Соотношение абсолютных и дб. Уровни шума в децибелах: допустимые нормы

Области применения

Первоначально децибел использовался для измерения отношений энергетических (мощность , энергия) или силовых (напряжение, сила тока) величин. В принципе, с помощью децибелов можно измерять что угодно, но в настоящее время рекомендуется употреблять децибелы только для измерения уровня мощности и некоторых других связанных с мощностью величин. Так децибелы сегодня используются в акустике для измерения громкости звука и в электронике для измерения мощности электрического сигнала . Иногда в децибелах также измеряют динамический диапазон (например, звучания музыкальных инструментов). Также децибел является единицей звукового давления.

Измерение мощности

Как уже было сказано выше, изначально белы использовались для оценки отношения мощностей , поэтому в каноническом, привычном смысле величина, выраженная в белах, означает логарифмическое отношение двух мощностей и вычисляется по формуле:

где P 1 / P 0 - отношение уровней двух мощностей, обычно измеряемой к т. н. опорной , базовой (взятой за нулевой уровень). Если говорить более точно, то это - «белы по мощности» . Тогда отношение двух величин в «децибелах по мощности» вычисляется по формуле:

Измерение немощностных величин

Формулы для вычисления в децибелах разностей уровней немощностных (неэнергетических) величин, таких как напряжение или сила тока , отличаются от приведённой выше! Но в конечном итоге отношение этих величин, выраженное в децибелах, также выражается через отношение связанных с ними мощностей.

Так для линейной цепи справедливо равенство или

Отсюда видим, что а значит

откуда получаем равенство: которое представляет собой связь между «белами по мощности» и «белами по напряжению» в одной и той же цепи.

Из всего этого видим, что при сравнении величин напряжений (U 1 и U 2) или токов (I 1 и I 2) их отношения в децибелах выражаются формулами:

Можно подсчитать, что при измерении мощности изменению на 1 дБ соответствует приращение мощности (P 2 /P 1) в ≈1,25893 раза. Для напряжения или силы тока изменению на 1 дБ будет соответствовать приращение в ≈1,122 раза.

Пример вычислений

Предположим, что мощность P 2 в 2 раза больше начальной мощности P 1 , тогда

10 log 10 (P 2 /P 1) = 10 log 10 2 ≈ 3 дБ,

то есть изменение мощности на 3 дБ означает её увеличение в 2 раза. Аналогично изменение мощности в 10 раз:

10 log 10 (P 2 /P 1) = 10 log 10 10 = 10 дБ,

а в 1000 раз

10 log 10 (P 2 /P 1) = 10 log 10 1000 = 30 дБ,

И, наоборот, чтобы получить разы из децибел (dB), нужно

Для мощности - для напряжения (тока) .

Например, зная опорный уровень (P 1) и значение в дБ можно найти значение мощности, например, при P 1 = 1 мВт и известном отношении 20 дБ (dB):

Аналогично для напряжения, при U 1 = 2 В и отношении в 6 дБ:

Вычисления вполне реально производить в уме, для этого достаточно помнить примерную несложную таблицу (для мощностей):

1 дБ 1.25 3 дБ 2 6 дБ 4 9 дБ 8 10 дБ 10 20 дБ 100 30 дБ 1000

Сложению (вычитанию) значений дБ соответствует умножение (деление) самих отношений. Отрицательные значения дБ соответствуют обратным отношениям. Например, уменьшение мощности в 40 раз это 4*10 раз или −6 дБ-10 дБ= −16 дБ. Увеличение мощности в 128 раз это 2^7 или 3 дБ*7=21 дБ. Увеличение напряжения в 4 раза эквивалентно увеличению мощности в 4*4=16 раз, это 2^4 или 3 дБ*4=12 дБ.

Практическое применение

Поскольку децибел - не абсолютная, а относительная величина и вычисляется для различных физических величин по-разному (см. выше), то во избежание путаницы при использовании децибелов на практике существуют дополнительные договорённости.

чаще всего нужно знать отношение двух уровней (напряжений), выраженное в децибелах, есть несколько значений, которые легко запомнить:

6 дБ - отношение 2:1

20 дБ - отношение 10:1

40 дБ - отношение 100:1

60 дБ - отношение 1000:1

80 дБ - отношение 10000:1

100 дБ - отношение 100000:1

120 дБ - отношение 1000000:1

Промежуточные значения можно легко вычислить по формуле - 20*Lg(U1/U2), где U1 - уровень(напряжение) сигнала,U2 - уровень(напряжение) шума, напомним, что измерения проводятся средне-квадратичным милливольтметром, либо анализатором спектра с фильтром МЭК(А), где МЭК - Международная электротехническая комиссия

Зачем вообще применять децибелы и оперировать логарифмами, если то же самое можно выразить привычными процентами или долями? Представим себе, что в совершенно тёмной комнате включили лампочку некоторой светосилы. При этом, комната разительно отличается по виду до и после включения. Изменение освещённости, выраженное в дБ, тоже огромно, теоретически бесконечно. Допустим, что теперь включили ещё одну такую же лампочку. Теперь эффект будет совсем не тот, может быть даже человек не сразу заметит изменения, если её включить плавно. И в децибелах это будет всего 3 дБ. Итак, на практике, в децибелах удобно выполнять измерения как сильно меняющихся величин, так и почти постоянных.

