Что такое Децибел (dB). Перевод дБм в дБ (dBm в dB), взаимозависимость между мощностью и затуханием

англ. decibel, dB) - психофизическая единица интенсивности стимулов, одна десятая бела: 1 бел = lg (I/Iпор), где / - интенсивность данного стимула (напр., физическая яркость света или сила звука), I/Iпор - интенсивность порогового стимула (величина абсолютного порога). С одной стороны, шкала Д. позволяет более адекватно судить о субъективной силе разных стимулов (в соответствии с законом Фехнера); с др. стороны, зная свойства логарифмов, нетрудно оценить соотношение физических характеристик. Шкала Д. также позволяет более непосредственно проводить кросс-модальные сопоставления интенсивности стимулов (напр., как сила звука, так и яркость света, равные 130-140 дБ являются запредельными и физически опасными для органов чувств, тогда как 60-70 дБ - это уровень средних по громкости и яркости раздражителей). Ср. Слух, Фон. (Б. М.)

ДЕЦИБЕЛ (ДБ)

Единица измерения, обычно используемая для выражения интенсивности звука. Она всегда выражает отношение двух измерений давления (физических сил). Следует определить стандартное использование этого термина. Общепринятая система использует 0,0002 дин/см2 для измерения звука; это соответствует приблизительно среднему человеческому порогу для тона в 1,000 Гц. Интенсивность любого данного тона, таким образом, выражается дБ = 10log,10I1,/I2, где I1 – рассматриваемая интенсивность и I2 – стандарт. Так как связь логарифмическая, увеличение в децибелах сопровождается геометрическим увеличением интенсивности. На расстоянии 5 футов (ок. 1,5 метров) человеческий шепот измеряется приблизительно в 20 дБ, нормальная речь – в 60 дБ, шум отбойного молотка – приблизительно в 100дБ и за болевым порогом будут звуки широкого спектра (например, рок-музыка) приблизительно в 120 дБ. Обратите внимание, однако, что децибел – мера не только звуковой интенсивности. Буквально децибел – 1/10 бела, единица, используемая иногда для измерения электрического напряжения и света. Так как это измерение представляет собой отношение двух энергий, оно логически не ограничено давлением звука и может использоваться в других физических континуумах.

Децибел (дБ)

Стандартная единица измерения интенсивности, или амплитуды, звука. Соответствует одной десятой бела, а один бел - десятичный логарифм отношения энергий (или интенсивностей). Для расчета интенсивности в децибелах нередко используется формула:

Nдб = 20 logРе/Рr,

где Nдб - число децибел, Ре - звуковое давление, которое нужно выразить в децибелах, Рr - стандартное давление, с которым сравнивается измеряемое давление и которое равно 0,0002 дин/см2. Звуковое давление, которое должно быть выражено в децибелах, (Ре), сравнивается с определенным стандартным давлением, близким по значению к порогу аудиальной чувствительности человека (для звука с частотой 1000 Гц).

Децибел - это относительная единица измерений, она не похожа на остальные известные величины, поэтому ее не включили в систему общепринятых единиц измерения СИ. Однако во многих расчетах допускается использование децибелов наравне с абсолютными единицами измерений и даже применение их в качестве опорной величины.

Децибелы определяются принадлежностью к физическим величинам, поэтому их нельзя относить к математическим понятиям. Это легко представить, если провести параллель с процентами, с которыми децибелы имеют много общего. Они не имеют конкретных размеров, но при этом очень удобны при сопоставлении 2-х одноименных величин, даже если они различны по своей природе. Таким образом, не сложно представить, что измеряется в децибелах.

История возникновения

Как выяснилось в результате длительных исследований, восприимчивость не находится в прямой зависимости от абсолютного уровня распространения звука. Она является показателем мощности, примененным к заданной единице площади, которая находится в зоне воздействия звуковых волн, что и измеряют в децибелах сегодня. В результате установили любопытную пропорцию - чем больше места принадлежит полезной площади человеческого уха, тем к лучшему восприятию минимальных мощностей оно расположено.

Таким образом, исследователю Александру Грэхему Беллу удалось установить, что предел восприятия человеческого уха равен от 10 до 12 Вт на метр квадратный. Полученные данные охватывали слишком широкий диапазон, который представлялся всего несколькими значениями. Это создавало определенные неудобства и исследователю пришлось создать собственную шкалу измерений.

