелах прийнято вимірювати динамічний діапазон (наприклад, діапазон гучності звучання музичного інструменту), загасання хвилі при поширенні в поглинаючому середовищі, коефіцієнт підсилення і коефіцієнт шуму підсилювача.
Децибели використовуються не тільки для вимірювання відношення фізичних величин другого порядку (енергетичних, наприклад, потужність, енергія, інтенсивність, щільність потоку потужності, спектральна щільність потужності та ін.) і першого порядку (напруга, сила струму, напруженість поля, звуковий тиск, швидкість руху і щільність електричних зарядів та ін.). В децибелах можна вимірювати відношення будь-яких фізичних величин, а також використовувати перші для подання абсолютних величин (див. Опорний рівень).
Приклад розрахунку
Якщо вимірна потужність (наприклад за допомогою ватметру) на виході пристрою рівно вдвічі вища від потужності на вході то в децибелах це підсилення енергії:
=
Таблиця відповідності підсиленню
| Децибели | Підсилення | Децибели | Підсилення | ||
|---|---|---|---|---|---|
| Відношення напруг | Відношення потужностей | Відношення напруг | Відношення потужностей | ||
| 0 | 1 | 1 | 6 | 2 | 3.98 |
| 0.1 | 1.01 | 1.02 | 6.5 | 2.11 | 4.47 |
| 0.2 | 1.02 | 1.05 | 7 | 2.24 | 5.01 |
| 0.3 | 1.04 | 1.07 | 7.5 | 2.37 | 5.62 |
| 0.4 | 1.05 | 1.1 | 8 | 2.51 | 6.31 |
| 0.5 | 1.06 | 1.12 | 8.5 | 2.66 | 7.08 |
| 0.6 | 1.07 | 1.15 | 9 | 2.82 | 7 94 |
| 0.7 | 1.08 | 1.17 | 9.5 | 2.99 | 8.91 |
| 0.8 | 1.1 | 1.2 | 10 | 3.16 | 10 |
| 0.9 | 1.11 | 1.23 | 12 | 3.98 | 15.8 |
| 1 | 1.12 | 1.26 | 14 | 5.01 | 25.1 |
| 1.1 | 1.14 | 1.29 | 16 | 6.31 | 39.8 |
| 1.2 | 1.15 | 1.32 | 18 | 7.94 | 63.1 |
| 1.3 | 1.16 | 1.35 | 20 | 10 | 100 |
| 1.4 | 1.17 | 1.38 | 25 | 17.8 | 3.16·102 |
| 1.5 | 1.19 | 1.41 | 30 | 31.6 | 103 |
| 1 | 1.2 | 1.45 | 35 | 56.2 | 3.16·103 |
| 1.7 | 1.22 | 1.48 | 40 | 100 | 104 |
| 1.8 | 1.2 | 1.51 | 45 | 178 | 3.16·104 |
| 1.9 | 1.24 | 1.55 | 50 | 316 | 105 |
| 2 | 1.26 | 1.58 | 55 | 562 | 3.16·105 |
| 2.2 | 1.29 | 1.66 | 60 | 1 000 | 106 |
| 2.4 | 1.32 | 1.74 | 65 | 1 780 | 3.16·106 |
| 2.6 | 1.35 | 1.82 | 70 | 3 160 | 107 |
| 2.8 | 1.38 | 1.91 | 75 | 5 620 | 3.16·107 |
| 3 | 1.41 | 2 | 80 | 10 000 | 108 |
| 3.2 | 1.45 | 2.09 | 85 | 17 800 | 3.16·108 |
| 3.4 | 1.48 | 2.19 | 90 | 31 600 | 109 |
| 3.6 | 1.51 | 2.29 | 95 | 56 200 | 3.16·109 |
| 3.8 | 1.55 | 2.4 | 100 | 100 000 | 1010 |
| 4 | 1.58 | 2.51 | 105 | 178 000 | 3.16·1011 |
| 4.2 | 1.62 | 2.63 | 110 | 316 000 | 1011 |
| 4.4 | 1.66 | 2.75 | 115 | 562 000 | 3.16·1011 |
| 4.6 | 1.7 | 2.88 | 120 | 1 000 000 | 1012 |
| 4.8 | 1.74 | 3.02 | 130 | 31.6·106 | 1013 |
| 5 | 1.78 | 3.16 | 140 | 107 | 1014 |
| 5.5 | 1.88 | 3.55 | 150 | 31.6·107 | 1015 |
Опорний рівень
Окрім вимірювання відношень двох величин, децибел також використовують і для вимірювання абсолютних значень. Для цього повинно бути однозначно визначено, яка саме фізична величина і яке саме її значення використовуються як опорний рівень. Опорний рівень вказується у вигляді доповнення, що слідує за символами «дБ» (наприклад, дБм).