Условные обозначения

Для различных физических величин одному и тому же числовому значению , выраженному в децибелах , могут соответствовать разные уровни сигналов (вернее разности уровней). Поэтому во избежание путаницы такие «конкретизированные» единицы измерения обозначают теми же буквами «дБ», но с добавлением индекса - общепринятого обозначения измеряемой физической величины. Например «дБВ» (децибел относительно вольта) или «дБмкВ» (децибел относительно микровольта), «дБВт» (децибел относительно ватта) и т. п. В соответствии с международным стандартом МЭК 27-3 при необходимости указать исходную величину ее значение помещают в скобках за обозначением логарифмической величины, например для уровня звукового давления: L P (re 20 µPA) = 20 dB; L P (исх. 20 мкПа) = 20 дБ

Применение в теории автоматического регулирования

Децибел также используется в теории автоматического регулирования и управления (ТАУ) и является одним из важнейших параметров при сравнении амплитуд выходного и входного сигналов.

Опорный уровень

Несмотря на то, что децибел служит для определения отношения двух величин, иногда децибелы используют и для измерения абсолютных значений. Для этого достаточно условиться, какой уровень измеряемой физической величины будет принят за опорный уровень (условный 0). На практике распространены следующие опорные уровни и специальные обозначения для них:

Во избежание путаницы желательно указывать опорный уровень явно, например −20 дБ (относительно 0,775 B) .

При пересчёте уровней мощностей в уровни напряжений и обратно надо обязательно учитывать сопротивление, являющиеся стандартным для данной задачи:

• дБВ для 50-омной СВЧ -цепи соответствует (дБм−13 дБ);
• дБмкВ для 50-омной СВЧ-цепи соответствует (дБм+107 дБ)
• дБВ для 75-омной ТВ -цепи соответствует (дБм−11 дБ);
• дБмкВ для 75-омной ТВ-цепи соответствует (дБм+109 дБ)

Следует чётко помнить математические правила:

• перемножать или делить относительные единицы нельзя;
• суммирование или вычитание относительных единиц производится независимо от их исходной размерности и соответствует умножению или делению абсолютных.

Например, подав на один конец 50-омного кабеля с коэффициентом передачи −6 дБ, мощность 0 дБм, что эквивалентно 1 мВт, или 0,22 В, или 107 дБмкВ, на выходе получим мощность −6 дБм, что эквивалентно 0,25 мВт (в 4 раза меньше по мощности) или 0,11 В (в два раза меньше по напряжению) или 101 дБмкВ (на те же 6 дБ меньше).

Децибел

Децибе́л - логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений.

Величина, выраженная в децибелах, численно равна десятичному логарифму безразмерного отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за исходную, умноженному на десять:

где A dB - величина в децибелах, A - измеренная физическая величина, A 0 - величина, принятая за базис.

Децибел - это безразмерная единица, применяемая для измерения отношения некоторых величин - «энергетических» (мощности, энергии, плотности потока мощности и т. п.) или «силовых» (силы тока, напряжения и т. п.). Иными словами, децибел - это относительная величина. Не абсолютная, как, например, ватт или вольт , а такая же относительная, как кратность («трёхкратное отличие») или проценты , предназначенная для измерения отношения («соотношения уровней») двух других величин, причём к полученному отношению применяется логарифмический масштаб .

Русское обозначение единицы «децибел» - «дБ», международное - «dB» (неправильно : дб, Дб).

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 Международное бюро мер и весов рекомендовала включить его в эту систему.

Сравнение с другими логарифмическими единицами

Области применения

Децибелы широко применяются в любых областях техники, где требуется измерение величин, меняющихся в широком диапазоне: в радиотехнике, антенной технике, в системах передачи информации, в оптике, акустике (в децибелах измеряется уровень громкости звука) и др. Так, в децибелах принято измерять динамический диапазон (например, диапазон громкости звучания музыкального инструмента), затухание волны при распространении в поглощающей среде, коэффициент усиления и коэффициент шума усилителя.

Децибелы используются не только для измерения отношения физических величин второго порядка (энергетических: мощность , энергия) и первого порядка (напряжение, сила тока). В децибелах можно измерять отношения любых физических величин, а также использовать децибелы для представления абсолютных величин (см. опорный уровень).

Переход к децибелам

Любые операции с децибелами упрощаются, если руководствоваться правилом: величина в дБ - это 10 десятичных логарифмов отношения двух одноименных энергетических величин . Всё остальное - следствия этого правила. «Энергетические» - величины второго порядка (энергия, мощность). По отношению к ним напряжение и сила электрического тока («неэнергетические») - величины первого порядка (P ~ U ²), которые должны быть на каком-то этапе вычислений корректно преобразованы в энергетические.

Измерение «энергетических» величин

Изначально дБ использовался для оценки отношения мощностей , и в каноническом, привычном смысле величина, выраженная в дБ, предполагает логарифм отношения двух мощностей и вычисляется по формуле:

где x - величина, измеряемая в дБ; P 1 /P 0 - отношение значений двух мощностей: измеряемой P 1 к так называемой опорной P 0 , то есть базовой, взятой за нулевой уровень (имеется в виду нулевой уровень в единицах дБ, поскольку в случае равенства мощностей P 1 = P 0 логарифм их отношения lg(P 1 /P 0) = 0).

Соответственно, переход от дБ к отношению мощностей осуществляется по формуле:

где x - величина, измеряемая в дБ. Мощность P 1 может быть найдена при известной опорной мощности P 0 по выражению

Измерение «неэнергетических» величин

Из правила (см. выше) следует, что «неэнергетические» величины должны быть преобразованы в энергетические. Так, согласно закону Джоуля-Ленца или . Следовательно, , где R 1 - сопротивление, на котором определяется изменяемое напряжение U 1 , а R 0 - сопротивление, на котором было определено опорное напряжение U 0 .