В первоначальном варианте безымянная шкала имела 14 значений - от 0 до 13, где человеческий шепот имел значение «3», а разговорная речь - «6». Впоследствии эта шкала нашла широкое применение, а ее единицы назвали белами. Для получения более точных данных в логарифмическом масштабе исходную единицу увеличили в 10 раз - так сформировались децибелы.

Общие сведения

Прежде всего, следует отметить, что децибел - это одна десятая Бела, который является десятичной формой логарифма, определяющего отношение меж 2-мя мощностями. Природа мощностей, подлежащих сравнению, избирается произвольно. Главное, чтобы соблюдалось правило, представляющее сравниваемые мощности в равных единицах, например, в Ваттах. Благодаря этой особенности, обозначения децибелов применяют в разных областях:

• механической;
• электрической;
• акустической;
• электромагнитной.

Так как практическое применение показало, что Бел оказался довольно крупной единицей, то для лучшей наглядности было предложено его значение умножить на десять. Таким образом, появилась общепринятая единица - децибел, в чем измеряется звук сегодня.

Несмотря на обширную зону применения, большинству людей известно, что децибелы применяются для определения степени громкости. Эта величина характеризует волны на метр квадратный. Таким образом, увеличение громкости на 10 децибел сопоставимо с возрастанием силы звука вдвое.

В законодательстве децибел был признан расчетной величиной зашумленности помещения. Он явился определяющей характеристикой для исчисления допустимой силы шума в жилых строениях. Эта величина дает возможность измерить допустимый уровень шума в децибелах в квартире и выявить факты нарушения в случае необходимости.

Область применения

Сегодня проектировщики телекоммуникаций используют децибел в качестве базовой единицы для проведения сравнительных характеристик устройств, отраженных в логарифмическом масштабе. Такие возможности предоставляет конструктивная особенность данной величины, которая является логарифмической единицей разных уровней, используемых при затуханиях или, наоборот, усилениях мощностей.

Децибел получил широкое распространение в разнообразных областях современной техники. Что измеряется в децибелах сегодня? Это различные величины, изменяющиеся в обширном диапазоне, которые могут применяться:

• в системах, связанных с передачей информации;
• радиотехнике;
• оптике;
• антенной технике;
• акустике.

Таким образом, децибелы применяют при измерении характеристик динамического диапазона, к примеру, ими можно измерить громкость звучания определенного музыкального инструмента. А также открывается возможность исчислять затухающие волны в момент их прохождения через поглощающую среду. Децибелы позволяют определить коэффициент усиления или зафиксировать коэффициент шума, создаваемого усилителем.

Использовать эти безразмерные единицы возможно как для физических величин, относящихся ко второму порядку - энергия или мощность, так и для величин, имеющих отношение к первому порядку - сила тока или напряжение. Децибелы открывают возможности измерения отношений между всеми физическими величинами, а кроме этого, с их помощью сопоставляют абсолютные значения.

Громкость звука

Физическая составляющая громкости звукового воздействия определяется уровнем имеющегося звукового давления, воздействующего на единицу контактной площади, что измеряется в децибелах. Формируется уровень шума из хаотического слияния звуков. На низкие частоты или, наоборот, звуки высокой частоты человек реагирует как на более тихие звуки. А звуки средних частот будут восприняты как более громкие, несмотря на одинаковую интенсивность.

Учитывая неравномерное восприятие звуков различной частоты человеческим ухом, на электронной базе был создан частотный фильтр, способный передавать эквивалентную степень звука с единицей измерения, которая выражается в дБа - где «а» обозначает применение фильтра. Этот фильтр, по итогам нормирования измерений, способен моделировать взвешенное значение уровня звука.

Способность разных людей воспринимать звуки находится в пределах громкости от 10 до 15 дБ, а в отдельных случаях даже выше. Воспринимаемые пределы интенсивности звука составляют частоты от 20 до 20 тыс. Герц. Наиболее легкие для восприятия звуки располагаются в частотном диапазоне от 3-х до 4-х кГц. Такую частоту принято использовать в телефонах, а также при радиовещании на средних и длинных волнах.

С годами диапазон воспринимаемых звуков сужается, особенно это касается высокочастотного спектра, где восприимчивость может снижаться до 18 кГц. Это приводит к общему ухудшению слуха, которому подвержены многие пожилые люди.

Допустимые показатели уровня шума в жилых помещениях

С использованием децибелов появилась возможность определить более точную шкалу шумов для окружающих звуков. Она отражает превосходящие по точности характеристики по сравнению с исходной шкалой, созданной в свое время Александром Беллом. С использованием этой шкалы законодательными органами определен уровень шума, норма которого действует в пределах жилых помещений, предназначенных для отдыха граждан.