На практиці поширені такі опорні рівні і спеціальні позначення для них:
- dBm, dBmW (укр. дБм) — абсолютний рівень потужності в децибелах (dB) по відношенню до 1 мВт (тобто, опорним рівнем є потужність в 1 мВт). Ця одиниця знайшла застосування у радіо, мікрохвильових і оптоволоконних мережах як зручний показник для вимірювання абсолютної потужності, оскільки дає змогу виражати великий діапазон потужностей у короткій формі.
- dBV (укр. дБВ) — опорна напруга 1 В на номінальному навантаженні (для побутової техніки — зазвичай 47 кОм); наприклад, стандартизований рівень сигналу для побутового аудіообладнання становить −10 дБВ, тобто 0,316 В на навантаженні 47 кОм.
- dBuV (укр. дБмкВ) — опорна напруга 1 мкВ. Наприклад, «чутливість радіоприймача, виміряна на антенному вході, становить −10 дБмкВ … номінальний опір антени — 50 Ом».
- dBu — опорна напруга 0.775 В, що відповідає потужності 1 мВт на навантаженні 600 Ом; наприклад, стандартизований рівень сигналу для професійного аудіообладнання становить 4 dBu, тобто 1,23 В.
- dBi (укр. дБі) — ізотропний децибел (децибел відносно ізотропного випромінювача). Характеризує коефіцієнт підсилення антени відносно коефіцієнта спрямованої дії ізотропного випромінювача.
Критицизм
Різні опубліковані статті критикували одиницю децибел, як таку, недоліки якої перешкоджають його розумінню і використанню[2][3][4]. На думку критиків, децибел створює плутанину, затемнює міркування, більше відноситься до епохи логарифмічних лінійок, ніж до сучасної цифрової обробки, є громіздкими і важко інтерпретованим.
Неможливо представити еквівалент нульового вату, викликаючи проблеми в конвертаціях. Хіклінг зробив висновок «Децибели є марною афектацією, яка перешкоджає розвитку контролю рівня шуму як інженерної дисципліни».[4]
Звичайним джерелом плутанини при використанні децибел відбувається при прийнятті рішення використання 10 × log або 20 × log. У первісному визначенні, це було вимірювання потужності, а також у цьому контексті слід використовувати формулювання 10 × log, а децибел означає одну десяту. Користувач повинен ясно розуміти величину вираженої потужності або амплітуди. Корисно враховувати як виражається потужність або енергія, наприклад, поточний струм × поточний струм × опір, 1⁄2 × швидкість × швидкість × маса. Там, де енергія є квадратною функцією перемінного поля (наприклад, напруги, струму або тиску), а потім 10 × log правильне вираження для квадрата, або 20 × log для самого перемінного поля.
Величина в децибелах не обов'язково адитивна, будучи «неприйнятною формою для використання в визмірному аналізі».
Оскільки люди ставлять адитивні операції вище за множення, децибели незручні для висловлення суті адитивних операцій: «Якщо дві машини, що виробляють кожна окремо рівень [звукового тиску], скажімо, 90 дБ в певній точці, а потім, коли обидва працюють разом, ми повинні очікувати об'єднаний рівень звукового тиску збільшений до 93 дБ, але, звичайно, не до 180 дБ!» «Припустимо, що шум від машини вимірюється (враховуючи внесок фонового шуму) і має бути 87 дБА, але коли машина вимикається, один тільки фоновий шум вимірюється як 83 дБА. … шум машини [рівень (поодинці)] може бути отримано шляхом 'віднімання' 83 дБА фонового шуму від комбінованого рівня 87 дБА, тобто 84,8 дБА». "Для того, щоб знайти репрезентативне значення рівня звуку в кімнаті декілька вимірювань приймаються на різних позиціях в межах кімнати, а середнє значення розраховується. Порівняти логарифмічне і арифметичне середнє … 70 дБ і 90 дБ: логарифмічне середнє = 87 дБ, середнє арифметичне = 80 дБ ".