В общем случае напряжения U 1 и U 0 могут регистрироваться на различных по величине сопротивлениях (R 1 не равно R 0). Такое может быть, например, при определении коэффициента усиления усилителя, имеющего различные выходное и входное сопротивления, или при измерении потерь в согласующем устройстве, трансформирующем сопротивления. Поэтому в общем случае

Величина в децибелах = .

Только в частном (весьма распространенном) случае, если оба напряжения U 1 и U 0 измерялись на одном и том же сопротивлении (R 1 = R 0), можно пользоваться кратким выражением

Величина в децибелах = .

Децибелы «по мощности», «по напряжению» и «по току»

Из правила (см. выше) следует, что дБ бывают только «по мощности». Тем не менее, в случае равенства R 1 = R 0 (в частности, если R 1 и R 0 - одно и то же сопротивление, или в случае, если соотношение сопротивлений R 1 и R 0 по той или иной причине не важно) говорят о дБ «по напряжению» и «по току», подразумевая при этом выражения:

ДБ по напряжению = ; дБ по току = .

Для перехода от «дБ по напряжению» («дБ по току») к «дБ по мощности» следует чётко определить, на каких именно сопротивлениях (равных или не равных друг другу) регистрировались напряжение (ток). Если R 1 не равно R 0 , следует пользоваться выражением для общего случая (см. выше).

Примеры вычислений

Переход к дБ

Пусть значение мощности P 1 стало в 2 раза больше исходного значения мощности P 0 , тогда

10 lg(P 1 /P 0) = 10 lg(2) ≈3,0103 дБ ≈ 3 дБ,

то есть рост мощности на 3 дБ означает её увеличение в 2 раза.

Пусть значение мощности P 1 стало в 2 раза меньше исходного значения мощности P 0 , то есть P 1 = 0,5 P 0 . Тогда

10 lg(P 1 /P 0) = 10 lg(0,5) ≈ −3 дБ,

то есть снижение мощности на 3 дБ означает её снижение в 2 раза. По аналогии:

• рост мощности в 10 раз: 10 lg(P 1 /P 0) = 10 lg(10) = 10 дБ, снижение в 10 раз: 10 lg(P 1 /P 0) = 10 lg(0,1)= −10 дБ;
• рост в 1 млн раз: 10 lg(P 1 /P 0) = 10 lg(1 000 000) = 60 дБ, снижение в 1 млн раз: 10 lg(P 1 /P 0) = 10 lg(0,000001) = −60 дБ.

Переход от дБ к «разам»

Изменение «в разах» по известному изменению в дБ (условное обозначение «dB» в формулах ниже) вычисляется следующим образом:

Переход от дБ к мощности

Для этого нужно знать значение опорного уровня мощности P 0 . Например, при P 0 = 1 мВт и известном изменении на +20 дБ:

Переход от дБ к напряжению (току)

Для этого нужно знать значение опорного уровня напряжения U 0 и определиться, регистрировалось ли напряжение на одинаковом сопротивлении, или же для решаемой задачи различие значений сопротивлений не важно. Например, при условии R 0 = R 1 , заданном U 0 = 2 В и приросте напряжения на 6 дБ:

Операции с децибелами можно выполнять в уме: вместо умножения, деления, возведения в степень и извлечения корня применяется сложение и вычитание децибельных единиц. Для этого можно использовать таблицы соотношений (первые 2 - приближённые):

1 дБ → в 1,25 раза, 3 дБ → в 2 раза, 10 дБ → в 10 раз.

Отсюда, раскладывая «более сложные значения» на «составные», получаем:

6 дБ = 3 дБ + 3 дБ → в 2·2 = в 4 раза, 9 дБ = 3 дБ + 3 дБ + 3 дБ → в 2·2·2 = в 8 раз, 12 дБ = 4 · (3 дБ) → в 2 4 = в 16 раз

и т. п., а также:

13 дБ = 10 дБ + 3 дБ → в 10·2 = в 20 раз, 20 дБ = 10 дБ + 10 дБ → в 10·10 = в 100 раз, 30 дБ = 3 · (10 дБ) → в 10³ = в 1000 раз

Сложению (вычитанию) значений в дБ соответствует умножение (деление) самих отношений. Отрицательные значения дБ соответствуют обратным отношениям. Например:

• уменьшение мощности в 40 раз → это в 4·10 раз или на −(6 дБ + 10 дБ) = −16 дБ;
• увеличение мощности в 128 раз это 2 7 или на 7·(3 дБ) = 21 дБ;
• снижение напряжения в 4 раза эквивалентно снижению мощности (величины второго порядка) в 4² = 16 раз; и то и другое при R 1 = R 0 эквивалентно снижению на 4·(−3 дБ) = −12 дБ.

Причины использования децибелов

Для применения децибелов и оперирования логарифмами вместо процентов или долей есть ряд причин:

Условные обозначения

Для различных физических величин одному и тому же числовому значению , выраженному в децибелах , могут соответствовать разные уровни сигналов (вернее разности уровней). Поэтому во избежание путаницы такие «конкретизированные» единицы измерения обозначают теми же буквами «дБ», но с добавлением индекса - общепринятого обозначения измеряемой физической величины. Например дБВ (децибел относительно вольта) или дБмкВ (децибел относительно микровольта), дБВт (децибел относительно ватта) и т. п. В соответствии с международным стандартом МЭК 27-3 при необходимости указать исходную величину её значение помещают в скобках за обозначением логарифмической величины, например, для уровня звукового давления: L P (re 20 µPA) = 20 dB; L P (исх. 20 мкПа) = 20 дБ

Опорный уровень

Децибел служит для определения отношения двух величин. Но нет ничего удивительного в том, что децибел используют и для измерения абсолютных значений. Для этого достаточно условиться, какой уровень измеряемой физической величины будет принят за опорный уровень (условный 0 дБ).

