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分貝及其應(yīng)用
分貝是個(gè)較常使用的計(jì)量單位,分貝zui初來源于長途電訊的計(jì)測(cè),,后被廣泛應(yīng)用于電工,、無線電、力學(xué),、沖擊振動(dòng),、機(jī)械功率和聲學(xué)等領(lǐng)域。不少工程技術(shù)人員都熟知它,,但很多人都對(duì)它感到生疏和奧秘,,為此,有必要重溫這一術(shù)語,,弄請(qǐng)它的涵義,。
1 分貝的定義
分貝是國家選定的非單位制單位,。它是我國法定計(jì)量單位中的級(jí)差單位。其定義為:兩個(gè)同類功率量或可與功率類比的量之比值的常用對(duì)數(shù)乘以10等于1時(shí)的級(jí)差,。這一分貝定義中的“可與功率類比的量”,,通常是指振幅平方、場(chǎng)強(qiáng)平方,、電流平方,、電壓平方、聲壓平方,、位移平方,、加速度平方、聲強(qiáng)和聲能密度等,。
分貝是表示電氣,、機(jī)械和聲學(xué)等信號(hào)在傳輸過程中的功率增加(增益)與減小(損耗)的計(jì)量單位。把前后所測(cè)的兩個(gè)功率比值(P/P0),。取以10為底的常用對(duì)數(shù)就是此功率差的貝爾數(shù)(以科學(xué)家Alexander Grahan Bell命名),。用公式表示貝爾數(shù)為:
式中,P為類似功率的輸出量,;P0是基準(zhǔn)輸入功率,;Nb是以貝爾為單位的數(shù)。
貝爾Bel簡(jiǎn)稱“貝”,。它不是我國的法定計(jì)量單位,。
在實(shí)際使用中,發(fā)現(xiàn)貝爾這個(gè)單位太大,,故采用十分之一貝爾為單位,,稱之為分貝(decibel),其符號(hào)為dB,,是我國法定計(jì)量單位中的級(jí)差單位,。用數(shù)學(xué)公式表示分貝數(shù)為:
其中Nd是以分貝為單位的數(shù)。
某一分貝數(shù)對(duì)應(yīng)一定的功率比值,,同樣,,某一功率比值也與一定的分貝數(shù)相對(duì)應(yīng),分貝數(shù)與功率比值可以互相換算,;可以繪制成分貝換算表格便于查閱,,也可以制成分貝換算尺。例如,,若傳輸分別增加1,、10、20,、30dB時(shí),,表示被測(cè)功率比基準(zhǔn)功率分別增大1.259,、10、100,、1000倍,,若傳輸分別減小-1,-10,,-20,,-30dB時(shí),表示被測(cè)功率分別減小了20%,、90%,、99%、99.9%,。分貝與功率相比較只是同一物理量采用不同的計(jì)量單位表示而已,,如長度可用m或cm來表示一樣。
類似功率的量可以是電功率,、機(jī)械功率,、聲功率和加速度密度譜(又稱功率密度譜)等。
2 另一類量的分貝表示形式
另一類量就是電壓量,,它的分貝表示形式可由類功率量的分貝表示形式推導(dǎo)出來,。因?yàn)楣β蔖與電壓V、電流I和電阻R之間存在以下關(guān)系:
如果輸入端電阻R0與輸出端電阻R相等(R=R0),,或者只在輸出端電阻上測(cè)定電壓,、電流,則:
如果R與R0不相等,,則不能采用式(4)計(jì)算分貝數(shù),;此時(shí)必須知道R與R0的實(shí)際值,才能按照式(3)計(jì)算分貝數(shù),。
可以看出,,式(3)和式(4)的形式相同,只是相差兩倍,,也就是類功率量的比值與類電壓量的比值相等時(shí),,后者的分貝數(shù)要比前者的分貝數(shù)大兩倍。
類電壓量可以是電流,、電荷、力,、應(yīng)變,、位移、速度,、加速度,、聲壓等,。
3 相對(duì)值與值
式(4)與式(2)表示兩個(gè)電壓量或兩個(gè)功率量比值的分貝數(shù),稱為相對(duì)電壓級(jí)(電平)或相對(duì)功率級(jí)(電平),。相對(duì)級(jí)(電平)只能說明兩個(gè)電壓或兩個(gè)功率的相對(duì)關(guān)系,,仍無法知道其值。
為此,,需要規(guī)定一個(gè)基準(zhǔn)值,,使每一個(gè)類電壓量與類功率量與給定的基準(zhǔn)值相比較后,便得到一個(gè)相應(yīng)的分貝數(shù),,記以NdBm(在電工學(xué)上稱為分貝毫),,稱為級(jí)(電平)。類功率量的級(jí)(電平)為:
在電功率測(cè)量中,,P的基準(zhǔn)值多是1mW或1W,;在隨機(jī)振動(dòng)測(cè)量時(shí),P的基準(zhǔn)值為0.001g/Hz,;在聲功率測(cè)量時(shí),,P的基準(zhǔn)值為10-12W(老標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為10-13W);在聲壓測(cè)量時(shí),,V的基準(zhǔn)值是2×10-5Pa(20微巴),;在動(dòng)態(tài)電壓測(cè)量時(shí),V的基準(zhǔn)值是100mV,。如果只表明某量的分貝數(shù),,而不給出其基準(zhǔn)值,一般沒有什么實(shí)際價(jià)值,。
現(xiàn)以萬用表為例計(jì)算其電壓電平,。多數(shù)指針式表頭刻度盤上明確標(biāo)出:0dB=1mW,600Ω(或0dB=6mW,500Ω)和表1所示的數(shù)據(jù),,現(xiàn)計(jì)算如下:
(1)10V檔
a. 0dB的電壓
同理可算出50V,、100V、250V檔的滿刻度分貝數(shù)分別為:36.3dB,、42.3dB及50.3dB,。
4 分貝的運(yùn)算法則
4.1 直接相加
只要兩個(gè)以上的比率是相乘關(guān)系,其對(duì)應(yīng)的分貝數(shù)就可以直接相加,。
即總的分貝數(shù)為各個(gè)網(wǎng)絡(luò)分貝數(shù)的總和,。
例如,有一臺(tái)晶體管收音機(jī),,其各級(jí)的放大量和增益如表2所示:
按照對(duì)數(shù)量計(jì)算,,總的增益為各級(jí)增益的代數(shù)和,即:
(28+26+30-24+15+40+25)dB=140dB
4.2 間接加減
這種運(yùn)算多用于聲學(xué)計(jì)量的音響疊加,。若聲場(chǎng)中有兩個(gè)以上的聲源,,其聲壓級(jí)(或聲功率級(jí))并不是各個(gè)聲源聲壓級(jí)(或聲功率級(jí))的代數(shù)和,。因?yàn)槁晧杭?jí)(或聲功率級(jí))是對(duì)數(shù)量。在求聲壓級(jí)總和時(shí),,必須首先求出各個(gè)聲壓級(jí)的反對(duì)數(shù),,然后相加,其反對(duì)數(shù)和的對(duì)數(shù)才是聲壓級(jí)的總和,。
設(shè)各聲源聲壓級(jí)分別為LP1,、LP2……LPi……,則:單位為dB,。
所以總的聲壓級(jí)Lpt為(單位為dB):
式中,,Lwt為總聲功率級(jí),dB,;Lwi為第i個(gè)聲源的聲功率級(jí),,dB。
有時(shí)需要從測(cè)量的總聲壓級(jí)Lpt中除去環(huán)境噪聲或背景噪聲的聲壓級(jí)LPB,,求出聲源的聲壓級(jí)Lps,,單位dB,就可以采用分貝減法,,即:
例如,,有一臺(tái)機(jī)器,當(dāng)機(jī)器停車時(shí),,在某點(diǎn)測(cè)定其聲壓級(jí)為LPB=85dB,,當(dāng)機(jī)器工作時(shí),測(cè)定其聲壓級(jí)為Lpt=94dB,,求該機(jī)器在這點(diǎn)所產(chǎn)生的聲壓級(jí),,應(yīng)為
4.3 平均
對(duì)于某個(gè)聲源,在某點(diǎn)對(duì)其聲壓級(jí)進(jìn)行多次測(cè)量,,若計(jì)算其平均聲壓級(jí)LP,,就可采用分貝量的平均,即按下式計(jì)算:
式中,,n是測(cè)量的次數(shù),。
例如,對(duì)某聲源測(cè)量4次的聲壓級(jí)分別為Lp1=96dB,,Lp2=100dB,Lp3=90dB,,Lp4=94dB,其平均聲壓級(jí)為:
另外,,在某些情況需要根據(jù)測(cè)定的功率級(jí)(電平)分貝數(shù)Lp或電壓級(jí)(電平)分貝數(shù)Lv與給定的基準(zhǔn)值確定實(shí)際類功率量或類電壓量,,可按下式計(jì)算:
例如,測(cè)定某臺(tái)機(jī)器的聲功率級(jí)為125dB,則其聲功率為:
5 為什么采用分貝
采用分貝作為計(jì)量單位具有以下優(yōu)點(diǎn),。
5.1 分貝適于聲學(xué)計(jì)量,而且與人體的聽覺相符
聲壓級(jí),、聲強(qiáng)級(jí)和聲功率級(jí)這三個(gè)量都具有對(duì)數(shù)性質(zhì),。這和人耳朵對(duì)聲音的響應(yīng)是一致的。因此以分貝度量音響符合人耳感覺,,具有實(shí)際意義,。
5.2 用途廣泛
任何一個(gè)計(jì)量單位都不及分貝應(yīng)用廣泛。任何計(jì)量,,不管其單位如何,,只要能給出基準(zhǔn)值,都可以用分貝表示,。
5.3 動(dòng)態(tài)范圍寬
所謂動(dòng)態(tài)范圍就是某個(gè)變量隨其自變量變化的區(qū)間,。與線性變化相比較,對(duì)數(shù)的變化范圍就大得多,。例如,,電氣儀表滿刻度值可以是0.001,0.003,,0.01,,0.03,0.1,,0.3,,1,3,,10,,30,100V,,其線性量的動(dòng)態(tài)范圍為1∶100000,;而對(duì)數(shù)量的動(dòng)態(tài)范圍卻為0~100dB。在振動(dòng)沖擊測(cè)量和機(jī)械阻抗繪圖時(shí),,要求動(dòng)態(tài)范圍1∶100000甚至更高,,而對(duì)數(shù)量的動(dòng)態(tài)范圍僅為0~100dB。
實(shí)際上不可能有這樣大線性范圍的指示儀表,、記錄儀器,、坐標(biāo)紙等。此外,,對(duì)于線性指針式儀表或繪圖儀器,,當(dāng)指針或記錄在較大偏離情況(滿刻度的1/3~2/3范圍內(nèi)),度較高,信號(hào)過大或過小則進(jìn)入了不區(qū)域,,所以有效的使用范圍很窄,。采用對(duì)數(shù)式指示儀器可以消除這種現(xiàn)象??蓪⒋缶€性范圍的信號(hào)壓縮到便讀的對(duì)數(shù)動(dòng)態(tài)范圍,。
5.4 使計(jì)算的數(shù)目字變小
對(duì)數(shù)運(yùn)算可以將龐大的線性表示量10n變成數(shù)位很小的對(duì)數(shù)表示量10n或20n,便于記憶,、書寫和計(jì)算,。
例如,蚊鳴聲與雷聲的功率相差1×1012倍,,要進(jìn)行線性量計(jì)算極為繁雜,;但采用對(duì)數(shù)計(jì)算,兩者的功率相差僅為10lg1012dB=120dB,。又如蚊鳴聲與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的聲壓相差0.5×109倍,,而兩者的聲壓級(jí)相差僅為20lg(0.5×109)dB=174dB。
5.5簡(jiǎn)化計(jì)算
由于對(duì)數(shù)運(yùn)算可使龐大的天文數(shù)字變小,,而且還將線性量的乘法運(yùn)算變?yōu)榉重惲康募臃ㄟ\(yùn)算,,可以使運(yùn)算過程變得極為簡(jiǎn)單。
6 奈培
奈培是用自然對(duì)數(shù)來表示功率比值或電流比值的級(jí)差單位,,單位符號(hào)NP,;這是非法定計(jì)量單位。奈培是以科學(xué)家Napier命名,。若將兩個(gè)功率比值取自然對(duì)數(shù),,再乘以1/2,就是兩個(gè)功率相差的奈培數(shù),,即相對(duì)奈培數(shù):
其中Nn是以(奈培)Np為單位的數(shù),。
如標(biāo)出基準(zhǔn)功率值Po=1mW,則可得到奈培數(shù):
其中Nnm是以Np(奈培)為單位的數(shù),。
與分貝一樣,,若使網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)電阻相等(R=R0)或者在同一電阻上測(cè)試電壓,電流,,則可得出類電壓量的相對(duì)奈培數(shù)或奈培數(shù),,即:
綜上所述,分貝是個(gè)非常有用的計(jì)量單位,,我們應(yīng)當(dāng)*理解它,、熟練應(yīng)用它。