Застосування
Електроніка
В електроніці децибел часто використовується щоб висловити силу або співвідношення амплітуд (коефіцієнтів), в перевазі до арифметичного співвідношення або відсотків. Перша перевага полягає в тому, що загальний коефіцієнт посилення в децибелах з ряду компонентів (таких як підсилювачі і атенюатори) можна обчислити просто шляхом підсумовування коефіцієнтів посилення децибелів окремих компонентів. Аналогічним чином, в області телекомунікацій, децибели позначають посилення сигналу або втрати від передавача до приймача через певне середовище (вільний простір, хвилевід, коаксіальний кабель, оптоволокно та ін.), використовуючи енергетичний баланс ліній.
Одиниця децибел може також поєднуватися з суфіксом для створення абсолютної одиниці електроенергії. Наприклад, "дБм" для вимірювання енергії і представленню її як логарифмічної пропорції по відношенню до сигналу 1мВт. Тоді нульовий дБм це є рівень, що відповідає одному мілівату, а 1 дБм - на один децибел вище, це рівень сигналу близько 1,259 мВт.
У професійних аудіо специфікаціях популярною одиницею є дБн. дБн є середньоквадратичний вимір напруги, який використовує як посилення приблизно 0.775. Обраний з історичних причин, еталонним значенням є рівень напруги, який забезпечує 1 МВт потужності в 600 Ом резистор, який зазвичай був стандартним еталоном повного опору в телефонних лініях.
Оптика
У оптичної Оптичний канал, якщо відома кількість оптичної потужності в дБм (по відношенню до 1 мВт), яка запущена в волокно, а також відомі втрати, в дБ (децибел), кожного компонента (наприклад, роз'єми, зростки і довжини волокна), загальні втрати лінії зв'язку можуть бути швидко розраховані шляхом додавання і віднімання величин в дЦб. [5]
У спектрометрі і оптиці абсорбуюча одиниця використовується для вимірювання оптичної щільності еквівалентно -1 В.
Відео і цифрова візуалізація
У зв'язку відео і цифрового сенсору зображення, децибели, як правило, представляють співвідношення відео напруги або цифрованих рівнів освітлення, використовуючи 20 log відносин, навіть коли представлена оптична потужність прямо пропорційна напрузі або рівню, не до її площі, як в ПЗС-формувачі зображення, де напруга відгуку лінійна по інтенсивності. [6] Таким чином, співвідношення сигнал/шум камери або динамічний діапазон 40 дБ, являє собою відношення потужності 100: 1. між потужністю сигналу і потужності шуму, а не 10000: 1. Іноді визначення співвідношення 20 log застосовується для електронних лічильників або фотонових лічильників безпосередньо, лінійний характер якого є пропорційним до напруги і не вимагає враховувати відгук. [7]
Проте, як згадувалося вище, Конвенцією інтенсивність 10 журналу переважає в більш загальному сенсі, в галузі фізичної оптики, в тому числі волоконної оптики, тому термінологія може стати каламутною між умовностями цифрової фотографічної техніки і фізики. Найчастіше, величини називають "динамічний діапазон" або "сигнал-шум" (камери) буде вказано в 20 log дБ, але у відповідних контекстах (наприклад, загасання, посилення або коефіцієнт відхилення) цей термін слід інтерпретувати з обережністю, так як змішування двох одиниць може привести до дуже великого нерозуміння значення.
Фотографи зазвичай використовують альтернативну основу – 2 log одиницю, діафрагмове число, щоб описати інтенсивність світла або динамічний діапазон.
Див. також
Примітки
- ГОСТ 8.417-2002 Единицы физических величин
- C W Horton, «The bewildering decibel» Elec. Eng., 73, 550—555 (1954)
- C S Clay (1999), Underwater sound transmission and SI units, J Acoust Soc Am 106, 3047
- R Hickling (1999), Noise Control and SI Units, J Acoust Soc Am 106, 3048
- Bob Chomycz (2000). Fiber optic installer's field manual. McGraw-Hill Professional. pp. 123–126. ISBN 978-0-07-135604-6
- Stephen J. Sangwine and Robin E. N. Horne (1998). The Colour Image Processing Handbook. Springer. pp. 127–130. ISBN 978-0-412-80620-9
- Junichi Nakamura (2006). "Basics of Image Sensors". In Junichi Nakamura. Image sensors and signal processing for digital still cameras. CRC Press. pp. 79–83. ISBN 978-0-8493-3545-7
Посилання
- Децибел // Словник-довідник з екології : навч.-метод. посіб. / уклад. О. Г. Лановенко, О. О. Остапішина. — Херсон : ПП Вишемирський В. С., 2013. — С. 66.
- Децибел // Універсальний словник-енциклопедія. — 4-те вид. — К. : Тека, 2006.