Строго говоря, должно быть однозначно определено, какая именно физическая величина и какое именно её значение используются в качестве опорного уровня. Опорный уровень указывается в виде добавки, следующей за символами «дБ» (например, дБм), либо опорный уровень должен быть ясен из контекста (например, «дБ относительно 1 мВт»).

На практике распространены следующие опорные уровни и специальные обозначения для них:

• dBm (русское дБм ) - опорный уровень - это мощность в 1 мВт. Мощность обычно определяется на номинальной нагрузке (для профессиональной техники - обычно 10 кОм для частот менее 10 МГц , для радиочастотной техники - 50 Ом или 75 Ом). Например, «выходная мощность усилительного каскада составляет 13 дБм » (то есть мощность, выделяющаяся на номинальной для этого усилительного каскада нагрузке, составляет 20 мВт).
• dBV (русское дБВ ) - опорное напряжение 1 В на номинальной нагрузке (для бытовой техники - обычно 47 кОм); например, стандартизованный уровень сигнала для бытового аудиооборудования составляет −10 дБВ, то есть 0,316 В на нагрузке 47 кОм.
• dBuV (русское дБмкВ ) - опорное напряжение 1 мкВ ; например, «чувствительность радиоприёмника, измеренная на антенном входе - −10 дБмкВ … номинальное сопротивление антенны - 50 Ом ».

Связь напряжения в dBu с вольтами, ваттами и дБм. Падение напряжения в 0,775 В (среднеквадратическое значение) на нагрузке с сопротивлением 600 Ом приводит к рассеянию на этой нагрузке средней мощности в 1 мВт (0 дБм). Говорят, что в этом случае уровень сигнала - 0 dBu

По аналогии образуются составные единицы измерений. Например, уровень спектральной плотности мощности дБВт/Гц - «децибельный» аналог единицы измерения Вт/Гц (мощность, выделяющаяся на номинальной нагрузке в полосе частот шириной в 1 Гц с центром на указанной частоте). Опорным уровнем в данном примере является 1 Вт/Гц, то есть физическая величина «спектральная плотность мощности», её размерность «Вт/Гц» и значение «1». Так, запись «-120 дБВт/Гц» полностью эквивалентна записи «10 −12 Вт/Гц».

В случае затруднения во избежание путаницы достаточно указать опорный уровень явно. Например, запись −20 дБ (относительно 0,775 B на нагрузке 50 Ом) исключает двойное толкование.

Справедливы следующие правила (следствие правил действий с размерными величинами):

• перемножать или делить «децибельные» значения нельзя (это бессмысленно);
• суммирование «децибельных» значений соответствует умножению абсолютных значений, вычитание «децибельных» значений - делению абсолютных значений;
• суммирование или вычитание «децибельных» значений может выполняться независимо от их «исходной» размерности. Например, равенство 10 дБм + 13 дБ = 23 дБм является корректным, полностью эквивалентно равенству 10 мВт · 20 = 200 мВт и может трактоваться как «усилитель с коэффициентом усиления 13 дБ увеличивает мощность сигнала с 10 дБм до 23 дБм».

При пересчёте уровней мощностей (дБВт, дБм) в уровни напряжений (дБВ, дБмкВ) и обратно необходимо учитывать сопротивление, на котором определяется мощность и напряжение:

• Мощность в напряжение:
  • дБмкВ = дБм + 107
  • дБмкВ = дБВт + 137
  • дБВ = дБм - 13
  • дБВ = дБВт + 17

• Напряжение в мощность:
  • дБм = дБмкВ - 107
  • дБм = дБВ + 13
  • дБВт = дБмкВ - 137
  • дБВт = дБВ - 17

• Мощность в напряжение:
  • дБмкВ = дБм + 108,75
  • дБмкВ = дБВт + 138,75
  • дБВ = дБм - 11,25
  • дБВ = дБВт + 18,75

• Напряжение в мощность:
  • дБм = дБмкВ - 108,75
  • дБм = дБВ + 11,25
  • дБВт = дБмкВ - 138,75
  • дБВт = дБВ - 18,75

Единицу измерения под названием Бел впервые стали использовать инженеры зарубежной телефонной компании Белла. 1 Дб - десятая часть Бела 1 дБ = 0,1 Бел . А вот на практике широкое распространение получил как раз децибел.

Если мы пытаемся объяснить какое-либо изменение, мы скажем, стало громче в два раза или ток снизился в десять раз. При этом мы пользуемся определенным порогом отсчета, относительно которого и стали заметны изменения. С помощью децибел также фиксируют эти изменения, только в логарифмическом виде.

Например, изменение на один дБ, соответствует изменению какой либо энергетической величины в 1,26 раза. Изменение на три дБ - в два раза. Но зачем такие сложности, скажет начинающий. Но причины для применения децибела все-таки имеются и причем довольно существенные.

Обратимся к правилам Вебера-Фехнера. Это эмпирический психофизиологический закон, базирующийся на реальных полученных результатах экспериментов, а не на теории. Суть его кроется в том в том, что абсолютно любые изменения любых величин (громкости, веса, скорости) ощущаются только при условии, если они носят логарифмический характер.

Так чувствительность уха человека снижается с ростом уровня громкости, поэтому, при выборе переменного сопротивления, которое планируется поставить в регулятор громкости самодельного УНЧ стоит использовать с хорошей показательной зависимостью сопротивления от угла поворота ручки резистора. Только тогда, при повороте ручки уровень громкости будет нарастать плавно и постепенно. Регулировка громкости будет строго линейной, так как показательная зависимость уровня громкости компенсирует логарифмическая зависимость нашего слуха. На рисунке ниже показана зависимость сопротивления переменного резистора от угла поворота движка регулятора (А-линейная, Б-логарифмическая, В-показательная).

