Единицы измерения уровня громкости их определение

Содержание
  1. Единицы измерения громкости
  2. Громкость звука
  3. Измерение громкости
  4. Физика звука? Что такое громкость? Разбор
  5. Что такое звук?
  6. Восприятие громкости
  7. Ватты
  8. Соотношение сигнал/шум
  9. Итоги
  10. Все о громкости звука
  11. Что это такое?
  12. От чего зависит громкость?
  13. Как можно измерить?
  14. Громкость звука
  15. Измерение громкости
  16. Единицы измерения громкости
  17. Физика звука? Что такое громкость? Разбор
  18. Что такое звук?
  19. Восприятие громкости
  20. Ватты
  21. Соотношение сигнал/шум
  22. Итоги
  23. Измерения. Единицы измерения. Децибелы — универсальная мера
  24. ПРИМЕНЕНИЕ ДЕЦИБЕЛ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ И ЭЛЕКТРОАКУСТИКЕ
  25. ЧТО ТАКОЕ ДЕЦИБЕЛЫ?
  26. СОПОСТАВЛЕНИЕ ДЕЦИБЕЛ С ПРОЦЕНТАМИ
  27. ДЕЦИБЕЛЫ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ
  28. Затухание в кабеле
  29. Усилители звуковой частоты
  30. Шум и фон
  31. Динамический диапазон и регулировки
  32. ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ МАСШТАБ
  33. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИМЕНОВАННЫХ ЧИСЕЛ В ДЕЦИБЕЛАХ
  34. ДЕЦИБЕЛЫ В АКУСТИКЕ
  35. УРОВНИ ГРОМКОСТИ
  36. ШУМОМЕРЫ

Единицы измерения громкости

Уровень интенсивности шума, выраженный в децибелах, не учитывает такую физиологическую, особенность слуха, как различную чувствительность к звукам разной частоты. Поэтому было введено понятие уровня громкости с единицей измерения фон. Уровень громкости в фонах определяют путем сравнения оцениваемого звука со звуком такой же воспринимаемой громкости частотой 1000 Гц (эталонный тон). Иными словами, для звука частотой 1000 Гц громкость в фонах равна громкости в децибелах:

Соотношение воспринимаемой громкости в децибелах, воспринимаемой громкости в фонах и уровня звукового давления в Паскалях:

Например, если синусоидальная волна частотой 100 Гц создаёт звуковое давление уровнем 60 дБ, то, проведя прямые, соответствующие этим значениям на диаграмме, находим на их пересечении изофону, соответствующую уровню громкости 50 фон. Это значит, что данный звук имеет уровень громкости 50 фон.

Шкала сонов является шкалой субъективной оценки и разработана в результате многочисленных тестов. Полученные экспериментальным способом оценки показывают, что громкость возрастает как кубический корень из интенсивности звука, то есть зависимость психологической оценки громкости (J) от физической интенсивности (мощности) звука (I) описывается формулой:

где k — коэффициент, зависящий от частоты.

1 сон соответствует громкости чистого тона частотой 1000 Гц с уровнем 40 дБ. При увеличении уровня на каждые 10 дБ значение громкости в сонах удваивается.

Источник

Громкость звука

Амплитуда колебаний в нашем восприятии соответствует громкости звука:

Существуют различные способы физического (а не математического) выражения амплитуды звуковых колебаний, использующиеся в разных областях:

  • Интенсивность звука — скалярная физическая величина, характеризующая мощность (точнее, это мощность на единицу площади), переносимую звуковой волной в направлении её распространения. Единица измерения — ватт на квадратный метр (Вт/м 2 ).
  • Звуковое давление — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения — паскаль (Па).
  • Громкость звука (Уровень звукового давления, SPL или sound pressure level) — воспринимаемая относительная сила звука. Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. На громкость звука также влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.

Интенсивность звука и Звуковое давление находятся в квадратичной зависимости, точнее:

где I — интенсивность звука, Вт/м 2 ;
p — звуковое давление, Па;
Zs — удельное акустическое сопротивление среды;
<>t — усреднение по времени.

Измерение громкости

Громкость звука является относительной величиной и определяется как измеренное по относительной шкале значение звукового давления, соотнесённое с опорным давлением PSPL = 20 мкПа, соответствующим порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц.

Единицей измерения громкости является децибел (дБ, dB) — относительная единица, подобная кратности или, например, процентам.

Величина, выраженная в децибелах, равна десятичному логарифму отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за точку отсчета, умноженному на десять (умножение на 10 переводит белы в децибелы):

где AdB — величина в децибелах, A — измеренная физическая величина, A0 — величина, принятая за точку отсчета.

В приведенной формуле дБ используется для оценки отношения интенсивности звука, однако, чаще для этого используется звуковое давление.

Таким образом, когда мы говорим о громкости звука в децибелах, мы имеем в виду отношение значения его звукового давления к «нулевой» или «опорной» величине (условный 0 дБ), которая составляет 20 мкПа и соответствует стандартному порогу слышимости (порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц). В этом случае используется формула:

В основном формула аналогична приведенной выше, только в качества точки отсчета указано 20 мкПа, а вместо 10 логарифм умножен на 20 (т.е. на 10 и на 2). Это отражает уже упомянутую выше квадратичную зависимость силы звука и звукового давления и используется формула lg x n = n · lg x. (Важнейшая особенность белов состоит в том, что они применяются только к отношению двух мощностей или двух энергий. Если же есть необходимость описания отношения двух амплитудных сигналов, например, напряжений, то возможно лишь опираться на отношение мощностей, ассоциированных с этими напряжениями. Мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока, а, например, сила звука — звукового давления. Порой неочевидно, что считать амплитудной величиной, а что энергетической. Напряжение, ток, импеданс, напряженности электрического или магнитного полей и размахи любых волновых процессов считаются амплитудными величинами. Когда происходит измерение в децибелах, то вычисляется логарифм отношения квадратов этих величин. Энергия, мощность и интенсивность являются энергетическими величинами, и в отношении логарифма они используются непосредственно.)

Приведем некоторые соответствия значений в децибелах увеличению звукового давления относительно порога слышимости:

6 дБ → в 2 раза (lg(2) = 0,30102999566),
9,5 дБ → в 3 раза (lg(3)= 0,47712125472),
12 дБ → в 4 раза (lg(4)= 0,60205999132),
20 дБ → в 10 раз (lg(10)= 1).

Таким образом, любое удвоение величины звукового давления выражается в увеличении его уровня на 6 дБ, как видно из следующей таблицы:

Отношение силы звука или электрической мощности («энергетические» величины)

Отношение звукового давления, напряжения или тока («амплитудные» величины)

Источник

Физика звука? Что такое громкость? Разбор

Если вы когда-нибудь подбирали себе музыкальную колонку, то сталкивались с тем, что сделать это не так-то просто, особенно если вы не специалист в звуковой аппаратуре. И еще ладно, если вы можете послушать акустику в магазине, но если такой возможности нет, то как понять?

Чем больше Ватт, тем громче, так? Но ведь громкость в децибелах…

Громкость в децибелах или ваттах, частотный диапазон — что это все означает? А если спросить про соотношение сигнал/шум? И это не говоря о том, что звучание — это дело вкуса.

Насколько качественный у музыкальных колонок звук? Насколько мощный бас? Сможет ли колонка раскачать комнату, дачу или целый район? Почему и как мы слышим, и как производители это учитывают и превращают в лайфхаки. Сегодня разберемся в том, как подобрать себе оптимальную акустикуи.

А поможет нам в этом небольшая портативная Bluetooth-колоночка JBL Partybox 310.

Что такое звук?

Для начала давайте ненадолго вернемся на урок физики и вспомним, что вообще такое звук. Это механические колебания, распространяющиеся по воздуху, жидкости или даже по твердому телу в виде волн. Но для нас звук, это в большинстве случаев — просто колебание давления в воздухе.

Давление меняется, наши барабанные перепонки улавливают эти изменения и мы слышим звук!

Соответственно, чем сильнее перепады давления? тем звук громче. Казалось бы, все просто. Но здесь физика начинает смешиваться с человеческими ощущениями и все становится сложнее.

Восприятие громкости

Сперва о том, что такое децибелы. Все думают, что это что-то там про громкость. На самом деле дБ — это универсальная штука для обозначения величин в очень широких диапазонах. Потому что децибелы отображаются в логарифмической шкале, и формула у них соответствующая: логарифм отношения двух значений. То есть логарифм показывает не насколько громкий звук, а на сколько порядков этот звук мощнее базового уровня.

Например, утверждение «громкость звука составляет 30 дБ» означает, что интенсивность звука в 1000 раз превышает порог слышимости звука человеком. Но и в данном случае не все так просто. Изменения давления в воздухе измеряется в децибелах, но вот наше восприятие громкости в другой величине — фонах!

Начнем с того, что все частоты мы слышим по-разному. Дело в том, чувствительность нашего уха к разным частотам сильно разная. Поэтому, громкость, это скорее про наши ощущения, чем про давление.

Фон (др.-греч. φωνή звук)

Фоны — это такие кривые громкости которые были построены по усредненным ощущениям людей с нормальным слухом в возрасте от 18 до 25 лет включительно. На этот счет даже есть ГОСТ, стандарт ISO 226. Поэтому не переживайте — все официально. Люди были проверены с вымытыми ушами.

Шкала фонов отличается от шкалы децибелов тем, что в ней значения громкости коррелируют с чувствительностью человеческого слуха на разных частотах.

Например, тон с частотой 1000 Гц мы начинаем слышать при значении 0 децибел, то есть прямо на пороге слышимости. А тон с частотой 20 Гц мы начнем слышать только в районе 80 децибел.

Поэтому в басовитых колонках нужны большие и мощные динамики для низких частот. В JBL Partybox 310 таких динамиков целых два, по 176 мм каждый. Но и за высокие частоты тут отвечают два динамика, естественно, диаметром поменьше — 65 мм.

Кстати, с этими кривыми есть интересный момент. Если нанести на график звуки разных языков, то окажется, что наша речь попадает как раз в провал на графике — примерно от 250 до 5000 герц. То есть у нас от природы есть своеобразный аппаратный усилитель речи. А свистящие призвуки мы слышим громче всего. Именно поэтому они нас так бесят.

Во-вторых, мы воспринимаем громкость нелинейно. Тихие звуки мы различаем между собой гораздо лучше, чем громкие.

Именно поэтому и шкала громкости в фонах, которые мы привыкли называть децибелами тоже не линейная, а логарифмическая. Это значит, что при увеличении громкости в 10 раз мы получим +10 дБ, а в 100 раз +20 дБ. Это объясняет, почему разница между громкой музыкой 110 децибел и шумовым оружием (200 Дб) не выглядит такой уж большой в децибелах. Хотя мы же знаем, что и при 100 децибелах можно стать шумным оружием, всё зависит от выбора композиции.