Таким образом, значение «0» дБ означает полнейшую тишину, от которой раздается звон в ушах. Следующее значение 5 дБ также определяет полную тишину при наличии небольшого звукового фона, заглушающего внутренние процессы организма. При 10 дБ становятся различимы нечеткие звуки - всевозможные шорохи или шуршание листвы.

Значение в 15 дБ находится в диапазоне четкой слышимости самых тихих звуков, таких как тиканье наручных часов. При силе звука в 20 дБ можно разобрать осторожный шепот людей на расстоянии 1 метра. Отметка 25 дБ позволяет слышать более отчетливо разговор шепотом и шорох от трения мягких тканей.

30 дБ определяет, сколько децибел разрешено в квартире ночью и сопоставляется с беззвучным разговором или тиканьем настенных часов. При 35 дБ можно отчетливо слышать приглушенную речь.

Уровень в 40 децибел определяет силу звука обычного разговора. Это достаточная громкость, позволяющая свободно общаться в пределах помещения, смотреть телевизор или прослушивать музыкальные треки. Данная отметка определяет, сколько децибел разрешено в квартире днем.

Уровень шума, допустимый в рабочих условиях

По сравнению с допустимым уровнем шума в децибелах в квартире, на производстве и в офисной деятельности в рабочее время допускаются другие нормы уровня звука. Здесь действуют ограничения иного прядка, четко отрегулированные для каждого рода занятий. Основное правило в данных условиях - не допускать уровня шума, который способен отрицательно повлиять на здоровье человека.

В офисах

Значение уровня шума в 45 дБ находится в пределах хорошей слышимости и сопоставимо с шумом работы дрели или электродвигателя. Шум в 50 дБ также характеризуется пределами отличной слышимости и совпадает по силе со звуком печатающей машинки.

Уровень шума в 55 децибел остается в пределах превосходной слышимости, его можно представить на примере одновременного звучного разговора сразу нескольких людей. Этот показатель принимают в качестве верхней отметки, допустимой для офисных помещений.

В животноводстве и канцелярской деятельности

Сила шума в 60 дБ считается повышенной, такой уровень зашумленности можно встретить в конторах, где одновременно работает много печатных машинок. Показатель в 65 дБ также считают повышенным и его можно зафиксировать при работе типографского оборудования.

Уровень шума, достигающий отметки 70 дБ, сохраняет значение повышенного и встречается на животноводческих фермах. Значение шума в 75 дБ - это предельное значение повышенного уровня шума, его можно отметить на птицефабриках.

В производстве и транспорте

С отметкой в 80 дБ наступает уровень громкого звука, длительное воздействие которого станет следствием частичной утраты слуха. Поэтому, при работе в таких условиях рекомендуется применять защитные наушники. Сила шума в 85 дБ также находится в пределах уровня громкого звука, такие показания можно сопоставить с работой оборудования ткацкой фабрики.

Показатель шума в 90 дБ сохраняется в пределах громкого звука, такую силу зашумленности можно зарегистрировать при движении железнодорожного состава. Величина шума в 95 дБ достигает крайних пределов громкого звука, такой силы шум можно зафиксировать в металлопрокатном цеху.

Предельный уровень шума

Уровень шума на отметке 100 дБ достигает пределов чрезмерно громкого звука, его можно сравнить с раскатами грома. Работа в таких условиях считается вредной для здоровья и выполняется в рамках определенного стажа, по истечении которого человек считается непригодным для вредных работ.

Значение шума в 105 дБ также находится в пределах чрезмерно громкого звука, шум такой силы создает бензорезка при порезке металла. Сила шума в 110 дБ остается в границах чрезмерно громкого звука, такой показатель фиксируется при взлете вертолета. Величина шума в 115 дБ считается предельной для границ чрезмерно громкого звука, такой шум издает пескоструйный аппарат.

Уровень шума 120 дБ считается невыносимым, его можно сравнить с работой отбойного молотка. Шумовая отметка в 125 дБ также характеризуется невыносимым уровнем шума, такой отметки достигает самолет на старте. Максимальный уровень шума в дБ считается предельным на отметке 130, после чего наступает болевой порог, вынести который способен далеко не каждый.

Критический уровень шума

Сила шума на отметке 135 дБ считается недопустимой, человек, оказавшийся в зоне действия звука такой силы, получает контузию. Уровень шума в 140 дБ также приводит к контузии, таким звуком сопровождается старт реактивного самолета. При величине шума в 145 дБ разрывается осколочная граната.

