分貝和聲壓級是什么?

分貝和聲壓級是什么?音箱系統中的分貝(db)可能是一個差值,比如音箱1音量比音箱2大3dB;
也可能是一個相對值,比如說IV的電壓等于0dBV,也等于2.2dBu,
出現這樣的結果的原因是他們的參考點不同。
如果大家用不同的參考點來描述分貝(dB)就容易混亂;所以分貝(dB)還有絕對值,這個絕對值是全世界統一的,這些標準的參考點統一都被稱為“0”點,就像海平面的意義一樣。

當振動產生聲音時,空氣中的大氣壓會受到影響,大氣壓被影響后產生的變化稱為“聲壓”,單位是Pa。人耳能聽到的1kHz聲音的最小聲壓為0.00002Pa,人們將其稱為“0”點(基準聲壓,定義為“0dB SPL”,有時候也被寫為“0dB LP”),就如同海平面一樣。由于人耳對聲音的感知呈對數關系,所以從聲壓到聲壓級的換算也是用對數來計算。

1Pa是常用的聲壓值,用聲壓級表示是94dB SPL。
所以,我們校準聲級計時,應把聲級計刻度調整為94dB。

空氣中參考聲壓是2*10^-5Pa,水中參考聲壓是1*10^-6Pa

延伸閱讀:什么是分貝dB?

關于分貝dB,人們的第一感覺認為是聲音的大小單位,如機械廠房中噪聲為90分貝。dB真的是單位嗎?其實分貝除了用于聲學領域之外,在NVH測量領域,到處可見分貝。它似乎是一個測量值的單位,通常是縱軸,但實際上它不是一個單位,它是個無量綱。我們經常在聲學、振動、電子學、電信、音頻工程&設計等領域見到它。既然它是個無量綱,那我們為什么要用它呢,怎么正確使用它呢?

分貝最初使用是在電信行業,是為了量化長導線傳輸電報和電話信號時的功率損失而開發出來的。是為了紀念美國電話發明家亞歷山大·格雷厄姆·貝爾(Alexander Graham Bell),以他的名字命名的。雖然分貝定義為1/10貝爾,但單位“貝爾”(Bel)卻很少用。

本文主要內容包括:

1. 分貝定義;

2. 聲音大;

3. dB的性質;

4. -3dB;

5. dBA;

6. dB疊加;


1.分貝定義
分貝dB定義為兩個數值的對數比率,這兩個數值分別是測量值和參考值(也稱為基準值)。存在兩種定義情況。

下標為0的數值均為幅值和功率的參考值。功率量的例子如:聲功率(W),聲強(W/m^2),電功率,電強等。幅值量的例子如:聲壓(Pa),電壓(V),加速度(m/s^2),溫度等。但有一點要注意對于場量的幅值應該是RMS值,如聲壓場。
因為分貝值完全依賴于測量值與參考值之比,因此,計算時選擇合適的參考值尤為關鍵。當測量結果相互比較時,這一點非常重要,選擇的參考值不同,計算結果肯定不一樣。常見信號的dB參考值如下表所示。


注:沒有特殊要求時,參考值通常為1。

2. 聲音大小
在聲學領域,dB經常用作為表征聲壓級SPL(Sound Pressure Level)的大小。聲壓的單位是帕斯卡,Pa,聲壓的參考值是20μPa,這個值表示人耳在1000Hz處的平均可聽閾值,或者是人耳在1000Hz處可被感知的平均最小聲壓波動值。

聲音是疊加在大氣壓之上的聲壓波動,大氣壓為1.01325×10^5Pa。相比于大氣壓,聲壓幅值波動非常小。人耳可聽的聲壓幅值波動范圍為2×10^-5Pa~20Pa,這個聲壓幅值波動區間很大,二者的比值達到了10^6。似乎從線性角度來說這個聲壓幅值的波動區間,很不方便。

數字位數一多,讀起來都頭痛,要仔細逐一數一數位數,我反正是這樣的,我不知道您是不是也是這樣!有沒有懶人方法呢,能方便的反映出這個波動的幅值呢?大師Bell早就在思考:有沒有好的方法解決這個問題。因此,引入了以dB表示的聲壓級的概念。

他發現我們人類耳朵對聲音強度的反應是成對數形式的,大概意思就是當聲音的強度增加到某一程度時,人的聽覺會變的較不敏銳,剛好近似對數的單位刻度。這使得對數的單位可以拿來代表人類聽覺變化的比例,因此,以對數dB形式表示的聲壓級應孕而生了。

人耳可聽的聲壓幅值波動范圍為2×10^-5Pa~20Pa,用幅值dB表示對應的分貝數為0~120dB,因此,當用分貝表示聲壓級的大小時,表征起來更為方便,F實世界中各種常見情況中聲音分貝大小如下圖所示。


用圖表表示聲壓幅值和分貝數如下表所示:

‍-------------------分割線---------建議一般非振動噪聲方向人員,看到這就可以了---------------------

3. dB的性質

貝爾最初是用來表示電信功率訊號的增益和衰減的單位,1個貝爾的增益是以功率在放大后與放大前的比值。所以,電壓增益的分貝表達式是從功率的角度來考慮的,即分貝應該理解為功率的增大或衰減情況。

用對數dB形式表達增益之所以在工程上得到了廣泛的應用,是因為:
(1) 當用對數dB表達增益隨頻率變化的曲線時,可大大擴大線性增益變化的區間。通過上一小節,我們已經明白人耳可聽的聲壓幅值波動范圍為2×10^-5Pa~20Pa,而用幅值dB表示時對應的dB數值僅僅為0~120dB。