Звук Уровень громкости, фоны
Порог слышимости 0 дБ
Шелест листьев 10 дБ
Шёпот 20 дБ
Тиканье часов 30 дБ
Тихая комната 40 дБ
Тихая улица 50 дБ
Разговор 60 дБ
Шумная улица 70 дБ
Опасный для здоровья уровень 77 дБ
Пневматический молоток 90 дБ
Поезд метро 100 дБ
Громкая музыка 110 дБ
Болевой порог 120 дБ
Сирена 130 дБ
Старт ракеты 150 дБ
Смертельный уровень 180 дБ
Шумовое оружие 200 дБ

Ватты

Окей, с тем, что такое громкость и её восприятием мы разобрались. Но как понять, с какой громкостью будут звучать акустика и хватит ли нам этой громкости, чтобы раскачать нужное помещение?

Этот вопрос не менее каверзный. Громкость в децибелах на колонках никогда не указывается. Зато указывается мощность в Ваттах. Например, в характеристиках JBL Partybox 310 можно найти значение полной выходной мощности — 240 Вт RMS.

Что это значит? Оказывается, мощность тоже бывает разная.

Тут важно обратить на буковки RMS — это значит предельная синусоидальная мощность или Rated Maximum Sinusoidal. Если по-простому, колонка может работать в течение одного часа с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. То есть реально на пределе сил. В основном именно такой показатель указывают все приличные производители.

Но нам нужно чтобы музыкальная колонка могла работать более одного часа, поэтому вычислим другой показатель, который называется просто синусоидальная мощность. Это уже такая мощность, при которой колонка сможет бесконечно долго работать без повреждений. Она обычно процентов на 25 меньше RMS.

Итого получается, что наш монстр может выдавать примерно 180 Вт! Кстати, важный момент, часто на дешевых колонках указывают всякие запредельныей мощности типа 1000 Вт, но не RMS а PMPO — не путать с PIMP.

PMPO — Peak Music Power Output. Это еще один способ указания мощности. Но проблема в том, что это такая мощность, которую динамик сможет выдержать в течение 1-2 секунд. Поэтому внимательно изучайте какого типа Ватты вам продают.

В JBL Partybox 310 — 240 RMS или примерно 180 Вт чистой мощности. Но много это или мало?

Смотрите, например, у маленькой, но громкой JBL Charge мощность: 30 Вт RMS. Такой колонки хватит, чтобы раскачать небольшое помещение до 20 квадратных метров.

240 Вт RMS хватит на целый спорт зал, а с учетом что тут Тут Bluetooth 5.1 и можно подрубить вторую вторую колонку, чтобы они работали в паре, то можно и концерт устроить.

Вообще эта колонка много чего умеет. Звук можно передать не только по Bluetooth, но и через AUX-вход, а также можно воткнуть USB-флешку и переключать треки прямо с колонки или через специальное приложение Partybox App.

Через это же приложение, можно стримить музыку и управлять светом: тут куча вариантов подсветки. Или даже можно настроить караоке — для этого есть микрофонные входы. Микрофон у JBL тоже есть — PBM100. Он довольно простой, зато его специально создавали под линейку Partybox. У него кардиоидная диаграмма направленности, поэтому слышно только голос, никаких посторонних шумов.

Также прямо в колонке есть целая панель звуковых эффектов. Получается настоящий передвижной караоке. Колонка тяжелая, конечно, но тут есть ручка, как в чемодане, и колесики — очень удобно придумали. Что важно, есть защита от брызг IPX4. А значит и на природе можно устроить движ.

Кстати, ёмкость аккумулятора 72 Вт*ч. Его хватит на 5 часа работы, если врубать музыку на полную, в экстренных условиях, например, на улице с низкой температурой можно рассчитывать на 2-3 часа работы. А в негромком чилл-режиме колонка может проработать до 18 часов.

Ладно, с громкостью и мощностью понятно, а как же с качеством звука?

Тут есть два способа. Первый — просто послушать разные колонки и подобрать себе по вкусу, потому что у каждого свои предпочтения, свои любимые жанры и в конце концов, свой слух.

Второй способ — посмотреть на амплитудно-частотную характеристику звука колонки. Она показывает то, как громко динамики воспроизводят звуки разных частот, а если точнее, то насколько равномерно громкость распределена по частотам. Самому провести замер АЧХ не очень просто, но в интернете обычно можно найти тесты АЧХ на популярные гаджеты.

В идеальном случае АЧХ должна быть почти П-образной с резким возрастанием на самых низких частотах, горизонтальной линией к высоким частотам и падением где-нибудь в районе 20 килогерц. В реальности даже очень дорогие студийные или сценические акустические системы дают не идеальную АЧХ, а в доступных обычному покупателю устройствах она будет сильно отличаться от идеала. Здесь нужно смотреть на то, чтобы на графике не было сильных проседаний, чаще всего это заметно в басах, то есть самых низких частотах, которые расположены слева на графике.

Чтоб вы понимали масштаб явления. Если сравнить АЧХ этой колонки и iPhone 12 Pro, то будет наглядно видно, почему смартфоном комнату не раскачать и он будет звучать пискляво, хоть и громко. Но точных студийных замеров АЧХ для нашей колонки в интернетах, к сожалению, нет.

Соотношение сигнал/шум

Наконец, качество звука показывает соотношение сигнала к шуму. Это говорит нам о том, насколько полезный сигнал, то есть звуки песни или кино, превосходит шум, который неминуемо есть в любой акустике. Его можно заметить самому, если не подавать на колонку или усилитель никакой звук и выкрутить громкость на максимум. Соотношение сигнала к шуму измеряют в децибелах и чем оно больше, тем лучше. Условно можно сказать, что 80 децибел — хороший уровень, 100 — High End. В этой колонке соотношение — 90 децибел, что очень даже хорошо.

Итоги

Сегодня мы узнали гораздо больше о звуке и о том, на что стоит обратить внимание при выборе музыкальных колонок в комнату, на дачу или для выездов на природу. В то же время мы узнали о JBL Partybox 310, которая является представителем мощных и универсальных колонок, которые подойдут для тусовки дома или на природе. Это своеобразный чемоданчик звука с подветкой, встроенным аккумулятором, высокой громкостью и неплохим качеством. В общем, и для дома, и для пикника.

Источник

Все о громкости звука

В данной статье мы поговорим о громкости звука и всем, что связано с данным понятием. Следует сказать, что именно колебания воздуха (если быть точнее, его составляющих молекул) создают звуковые волны. Эти волны движутся в определенной координате пространства и направлении. При этом молекулы не двигаются относительно своего местонахождения.

Что это такое?

Громкость звука — это субъективная характеристика человеческого восприятия силы различных звуков, которая распола­гает их по определенной шкале: от самых тихих и выше.

А звук – это физическое явление, при котором происходит процесс распространения колебаний в самых разнообразных средах. По-другому говоря, это бегущая последовательность областей с повышенным и пониженным давлением.

Следует отметить тот факт, что мы можем слышать по следующим причинам: уши превращают звуковые вибрации в сигналы благодаря своему сложному устройству. Они усиливают вибрации, которые становятся нервными импульсами. Затем данные нервные импульсы наш мозг воспринимает как звук.

Громкость и наше субъективное восприятие его имеют зависимость от ампли­туды и частоты, которые являются физическими характеристиками звука. При более высокой амплитуде он слышится громче. В настоящее время громкость принято измерять в децибелах.

Это также связано и с тем, что, по сути, громкость – это сравнение двух различных показателей, где за основу взято некое пороговое значение.

При этом используется логарифмическая шкала. Именно она определяет, во сколько раз максимальное давление звука больше порога слышимости человеческого уха. Для воздуха это 20 микропаскаль, для воды – 1 микропаскаль.

Звуковая громкость зависит от среды, в которой распространяется, и от ее плотности. Чем выше плотность среды, тем быстрее в ней может распределяться звук. Именно поэтому в вакууме звучания просто-напросто быть не может.

Громкость измеряется в единицах, которые носят имя ученого Александра Белла, а именно в белах. Но так как бел – это очень большая величина, принято измерять звук в кратной ей величине – децибелах. Для этого была изобретена специальная шкала интенсивности звука.

Например, частотный спектр звука – это некий график, который показывает зависимость относительной энергии звуковых колебаний от ее частоты.

Существует несколько характеристик, которые оказывают влияние на звук и его громкость. Это прежде всего спектральный состав, пространственная ориентация источника, а также тембр.

Давайте перечислим основные единицы измерения характеристик звука. Среди них можно выделить два параметра: абсолютный и относительный. К шкале громкости, которая измеряется в абсолютных величинах, относится единица измерения, называемая сон. Единица измерения фон – параметр уровня громкости, который имеет относительный характер.

Величина, показывающая, во сколько тот или иной звук выше или ниже другого, измеряется в децибелах. Следует отметить, что белы и децибелы являются внесистемными единицами и не входят в единую систему измерения.

Например, степень уровня громкости музыкального инструмента зависит от его размеров или от размеров частей музыкального инструмента, отвечающих за звукоизвлечение.

Приведем стандартный пример, показывающий свойства звука. Для этого воспользуемся следующим простым экспериментом, в котором нам понадобится пластмассовый стакан и резинка в форме колечка.

Для начала опыта наденем на стакан резиновое кольцо. Затем дно стакана прислоним к нашему уху и послушаем, как будет звучать натянутая резинка.

Звук является результатом колебаний, которые воздействуют на воздух или другой предмет. Затем они распространяются в среде. В результате мы слышим звук.

Давайте поговорим о диапазоне окружающих нас звуков. Наш диапазон находится в следующих границах – от 20 Гц низкой частоты до 20000 Гц самой высокой частоты. Однако комфортный диапазон для нашего слуха находится в пределах от 2000 до 5000 Гц.

Следует отметить, что звуки выше 85 дБ УЗД могут представлять вред для слуха, если оказывают долгое воздействие.

От чего зависит громкость?

Существует целый ряд характеристик, от которых главным образом зависит громкость. Это частота и амплитуда колебаний, а также индивидуальные особенности человека.

Еще одним важным фактором является расстояние до источника. При уменьшении энергетической составляющей звуковой волны расстояние до источника звука увеличивается прямо пропорционально.

При частых колебаниях издается более высокий звук. Эти особенности человек использует при создании разнообразных музыкальных инструментов.

Следует сказать, что при постоянном воздействии на человека громкого шума могут появиться симптомы болезни. Среди них следует выделить следующие: повышенная нервная возбудимость, более быстрая утомляемость, а также увеличенное артериальное давление.

Поэтому, чтобы защититься от громких звуков, например, в строительстве, используются специальные шумоподавляющие наушники.

Следует сказать, что в твердых телах качество звуковой волны усиливается. В воде звук распространяется в пять раз быстрее, чем в воздухе.

Вообще, следует сказать, что за изучение звука, его параметров и характеристик отвечает соответствующий раздел физики, которую изучают в школьном курсе.

Как можно измерить?

Необходимо отметить, что звук все люди воспринимают по-разному, именно поэтому создаются специальные приборы для его измерения.

Наиболее часто определение уровня звука осуществляется с помощью датчика. Датчик уровня звука измеряет энергию звуковых волн, которая приходит за единицу времени на единицу площади поверхности приемника. Эта величина носит название интенсивности звука или шума и измеряется в мВт/м2 (микроватты на квадратный метр).