Достигает отметки 150-155 дБ разрыв кумулятивного снаряда на танковой броне, звук такой силы приводит к контузии и травмам. После отметки 160 дБ наступает звуковой барьер, звук, превышающий этот предел, приводит к разрыву ушных барабанных перепонок, распаду легких и множественным травмам, нанесенным ударной волной, что вызывает мгновенную смерть.

Воздействие на организм неслышимых звуков

Звук, частота которого ниже 16 Гц, называют инфракрасным, а если частота его превышает 20 тыс. Гц, то такой звук называют ультразвуком. Барабанные перепонки человеческого уха не способны воспринимать звуки такой частоты, поэтому они находятся за пределами человеческого слуха. Децибелы, в чем измеряется звук сегодня, также определяют значения не слышимых звуков.

Звуки низкой частоты, находящиеся в пределах от 5-ти до 10-ти Гц, плохо переносятся человеческим организмом. Такое воздействие способно активизировать сбои в работе внутренних органов и отражаться на мозговой активности. Кроме этого, интенсивность низких частот оказывает воздействие на костные ткани, провоцируя суставные боли у людей, страдающих различными заболеваниями или перенесших травмы.

Повседневными источниками ультразвука являются различные транспортные средства, также ими могут служить раскаты грома или работа электронной аппаратуры. Такие воздействия выражаются в нагреве тканей, а сила их влияния находится в зависимости от расстояния до действующего источника и от степени звука.

Для общедоступных мест работы, обладающих неслышимого диапазона, также существуют определенные ограничения. Максимальная сила инфракрасного звука должна удерживаться в пределах 110 дБа, а сила ультразвука ограничивается отметкой в 125 дБа. Строго запрещено даже кратковременное нахождение в зонах, где звуковое давление превышает 135 дБ любой частоты.

Влияние шума, исходящего от оргтехники, и способы защиты

Шум, который издает компьютер и прочая организационная техника, может быть выше значения в 70 дБ. В связи с этим специалисты не рекомендуют устанавливать большое количество данной аппаратуры в одном помещении, особенно, если оно не большое. Шумные агрегаты рекомендуется устанавливать за пределами помещения, в котором находятся люди.

Для снижения уровня зашумленности в отделочных работах применяют материалы, обладающие шумопоглощающими свойствами. Кроме этого, можно использовать шторы из плотной ткани или, в крайнем случае, бируши, закрывающие от воздействия барабанные перепонки.

Сегодня при строительстве современных зданий существует новая норма, определяющая степень звукоизоляции помещений. Стены и перекрытия корпусов многоквартирных домов проверяют на устойчивость к воздействию шума. Если уровень звукоизоляции находится ниже допустимого предела, здание не может быть сдано в эксплуатацию до устранения неполадок.

Кроме всего, сегодня устанавливают ограничения по силе звука для различных сигнальных и оповещающих устройств. Для противопожарных систем, к примеру, сила звука оповещающего сигнала должна находиться в рамках от 75 дБа до 125 дБа.

В прошлой статье мы затронули тему чистки ушей ватными палочками. Оказалось, что, несмотря на распространенность такой процедуры, самостоятельная чистка ушей может привести к перфорации (разрыву) барабанной перепонки и существенному понижению слуха, вплоть до полной глухоты. Однако неправильная чистка ушей не единственное, что может испортить наш слух. Излишний шум, превышающий санитарные нормы, а также баротравмы (травмы, связанные с перепадом давления) могут также приводить к потерям слуха.

Чтобы иметь представление об опасности, которую представляет для слуха шум, необходимо ознакомить с допустимыми нормами шума для разного времени суток, а также узнать, какой уровень шума в децибелах производят те или иные звуки. Таким образом можно начать понимать, что является безопасным для слуха, а что представляет опасность. А с пониманием придет и умение избегать вредного воздействия звука на слух.

По санитарным нормам, допустимым уровнем шума, который не наносит вреда слуху даже при длительном воздействии на слуховой аппарат, принято считать: 55 децибел (дБ) в дневное время и 40 децибел (дБ) ночью. Такие величины нормальны для нашего уха, но, к сожалению, они очень часто нарушаются, особенно в пределах больших городов.