Как известно человеческое ухо способно слышать звуки, мощность которых разниться на гигантскую величину в 10 000 000 000 000 раз! Поэтому, самый громкий звук отличается от максимально тихого, на 130 дБ (10 000 000 000 000 раз). Согласитесь, это куда проще если при расчетах использовать небольшие числа вроде. Еще одним плюсом децибел является тот факт, что их можно просто сложить. Если математические вычисления шли бы в разах, то числа требовалос умножать. Допустим, 30 дБ + 30 дБ = 60 дБ (в разах: 1000 * 1000 = 1000 000). Думаю,ход мыслей понятен. Кроме всего прочего децибелы очень удобны при графическом выводе все-возможных зависимостей.

Дб принято считать безразмерной единицей. Так как децибел на самом деле отображает, во сколько раз возросла, либо упала какая-либо энергетическая величина (ток, напряжение, мощность). Отличие децибел от разов состоит лишь в том, что все это осуществляется по логарифмическому закону. Чтобы это можно было как-то обозначить и приписать дБ при оценке можно переходить от децибел к разам. Сравнивать с помощью децибел можно абсолютно любые единицы измерени, так как Кроме того, это относительная и безразмерная величина .

Если указывается знак “минус ”, например – 1 дБ , то значение измеряемой величины, снизилось в 1,26 раз. Если перед децибелами нет знака, то говорят об увеличении, росте какой либо энергетической величины. Это необходимо запомнить. В некоторых технических источниках литературы вместо знака “-” говорят о затуханиях или о уменьшении коэффициента усиления.

Итак, можно сказать, что децибел показывает логарифм отношения уровня одного сигнала к другому и применяется для сравнения двух сигналов. Из формулы, кстати, хорошо видно, что децибелах можно сравнивать практически любые сигналы (и не только звуковую мощность), так как эта величина безразмерная.

Итак, мы поняли, что децибелы - это соотношение двух величин, выраженное в логарифмическом масштабе. При этом отношение величины тока и напряжения имеет коэффициент равный 20

а отношение мощности коэффициент равный десяти.

Если у нас имеются напряжения 1В, 10В, 100В, 1000В , то каждое напряжение выше предыдущего на 20дБ. Переводить в уме разы в децибелы не каждый сможет, но имеются два более простых исключения. Увеличению в два раза и в десять раз соответствуют круглые значения в децибелах, их легко выучить, а промежуточные варианты вычисляют приблизительно. Кроме того, существуют специальные таблицы. Ниже представлены таблицы перевода из децибел в разы Левая таблица для ослаблений сигнала (синяя), правая для усиления (зеленая)

Посмотрев на таблицу выше, можно сказать, что децибел всего лишь удобное инженерное решение, которое введено в результате долгих практических измерений и выгоды от его применения.

Существуют разные уровни шума и его допустимые нормы, превышение которых представляет большую опасность для человеческого слуха.

Как измеряется шум?

Уровень шума, как и звуков, измеряется в децибелах (дБ). По закону РФ существуют установленные нормы, которые нельзя превышать. В дневное время - не более 55 децибел, в ночное - не выше 45 дБ. Это предельно допустимые значения, так как их увеличение негативно отражается на здоровье человека. В основном страдает нервная система, возникают головные боли.

Чем опасны высокие звуки?

Уровни шума могут быть разными. Одни не превышают установленных законом норм и не мешают жизнедеятельности человека. В дневное время допускается более высокий уровень звуков, но и он имеет свои рамки в децибелах. Если норма превышена, то человек может ощущать нервозность, раздражительность. Затормаживаются реакции, уменьшается производительность и сообразительность.

Шум свыше 70 децибел может привести к ухудшению слуха. Особенно громкие звуки сильно влияют на здоровье малышей, инвалидов и престарелых людей. Согласно исследованиям влияния шума на человека, реакция нервной системы на повышение допустимых норм звукового фона начинается с 40 децибел. Сон нарушается уже при 35 дБ.

Сильные изменения нервной системы происходят при шуме в 70 децибел. В этом случае у человека могут возникнуть психические заболевания, ухудшиться слух и зрение и даже измениться в негативную сторону состав крови.

Например, в Германии почти двадцать процентов рабочих трудятся при шуме от 85 до 90 децибел. И это повлекло за собой участившиеся случаи тугоухости. Постоянный шум, превышающий норму, влечет за собой как минимум сонливость, усталость и раздражение.

Что происходит со слухом под воздействием шума?

Длительный или чрезмерно громкий звуковой фон может повредить слуховой аппарат человека. Самое опасное при этом - разрыв барабанных перепонок. Соответственно, снижается слух или наступает полная глухота. В худшем варианте при громком взрыве, звуковой уровень которого достигает 200 децибел, человек умирает.

Нормы

Максимальный уровень шума в жилом помещении (в любое время суток) установлен согласно санитарным требованиям. Звук свыше 70 децибел и выше вреден не только для психологического, но и для физического состояния человека. На предприятиях шумовой уровень регулируется соответственно санитарным нормам и гигиеническим требованиям, установленным в Российской Федерации.

Оптимальным шумовым фоном считается значение в 20 децибел. Для сравнения: городской шум в среднем составляет от 30 до 40 дБ. А предельно допустимый для авиалайнеров - 50 дБ над землей. Сейчас на многих городских улицах шумовые уровни достигают от 65 до 85 децибел. Но самые распространенные показатели - от 70 до 75 дБ. И это при норме в 70 дБ.