Давайте выясним, как между собой определяются децибелы и действительный уровень сигнала. Каждые 6 dB происходит изменение уровня сигнала в два раза.

Почему берется именно такое значение? Децибелом называется логарифм между отношением двух одинаковых энергетических величин, который затем умножается на 10. Амплитуда же не является энергетической величиной, поэтому её нужно перевести в подходящую величину.

Также для измерения интенсивности шума в различных местах зачастую используют специальный прибор, который называется шумомер.

Человеческое ухо – это весьма совершенный биологический датчик и звукоуловитель, который может воспринимать звуки, различающиеся в миллионы раз друг от друга.

В России есть определенный стандарт по установленным кривым равной громкости. Это ГОСТ Р ИСО 226—2009. Он имеет следующее название – «Акустика. Стандартные кривые равной громкости».

Существует как минимум три способа измерения громкости: по максимальному пиковому значению, по усреднённому значению уровня сигнала и по метрике ReplayGain. Из всех этих методик самой лучшей можно назвать ReplayGain. Он передает воспринимаемый уровень громкости и берет во внимание физиологические и психические особенности при звуковом восприятии.

В настоящее время есть разнообразные методы физического выражения амплитуды звуковых колебаний, которые используются в разных областях.

Источник

Громкость звука

Амплитуда колебаний в нашем восприятии соответствует громкости звука:

Существуют различные способы физического (а не математического) выражения амплитуды звуковых колебаний, использующиеся в разных областях:

  • Интенсивность звука — скалярная физическая величина, характеризующая мощность (точнее, это мощность на единицу площади), переносимую звуковой волной в направлении её распространения. Единица измерения — ватт на квадратный метр (Вт/м 2 ).
  • Звуковое давление — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения — паскаль (Па).
  • Громкость звука (Уровень звукового давления, SPL или sound pressure level) — воспринимаемая относительная сила звука. Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. На громкость звука также влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.

Интенсивность звука и Звуковое давление находятся в квадратичной зависимости, точнее:

где I — интенсивность звука, Вт/м 2 ;
p — звуковое давление, Па;
Zs — удельное акустическое сопротивление среды;
<>t — усреднение по времени.

Измерение громкости

Громкость звука является относительной величиной и определяется как измеренное по относительной шкале значение звукового давления, соотнесённое с опорным давлением PSPL = 20 мкПа, соответствующим порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц.

Единицей измерения громкости является децибел (дБ, dB) — относительная единица, подобная кратности или, например, процентам.

Величина, выраженная в децибелах, равна десятичному логарифму отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за точку отсчета, умноженному на десять (умножение на 10 переводит белы в децибелы):

где AdB — величина в децибелах, A — измеренная физическая величина, A0 — величина, принятая за точку отсчета.

В приведенной формуле дБ используется для оценки отношения интенсивности звука, однако, чаще для этого используется звуковое давление.

Таким образом, когда мы говорим о громкости звука в децибелах, мы имеем в виду отношение значения его звукового давления к «нулевой» или «опорной» величине (условный 0 дБ), которая составляет 20 мкПа и соответствует стандартному порогу слышимости (порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц). В этом случае используется формула:

В основном формула аналогична приведенной выше, только в качества точки отсчета указано 20 мкПа, а вместо 10 логарифм умножен на 20 (т.е. на 10 и на 2). Это отражает уже упомянутую выше квадратичную зависимость силы звука и звукового давления и используется формула lg x n = n · lg x. (Важнейшая особенность белов состоит в том, что они применяются только к отношению двух мощностей или двух энергий. Если же есть необходимость описания отношения двух амплитудных сигналов, например, напряжений, то возможно лишь опираться на отношение мощностей, ассоциированных с этими напряжениями. Мощность пропорциональна квадрату напряжения или тока, а, например, сила звука — звукового давления. Порой неочевидно, что считать амплитудной величиной, а что энергетической. Напряжение, ток, импеданс, напряженности электрического или магнитного полей и размахи любых волновых процессов считаются амплитудными величинами. Когда происходит измерение в децибелах, то вычисляется логарифм отношения квадратов этих величин. Энергия, мощность и интенсивность являются энергетическими величинами, и в отношении логарифма они используются непосредственно.)

Приведем некоторые соответствия значений в децибелах увеличению звукового давления относительно порога слышимости:

6 дБ → в 2 раза (lg(2) = 0,30102999566),
9,5 дБ → в 3 раза (lg(3)= 0,47712125472),
12 дБ → в 4 раза (lg(4)= 0,60205999132),
20 дБ → в 10 раз (lg(10)= 1).

Таким образом, любое удвоение величины звукового давления выражается в увеличении его уровня на 6 дБ, как видно из следующей таблицы:

Отношение силы звука или электрической мощности («энергетические» величины)

Отношение звукового давления, напряжения или тока («амплитудные» величины)

Источник

Единицы измерения громкости

Уровень интенсивности шума, выраженный в децибелах, не учитывает такую физиологическую, особенность слуха, как различную чувствительность к звукам разной частоты. Поэтому было введено понятие уровня громкости с единицей измерения фон. Уровень громкости в фонах определяют путем сравнения оцениваемого звука со звуком такой же воспринимаемой громкости частотой 1000 Гц (эталонный тон). Иными словами, для звука частотой 1000 Гц громкость в фонах равна громкости в децибелах:

Соотношение воспринимаемой громкости в децибелах, воспринимаемой громкости в фонах и уровня звукового давления в Паскалях:

Например, если синусоидальная волна частотой 100 Гц создаёт звуковое давление уровнем 60 дБ, то, проведя прямые, соответствующие этим значениям на диаграмме, находим на их пересечении изофону, соответствующую уровню громкости 50 фон. Это значит, что данный звук имеет уровень громкости 50 фон.

Шкала сонов является шкалой субъективной оценки и разработана в результате многочисленных тестов. Полученные экспериментальным способом оценки показывают, что громкость возрастает как кубический корень из интенсивности звука, то есть зависимость психологической оценки громкости (J) от физической интенсивности (мощности) звука (I) описывается формулой:

где k — коэффициент, зависящий от частоты.

1 сон соответствует громкости чистого тона частотой 1000 Гц с уровнем 40 дБ. При увеличении уровня на каждые 10 дБ значение громкости в сонах удваивается.

Источник

Физика звука? Что такое громкость? Разбор

Если вы когда-нибудь подбирали себе музыкальную колонку, то сталкивались с тем, что сделать это не так-то просто, особенно если вы не специалист в звуковой аппаратуре. И еще ладно, если вы можете послушать акустику в магазине, но если такой возможности нет, то как понять?

Чем больше Ватт, тем громче, так? Но ведь громкость в децибелах…

Громкость в децибелах или ваттах, частотный диапазон — что это все означает? А если спросить про соотношение сигнал/шум? И это не говоря о том, что звучание — это дело вкуса.

Насколько качественный у музыкальных колонок звук? Насколько мощный бас? Сможет ли колонка раскачать комнату, дачу или целый район? Почему и как мы слышим, и как производители это учитывают и превращают в лайфхаки. Сегодня разберемся в том, как подобрать себе оптимальную акустикуи.

А поможет нам в этом небольшая портативная Bluetooth-колоночка JBL Partybox 310.

Что такое звук?

Для начала давайте ненадолго вернемся на урок физики и вспомним, что вообще такое звук. Это механические колебания, распространяющиеся по воздуху, жидкости или даже по твердому телу в виде волн. Но для нас звук, это в большинстве случаев — просто колебание давления в воздухе.

Давление меняется, наши барабанные перепонки улавливают эти изменения и мы слышим звук!

Соответственно, чем сильнее перепады давления? тем звук громче. Казалось бы, все просто. Но здесь физика начинает смешиваться с человеческими ощущениями и все становится сложнее.

Восприятие громкости

Сперва о том, что такое децибелы. Все думают, что это что-то там про громкость. На самом деле дБ — это универсальная штука для обозначения величин в очень широких диапазонах. Потому что децибелы отображаются в логарифмической шкале, и формула у них соответствующая: логарифм отношения двух значений. То есть логарифм показывает не насколько громкий звук, а на сколько порядков этот звук мощнее базового уровня.

Например, утверждение «громкость звука составляет 30 дБ» означает, что интенсивность звука в 1000 раз превышает порог слышимости звука человеком. Но и в данном случае не все так просто. Изменения давления в воздухе измеряется в децибелах, но вот наше восприятие громкости в другой величине — фонах!

Начнем с того, что все частоты мы слышим по-разному. Дело в том, чувствительность нашего уха к разным частотам сильно разная. Поэтому, громкость, это скорее про наши ощущения, чем про давление.

Фон (др.-греч. φωνή звук)

Фоны — это такие кривые громкости которые были построены по усредненным ощущениям людей с нормальным слухом в возрасте от 18 до 25 лет включительно. На этот счет даже есть ГОСТ, стандарт ISO 226. Поэтому не переживайте — все официально. Люди были проверены с вымытыми ушами.

Шкала фонов отличается от шкалы децибелов тем, что в ней значения громкости коррелируют с чувствительностью человеческого слуха на разных частотах.

Например, тон с частотой 1000 Гц мы начинаем слышать при значении 0 децибел, то есть прямо на пороге слышимости. А тон с частотой 20 Гц мы начнем слышать только в районе 80 децибел.

Поэтому в басовитых колонках нужны большие и мощные динамики для низких частот. В JBL Partybox 310 таких динамиков целых два, по 176 мм каждый. Но и за высокие частоты тут отвечают два динамика, естественно, диаметром поменьше — 65 мм.

Кстати, с этими кривыми есть интересный момент. Если нанести на график звуки разных языков, то окажется, что наша речь попадает как раз в провал на графике — примерно от 250 до 5000 герц. То есть у нас от природы есть своеобразный аппаратный усилитель речи. А свистящие призвуки мы слышим громче всего. Именно поэтому они нас так бесят.

Во-вторых, мы воспринимаем громкость нелинейно. Тихие звуки мы различаем между собой гораздо лучше, чем громкие.

Именно поэтому и шкала громкости в фонах, которые мы привыкли называть децибелами тоже не линейная, а логарифмическая. Это значит, что при увеличении громкости в 10 раз мы получим +10 дБ, а в 100 раз +20 дБ. Это объясняет, почему разница между громкой музыкой 110 децибел и шумовым оружием (200 Дб) не выглядит такой уж большой в децибелах. Хотя мы же знаем, что и при 100 децибелах можно стать шумным оружием, всё зависит от выбора композиции.

Звук Уровень громкости, фоны
Порог слышимости 0 дБ
Шелест листьев 10 дБ
Шёпот 20 дБ
Тиканье часов 30 дБ
Тихая комната 40 дБ
Тихая улица 50 дБ
Разговор 60 дБ
Шумная улица 70 дБ
Опасный для здоровья уровень 77 дБ
Пневматический молоток 90 дБ
Поезд метро 100 дБ
Громкая музыка 110 дБ
Болевой порог 120 дБ
Сирена 130 дБ
Старт ракеты 150 дБ
Смертельный уровень 180 дБ
Шумовое оружие 200 дБ

Ватты

Окей, с тем, что такое громкость и её восприятием мы разобрались. Но как понять, с какой громкостью будут звучать акустика и хватит ли нам этой громкости, чтобы раскачать нужное помещение?