Уровень шума в децибелах (дБ)

Действительно, часто нормальный уровень шума бывает существенно превышен. Вот примеры лишь некоторых звуков, с которыми мы сталкиваемся в нашей жизни и то, сколько децибел (дБ) в действительности эти звуки содержат:

• Разговорная речь колеблется от 45 децибел (дБ) до 60 децибел (дБ) , в зависимости от громкости голоса;
• Автомобильный гудок достигает 120 децибел (дБ) ;
• Шум интенсивного уличного движения – до 80 децибел (дБ) ;
• Детский плач – 80 децибел (дБ) ;
• Шум работы разнообразного офисного оборудования, пылесоса – 80 децибел (дБ) ;
• Шум работающего мотоцикла, поезда — 90 децибел (дБ) ;
• Звук танцевальной музыки в ночном клубе — 110 децибел (дБ );
• Шум пролетающего самолета – 140 децибел (дБ) ;
• Шум ремонтных работ – до 100 децибел (дБ) ;
• Приготовление пищи на плите – 40 децибел (дБ) ;
• Шум леса от 10 до 24 децибел (дБ) ;
• Смертельный для человека уровень шума, звук взрыва — 200 децибел (дБ ).

Как можно видеть, большинство из шумов, с которыми мы сталкиваемся буквально каждый день, существенно превышают допустимый порог нормы. И это лишь естественные шумы, с которыми мы не можем ничего поделать. А ведь есть еще шум от телевизора, громкой музыки, которым мы сами подвергаем свой слуховой аппарат. И собственноручно наносим нашему слуху огромный вред.

Какой уровень шума наносит вред?

Если уровень шума достигает 70-90 децибел (дБ) и продолжается довольно длительное время, то такой шум при длительном воздействии может привести к заболеваниям центральной нервной системы. А длительное воздействие шума уровнем более 100 децибел (дБ) может приводить к существенному снижению слуха вплоть до полной глухоты. Поэтому вреда от громкой музыки мы получаем гораздо больше, чем удовольствия и пользы.

Что происходит со слухом при воздействии шума?

Агрессивное и длительное шумовое воздействие на слуховой аппарат может приводить к перфорации (разрыву) барабанной перепонки. Следствием этого является понижение слуха и, как крайний случай, полная глухота. И хотя перфорация (разрыв) барабанной перепонки является обратимым заболеванием (т.е. барабанная перепонка может восстановиться), однако процесс восстановления долгий и зависит от тяжести перфорации. В любом случае, лечение перфорации барабанной перепонки проходит под наблюдением врача, который выбирает схему лечения после осмотра.

Слово "децибел" состоит из двух частей: приставки "деци" и корня "бел". "Деци" дословно означает "десятая часть", т.е. десятая часть "бэла". Значит, чтобы понять что такое децибел надо понять, что такое бел и всё станет на свои места.

Давным давно Александр Белл выяснил, что человек перестает слышать звук, если мощность источника этого звука меньше, чем 10 -12 Вт/м 2 , а если она превышает 10 Вт/м 2 , то готовьте ваши ушки к неприятной боли — это болевой порог.

Как видно разница между 10 -12 Вт/м 2 и 10 Вт/м 2 целых 13 порядков. Белл поделил расстояние между порогом слышимости и болевым порогом на 13 ступеней: от 0 (10 -12 Вт/м 2) до 13 (10 Вт/м 2). Таким образом он определил шкалу звуковой мощности.

Тут можно сказать: "О, всё понятно!", — хорошо! Но дальше ещё интересней.

Ближе к делу

Мы выяснили, что децибел равен 1/10 бела, но как это применять в жизни? Приведу такой пример:

• 0 Дб - ничего не слышно
• 15 Дб - едва слышно (шелест листвы)
• 50 Дб - Отчётливо слышно
• 60 Дб - Шумно

Да зачем это надо, если можно, к примеру, сказать: "уровень звуковой мощности 0.1 Вт/м 2 ". Дело в том, что экспериментально установлено, что человек ощущает изменение яркости, громкости и т.д. тогда, когда они изменяются логарифмически. Вот так:

Что в белах выражается как отношение уровня измеряемого сигнала к некоторому эталонному. 1 Бэл = lg(P 1 /P 0), где P 0 — это звуковая мощность порога слышимости, ну а чтобы получить децибел надо всего-то умножить на 10: 1 Дб = 10*lg(P 1 /P 0)

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

Особенности

Путаница с децибелами возникает из-за того, что существует несколько их "видов". Они условно называются амплитудными и мощностными (энергетическими).

Формула 1 Дб = 10*lg(P 1 /P 0) - сравнивает в децибелах две энергетические величины. В данном случае мощность. А формула 1 Дб = 20*lg(A 1 /A 0) - сравнивает две амплитудные величины. К примеру, напряжение, ток и т.д.
Перейти от амплитудных децибелов к энергетическим и обратно очень просто. Требуется просто «неэнергетические» величины преобразовать в энергетические. Покажу это на примере тока и напряжения.