Высокий уровень шума (дБ) - это 90. Он вызывает головные боли, повышает давление и т. д. К зонам с повышенным уровнем шума относятся жилые территории рядом с аэропортами, промышленными предприятиями и т. д. В местах строительства разрешенная норма повышенных звуков не должна превышать 45 децибел.

Основные источники шума - это автомобили, авиационный и ж/д транспорт, промышленные производства и т. д. Средний шумовой фон на дорогах крупных городов - от 73 до 83 децибел. А максимальный - от 90 до 95 дБ. В домах, расположенных вдоль магистралей, шум может достигать от 62 до 77 децибел.

Хотя по санитарным нормам звуковой фон не должен превышать днем 40 дБ, а ночью - 30 дБ. По данным Министерства транспорта, в зонах шумового дискомфорта в РФ проживает приблизительно тридцать процентов населения. А от трех до четырех процентов горожан находятся под авиационным звуковым фоном.

Уровни шума малой интенсивности от городского транспорта, который слышен в жилых помещениях, приблизительно равны 35 децибелам. Это не вызывает у людей физиологических сдвигов. При звуковом уровне в 40 децибел через десять минут начинается изменение чувствительности слуха. Под воздействием постоянного шума в течение пятнадцати минут ощущения возвращаются к норме. При 40 дБ немного нарушается продолжительность спокойного сна.

На заводских производствах, где работает пресс, на него устанавливается специальный глушитель. В результате шум снижается с 95 до 83 децибел. И становится ниже установленных санитарных норм для производства.

Но в основном люди страдают от автомобильного шума. В городах, где есть оживленное транспортное движение, звуковой фон несколько превышает норму. Во время проезда мощных грузовых автомобилей шум достигает максимального значения - от 85 до 95 децибел. Но в среднем в больших городах превышение допустимой нормы колеблется от 5 до 7 децибел. И только в частных секторах шумовая нагрузка соответствует принятым стандартам.

Технический прогресс вызывает увеличение искусственного звукового фона, который в этом случае становится вредным для человека. На некоторых производствах уровень шума в помещении достигает от 60 до 70 децибел и выше. Хотя нормой должно быть значение 40 дБ. Все работающие механизмы создают большой шум, распространяемый на большое расстояние.

Это особенно заметно в горной и металлургической промышленности. На таких производствах шум достигает отметки от 75 до 80 децибел. От взрывов и работы турбореактивных двигателей - от 110 до 130 дБ.

Что включают в себя санитарные нормы шума?

Санитарные нормы шума включают в себя много факторов. Измеряются частотные характеристики, длительность и время воздействия громкого звукового фона, его характер. Измерения проводятся в децибелах.

В основе норм заложены характеристики, какой уровень шума, воздействуя даже в течение долгого времени, не вызывает в организме человека негативных изменений. Днем это не более 40 децибел, а ночью - не выше 30 дБ. Допустимый предел транспортного шума - от 84 до 92 дБ. И со временем установленные нормы звукового фона планируется снизить еще.

Как определить уровень шума?

В ночное время избавиться от громкого шума довольно просто. Можно вызвать участкового или наряд полиции. Но в дневное время определить уровень шума намного проблематичнее. Поэтому существует специальная экспертиза. Вызывается специальная санитарно-эпидемиологическая комиссия из Роспотребнадзора. И исходящий шум фиксируется в децибелах. После замеров составляется акт.

Нормы шума при строительстве

При строительстве жилых домов застройщики обязаны обеспечить помещения хорошей звукоизоляцией. Шум не должен быть более 50 децибел. Это касается звуков, передающихся по воздуху (работающий телевизор, разговоры соседей и т. д.).

Сравнительные показатели допустимого шума

Кратковременное нахождение под воздействием громких звуков до 60 децибел для человека неопасно. В отличие от систематического шума, который нарушает нервную систему. Далее описаны уровни шума (в дБ) от различных источников:

• человеческий шепот - от 30 до 40;
• работа холодильника - 42;
• движение лифтовой кабины - от 35 до 43;
• вентиляция "Бризер" - от 30 до 40;
• кондиционер - 45;
• шум пролетающего авиалайнера - 140;
• игра на пианино - 80;
• шум леса - от 10 до 24;
• стекающая вода - от 38 до 58;
• шум работающего пылесоса - 80;
• разговорная речь - от 45 до 60;
• шум супермаркета - 60;
• автомобильный гудок - 120;
• приготовление на плите пищи - 40;
• шум мотоцикла или поезда - от 90;
• ремонтные работы - 100;
• танцевальная музыка в ночных клубах - 110;
• детский плач - от 70 до 80;
• смертельный для человека шумовой уровень - 200.

Из списка видно, что множество звуков, с которыми ежедневно сталкивается человек, превышают допустимый уровень шума. Причем выше перечислены только естественные звуки, которых избежать почти невозможно. И если при этом добавляются дополнительные децибелы, то резко превышается установленный санитарными нормами звуковой порог.

Поэтому отдых немаловажен. После работы на производствах, на которых зашкаливает шумовой уровень, необходимо восстанавливать слух. Для этого достаточно бывать как можно больше времени в расслабляющих, спокойных местах. Для этого хорошо подходят выезды на природу.

Как измерить шум в децибелах?

Допустимый уровень шума можно измерить самостоятельно с помощью специальных предметов - шумометров. Но стоят они очень дорого. И фиксация уровня звуков производится только специалистами, без заключения которых акты будут недействительными.

Как уже упомянуто выше, агрессивное шумовое воздействие иногда приводит к разрыву барабанных перепонок. По этой причине слух ухудшается, иногда до полной глухоты. Хотя барабанная перепонка может восстановиться, но процесс это очень долгий и зависит от тяжести повреждения.