Этот вопрос не менее каверзный. Громкость в децибелах на колонках никогда не указывается. Зато указывается мощность в Ваттах. Например, в характеристиках JBL Partybox 310 можно найти значение полной выходной мощности — 240 Вт RMS.

Что это значит? Оказывается, мощность тоже бывает разная.

Тут важно обратить на буковки RMS — это значит предельная синусоидальная мощность или Rated Maximum Sinusoidal. Если по-простому, колонка может работать в течение одного часа с реальным музыкальным сигналом без физического повреждения. То есть реально на пределе сил. В основном именно такой показатель указывают все приличные производители.

Но нам нужно чтобы музыкальная колонка могла работать более одного часа, поэтому вычислим другой показатель, который называется просто синусоидальная мощность. Это уже такая мощность, при которой колонка сможет бесконечно долго работать без повреждений. Она обычно процентов на 25 меньше RMS.

Итого получается, что наш монстр может выдавать примерно 180 Вт! Кстати, важный момент, часто на дешевых колонках указывают всякие запредельныей мощности типа 1000 Вт, но не RMS а PMPO — не путать с PIMP.

PMPO — Peak Music Power Output. Это еще один способ указания мощности. Но проблема в том, что это такая мощность, которую динамик сможет выдержать в течение 1-2 секунд. Поэтому внимательно изучайте какого типа Ватты вам продают.

В JBL Partybox 310 — 240 RMS или примерно 180 Вт чистой мощности. Но много это или мало?

Смотрите, например, у маленькой, но громкой JBL Charge мощность: 30 Вт RMS. Такой колонки хватит, чтобы раскачать небольшое помещение до 20 квадратных метров.

240 Вт RMS хватит на целый спорт зал, а с учетом что тут Тут Bluetooth 5.1 и можно подрубить вторую вторую колонку, чтобы они работали в паре, то можно и концерт устроить.

Вообще эта колонка много чего умеет. Звук можно передать не только по Bluetooth, но и через AUX-вход, а также можно воткнуть USB-флешку и переключать треки прямо с колонки или через специальное приложение Partybox App.

Через это же приложение, можно стримить музыку и управлять светом: тут куча вариантов подсветки. Или даже можно настроить караоке — для этого есть микрофонные входы. Микрофон у JBL тоже есть — PBM100. Он довольно простой, зато его специально создавали под линейку Partybox. У него кардиоидная диаграмма направленности, поэтому слышно только голос, никаких посторонних шумов.

Также прямо в колонке есть целая панель звуковых эффектов. Получается настоящий передвижной караоке. Колонка тяжелая, конечно, но тут есть ручка, как в чемодане, и колесики — очень удобно придумали. Что важно, есть защита от брызг IPX4. А значит и на природе можно устроить движ.

Кстати, ёмкость аккумулятора 72 Вт*ч. Его хватит на 5 часа работы, если врубать музыку на полную, в экстренных условиях, например, на улице с низкой температурой можно рассчитывать на 2-3 часа работы. А в негромком чилл-режиме колонка может проработать до 18 часов.

Ладно, с громкостью и мощностью понятно, а как же с качеством звука?

Тут есть два способа. Первый — просто послушать разные колонки и подобрать себе по вкусу, потому что у каждого свои предпочтения, свои любимые жанры и в конце концов, свой слух.

Второй способ — посмотреть на амплитудно-частотную характеристику звука колонки. Она показывает то, как громко динамики воспроизводят звуки разных частот, а если точнее, то насколько равномерно громкость распределена по частотам. Самому провести замер АЧХ не очень просто, но в интернете обычно можно найти тесты АЧХ на популярные гаджеты.

В идеальном случае АЧХ должна быть почти П-образной с резким возрастанием на самых низких частотах, горизонтальной линией к высоким частотам и падением где-нибудь в районе 20 килогерц. В реальности даже очень дорогие студийные или сценические акустические системы дают не идеальную АЧХ, а в доступных обычному покупателю устройствах она будет сильно отличаться от идеала. Здесь нужно смотреть на то, чтобы на графике не было сильных проседаний, чаще всего это заметно в басах, то есть самых низких частотах, которые расположены слева на графике.

Чтоб вы понимали масштаб явления. Если сравнить АЧХ этой колонки и iPhone 12 Pro, то будет наглядно видно, почему смартфоном комнату не раскачать и он будет звучать пискляво, хоть и громко. Но точных студийных замеров АЧХ для нашей колонки в интернетах, к сожалению, нет.

Соотношение сигнал/шум

Наконец, качество звука показывает соотношение сигнала к шуму. Это говорит нам о том, насколько полезный сигнал, то есть звуки песни или кино, превосходит шум, который неминуемо есть в любой акустике. Его можно заметить самому, если не подавать на колонку или усилитель никакой звук и выкрутить громкость на максимум. Соотношение сигнала к шуму измеряют в децибелах и чем оно больше, тем лучше. Условно можно сказать, что 80 децибел — хороший уровень, 100 — High End. В этой колонке соотношение — 90 децибел, что очень даже хорошо.

Итоги

Сегодня мы узнали гораздо больше о звуке и о том, на что стоит обратить внимание при выборе музыкальных колонок в комнату, на дачу или для выездов на природу. В то же время мы узнали о JBL Partybox 310, которая является представителем мощных и универсальных колонок, которые подойдут для тусовки дома или на природе. Это своеобразный чемоданчик звука с подветкой, встроенным аккумулятором, высокой громкостью и неплохим качеством. В общем, и для дома, и для пикника.

Источник

Измерения. Единицы измерения. Децибелы — универсальная мера

ПРИМЕНЕНИЕ ДЕЦИБЕЛ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ И ЭЛЕКТРОАКУСТИКЕ

ЧТО ТАКОЕ ДЕЦИБЕЛЫ?

Универсальные логарифмические единицы децибелы широко используются при количественных оценках параметров различных аудио и видео устройств в нашей стране и за рубежом. В радиоэлектронике, в частности, в проводной связи, технике записи и воспроизведения информации децибелы являются универсальной мерой.

Децибел — не физическая величина, а математическое понятие

В электроакустике децибел служит по существу единственной единицей для характеристики различных уровней — интенсивности звука, звукового давления, громкости, а также для оценки эффективности средств борьбы с шумами.

Децибел — специфическая единица измерений, не схожая ни с одной из тех, с которыми приходится встречаться в повседневной практике. 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 Международная палата мер и весов рекомендовала включить его в эту систему.

Децибел — не физическая величина, а математическое понятие.

В этом отношении у децибел есть некоторое сходство с процентами. Как и проценты, децибелы безразмерны и служат для сравнения двух одноименных величин, в принципе самых различных, независимо от их природы. Следует отметить, что термин «децибел» всегда связывают только с энергетическими величинами, чаще всего с мощностью и, с некоторыми оговорками, с напряжением и током.

Децибел (русское обозначение — дБ, международное — dB) составляет десятую часть более крупной единицы — бела 1 .

Бел — это десятичный логарифм отношения двух мощностей. Если известны две мощности Р1 и Р2, то их отношение, выраженное в белах, определяется формулой:

Физическая природа сравниваемых мощностей может быть любой — электрической, электромагнитной, акустической, механической, — важно лишь, чтобы обе величины были выражены в одинаковых единицах — ваттах, милливаттах и т. п.

Напомним вкратце, что такое логарифм. Любое положительное 2 число, как целое, так и дробное, можно представить другим числом в определенной степени.

Так, например, если 10 2 = 100, то 10 называют основанием логарифма, а число 2 — логарифмом числа 100 и обозначают log10 100=2 или lg 100 = 2 (читается так: «логарифм ста при основании десять равен двум»).

Логарифмы с основанием 10 называются десятичными логарифмами и применяются чаще всего. Для чисел, кратных 10, этот логарифм численно равен количеству нулей за единицей, а для остальных чисел вычисляется на калькуляторе или находится по таблицам логарифмов.

Логарифмы с основанием е = 2,718. называются натуральными. В вычислительной технике обычно применяются логарифмы с основанием 2.

Основные свойства логарифмов:

Разумеется, эти свойства справедливы и для десятичных и натуральных логарифмов. Логарифмический способ представления чисел часто оказывается очень удобным, так как позволяет подменять умножение — сложением, деление — вычитанием, возведение в степень умножением, а извлечение корня — делением.

На практике бел оказался слишком крупной величиной, например, любые отношения мощностей в границах от 100 до 1000 укладываются в пределах одного бела — от 2 Б до 3 Б. Поэтому для большей наглядности решили число, показывающее количество бел, умножать на 10 и полученное произведение считать показателем в децибелах, т. е., например, 2 Б = 20 дБ, 4,62 Б = 46,2 дБ и т. д.

Обычно отношение мощностей выражают сразу в децибелах по формуле:

Действия с децибелами не отличаются от операций с логарифмами.

Нетрудно посчитать, что 1 дБ соответствует отношению мощностей примерно равному 1,259 или 26%.

2 дБ = 1 дБ + 1 дБ → 1,259 * 1,259 = 1,585;
3 дБ → 1,259 3 = 1,995;
4 дБ → 2,512;
5 дБ → 3,161;
6 дБ → 3,981;
7 дБ → 5,012;
8 дБ → 6,310;
9 дБ → 7,943;
10 дБ → 10,00.

Знак → означает «соответствует».

Подобным образом можно составить таблицу и для отрицательных значений децибел. Минус 1 дБ характеризует убывание мощности в 1/0,794 = 1,259 раза, т. е. тоже примерно на 26%.

И еще одна особенность: кривая, определяющая значения децибел в зависимости от отношений мощностей, вначале быстро растет, затем ее рост замедляется.

Зная число децибел, соответствующих одному отношению мощностей, можно произвести пересчет для другого — близкого или кратного отношения. В частности, для отношений мощностей, различающихся в 10 раз, число децибел отличается на 10 дБ. Эту особенность децибел следует хорошо понять и твердо запомнить — она является одной из основ всей системы

К достоинствам системы децибел относят:

⇒ универсальность, т. е. возможность использования при оценке различных параметров и явлений;

⇒ огромные перепады преобразуемых чисел — от единиц и до миллионов — отображаются в децибелах числами первой сотни;

⇒ натуральные числа, представляющие степени десяти, выражаются в децибелах числами, кратными десяти;

⇒ взаимообратные числа выражаются в децибелах равными числами, но с разными знаками;

⇒ в децибелах могут быть выражены как отвлеченные, так и именованные числа.

К недостаткам системы децибел относят:

⇒ малую наглядность: для преобразования децибел в отношения двух чисел или выполнения обратных действий требуется проведение расчетов;

⇒ отношения мощностей и отношения напряжений (или токов) пересчитываются в децибелы по разным формулам, что иногда ведет к ошибкам и путанице;

⇒ децибелы могут отсчитываться только относительно не равного нулю уровня; абсолютный нуль, например 0 Вт, 0 В, децибелами не выражается.