Из определения мощности P = UI = U 2 / R = I 2 * R. Подставим в 10*lg(P 1 /P 0) и после преобразования получим 20*lg(A 1 /A 0) — всё просто.

Таким же образом будут проводится преобразования для других амплитудных значений. Подробнее как всегда можно прочитать в учебниках и справочниках.

Зачем надо было всё усложнять?

Понимаешь, две величины могут отличаться в миллионы раз. Таким образом простое отношение (P 1 /P 0) может давать как очень большие, так и очень маленькие значения. Согласись, что это не очень удобно в практической деятельности. Может быть это также одна из причин такой распространенности децибел (наряду со следствием из закона Вебера-Фехнера)

Таким образом децибел позволяет от исчисления в "попугаях", т.е. в разах перейти к более конкретным и небольшим величинам. Которые можно быстро складывать и вычитать в уме. А если все же хочется оценить отношение в попугаях по известному значению в децибелах, то достаточно запомнить простое мнемоническое правило (подсмотрел у Ревича):

Если отношение величин больше единицы, то это будет положительный Дб (+3 Дб), а если меньше — отрицательный (-3 Дб). Таким образом:

• 3 Дб означает увеличение/уменьшение сигнала на треть
• 6 Дб означает увеличение/уменьшение в 2 раза
• 10 Дб соответствует изменение величины в 3 раза
• 20 Дб соответствует изменению в 10 раз

А теперь на примере. Пусть нам сказали, что сигнал усиливается на 50 Дб. А 50 Дб = 10 Дб + 20 Дб + 20 Дб = 3 * 10 * 10 = 300 раз. Т.е. сигнал усилился в 300 раз.

Так что децибел всего лишь удобное инженерное соглашение, которое введено в результате некоторых практических измерений, а также выгоды от практического использования.

Логарифмическая шкала и логарифмические единицы часто используется в тех случаях, когда необходимо измерить некоторую величину, изменяющуюся в большом диапазоне. Примерами таких величин являются звуковое давление, магнитуда землетрясений, световой поток, различные частотно-зависимые величины, используемые в музыке (музыкальные интервалы), антенно-фидерных устройствах, электронике и акустике. Логарифмические единицы позволяют выразить отношения величин, изменяющихся в очень большом диапазоне с помощью удобных небольших чисел примерно так, как это делается при экспоненциальной записи чисел, когда любое очень большое или очень малое число может быть представлено в краткой форме в виде мантиссы и порядка. Например, мощность звука, издаваемого при запуске ракеты-носителя Сатурн, составляла 100 000 000 Вт или 200 дБ SWL. В то же время, мощность звука очень тихого разговора составляет 0,000000001 Вт или 30 дБ SWL (измерена в децибелах относительно мощности звука 10⁻¹² ватт, см. ниже).

Правда, удобные единицы? Но, как оказывается, они удобны далеко не для всех! Можно сказать, что большинство людей, плохо разбирающихся в физике, математике и технике, не понимают логарифмических единиц, таких как децибелы. Некоторые даже считают, что логарифмические величины относятся не к современной цифровой технике, а к тем временам, когда для инженерных расчетов использовали логарифмическую линейку!

Немного истории

Изобретение логарифмов упростило вычисления, так как они позволили заменить умножение сложением, которое выполняется значительно быстрее, чем умножение. Среди ученых, которые внесли значительный вклад в развитие теории логарифмов, можно отметить шотландского математика, физика и астронома Джона Непера, опубликовавшего в 1619 г. сочинение с описанием натуральных логарифмов, которые значительно упрощали вычисления.

Важным инструментом для практического использования логарифмов были таблицы логарифмов. Первая такая таблица была составлена английским математиком Генри Бригсом в 1617 году. Основываясь на работах Джона Непера и других ученых, английский математик и священник англиканской церкви Уильям Отред изобрел логарифмическую линейку, которая использовалась инженерами и учеными (включая и автора этой статьи) в течение последующих 350 лет, пока в середине семидесятых прошлого века ее не заменили карманные калькуляторы.