По этой причине рекомендуется избегать длительного воздействия шума. Периодически нужно давать ушам отдохнуть: находиться в полной тишине, ездить в деревню (на дачу), не слушать музыку, телевизор отключать. Но в первую очередь желательно отказаться от всевозможных портативных проигрывателей музыки с наушниками.

Все это поможет сберечь наш драгоценный слух, который будет всегда служить верой и правдой. Кроме того, тишина способствует восстановлению барабанных перепонок после травмирования.

Радио 1967, 12

Децибел - специфическая единица численного выражения усиления или ослабления сигнала. В децибелах оценивают коэффициенты усиления и затухания, избирательность приёмников, неравномерность частотных характеристик, интенсивность звука и многие параметры различных радиотехнических приборов, аппаратов, линий передач, антенных и других устройств. Шкалы децибел имеют многие вольтметры и авометры.

Что же такое децибел? Прежде всего - децибел (сокращённое обозначение - дБ) не физическая величина, как, скажем, ватт, вольт, ампер, а математическое понятие. В этом отношении у децибел есть некоторое сходство с процентами. Как и проценты, децибел величина относительная и применима к оценке самых различных явлений, независимо от их природы. Но, если проценты выражают какую-то величину, отнесённую к целому, принятому за единицу, то в основе, децибела лежит более широкое понятие, характеризующее отношение двух независимых, но одноимённых величин. Надо, однако, помнить, что термин «децибел» всегда связывают только с мощностями и с некоторыми оговорками с напряжениями и токами. Физическая природа мощностей не оговаривается и может быть любой - электрической, акустической, электромагнитной.

Децибел, как показывает приставка «деци», представляет собой десятую часть другой, более крупной единицы - Бел. А Бел есть десятичный логарифм отношения двух мощностей. Если известны две мощности Р1 и Р2, то их отношение, выраженное в децибелах, определяется как:

N дБ =10 Lg (P2/P1)

где Р1 - мощность, соответствующая начальному уровню сигнала, а Р2 - мощность, соответствующая конечному уровню сигнала.

Здесь уместно напомнить, что десятичным логарифмом числа называют показатель степени, в которую надо возвести число 10, чтобы получить данное число. Например: Lg(100) = 2, так как 10 2 = 10*10 = 100; Lg(1000) = 3, так как 10 3 = 10*10*10 = 1000.

У чисел, которые больше единицы, логарифмы будут положительными величинами, а если числа меньше единицы, их логарифмы отрицательны. Перед отрицательными логарифмами ставят знак «-» (минус), например: Lg(0,1) = - 1; Lg(0,01) = - 2.

В том случае, когда начальный сигнал меньше конечного, то есть P2/P1 больше 1, что имеет место в усилителях, число децибел будет положительным, а если начальный уровень больше конечного, то есть P2/P1 меньше 1, то число децибел будет отрицательным. Второй случай соответствует ослаблению (затуханию) сигнала. Когда обе мощности одинаковы и P2/P1= 1, то число децибел равно нулю.

Между децибелами усиления и затухания существует простая связь: если, к примеру, отношение 10 соответствует 10 дБ, то -10 дБ выражают обратное отношение, то есть 0,1.

Сравнение двух сигналов путём сопоставления их мощностей не всегда бывает удобным. Во многих случаях оказывается проще измерять не мощность в нагрузке, а падение напряжения на ней или протекающий ток. Но при этом нужно соблюдать обязательное условие: сопротивления нагрузок, на которых измеряются напряжения U1 и U2 или через которые протекают измеряемые токи I1 и I2 должны быть одинаковыми. Формулы для расчёта децибел в этом случае имеют следующий вид:

N дБ =20 Lg (P2/P1); N дБ =20 Lg (I2/I1)

Децибелы применяют не только для сравнения двух величин. Они удобны и для оценок конкретных значений мощностей, а также напряжений и токов, если считать, что величина одного из членов отношения, входящего в приведённые выше формулы, неизменна. Тогда любая другая величина, сравниваемая с нею, будет характеризоваться определённым числом децибел. В этом случае нулю децибел соответствует мощность, равная первой, которую часто называют нулевой. За условный нулевой уровень электрического сигнала принята мощность Р = 1 мВт (0,001 Вт), выделяемая на активном сопротивлении R = 600 Ом - подобно тому, как при измерении температуры за нуль градусов принята температура таяния льда при нормальном атмосферном давлении. При этой мощности на указанном сопротивлении падение напряжения равно:

U = (РR) 0,5 = (0,001*600) 0,5 = 0,775 В,

а протекающий ток:

I = (P/R) 0,5 = (0,001/600) 0,5 = 1,29 мА.

Эти величины - 0,775 В и 1,29 мА приняты за нуль децибел электрического напряжения и тока.

Если в цепи с активным сопротивлением 600 Ом выделяется мощность больше 1 мВт, то есть падение напряжения больше 0,775 В и ток больше 1,29 мА - уровни будут положительными. Когда же мощность, напряжение или ток меньше этих величин, то уровни отрицательные.

Децибелы и соответствующие им отношения мощностей, напряжений и токов даны в табл. 1.

Допустим, что в результате усовершенствования оконечного каскада усилителя низкой частоты его выходная мощность возросла с 10 до 20 Вт. Значит приращение мощности будет:

P2/P1 = 20/10 = 2

По таблице в колонке «Отношение мощностей» ближайшее к 2 число будет 1,99. В колонке «Децибелы» этому числу соответствует 3 дБ. Следовательно, увеличение выходной мощности вдвое соответствует увеличению усиления на 3 дБ. Если же по каким-либо причинам выходная мощность усилителя снизилась с 20 Вт до 10 Вт, то новое отношение мощностей будет P2/P1 = 10/20 = 0,5. Но теперь изменение мощности означает ослабление и будет выражаться как -3 дБ.

Выполняя действия с децибелами, надо помнить, что сумма двух чисел в децибелах эквивалентна произведению абсолютных величин тех чисел, которым они соответствуют, поэтому, чтобы показать рост (или ослабление) мощности, например, вдвое, втрое или вчетверо, надо к первоначальному числу децибел прибавить (или отнять) соответственно 3 дБ, 4,8 дБ или 6 дБ.

В децибелах часто выражают чувствительность микрофонов,сравнивая отдаваемую ими мощность при заводских испытаниях с указанным выше стандартным нулевым уровнем 1 мВт. Допустим, что микрофон типа МД-44, выходной уровень отдачи которого - 78 дБ, подключён к усилителю, который может развивать 40 Вт неискажённой мощности. Однако в работе оказалось, что усилитель с таким микрофоном развивает только 10 Вт. Спрашивается, какой чувствительности должен быть микрофон, чтобы усилитель отдавал полную мощность? Отношение максимальной мощности (40 Вт) усилителя к получаемой (10 Вт) составляет 40/10 = 4. Этому отношению (по таблице - 3,98) соответствует 6 дБ. Следовательно, нужен микрофон с уровнем отдачи - 72 дБ, то есть на 6 дБ больше, чем микрофон МД-44 (-78 дБ), так как: - 78 дБ + 6 дБ= -72 дБ. Этому требованию отвечает, например, микрофон МД-41.

Таблица 1. Децибелы и соответствующие им отношения мощностей, напряжении и токов

Ещё пример. К отрезку кабеля типа РК-1 длиной 50 м приложено напряжение 8 В частотой 100 МГц. Каким будет напряжение на выходе отрезка, если известно (из справочника), что на этой частоте кабель вносит затухание 0,096 дБ на метр? Источник питания и нагрузка имеют одинаковые сопротивления, равные волновому. Очевидно, что затухание, вносимое кабелем, равно: 0,096*50 = 4,8 дБ. В табл. 1 для этого затухания (-4,8 дБ) величина отношения напряжений не указана. Воспользуемся тем, что в таблице приведено отношение для +4,8 дБ, которое равно 1,74. Значит на конце отрезка сигнал будет составлять 1/1,74 ≈ 0,57 от входного, т. е. 8*0,57 ≈ 4,6 В.

Когда надо определить значения децибел или отношений, которых нет в таблице, надо поступать следующим образом. Предположим, необходимо найти отношение мощностей, соответствующее 24 дБ. Представив 24 дБ в виде суммы 10 + 14 дБ, найдём в таблице отношения мощностей для каждого из слагаемых, они равны 10 и 25,12. Перемножив эти отношения, получим, что 24 дБ соответствуют отношению мощностей 251,2.

На выходе усилителя на средних частотах развивается напряжение U1 = 30 В, а на краях полосы пропускания - напряжение U2 = 21 В. Усилитель, следовательно, вносит частотные искажения - верхние и нижние звуковые частоты усиливает хуже («заваливает»), чем средние. Отношение указанных величин будет

U2/U1 = 21/30 = 0,7

По таблице найдём, что частотные искажения данного усилителя на краях полосы пропускания равны -3 дБ.

Широко применяются децибелы и в акустике, где они являются, по существу, основной единицей для количественной оценки интенсивности звука. Объясняется это свойством нашего уха реагировать на звуки, интенсивность которых отличается в миллионы раз. Но чувствительность уха к звукам разной силы не одинакова - в тишине и при малой интенсивности (шёпот, шорохи) она максимальна, а при большой интенсивности (рёв самолёта, грохот машин) она минимальна. В этом отношении слуховой аппарат подобен радиоприёмнику с системой АРУ.

Это явление можно пояснить таким примером. Допустим, усилитель развивает на выходе мощность 10 Вт. Увеличение выходной мощности до 20 Вт покажется на слух небольшим увеличением громкости. Для того чтобы ухо ощутило вдвое большую громкость, понадобится почти десятикратное увеличение выходной мощности усилителя (≈10 дБ). А чтобы ухо восприняло увеличение громкости в 4 раза, мощность должна быть увеличена в 100 раз (≈20 дБ).

Учёные-физиологи, исследуя свойства слуха, установили, что чувствительность уха связана с интенсивностью звукового воздействия логарифмическим законом, то есть приращение силы звука в несколько раз покажется на слух изменением громкости приблизительно в логарифм этого числа раз. Применение децибел в акустике оказывается очень удобным, так как слуховое восприятие и оценка интенсивностей звуков при этом находятся в строгой связи и, к тому же, изменение интенсивности звука на 1 дБ улавливается ухом как едва заметное изменение громкости.

Таблица 2. СРЕДНИЕ УРОВНИ ШУМОВ

Сравнительная оценка средних уровней громкости некоторых бытовых и производственных шумов в децибелах относительно порога слышимости человеческого уха, принятого за нулевой уровень, приведена в табл. 2. Измерение интенсивности звука осуществляется с помощью специальных приборов - шумомеров, шкалы которых градуированы непосредственно в децибелах.

Приведёнными здесь примерами далеко не исчерпываются применения децибел при различных подсчётах и измерениях в радиолюбительской практике. Мы лишь хотели показать простоту понимания децибела и широкие возможности пользования ими.

Канд. техн. наук Е. ЗЕЛЬДИН, инж. К. ДОМБРОВСКИЙ