Зная число децибел, соответствующих одному отношению мощностей, можно произвести пересчет для другого — близкого или кратного отношения. В частности, для отношений мощностей, различающихся в 10 раз, число децибел отличается на 10 дБ. Эту особенность децибел следует хорошо понять и твердо запомнить — она является одной из основ всей системы.

Сравнение двух сигналов путем сопоставления их мощностей не всегда бывает удобным, так как для непосредственного измерения электрической мощности в диапазоне звуковых и радиочастот требуются дорогие и сложные приборы. На практике при работе с аппаратурой гораздо проще измерять не мощность, которая выделяется на нагрузке, а падение напряжения на ней, а в некоторых случаях — протекающий ток.

Зная напряжение или ток и сопротивление нагрузки, легко определить мощность. Если измерения проводятся на одном и том же резисторе, то:

Этими формулами очень часто пользуются практике, но обратите внимание, что если напряжения или токи измеряются на разных нагрузках, эти формулы не работают и следует использовать другие, более сложные зависимости.

Пользуясь приемом, который был использован при составлении таблицы децибел мощности, можно аналогично определить, чему равен 1 дБ отношения напряжений и токов. Положительный децибел будет равен 1,122, а отрицательный децибел будет равен 0,8913, т.е. 1 дБ напряжения или тока характеризует возрастание или убывание этого параметра примерно на 12% по отношению к первоначальному значению.

Формулы выводились в предположении, что сопротивления нагрузок имеют активный характер и между напряжениями или токами нет фазового сдвига. Строго говоря, следовало бы рассматривать общий случай и учитывать для напряжений (токов) наличие угла сдвига по фазе, а для нагрузок не только активное, но полное сопротивление, включая и реактивные составляющие, однако это существенно только на высоких частотах.

Полезно запомнить некоторые часто встречающиеся на практике значения децибел и характеризующие их отношения мощностей и напряжений (токов), приведенные в табл. 1.

Таблица 1. Часто встречающиеся значения децибел мощности и напряжения

± дБ 1 3 10 20 30
Р21 1,26
(0,79)
2
(0,5)
10
(0,1)
100
(0,01)
1000
(0,001)
± дБ 1 3 6 10 20 40
U2/U1
или I2/I1
1,12
(0,9)
1,41
(0,707)
2
(0,5)
3,16
(0,316)
10
(0,1)
100
(0,01)

Пользуясь этой таблицей и свойствами логарифмов легко подсчитать, чему соответствуют произвольные значения логарифм. Например, 36 дБ мощности можно представить как 30+3+3, что соответствует 1000*2*2 = 4000. Тот же самый результат мы получим, представив 36 как 10+10+10+3+3 → 10*10*10*2*2 = 4000.

СОПОСТАВЛЕНИЕ ДЕЦИБЕЛ С ПРОЦЕНТАМИ

Ранее отмечалось, что понятие децибел имеет некоторое сходство с процентами. Действительно, так как в процентах выражается отношение какого-то числа к другому, условно принятому за сто процентов, отношение этих чисел также можно представить в децибелах при условии, что оба числа характеризуют мощность, напряжение или ток. Для отношения мощностей:

Для отношения напряжений или токов:

Можно также вывести формулы для пересчета децибел в проценты отношения:

В табл. 2 дан перевод некоторых, наиболее часто встречающихся значений децибел в проценты отношений. Различные промежуточные значения можно найти по номограмме на рис. 1.


Рис. 1. Перевод децибел в проценты отношений по номограмме

Таблица 2. Перевод децибел в проценты отношений

% 100 50 10 1 0,1
NU или NI 0 -6 -20 -40 -60
NP 0 -3 -10 -20 -30

Рассмотрим два практических примера, поясняющих перевод процентного отношения в децибелы.

Пример 1. Какому уровню гармоник в децибелах по отношению к уровню сигнала основной частоты соответствует коэффициент нелинейных искажений в 3%?

Воспользуемся рис. 1. Через точку пересечения вертикальной линии 3% с графиком «напряжение» проведем горизонтальную линию до пересечения с вертикальной осью и получим ответ: –31 дБ.

Пример 2. Какому ослаблению напряжения в процентах соответствует его изменение на –6 дБ?

Ответ. На 50% первоначальной величины.

В практических расчетах дробную часть численного значения децибел часто округляют до целого числа, однако при этом в результаты расчетов вносится дополнительная погрешность.

ДЕЦИБЕЛЫ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Рассмотрим несколько примеров, поясняющих методику использования децибел в радиоэлектронике.

Затухание в кабеле

Потери энергии в линиях и кабелях на единицу длины характеризуются коэффициентом затухания α, который при равном входном и выходном сопротивлениях линии определяется в децибелах:

где U1 — напряжение в произвольном сечении линии; U2 — напряжение в другом сечении, отстоящем от первого на единицу длины: 1 м, 1 км и т. д. Например, высокочастотный кабель типа РК-75-4-14 имеет на частоте 100 МГц коэффициент затухания α, = –0,13 дБ/м, кабель витой пары категории 5 на той же частоте имеет затухание порядка –0,2 дБ/м, а у кабеля категории 6 несколько меньше. График затухания сигнала в неэкранированном кабеле витой пары показан на рис. 2.


Рис. 2. График затухания сигнала в неэкранированном кабеле витой пары

Оптоволоконные кабели имеют существенно более низкие величины затухания в диапазоне от 0,2 до 3 дБ при длине кабеля в 1000 м. Все оптические волокна имеют сложную зависимость затухания от длины волны, которая имеет три «окна прозрачности» 850 нм, 1300 нм и 1550 нм. «Окно прозрачности» означает наименьшие потери при максимальной дальности передачи сигнала. График затухания сигнала в оптоволоконных кабелях показан на рис. 3.


Рис. 3. График затухания сигнала в оптоволоконных кабелях

Пример 3. Найти, каким будет напряжение на выходе отрезка кабеля РК-75-4-14 длиной l = 50 м, если ко входу его приложено напряжение 8 В частоты 100 МГц. Сопротивление нагрузки и волновое сопротивление кабеля равны, или, как говорят, согласованы между собой.

Очевидно, что затухание, вносимое отрезком кабеля, составляет K = –0,13 дБ/м * 50 м = –6,5 дБ. Это значение децибел примерно соответствует отношению напряжений 0,47. Значит, напряжение на выходном конце кабеля U2 = 8 В * 0,47 = 3,76 В.

Этот пример иллюстрирует очень важное положение: потери в линии или кабеле с ростом их длины возрастают чрезвычайно быстро. Для отрезка кабеля длиной в 1 км затухание составит уже –130 дБ, т. е. сигнал будет ослаблен более чем в триста тысяч раз!

Затухание в значительной мере зависит от частоты сигналов — в диапазоне звуковых частот оно будет гораздо меньше, чем в видео диапазоне, но логарифмический закон затухания будет тот же, и при большой длине линии ослабление будет существенным.

Усилители звуковой частоты

В усилители звуковой частоты с целью повышения их качественных показателей обычно вводится отрицательная обратная связь. Если коэффициент усиления устройства по напряжению без обратной связи равен К, а с обратной связью КОС то число, показывающее, во сколько раз изменяется коэффициент усиления под действием обратной связи, называют глубиной обратной связи. Ее обычно выражают в децибелах. В работающем усилителе коэффициенты К и КОС определяются экспериментально, если только усилитель не возбуждается при разомкнутой петле обратной связи. При проектировании усилителя сначала вычисляют К, а затем определяют значение КОС следующим образом:

где β — коэффициент передачи цепи обратной связи, т. е. отношение напряжения на выходе цепи обратной связи к напряжению на ее входе.

Глубина обратной связи в децибелах может быть рассчитана по формуле:

Стереофонические устройства по сравнению с монофоническими должны удовлетворять дополнительным требованиям. Эффект объемного звучания обеспечивается только при хорошем разделении каналов, т. е. при отсутствии проникновения сигналов из одного канала в другой. В практических условиях это требование полностью удовлетворить не удается, и взаимное просачивание сигналов имеет место, главным образом, через узлы, общие для обоих каналов. Качество разделения по каналам характеризуется так называемым переходным затуханием аПЗ Мерой переходного затухания в децибелах служит отношение выходных мощностей обоих каналов, когда входной сигнал подается только на один канал:

где РД — максимальная выходная мощность действующего канала; РСВ — выходная мощность свободного канала.

Хорошему разделению каналов соответствует переходное затухание 60—70 дБ, отличному –90—100 дБ.

Шум и фон

На выходе любого приемно-усилительного устройства даже при отсутствии полезного входного сигнала можно обнаружить переменное напряжение, которое вызвано собственными шумами устройства. Причины, вызывающие собственные шумы, могут быть как внешними — за счет наводок, плохой фильтрации напряжения питания, так и внутренними, обусловленными собственными шумами радиокомпонентов. Сильнее всего сказываются шумы и, помехи, возникающие во входных цепях и в первом усилительном каскаде, так как они усиливаются всеми последующими каскадами. Собственные шумы ухудшают реальную чувствительность приемника или усилителя.

Количественная оценка шумов осуществляется несколькими способами.

Простейший состоит в том, что все шумы, независимо от причины и места их возникновения, пересчитываются ко входу, т. е. напряжение шумов на выходе (при отсутствии входного сигнала) делится на коэффициент усиления:

Это напряжение, выраженное в микровольтах, и служит мерой собственных шумов. Однако для оценки устройства с точки зрения помех важно не абсолютное значение шумов, а отношение между полезным сигналом и этим шумом (отношение сигнал/шум), так как полезный сигнал должен надежно выделяться на фоне помех. Отношение сигнал/шум обычно выражают в децибелах:

где Рс — заданная или номинальная выходная мощность полезного сигнала вместе с шумом; Рш — выходная мощность шумов при выключенном источнике полезного сигнала; Uc — напряжение сигнала и шумов на нагрузочном резисторе; UШ — напряжение шумов на том же резисторе. Так получается т.н. «невзвешенное» («unweighted») отношение сигнал/шум.

Часто в параметрах аудиоаппаратуры приводится отношение сигнал/шум, измеренное со взвешивающим фильтром («weighted»). Фильтр позволяет учесть разную чувствительность слуха человека к шуму на разных частотах. Чаще всего используется фильтр типа А, в этом случае в обозначении обычно указывается единица измерения «дБА» («dBA»). Использование фильтра дает обычно лучшие количественные результаты, чем для невзвешенного шума (обычно отношение сигнал/шум получается на 6—9 дБ больше), поэтому (из маркетинговых соображений) производители аппаратуры чаще указывают именно «взвешенное» значение. Подробнее о взвешивающих фильтрах см. ниже в разделе «Шумомеры».

Очевидно, что для успешной эксплуатации устройства отношение сигнал/шум должно быть выше какого-то минимально допустимого значения, которое зависит от назначения и требований, предъявляемых к устройству. Для аппаратуры класса Hi-Fi этот параметр должен быть не менее 75 дБ, для аппаратуры Hi-End — не менее 90 дБ.