Определение

Логарифм - операция обратная возведению в степень. Число y является логарифмом числа x по основанию b

если соблюдается равенство

Иными словами, логарифм данного числа - это показатель степени, в которую нужно возвести число, называемое основанием, чтобы получить данное число. Можно сказать проще. Логарифм - это ответ на вопрос «Сколько раз нужно умножить одно число само на себя, чтобы получить другое число». Например, сколько раз нужно умножить число 5 само на себя, чтобы получить 25? Ответом является 2, то есть

По приведенному выше определению

Классификация логарифмических единиц

Логарифмические единицы широко используются в науке, технике и даже в таких ежедневных занятиях, как фотография и музыка. Имеются абсолютные и относительные логарифмические единицы.

С помощью абсолютных логарифмических единиц выражают физические величины, которые сравниваются с определенным фиксированным значением. Например, дБм (децибел милливатт) - это абсолютная логарифмическая единица мощности, в которой мощность сравнивается с 1 мВт. Отметим, что 0 дБм = 1 мВт. Абсолютные единицы прекрасно подходят для описания одиночной величины , а не соотношения двух величин. Абсолютные логарифмические единицы измерения физических величин всегда можно перевести в другие, обычные единицы измерения этих величин. Например, 20 дБм = 100 мВт или 40 дБВ = 100 В.

С другой стороны, относительные логарифмические единицы используются для выражения физической величины в форме отношения или пропорции других физических величин, например, в электронике, где для этого используют децибел (дБ). Логарифмические единицы хорошо подходят для описания, например, коэффициента передачи электронных систем, то есть соотношения между выходным и входным сигналами.

Следует отметить, что все относительные логарифмические единицы являются безразмерными. Децибелы, неперы и другие названия - просто особые наименования, которые используются совместно с безразмерными единицами. Отметим также, что децибел часто используется с различными суффиксами, которые обычно присоединяются к сокращению дБ с помощью дефиса, например дБ-Гц, пробела, как в единице dB SPL, без какого-либо символа между дБ и суффиксом, как в дБм, или заключаются в кавычки, как в единице дБ(м²). Обо всех этих единицах мы поговорим ниже в этой статье.

Следует также отметить, что преобразование логарифмических единиц в обычные единицы часто бывает невозможным. Впрочем, это бывает только в тех случаях, когда говорят об отношениях. Например, коэффициент передачи усилителя по напряжению 20 дБ можно преобразовать только в «разы», то есть в безразмерную величину - он будет равным 10. В то же время, измеренное в децибелах звуковое давление можно перевести в паскали, так как звуковое давление измеряется в абсолютных логарифмических единицах, то есть, относительно опорного значения. Отметим, что коэффициент передачи в децибелах - тоже безразмерная величина, хотя и имеет название. Полная путаница получается! Но мы попробуем разобраться.

Логарифмические единицы измерения амплитуды и мощности

Мощность . Известно, что мощность пропорциональна квадрату амплитуды. Например, электрическая мощность, определяемая выражением P = U²/R. То есть, изменение амплитуды в 10 раз сопровождается изменением мощности в 100 раз. Соотношение двух величин мощности в децибелах определяется выражением

10 log₁₀(P₁/P₂) dB

Амплитуда . В связи с тем, что мощность пропорциональна квадрату амплитуды, соотношение двух величин амплитуды в децибелах описывается выражением

20 log₁₀(P₁/P₂) dB.

Примеры относительных логарифмических величин и единиц

• Общие единицы



• дБ (децибел) - логарифмическая безразмерная единица, используемая для выражения отношения двух произвольных значений одной и той же физической величины. Например, в электронике децибелы используются для описания усиления сигнала в усилителях или ослабления сигнала в кабелях. Децибел численно равен десятичному логарифму отношения двух физических величин, умноженному на десять для отношения мощностей и умноженному на 20 для отношения амплитуд.
• Б (бел) - редко используемая логарифмическая безразмерная единица измерения отношения двух одноименных физических величин, равная 10 децибелам.
• Н (непер) - безразмерная логарифмическая единица измерения отношения двух значений одноименной физической величины. В отличие от децибела, непер определяется как натуральный логарифм для выражения различия между двумя величинами x₁ и x₂ по формуле:
  

  R = ln(x₁/x₂) = ln(x₁) – ln(x₂)

  
  Преобразовать Н, Б и дБ можно на странице «Конвертер звука» .
• Музыка, акустика и электроника





s = 1000 ∙ log₁₀(f₂/f₁)

• Антенная техника. Логарифмическая шкала используется во многих относительных безразмерных единицах для измерения различных физических величин в антенной технике. В таких единицах измерения измеряемый параметр обычно сравниваются с соответствующим параметром стандартного типа антенны.




