Радио 1967, 12
Децибел - специфическая единица численного выражения усиления или ослабления сигнала. В децибелах оценивают коэффициенты усиления и затухания, избирательность приёмников, неравномерность частотных характеристик, интенсивность звука и многие параметры различных радиотехнических приборов, аппаратов, линий передач, антенных и других устройств. Шкалы децибел имеют многие вольтметры и авометры.
Что же такое децибел? Прежде всего - децибел (сокращённое обозначение - дБ) не физическая величина, как, скажем, ватт, вольт, ампер, а математическое понятие. В этом отношении у децибел есть некоторое сходство с процентами. Как и проценты, децибел величина относительная и применима к оценке самых различных явлений, независимо от их природы. Но, если проценты выражают какую-то величину, отнесённую к целому, принятому за единицу, то в основе, децибела лежит более широкое понятие, характеризующее отношение двух независимых, но одноимённых величин. Надо, однако, помнить, что термин «децибел» всегда связывают только с мощностями и с некоторыми оговорками с напряжениями и токами. Физическая природа мощностей не оговаривается и может быть любой - электрической, акустической, электромагнитной.
Децибел, как показывает приставка «деци», представляет собой десятую часть другой, более крупной единицы - Бел. А Бел есть десятичный логарифм отношения двух мощностей. Если известны две мощности Р1 и Р2, то их отношение, выраженное в децибелах, определяется как:
NдБ=10 Lg (P2/P1)
где Р1 - мощность, соответствующая начальному уровню сигнала, а Р2 - мощность, соответствующая конечному уровню сигнала.
Здесь уместно напомнить, что десятичным логарифмом числа называют показатель степени, в которую надо возвести число 10, чтобы получить данное число. Например: Lg(100) = 2, так как 102 = 10*10 = 100; Lg(1000) = 3, так как 103 = 10*10*10 = 1000.
У чисел, которые больше единицы, логарифмы будут положительными величинами, а если числа меньше единицы, их логарифмы отрицательны. Перед отрицательными логарифмами ставят знак «-» (минус), например: Lg(0,1) = - 1; Lg(0,01) = - 2.
В том случае, когда начальный сигнал меньше конечного, то есть P2/P1 больше 1, что имеет место в усилителях, число децибел будет положительным, а если начальный уровень больше конечного, то есть P2/P1 меньше 1, то число децибел будет отрицательным. Второй случай соответствует ослаблению (затуханию) сигнала. Когда обе мощности одинаковы и P2/P1= 1, то число децибел равно нулю.
Между децибелами усиления и затухания существует простая связь: если, к примеру, отношение 10 соответствует 10 дБ, то -10 дБ выражают обратное отношение, то есть 0,1.
Сравнение двух сигналов путём сопоставления их мощностей не всегда бывает удобным. Во многих случаях оказывается проще измерять не мощность в нагрузке, а падение напряжения на ней или протекающий ток. Но при этом нужно соблюдать обязательное условие: сопротивления нагрузок, на которых измеряются напряжения U1 и U2 или через которые протекают измеряемые токи I1 и I2 должны быть одинаковыми. Формулы для расчёта децибел в этом случае имеют следующий вид:
NдБ=20 Lg (P2/P1); NдБ=20 Lg (I2/I1)
Децибелы применяют не только для сравнения двух величин. Они удобны и для оценок конкретных значений мощностей, а также напряжений и токов, если считать, что величина одного из членов отношения, входящего в приведённые выше формулы, неизменна. Тогда любая другая величина, сравниваемая с нею, будет характеризоваться определённым числом децибел. В этом случае нулю децибел соответствует мощность, равная первой, которую часто называют нулевой. За условный нулевой уровень электрического сигнала принята мощность Р = 1 мВт (0,001 Вт), выделяемая на активном сопротивлении R = 600 Ом - подобно тому, как при измерении температуры за нуль градусов принята температура таяния льда при нормальном атмосферном давлении. При этой мощности на указанном сопротивлении падение напряжения равно:
U = (РR)0,5 = (0,001*600)0,5 = 0,775 В,
а протекающий ток:
I = (P/R)0,5 = (0,001/600)0,5 = 1,29 мА.
Эти величины - 0,775 В и 1,29 мА приняты за нуль децибел электрического напряжения и тока.
Если в цепи с активным сопротивлением 600 Ом выделяется мощность больше 1 мВт, то есть падение напряжения больше 0,775 В и ток больше 1,29 мА - уровни будут положительными. Когда же мощность, напряжение или ток меньше этих величин, то уровни отрицательные.
Децибелы и соответствующие им отношения мощностей, напряжений и токов даны в табл. 1.
Допустим, что в результате усовершенствования оконечного каскада усилителя низкой частоты его выходная мощность возросла с 10 до 20 Вт. Значит приращение мощности будет:
P2/P1 = 20/10 = 2
По таблице в колонке «Отношение мощностей» ближайшее к 2 число будет 1,99. В колонке «Децибелы» этому числу соответствует 3 дБ. Следовательно, увеличение выходной мощности вдвое соответствует увеличению усиления на 3 дБ. Если же по каким-либо причинам выходная мощность усилителя снизилась с 20 Вт до 10 Вт, то новое отношение мощностей будет P2/P1 = 10/20 = 0,5. Но теперь изменение мощности означает ослабление и будет выражаться как -3 дБ.