Иногда на практике пользуются обратным отношением, характеризуя им уровень шумов относительно полезного сигнала. Уровень шумов выражается тем же числом децибел, что и отношение сигнал/шум, но с отрицательным знаком.

В описаниях приемно-усилительной аппаратуры иногда фигурирует термин уровень фона, который характеризует в децибелах отношение составляющих напряжения фона к напряжению, соответствующему заданной номинальной мощности. Составляющие фона кратны частоте питающей сети (50, 100, 150 и 200 Гц) и при измерении выделяются из общего напряжения помех при помощи полосовых фильтров.

Отношение сигнал/шум не позволяет, однако, судить о том, какая часть шумов обусловлена непосредственно элементами схемы, а какая внесена в результате несовершенства конструкции (наводки, фон). Для оценки шумовых свойств радиокомпонентов вводится понятие коэффициента (фактора) шума. Коэффициент шума оценивается по мощности и также выражается в децибелах. Характеризовать этот параметр можно следующим образом. Если на входе устройства (приемника, усилителя) одновременно действуют полезный сигнал мощностью Рс и шумы мощностью Рш, то отношение сигнал/шум на входе будет сш)вх После усиления отношение сш)вых окажется меньше, так как к входным шумам добавятся и усиленные собственные шумы усилительных каскадов.

Коэффициентом шума называют выраженное в децибелах отношение:

Следовательно, коэффициент шума представляет отношение мощности шумов на выходе к усиленной мощности шумов, действующих на входе.

Значение Рш.вх определяется расчетным путем; Рш.вых измеряется, а Кр обычно . известно из расчета или после измерения. Идеальный с точки зрения шумов усилитель должен усиливать только полезные сигналы и не должен вносить дополнительные шумы. Как следует из уравнения, для подобного усилителя коэффициент шума FШ = 0 дБ.

Для транзисторов и ИС, предназначенных для работы в первых каскадах усилительных устройств, коэффициент шума регламентируется и приводится в справочниках.

Напряжение собственных шумов определяет и другой важный параметр многих усилительных устройств — динамический диапазон.

Динамический диапазон и регулировки

Динамическим диапазоном называется выраженное в децибелах отношение максимальной неискаженной выходной мощности к ее минимальному значению, при котором, еще обеспечивается допустимое отношение сигнал/шум:

Чем меньше уровень собственных шумов и чем выше неискаженная выходная мощность, тем шире динамический диапазон.

Аналогичным образом определяется и динамический диапазон источников звука — оркестра, голоса, только здесь минимальная мощность звука определяется шумовым фоном. Чтобы устройство могло передать без искажений как минимальную, так и максимальную амплитуды входного сигнала, его динамический диапазон должен быть не меньше динамического диапазона сигнала. В случаях, когда динамический диапазон входного сигнала превышает динамический диапазон устройства, его искусственно сжимают. Так поступают, например, при звукозаписи.

Эффективность действия ручного регулятора громкости проверяется при двух крайних положениях регулятора. Сначала при регуляторе в положении максимальной громкости на вход усилителя звуковой частоты подается напряжение частотой 1 кГц такой величины, чтобы на выходе усилителя установилось напряжение, соответствующее некоторой заданной мощности. Затем ручку регулятора громкости переводят на минимальную громкость, а напряжение на входе усилителя поднимают до тех пор, пока напряжение на выходе снова не станет равным первоначальному. Отношение входного напряжения при регуляторе в положении минимальной громкости к входному напряжению при максимальной громкости, выраженное в децибелах, является показателем работы регулятора громкости.

Приведенными примерами далеко не исчерпываются практические случаи приложения децибел к оценке параметров радиоэлектронных устройств. Зная общие правила, применения этих единиц, можно понять, как они используются в других, не рассмотренных здесь условиях. Встретившись с незнакомым термином, определенным в децибелах, следует отчетливо представить, отношению каких двух величин он соответствует. В одних случаях это понятно из самого определения, в других случаях связь между составляющими сложнее, и, когда нет четкой ясности, следует обратиться к описанию методики измерения во избежание серьезных ошибок.

Оперируя с децибелами, следует всегда обращать внимание на то, отношению каких единиц — мощности или напряжения — соответствует каждый конкретный случай, т. е. какой коэффициент — 10 или 20 — должен стоять перед знаком логарифма.

ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ МАСШТАБ

Логарифмическая система, в том числе и децибелы, часто применяется при построении амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) — кривых, изображающих зависимость коэффициента передачи различных устройств (усилителей, делителей, фильтров) от частоты внешнего воздействия. Для построения частотной характеристики расчетным или опытным путем определяется ряд точек, характеризующих выходное напряжение или мощность при неизменном входном напряжении на разных частотах. Плавная кривая, соединяющая эти точки, характеризует частотные свойства устройства или системы.

Если по оси частот численные значения откладывать в линейном масштабе, т. е. пропорционально их фактическим значениям, то такая частотная характеристика окажется неудобной для пользования и не будет наглядной: в области низших частот она сжата, а высших — растянута.

Частотные характеристики строятся обычно в так называемом логарифмическом масштабе. По оси частот в удобном для работы масштабе откладываются величины, пропорциональные не самой частоте f, а логарифму lgf/fo, где fо — частота, соответствующая началу отсчета. Против отметок на оси надписываются значения f. Для построения логарифмических АЧХ используют специальную логарифмическую миллиметровую бумагу.

При проведении теоретических расчетов обычно пользуются не просто частотой f, а величиной ω = 2πf которую называют круговой частотой.

Частота fо, соответствующая началу отсчета, может быть сколь угодно малой, но не может быть равной нулю.

По вертикальной оси откладываются в децибелах либо в относительных числах отношения коэффициентов передачи при различных частотах к его максимальному либо среднему значению.

Логарифмический масштаб позволяет на небольшом отрезке оси отобразить широкий диапазон частот. На такой оси одинаковым отношениям двух частот соответствуют равные по длине участки. Интервал, характеризующий рост частоты в десять раз, называют декадой; двукратному отношению частот соответствует октава (этот термин заимствован из теории музыки).

Если полоса в одну октаву слишком широка, то можно применять интервалы с меньшим отношением частот в пол-октавы или трети октавы.

Средняя частота октавы (полуоктава) не равна среднему арифметическому от нижней и верхней частот октавы, а равна 0,707 fВ.

Частоты, найденные подобным образом, называют среднеквадратичными.

Для двух соседних октав средние частоты также образуют октавы. Пользуясь этим свойством, можно по желанию один и тот же логарифмический ряд частот считать либо границами октав, либо их средними частотами.

На бланках с логарифмической сеткой средняя частота делит октавный ряд пополам.

На оси частот в логарифмическом масштабе на каждую треть октавы приходятся равные отрезки оси, каждый длиной в одну треть октавы.

При испытаниях электроакустической аппаратуры и проведении акустических измерений рекомендуется применять ряд предпочтительных частот. Частоты этого ряда являются членами геометрической прогрессии со знаменателем 1,122. Для удобства значения некоторых частот округлены в пределах ±1%.

Интервал между рекомендованными частотами составляет одну шестую октавы. Сделано это не случайно: ряд содержит достаточно большой набор частот для разных видов измерений и вбирает ряды частот с интервалами в 1/3, 1/2 и целую октаву.

И еще одно важное свойство ряда предпочтительных частот. В некоторых случаях в качестве основного интервала частот используется не октава, а декада. Так вот, предпочтительный ряд частот в равной мере можно рассматривать и как двоичный (октавный), и как десятичный (декадный).

Знаменатель прогрессии, на основе которой построен предпочтительный ряд частот, численно равен 1дБ напряжения, или 1/2 дБ мощности.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИМЕНОВАННЫХ ЧИСЕЛ В ДЕЦИБЕЛАХ

До сих пор мы полагали, что и делимое и делитель под знаком логарифма имеют произвольную величину и для выполнения децибельного пересчета важно знать только их отношение независимо от абсолютных значений.

В децибелах можно выражать также конкретные значения мощностей, а также напряжений и токов. Когда величина одного из членов, стоящих под знаком логарифма в рассмотренных ранее формулах задана, второй член отношения и числа децибел будут однозначно определять друг друга. Следовательно, если задаться какой-либо эталонной мощностью (напряжением, током) в качестве условного уровня сравнения, то другой мощности (напряжению, току), сопоставляемой с ней, будет соответствовать строго определенное число децибел. Нулю децибел в этом случае отвечает мощность, равная мощности условного уровня сравнения, так как при NP= 0 Р21 поэтому этот уровень обычно называют нулевым. Очевидно, что при разных нулевых уровнях одна и та же конкретная мощность (напряжение, ток) будут выражаться разными числами децибел.

где Р — мощность, подлежащая преобразованию в децибелы, а Р0 — нулевой уровень мощности. Величина Р0 ставится в знаменателе, при этом положительными децибелами выражаются мощности Р > Р0.

Условный уровень мощности, с которым производится сравнение, в принципе может быть любым, однако не каждый был бы удобен для практического использования. Чаще всего за нулевой уровень выбирается мощность в 1 мВт, рассеиваемая на резисторе сопротивлением 600 Ом. Выбор этих параметров произошел исторически: первоначально децибел как единица измерения появился в технике телефонной связи. Волновое сопротивление воздушных двухпроводных линий из меди близко к 600 Ом, а мощность в 1 мВт развивает без усиления высококачественный угольный телефонный микрофон на согласованном сопротивлении нагрузки.

Тот факт, что децибелы представляемого параметра отчитываются относительно определенного уровня, подчеркивают термином «уровень»: уровень помех, уровень мощности, уровень громкости

Пользуясь этой формулой, легко найти, что относительно нулевого уровня 1 мВт мощность 1 Вт определяется как 30 дБ, 1 кВт как 60 дБ, а 1 МВт — это 90 дБ, т. е. практически все мощности, с которыми приходится встречаться, укладываются в пределах первой сотни децибел. Мощности, меньшие 1 мВт, будут выражаться отрицательными числами децибел.

Децибелы, определенные относительно уровня 1 мВт, называют децибел-милливаттом и обозначают дБм или dBm. Наиболее распространенные значения нулевых уровней сведены в таблицу 3.

Аналогичным образом можно представить формулы для выражения в децибелах напряжений и токов:

Тот факт, что децибелы представляемого параметра отчитываются относительно определенного уровня, подчеркивают термином «уровень»: уровень помех, уровень мощности, уровень громкости.

Чувствительность микрофонов, т. е. отношение выходного электрического сигнала к звуковому давлению, действующему на диафрагму, часто выражают в децибелах, сравнивая мощность, развиваемую микрофоном на номинальном нагрузочном сопротивлении, со стандартным нулевым уровнем мощности P0=1 мВт. Этот параметр микрофона носит название стандартного уровня чувствительности микрофона. Типовыми условиями испытания принято считать звуковое давление 1 Па частотой 1 кГц, нагрузочное сопротивление для динамического микрофона — 250 Ом.