• Связь и передача данных



• дБн или dBc (децибел несущая, отношение по мощности) - безразмерная мощность радиосигнала (уровень излучения) по отношению к уровню излучения на частоте несущей, выраженная в децибелах. Определяется как S дБн = 10 log₁₀(P несущей /P модуляции). Если величина дБн положительная, то мощность модулированного сигнала больше, чем мощность немодулированной несущей. Если же величина дБн отрицательная, то мощность модулированного сигнала меньше мощности немодулированной несущей.
• Электронная аппаратура звуковоспроизведения и звукозаписи




• Другие единицы и величины

Примеры абсолютных логарифмических единиц и величин в децибелах с суффиксами и опорными уровнями

• Мощность, уровень сигнала (абсолютные)

• Напряжение (абсолютное)

• Электрическое сопротивление (абсолютное)
• дБОм, dBohm или dBΩ (децибел ом, амплитудное соотношение) - абсолютное сопротивление в децибелах относительно 1 Ом. Эта единица измерения удобна, если рассматривают большой диапазон сопротивлений. Например, 0 dBΩ = 1 Ω, 6 dBΩ = 2 Ω, 10 dBΩ = 3,16 Ω, 20 dBΩ = 10 Ω, 40 dBΩ = 100 Ω, 100 dBΩ = 100 000 Ω, 160 dBΩ = 100 000 000 Ω и так далее.
• Акустика (абсолютный уровень звука, звуковое давление или интенсивность звука)

• Радиолокация . Абсолютные значения по логарифмической шкале используются для измерения радиолокационной отражаемости по сравнению с какой-либо опорной величиной.



• dBZ или dB(Z) (амплитудное соотношение) - абсолютный коэффициент радиолокационной отражаемости в децибелах относительно минимального облака Z = 1 мм⁶ м⁻³. 1 dBZ = 10 log (z/1 мм⁶ м³). Эта единица показывает количество капель в единице объема и используется метеорологическими радиолокационными станциями (метео-РЛС). Информация, полученная при измерениях в сочетании с другими данными, в частности, результатами анализа поляризации и допплеровского сдвига, позволяют оценить что происходит в атмосфере: идет ли дождь, снег, град, или летит стая насекомых или птиц. Например, 30 dBZ соответствует слабому дождю, а 40 dBZ - умеренному дождю.
• dBη (амплитудное соотношение) - абсолютный фактор радиолокационной отражаемости объектов в децибелах относительно 1 см²/км³. Эта величина удобна, если нужно измерить радиолокационную отражаемость летающих биологических объектов, таких как птицы, летучие мыши. Метео-РЛС часто используются для наблюдения за подобными биологическими объектами.
• дБ(м²), dBsm или dB(m²) (децибел квадратный метр, амплитудное соотношение) - абсолютная единица измерения эффективной площади рассеяния цели (ЭПР, англ. radar cross section, RCS) по отношению к квадратному метру. Насекомые и слабо отражающие цели имеют отрицательную эффективную площадь рассеяния, в то время как большие пассажирские самолеты - положительную.
• Связь и передача данных. Абсолютные логарифмические единицы используются для измерения различных параметров, связанных с частотой, амплитудой и мощностью передаваемых и принимаемых сигналов. Все абсолютные значения в децибелах можно преобразовать в обычные единицы, соответствующие измеряемой величине. Например, уровень мощности шумов в dBrn можно преобразовать непосредственно в милливатты.

• Другие абсолютные логарифмические единицы. Таких единиц много в разных отраслях науки и техники и здесь мы приведем лишь несколько примеров.
• Шкала магнитуды землетрясений Рихтера содержит условные логарифмические единицы (используется десятичный логарифм), используемые для оценки силы землетрясения. Согласно этой шкале магнитуда землетрясения определяется как десятичный логарифм отношения амплитуды сейсмических волн к произвольно выбранной очень малой амплитуде, которая представляет магнитуду 0. Каждый шаг шкалы Рихтера соответствует увеличению амплитуды колебаний в 10 раз.
• dBr (децибел относительно опорного уровня, соотношение по амплитуде или по мощности, задается явным образом) - логарифмическая абсолютная единица измерения какой-либо физической величины, задаваемой в контексте.
• dBSVL - колебательная скорость частиц в децибелах относительно опорного уровня 5∙10⁻⁸ м/с. Название происходит от англ. sound velocity level - уровень скорости звука. Колебательная скорость частиц среды иначе называется акустической скоростью и определяет скорость, с которой движутся частицы среды при их колебаниях относительно положения равновесия. Опорная величина 5∙10⁻⁸ м/с соответствует колебательной скорости частиц для звука в воздухе.