Выполняя действия с децибелами, надо помнить, что сумма двух чисел в децибелах эквивалентна произведению абсолютных величин тех чисел, которым они соответствуют, поэтому, чтобы показать рост (или ослабление) мощности, например, вдвое, втрое или вчетверо, надо к первоначальному числу децибел прибавить (или отнять) соответственно 3 дБ, 4,8 дБ или 6 дБ.
В децибелах часто выражают чувствительность микрофонов,сравнивая отдаваемую ими мощность при заводских испытаниях с указанным выше стандартным нулевым уровнем 1 мВт. Допустим, что микрофон типа МД-44, выходной уровень отдачи которого - 78 дБ, подключён к усилителю, который может развивать 40 Вт неискажённой мощности. Однако в работе оказалось, что усилитель с таким микрофоном развивает только 10 Вт. Спрашивается, какой чувствительности должен быть микрофон, чтобы усилитель отдавал полную мощность? Отношение максимальной мощности (40 Вт) усилителя к получаемой (10 Вт) составляет 40/10 = 4. Этому отношению (по таблице - 3,98) соответствует 6 дБ. Следовательно, нужен микрофон с уровнем отдачи - 72 дБ, то есть на 6 дБ больше, чем микрофон МД-44 (-78 дБ), так как: - 78 дБ + 6 дБ= -72 дБ. Этому требованию отвечает, например, микрофон МД-41.
| Децибелы | Отношение мощностей | Отношение напряжений или токов | Децибелы | Отношение мощностей | Отношение напряжений или токов |
| -60 | 0,000001 | 0,001 | 6,0 | 3,98 | 1,99 |
| -50 | 0,00001 | 0,003 | 6,2 | 4,17 | 2,04 |
| -40 | 0,0001 | 0,01 | 6,4 | 4,36 | 2,09 |
| -30 | 0,001 | 0,032 | 6,6 | 4,57 | 2,14 |
| -20 | 0,01 | 0,10 | 6,8 | 4,79 | 2,19 |
| -10 | 0,10 | 0,30 | 7,0 | 5,01 | 2,24 |
| -6 | 0,25 | 0,50 | 7,2 | 5,25 | 2,29 |
| -3 | 0,50 | 0,70 | 7,4 | 5,50 | 2,34 |
| -2 | 0,63 | 0,80 | 7,6 | 5,75 | 2,40 |
| - 1 | 0,80 | 0,90 | 7,8 | 6,03 | 2,46 |
| 0 | 1,00 | 1,00 | 8,0 | 6,31 | 2,51 |
| 1,0 | 1,26 | 1,12 | 8,2 | 6,61 | 2,57 |
| 1,2 | 1,32 | 1,15 | 8,4 | 6,92 | 2,63 |
| 1,4 | 1,38 | 1,17 | 8,6 | 7,24 | 2,69 |
| 1.6 | 1,44 | 1,20 | 8,8 | 7,59 | 2,75 |
| 1.8 | 1,51 | 1,23 | 9,0 | 7,94 | 2,81 |
| 2,0 | 1,58 | 1,26 | 9,2 | 8,32 | 2,88 |
| 2,2 | 1,66 | 1,29 | 9,4 | 8,71 | 2,95 |
| 2,4 | 1,74 | 1,32 | 9,6 | 9,12 | 3,02 |
| 2,6 | 1,82 | 1,35 | 9,8 | 9,55 | 3,09 |
| 2,8 | 1,91 | 1,38 | 10,0 | 10,00 | 3,16 |
| 3,0 | 1,99 | 1,41 | 11,0 | 12,59 | 3,55 |
| 3,2 | 2,09 | 1,44 | 12,0 | 15,85 | 3,98 |
| 3,4 | 2,19 | 1,48 | 13,0 | 19,95 | 4,47 |
| 3,6 | 2,29 | 1,51 | 14,0 | 25,12 | 5,01 |
| 3,8 | 2,40 | 1,55 | 15,0 | 31,62 | 5,62 |
| 4,0 | 2,51 | 1,58 | 16,0 | 39,81 | 6,31 |
| 4,2 | 2,63 | 1,62 | 17,0 | 50,13 | 7,08 |
| 4,4 | 2,75 | 1,66 | 18,0 | 63,10 | 7,94 |
| 4,6 | 2,88 | 1,70 | 19,0 | 79,43 | 8,91 |
| 4,8 | 3,02 | 1,74 | 20,0 | 100,00 | 10,00 |
| 5,0 | 3.16 | 1,78 | 30 0 | 1000,00 | 31,62 |
| 5,2 | 3,31 | 1,82 | 40,0 | 10000,00 | 100,00 |
| 5,4 | 3,47 | 1,86 | 50,0 | 100000,00 | 316,00 |
| 5,6 | 3,63 | 1,91 | 60,0 | 1000000,00 | 1000,00 |
| 5,8 | 3,80 | 1,95 |
Ещё пример. К отрезку кабеля типа РК-1 длиной 50 м приложено напряжение 8 В частотой 100 МГц. Каким будет напряжение на выходе отрезка, если известно (из справочника), что на этой частоте кабель вносит затухание 0,096 дБ на метр? Источник питания и нагрузка имеют одинаковые сопротивления, равные волновому. Очевидно, что затухание, вносимое кабелем, равно: 0,096*50 = 4,8 дБ. В табл. 1 для этого затухания (-4,8 дБ) величина отношения напряжений не указана. Воспользуемся тем, что в таблице приведено отношение для +4,8 дБ, которое равно 1,74. Значит на конце отрезка сигнал будет составлять 1/1,74 ≈ 0,57 от входного, т. е. 8*0,57 ≈ 4,6 В.
Когда надо определить значения децибел или отношений, которых нет в таблице, надо поступать следующим образом. Предположим, необходимо найти отношение мощностей, соответствующее 24 дБ. Представив 24 дБ в виде суммы 10 + 14 дБ, найдём в таблице отношения мощностей для каждого из слагаемых, они равны 10 и 25,12. Перемножив эти отношения, получим, что 24 дБ соответствуют отношению мощностей 251,2.
На выходе усилителя на средних частотах развивается напряжение U1 = 30 В, а на краях полосы пропускания - напряжение U2 = 21 В. Усилитель, следовательно, вносит частотные искажения - верхние и нижние звуковые частоты усиливает хуже («заваливает»), чем средние. Отношение указанных величин будет
U2/U1 = 21/30 = 0,7
По таблице найдём, что частотные искажения данного усилителя на краях полосы пропускания равны -3 дБ.
Широко применяются децибелы и в акустике, где они являются, по существу, основной единицей для количественной оценки интенсивности звука. Объясняется это свойством нашего уха реагировать на звуки, интенсивность которых отличается в миллионы раз. Но чувствительность уха к звукам разной силы не одинакова - в тишине и при малой интенсивности (шёпот, шорохи) она максимальна, а при большой интенсивности (рёв самолёта, грохот машин) она минимальна. В этом отношении слуховой аппарат подобен радиоприёмнику с системой АРУ.
Это явление можно пояснить таким примером. Допустим, усилитель развивает на выходе мощность 10 Вт. Увеличение выходной мощности до 20 Вт покажется на слух небольшим увеличением громкости. Для того чтобы ухо ощутило вдвое большую громкость, понадобится почти десятикратное увеличение выходной мощности усилителя (≈10 дБ). А чтобы ухо восприняло увеличение громкости в 4 раза, мощность должна быть увеличена в 100 раз (≈20 дБ).
Учёные-физиологи, исследуя свойства слуха, установили, что чувствительность уха связана с интенсивностью звукового воздействия логарифмическим законом, то есть приращение силы звука в несколько раз покажется на слух изменением громкости приблизительно в логарифм этого числа раз. Применение децибел в акустике оказывается очень удобным, так как слуховое восприятие и оценка интенсивностей звуков при этом находятся в строгой связи и, к тому же, изменение интенсивности звука на 1 дБ улавливается ухом как едва заметное изменение громкости.
| Субъективная оценка шума | Уровень шума (дБ) | Источники или место измерения шума |
| оглушительные | - 130 - | Болевом порог (звук воспринимается как боль) Гром над головой Пушечный выстрел Клепальная машина Очень шумный цех |
| - 120 - - 110 - |
||
| Очень громкий | - 100 - | Симфонический оркестр (пики громкости) Деревообрабатывающий цех Уличный громкоговоритель Шумная улица Металлообрабатывающий цех |
| - 90 - |
||
| Громкий | - 80 - | Свисток милиционера (15м) Радиоприёмник громко (2,5м) Машинописное бюро Спокойный разговор (4м) Зал большого магазина |
| - 70 - | ||
| Умеренный | - 60 - | Тихая улица большого города Учреждение средней шумности Ресторан Легковая машина (10-20м) Жилое помещение |
| - 50 - |
||
| Слабый | - 40 - | Читальный Зал Тихий разговор Шелест бумаги Шёпот Больничная палата |
| - 30 - |
||
| Очень слабый | - 20 - | Тихая ночь за городом Заглушённая комната Порог слышимости |
| - 10 - - 0 - |
Сравнительная оценка средних уровней громкости некоторых бытовых и производственных шумов в децибелах относительно порога слышимости человеческого уха, принятого за нулевой уровень, приведена в табл. 2. Измерение интенсивности звука осуществляется с помощью специальных приборов - шумомеров, шкалы которых градуированы непосредственно в децибелах.
Приведёнными здесь примерами далеко не исчерпываются применения децибел при различных подсчётах и измерениях в радиолюбительской практике. Мы лишь хотели показать простоту понимания децибела и широкие возможности пользования ими.
Канд. техн. наук Е. ЗЕЛЬДИН, инж. К. ДОМБРОВСКИЙ