Таблица 3. Нулевые уровни для измерения именованных чисел

Обозначение Описание
междунар. русское
dBс дБн опорным является уровень несущей частоты (англ. carrier) или основной гармоники в спектре; например, «уровень искажений составляет –60 дБн».
dBu дБu опорное напряжение 0,775 В, соответствующее мощности 1 мВт на нагрузке 600 Ом; например, стандартизованный уровень сигнала для профессионального аудио оборудования составляет +4 дБu, то есть 1,23 В.
dBV дБВ опорное напряжение 1 В на номинальной нагрузке (для бытовой техники обычно 47 кОм); например, стандартизованный уровень сигнала для бытового аудио оборудования составляет –10 дБВ, то есть 0,316 В
dBμV дБмкВ опорное напряжение 1мкВ; например, «чувствительность приёмника составляет –10дБмкВ».
dBm дБм опорная мощность 1мВт, соответствующая мощности 1 милливатт на номинальной нагрузке (в телефонии 600 Ом, для профессиональной техники обычно 10 кОм для частот менее 10МГц, 50 Ом для высокочастотных сигналов, 75 Ом для телевизионных сигналов); например, «чувствительность сотового телефона составляет –110 дБм»
dBm0 дБм0 опорная мощность в дБм в точке нулевого относительного уровня. dBm — опорное напряжение соответствует тепловому шуму идеального резистора сопротивлением 50 Ом при комнатной температуре в полосе 1 Гц. Например, «уровень шума усилителя составляет 6 дБм0»
dBFS (англ. Full Scale — «полная шкала») опорное напряжение соответствует полной шкале прибора; например, «уровень записи составляет –6 dBfs»
dBSPL (англ. Sound Pressure Level — «уровень звукового давления») — опорное звуковое давление 20 мкПа, соответствующее порогу слышимости; например, «громкость 100 dBSPL».
dBPa — опорное звуковое давление 1 Па или 94 дБ звуковой шкалы громкости dBSPL; например, «для громкости 6 dBPa микшером установили +4 dBu, а регулятором записи –3 dBFS, искажения при этом составили –70 dBc».
dBA, dBB,
dBC, dBD
опорные уровни выбраны в соответствии с частотными характеристиками стандартных «весовых фильтров» типа A, B, C или D cоответственно (фильтры отражают кривые равной громкости для разных условий, см. ниже в разделе «Шумомеры»)

Мощность, развиваемая динамическим микрофоном, естественно, чрезвычайно мала, гораздо меньше 1 мВт, и уровень чувствительности микрофона поэтому выражается отрицательными децибелами. Зная стандартный уровень чувствительности микрофона (он приводится в паспортных данных), можно вычислить его чувствительность в единицах напряжения.

В последние годы для характеристики электрических параметров радиоаппаратуры стали применять в качестве нулевых уровней и другие величины, в частности 1 пВт, 1 мкВ, 1 мкВ/м (последний — для оценки напряженности поля).

Возможность представления в децибелах как отвлеченных, так и именованных чисел приводит к тому, что одно и то же устройство может характеризоваться разными числами децибел. Эту двойственность децибел надо иметь в виду. Защитой от ошибок тут может служить ясное понимание природы определяемого параметра.

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. В частности, дБВ для 75-омной ТВ-цепи соответствует (дБм–11дБ); дБмкВ для 75-омной ТВ-цепи соответствует (дБм+109дБ).

ДЕЦИБЕЛЫ В АКУСТИКЕ

До сих пор, говоря о децибелах, мы оперировали электрическими терминами — мощностью, напряжением, током, сопротивлением. Между тем логарифмические единицы широко применяют и в акустике, где они являются наиболее часто применяемой единицей при количественных оценках звуковых величин.

Звуковое давление р представляет избыточное давление в среде по отношению к постоянному давлению, существующему там до появления звуковых волн (единица измерения — паскаль (Па)).

Примером приемников звукового давления (или градиента звукового давления) может служить большинство типов современных микрофонов, которые преобразуют это давление в пропорциональные электрические сигналы.

Интенсивность звука связана со звуковым давлением и колебательной скоростью частиц воздуха простой зависимостью:

Если звуковая волна распространяется в свободном пространстве, где нет отражения звука, то

здесь ρ — плотность среды, кг/м3; с — скорость звука в среде, м/с. Произведение ρc характеризует среду, в которой происходит распространение звуковой энергии, и называется ее удельным акустическим сопротивлением. Для воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 20° С ρc =420 кг/м2*с; для воды ρc = 1,5*106 кг/м2*с.

Можно записать, что:

все, что говорилось о преобразовании в децибелы электрических величин, в равной мере относится и к акустическим явлениям

Если сопоставить эти формулы с формулами, выведенными ранее для мощности. тока, напряжения и сопротивления, то легко обнаружить аналогию между отдельными понятиями, характеризующими электрические и акустические явления, и уравнениями, описывающими количественные зависимости между ними.

Таблица 4. Связь между электрическими и акустическими характеристиками

Электрическая мощность Р Акустическая мощность Р.
Интенсивность звука J
Напряжение U Звуковое давление р
Электрический ток I Колебательная скорость v
Электрическое сопротивление R Удельное акустическое
сопротивление ρc
I = U/R ν=p/ρc
P = UI J = pv
P=U 2 /R J=p 2 /ρc
P = I 2 R J = v 2 ρc

Аналогом электрической мощности являются акустическая мощность и интенсивность звука; аналогом напряжения служит звуковое давление; электрический ток соответствует колебательной скорости, а электрическое сопротивление — удельному акустическому сопротивлению. По аналогии с законом Ома для электрической цепи можно говорить об акустическом законе Ома. Следовательно, все, что говорилось о преобразовании в децибелы электрических величин, в равной мере относится и к акустическим явлениям.

Применение децибел в акустике очень удобно. Интенсивности звуков, с которыми приходится иметь дело в современных условиях, могут различаться в сотни миллионов раз. Такой огромный диапазон изменений акустических величин создает большие неудобства при сопоставлении их абсолютных значений, а при использовании логарифмических единиц эта проблема снимается. Кроме того, установлено, что громкость звука при оценке ее на слух возрастает примерно пропорционально логарифму интенсивности звука. Таким образом, уровни этих величин, выраженные в децибелах, довольно близко соответствуют громкости, воспринимаемой ухом. Для большинства людей с нормальным слухом изменение громкости звука частотой 1 кГц ощущается при изменении интенсивности звука примерно на 26%, т. е. на 1 дБ.

В акустике по аналогии с электротехникой определение децибел базируется на отношении двух мощностей:

Подобным же образом в децибелах выражается отношение двух интенсивностей звука:

Последнее уравнение справедливо только при условии равенства акустических сопротивлений, другими словами, постоянства физических параметров среды, в которой распространяются звуковые волны.

Децибелы, определенные по приведенным выше формулам, не связаны с абсолютными значениями акустических величин и применяются для оценки затухания звука, например эффективности звуковой изоляции и систем подавления и заглушения шумов. Подобным образом выражаются и неравномерности частотных характеристик, т. е. разность максимального и минимального значений в заданном диапазоне частот различных излучателей и приемников звука: микрофонов, громкоговорителей и пр. Отсчет при этом обычно ведется от среднего значения рассматриваемой величины, либо (при работе в звуковом диапазоне) относительно значения при частоте 1 кГц.

В практике акустических измерений, однако, как правило, приходится иметь дело со звуками, значения которых должны быть выражены конкретными числами. Аппаратура для проведения акустических измерений сложнее аппаратуры для электрических измерений, а по точности существенно уступает ей. С целью упрощения техники измерений и снижения погрешности в акустике отдается предпочтение измерениям относительно эталонных, калиброванных уровней, величины которых известны. С этой же целью для измерения и исследования акустических сигналов их преобразуют в электрические.

Абсолютные значения мощностей, интенсивностей звуков и звуковых давлений также могут быть выражены в децибелах, если в приведенных выше формулах задаваться значениями одного из членов под знаком логарифма. Международным соглашением уровнем отсчета интенсивности звука (нулевым уровнем) принято считать J0 = 10 –12 Вт/м 2 . Эту ничтожную интенсивность, под действием которой амплитуда колебаний барабанной перепонки меньше размеров атома, условно принято считать порогом слышимости уха в области частот наибольшей чувствительности слуха. Ясно, что все слышимые звуки выражаются относительно этого уровня только положительными децибелами. Фактический порог слышимости для людей с нормальным слухом немного выше и равен 5—10 дБ.

Для представления интенсивности звука в децибелах относительно заданного уровня используют формулу:

Значение интенсивности, вычисленное по этой формуле, принято называть уровнем интенсивности звука.

Подобным образом можно выразить и уровень звукового давления:

Чтобы уровни интенсивности звука и звукового давления в децибелах численно выражались одной величиной, в качестве нулевого уровня звукового давления (порога звукового давления) должно быть принято значение:

Пример. Определим, какой уровень интенсивности в децибелах создает оркестр со звуковой мощностью 10 Вт на расстоянии r = 15 м.

Интенсивность звука на расстоянии r = 15 м от источника составит:

Уровень интенсивности в децибелах:

Тот же результат будет получен, если преобразовать в децибелы не уровень интенсивности, а уровень звукового давления.

Так как в месте приема звука уровень интенсивности звука и уровень звукового давления выражаются одинаковым числом децибел, на практике часто применяется термин «уровень в децибелах» без указания, к какому именно параметру эти децибелы относятся.

Определив уровень интенсивности в децибелах в какой-либо точке пространства на расстоянии r1 от источника звука (расчетным или опытным путем), нетрудно вычислить уровень интенсивности на расстоянии r2:

Если на приемник звука одновременно воздействуют два или несколько источников звука и известна интенсивность звука в децибелах, создаваемая каждым из них, то для определения результирующей величины децибелы следует обратить в абсолютные значения интенсивности (Вт/м2), сложить их, и эту сумму снова преобразовать в децибелы. Складывать сразу децибелы в этом случае нельзя, так как это соответствовало бы произведению абсолютных значений интенсивностей.

Если имеется n несколько одинаковых источников звука с уровнем каждого LJ, то их суммарный уровень будет:

Если уровень интенсивности одного источника звука превышает уровни остальных на 8—10 дБ и более, можно учитывать только один этот источник, а действием остальных пренебречь.

Помимо рассмотренных акустических, уровней иногда можно встретить и понятие уровня звуковой мощности источника звука, определяемого по формуле:

где Р — звуковая мощность характеризуемого произвольного источника звука, Вт; Р0 — начальная (пороговая) звуковая мощность, величина которой берется обычно равной P0=10 –12 Вт.

УРОВНИ ГРОМКОСТИ

Чувствительность уха к звукам разных частот различна. Зависимость эта довольно сложна. При небольших уровнях интенсивности звука (примерно до 70 дБ) максимальная чувствительность составляет 2—5 кГц и убывает с повышением и понижением частоты. Поэтому звуки одинаковой интенсивности, но разных частот будут казаться на слух разными по громкости. С ростом силы звука частотная характеристика уха выравнивается и при больших уровнях интенсивности (80 дБ и выше) ухо реагирует приблизительно одинаково на звуки разных частот звукового диапазона. Из этого следует, что интенсивность звука, которая измеряется специальными широкополосными приборами, и громкость, которая фиксируется ухом, — понятия не равнозначные.