(2) 計算多級放大的總增益時,可將乘法化為加法進行運算。

(3) dB值可正可負。正值表示增大,負值表示衰減。若x/x0<1,則dB值為負值。也就是說測量值大于參考值的為正,小于參考值的為負。

(4) 幅值比互為倒數時,dB值互為正負。這是因為:

表中紅色字體表示的是幾個比較重要的dB值,我們應該要記住,因為我們經常要用到它們。像dB增大6dB表示線性幅值增大一倍。

4. -3dB
為什么要把-3dB單獨拿出來作為一小節呢,這是因為這個值在NVH領域起著其他值不可比擬的作用。首先,讓我們明白-3dB表示的幅值和功率的大小,然后再說明它的用途。

通過上表,我們已經知道-3dB對應的幅值比為0.707,即√2/2倍,也就是說幅值是原來的√2/2倍。如果是按功率比來計算,則功率比為1/2,也就是原來功率的一半,因此,-3dB稱為“半功率點”。接下來,我們說說-3dB的典型應用。

在《采樣頻率2倍和2.56倍的區別,您知道嗎?》一文中,我們曾經講到過抗混疊濾波器。給出了如下一張圖,不知道您當時有沒有注意到,圖中最上面有一句“帶寬處的-3dB衰減點”。這表示什么意思呢?這句話的意思是說抗混疊濾波器是按幅值衰減0.707或者功率衰減一半所對應的頻率作為濾波截止頻率的。其它類型的濾波器,如高通、低通、帶通和帶阻濾波器的截止頻率也是-3dB點。

還記得振動教材中,半功率帶寬法求阻尼嗎?我實在不想寫公式,因為一寫公式就讓人頭痛,但有時為了表達的需要,不得不寫。好吧,讓我寫出半功率帶寬法求阻尼的公式:

在幅頻曲線的峰值ωr處的左右兩側,找到峰值幅值的0.707倍處ω1和ω2,這兩點稱為“半功率點”,因此,這種阻尼比估計方法稱為半功率帶寬法。


-3dB其實還有好多應用,如-3dB帶寬、傳感器靈敏度校準有時也要求校準到-3dB等等,在這就不一一介紹了。

5. dBA
dBA是指對聲音的A計權。通常對A計權的結果,用單位dBA或dB(A)來表示。
人耳可聽的聲音有一定的頻率范圍(20-20KHz)和一定的聲壓級范圍(0-130dB),如下圖所示。

分貝和聲壓級是什么?
人耳不是對所有頻率的敏感度都相同。正常人耳最敏感的頻帶是 3000 Hz 到 6000 Hz,它的頻響會隨著聲音大小的變化而變化。通常,低頻段和高頻段聲音感知能力不如中頻段,效果是在低聲壓級更明顯,在高聲壓級時會被壓平,如圖中各條曲線(等響曲線)所示,聲壓級越小的區間,曲線越陡峭,聲壓級越大的區段,曲線越平坦。


正是因為人耳對不同的頻率,敏感度不一樣,即使聲壓級的量級一樣,聽起來也不一樣,所以,需要對真正聽到的聲壓級通過增益因子進行修正,而用得最多的則是A計權。當然還有B,C,D計權。A計權對應的是40方的等響曲線,也就是上圖中紅色線條所表示的曲線。而B,C計權則對應70和100方的等響曲線,4種計權曲線如下圖所示。


對同一信號采用不同的計權方式,最后得到的聲壓級是不一樣的。如下圖所示,對一隨機信號計算不計權和A計權下的1/3倍頻程曲線,可見二者差異明顯。因此,當計權不同時,結果也是不同的。


除了dBA和其它三種計權之外,其實在其他領域還有dBm,dBW,dBu,dBv,dBi,dBd,dBc等等,但在NVH領域還是dBA最常用。

6. dB疊加

dB可以任意相加嗎?怎么相加?如70dB+60dB等于130dB嗎?要是這么簡單,世界就安靜了,不會有那么多爭論了,也不會有人說NVH是「玄學」了。

在這以聲壓級的疊加來進行說明。SPLresult=SPL1+SPL2+SPL3+…+SPLn?聲壓級的合成運算不是簡單的加減運算,聲壓級不能直接相加,必須以能量形式相加計算,因此,聲壓級的合成公式如下

若兩個聲壓級SPL1=SPL2=60dB,但兩個聲源是相關、同相位的,則合成后的聲壓級SPL為66dB,因為60dB對應0.02Pa,兩個相加為0.04Pa,對應66dB,F實有這么美好嗎?很少有相關同相位的兩個聲源,所以,這個等于白說了。是不是砍我的心都有了? 若任意兩個聲壓級SPL1=SPL2,則合成后的聲壓級為

也就是說兩個聲壓級相同,則合成后的聲壓級比之前大3dB。也可以用以下圖來表示,橫軸表示兩個聲壓級的差值,縱軸表示在原來的基礎上要增加多少dB。二者相差0dB時,合成之后大3dB, 當兩個聲壓級相差15dB以上,數值小的聲壓級影響可以忽略。通過查詢下圖也可以求得合成后的聲壓級大小。


回到這一小節開始時提到的問題:70dB+60dB等于多少?我們可以根據這一節第一個公式計算或者對比上圖可以得到結果為70.4dB,記住不是130dB。
說完了聲壓級的合成,再說說聲壓級的分解吧。聲壓級的分解通常用于修正背景噪聲的影響,如噪聲測量值Lmeasured 修正背景噪音LBGN 的影響,不是簡簡單單地Lsource =Lmeasured-LBGN, 而是


國際規范中關于背景噪聲的修正原則如下圖表示。當背景噪音與聲源的聲壓級差值小于6dB時,測量無效;當二者差值位于6~15dB之間時需要修正,修正按以上公式修正;當二者差值大于15dB時,可忽略背景噪聲對測量結果的影響。
c 以上部分圖文來自“模態空間”公眾號

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