Уровень громкости звука любой частоты характеризуется величиной уровня равного по громкости звука частотой 1 кГц

В акустике приходится постоянно считаться с этой особенностью слуха, и поэтому было введено специальное понятие — уровень громкости, которое определяет уровень интенсивности звука с учетом частотных и динамических свойств уха.

Уровень громкости звука любой частоты характеризуется величиной уровня равного по громкости звука частотой 1 кГц. Уровни громкости характеризуются так называемыми кривыми равных громкостей, каждая из которых показывает, какой уровень интенсивности на разных частотах должен развить источник звука, чтобы создать впечатление равной громкости с тоном 1 кГц заданной интенсивности (рис. 4).


Рис. 4. Кривые равной громкости

Кривые равной громкости представляют по существу семейство частотных характеристик уха в децибельном масштабе для разных уровней интенсивности. Отличие их от обычных АЧХ состоит лишь в способе построения: «завал» характеристики, т. е. снижение коэффициента передачи, здесь изображен повышением, а не понижением соответствующего участка кривой.

Единице, характеризующей уровень громкости, во избежание путаницы с децибелами интенсивности и звукового давления присвоено особое наименование — фон.

Уровень громкости звука в фонах численно равен уровню звукового давления в децибелах чистого тона с частотой 1 кГц, равного с ним по громкости.

Другими словами, один фон — это 1 дБ звукового давления тона частотой 1 кГц с поправкой на частотную характеристику уха. Между двумя, этими единицами нет постоянного соотношения: оно меняется в зависимости от уровня громкости сигнала и его частоты. Только для токов частотой 1 кГц численные значения для уровня громкости в фонах и уровня интенсивности в децибелах совпадают.

Если обратиться к рис. 4 и проследить ход одной из кривых, например, для уровня 60 фон, то нетрудно определить, что для обеспечения равной громкости с тоном 1 кГц на частоте 63 Гц требуется интенсивность звука 75 дБ, а на частоте 125 Гц только 65 дБ.

В высококачественных усилителях звуковой частоты применяются ручные регуляторы громкости с тонкомпенсацией, или, как их еще называют, компенсированные регуляторы. Такие регуляторы одновременно с регулировкой величины входного сигнала в сторону уменьшения обеспечивают подъем частотной характеристики в области низших частот, благодаря чему для слуха создается неизменный тембр звучания при различных громкостях воспроизведения звука.

Исследованиями установлено также, что изменение громкости звука вдвое (по оценке на слух) примерно эквивалентно изменению уровня громкости на 10 фон. Эта зависимость положена в основу оценки громкости звука. За единицу громкости, называемую сон, условно принят уровень громкости 40 фон. Удвоенной громкости, равной двум сон, соответствует 50 фон, четырем сон — 60 фон и т. д. Пересчет уровней громкости в единицы громкости облегчается графиком на рис. 5.


Рис. 5. Связь между громкостью и уровнем громкости

Большинство звуков, с которыми приходится иметь дело в повседневной жизни, имеют шумовой характер. Характеристика громкости шумов на основе сопоставления с чистыми тонами 1 кГц проста, но приводит к тому, что оценка шума на слух может расходиться с показаниями измерительных приборов. Объясняется это тем, что при равных уровнях громкости шума (в фонах) наиболее раздражающее действие на человека оказывают составляющие шума в диапазоне 3—5 кГц. Шумы могут восприниматься как равно неприятные, хотя их уровни громкости не равны.

Раздражающее действие шума более точно оценивается другим параметром, так называемым уровнем воспринимаемого шума. Мерой воспринимаемого шума служит уровень звука равномерного шума в октавной полосе со средней частотой 1 кГц, который в заданных условиях оценивается слушателем как одинаково неприятный с измеряемым шумом. Уровни воспринимаемого шума характеризуются единицами PNdB или РNдБ. Расчет их ведется по специальной методике.

Дальнейшим развитием системы оценки шумов являются так называемые эффективные уровни воспринимаемого шума, выражаемые в ЕРNдБ. Система ЕРNдБ позволяет комплексно оценивать характер воздействующего шума: частотный состав, дискретные составляющие в его спектре, а также продолжительность шумового воздействия.

По аналогии с единицей громкости сон введена единица шумности — ной.

За один ной принята шумность равномерного шума в полосе 910—1090 Гц при уровне звукового давления 40 дБ. В остальном нои сходны с сонами: рост шумности вдвое соответствует росту уровня воспринимаемого шума на 10 РNдБ, т. е. 2 ной = 50 РNдБ, 4 ной = 60 РNдБ и т. д.

Работая с акустическими понятиями, следует иметь в виду, что интенсивность звука представляет объективное физическое явление, которое может быть точно определено и измерено. Оно реально существует независимо от того, слышит его кто-нибудь или нет. Громкость звука определяет эффект, который звук производит на слушателя, и является, поэтому, чисто субъективным понятием, так как зависит от состояния органов слуха человека и его личных свойств к восприятию звука.

ШУМОМЕРЫ

Для измерения всевозможных шумовых характеристик применяют специальные приборы — шумомеры. Шумомер представляет автономный переносный прибор, позволяющий измерять непосредственно в децибелах уровни интенсивности звука в широких пределах относительно стандартных уровней.

Шумомер (рис. 6) состоит из высококачественного микрофона, широкополосного усилителя, переключателя чувствительности, меняющего усиление ступенями по 10 дБ, переключателя частотных характеристик и графического индикатора, который обычно обеспечивает несколько вариантов представления измеряемых данных — от цифр и таблицы до графика.


Рис. 6. Портативный цифровой шумомер

Современные шумомеры весьма компактны, что позволяет производить измерения и в труднодоступных местах. Из отечественных шумомеров можно назвать прибор компании «Октава-Электродизайн» «Октава-110А» (http://www.octava.info/?q=catalog/soundvibro/slm).

Шумомеры позволяют определять как общие уровни интенсивностей звука при измерениях с линейной частотной характеристикой, так и уровни громкости звука в фонах при измерениях с частотными характеристиками, сходными с характеристиками человеческого уха. Диапазон измерений уровней звуковых давлений находится обычно в пределах от 20—30 до 130—140 дБ относительно стандартного уровня звукового давления 2*10–5 Па. С помощью сменных микрофонов уровень измерений может быть расширен до 180 дБ.

В зависимости от метрологических параметров и технических характеристик отечественные шумомеры подразделяются на первый и второй классы.

Частотные характеристики всего тракта шумомера, включая микрофон, стандартизированы. Всего имеется пять частотных характеристик. Одна из них линейна в пределах всего рабочего диапазона частот (условное обозначение Лин), четыре другие приближенно повторяют характеристики уха человека для чистых тонов при разных уровнях громкости. Они названы первыми буквами латинского алфавита А, В, С и D. Вид этих характеристик показан на рис. 7. Переключатель частотных характеристик не зависит от переключателя пределов измерений. Для шумомеров первого класса обязательны характеристики А, В, С и Лин. Частотная характеристика D — дополнительная. Шумомеры второго класса должны иметь характеристики А и С; применение остальных допускается.


Рис. 7. Стандартные частотные характеристики шумомеров

Характеристика А имитирует ухо примерно на уровне 40 фон. Эта характеристика используется при измерении слабых шумов — до 55 дБ и при замерах уровней громкости. В практических условиях чаще всего пользуются частотной характеристикой с коррекцией А. Объясняется это тем, что, хотя восприятие звука человеком гораздо сложнее простой частотной зависимости, определяющей характеристику А, во многих случаях результаты измерений прибором хорошо согласуются с оценкой шума на слух при небольших уровнях громкости. Многими стандартами — отечественными и зарубежными — оценку шумов рекомендуется проводить по характеристике А независимо от фактического уровня интенсивности звука.

Характеристика В повторяет характеристику уха на уровне 70 фон. Она применяется при измерении шумов в пределах 55—85 дБ.

Характеристика С равномерна в диапазоне 40—8000 Гц. Этой характеристикой пользуются при измерении значительных уровней громкости — от 85 фон и выше, при измерениях уровней звукового давления — независимо от пределов измерения, а также при подключениях к шумомеру устройств для измерения спектрального состава шума в тех случаях, когда шумомер не имеет частотной характеристики Лин.

Характеристика D — вспомогательная. Она представляет усредненную характеристику уха примерно на уровне 80 фон с учетом повышения его чувствительности в полосе от 1,5 до 8 кГц. При пользовании этой характеристикой показания шумомера более точно, чем по другим характеристикам, соответствуют уровню воспринимаемого шума человеком. Эта характеристика применяется главным образом при оценке раздражающего действия шума большой интенсивности (самолетов, быстроходных машин и т. п.).

В составе шумомера имеется также переключатель Быстро — Медленно — Импульс, управляющий временными характеристиками прибора. Когда переключатель установлен в положение Быстро, прибор успевает следить за быстрыми изменениями уровней звука, в положении Медленно прибор показывает среднее значение измеряемого шума. Временная характеристика Импульс применяется при регистрации коротких звуковых импульсов. Некоторые типы шумомеров содержат также интегратор с постоянной времени 35 мс, имитирующий инерционность звуковосприятия человека.

При пользовании шумомером результаты измерений будут различаться в зависимости от установленной частотной характеристики. Поэтому при записи показаний для исключения путаницы указывается и вид характеристики, при которой производились измерения: дБ (А), дБ (В), дБ (С) или дБ (D).

Для калибровки всего тракта микрофон — измеритель в комплект шумомера обычно входит акустический калибратор, назначение которого — создавать равномерный шум определенного уровня.

Согласно действующей в настоящее время инструкции «Санитарные нормы допустимого шума в помещениях жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки» нормируемыми параметрами постоянного или прерывистого шума являются уровни звуковых давлений (в децибелах) в октавных полосах частот со средними частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Для непостоянного шума, например шума от проезжающего транспорта, нормируемым параметром является уровень звука в дБ(А).

Установлены следующие суммарные уровни звука, измеренные по шкале А шумомера: жилые помещения — 30 дБ, аудитории и классы учебных заведений — 40 дБ, территории жилой застройки и площадки отдыха — 45 дБ, рабочие помещения административных зданий — 50 дБ (А).

Для санитарной оценки уровня шума в показания шумомера вносятся поправки от –5 дБ до +10 дБ, которые учитывают характер шума, суммарное время его действия, время суток и месторасположение объекта. Например, в дневное время норма допустимого шума в жилых помещениях с учетом поправки составляет 40 дБ.

В зависимости от спектрального состава шума ориентировочная норма предельно допустимых уровней, дБ, характеризуется следующими цифрами:

Высокочастотный от 800 Гц и выше 75—85
Среднечастотный 300—800 Гц 85—90
Низкочастотный ниже 300 Гц 90—100

При отсутствии шумомера ориентировочную оценку уровней громкости различных шумов можно проводить с помощью таблицы. 5.

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector