Перевод величин из децибелов в абсолютные значения и мощность
При проведении измерений параметров радиоаппаратуры довольно часто приходится иметь дело с относительными величинами выраженными в децибелах [дБ]. В децибелах выражают интенсивность звука, усиление каскада по напряжению, току или мощности, потери передачи или ослабление сигнала, и т.д.
Децибел — это универсальная логарифмическая единица. Широкое использование представления величин в дБ связано с удобством логарифмического масштаба, а при расчетах децибелы подчиняются законам арифметики — их можно складывать и вычитать, если сигналы имеют одинаковую форму.
Существует формула для пересчета отношения двух напряжений в число децибелов (аналогичная формула справедлива и для токов):
Например, если выходной сигнал U2 имеет уровень вдвое больше, чем U1, то это отношение составит +6 дБ (Ig2=0,301). Если U2>U1 в 10 раз, то отношение сигналов составляет 20 дБ (Ig10=1). Если U1>U2, то знак у отношения меняется на минус 20 дБ.
Табл. 6.1 можно использовать для перевода децибелов ослабления аттенюатора в уровень выходного напряжения. Для удобства использования таблицы потребуется на выходе генератора установить при отсутствии ослабления (0 дБ на аттенюаторе) уровень напряжения 1 В (действующего или амплитудного). В этом случае соответствующее нужное значение выходного напряжения после установки ослабления находится на пересечении горизонтальной и вертикальной граф (значения в децибелах складываются арифметически).
Величина выходного напряжения в таблице указана в микровольтах (1 мкВ=10-6 В). I
Воспользовавшись данной таблицей, не трудно решить и обратную задачу — по необходимому напряжению определить, какое нужно установить ослабление сигнала на аттенюаторе в децибелах. Например, чтобы получить на выходе генератора напряжения 5 мкВ, как видно из таблицы, на аттенюаторе потребуется установить ослабление 100+6=106 дБ. Отношение мощностей двух сигналов в децибелах вычисляется по формуле:
Формула для мощности справедлива при условии, что входное и выходное сопротивления устройства одинаковые, что часто выполняется в высокочастотных устройствах для облегчения их согласования между собой.
Для определения мощности можно воспользоваться посчитанной табл. 6.2
Нередко при практическом использовании дБ важно знать и абсолютное значение соотношения двух величин, т.е. во сколько раз напряжение или мощность на выходе больше, чем на входе (или наоборот). Если отношение двух величин обозначить: K=U2/U1 или К=Р2/Р1, то можно воспользоваться табл. 6.3 для перевода величины из дБ в разы (К) и наоборот.
Так, например, антенный усилитель обеспечивает усиление сигнала по мощности на 28 дБ. Из табл. 6.3 видно, что усиление сигнала выполняется в 631 раз.
Что такое децибел?
Перевод из децибел в разы и обратно
Довольно часто в популярной радиотехнической литературе, в описании электронных схем употребляется единица измерения – децибел (дБ или dB).
При изучении электроники начинающий радиолюбитель привык к таким абсолютным единицам измерения как Ампер (сила тока), Вольт (напряжение и ЭДС), Ом (электрическое сопротивление) и многим другим, с помощью которых обозначают количественно тот или иной электрический параметр (ёмкость, индуктивность, частоту).
Начинающему радиолюбителю, как правило, не составляет особого труда разобраться, что такое ампер или вольт. Тут всё понятно, есть электрический параметр или величина, которую нужно измерить. Есть начальный уровень отсчёта, который принимается по умолчанию в формулировке данной единицы измерения. Есть условное обозначение этого параметра или величины (A, V). И вправду, как только мы читаем надпись 12 V, то мы понимаем, что речь идёт о напряжении, аналогичном, например, напряжению автомобильной аккумуляторной батареи.
Но как только встречается надпись, к примеру: напряжение повысилось на 3 дБ или мощность сигнала составляет 10 дБм (10 dBm), то у многих возникает недоумение. Как это? Почему упоминается напряжение или мощность, а значение указывается в каких-то децибелах?
Практика показывает, что не многие начинающие радиолюбители понимают, что же такое децибел. Попытаемся развеять непроглядный туман над такой таинственной единицей измерения как децибел.
Что такое децибел?
Единицу измерения под названием Бел стали впервые применять инженеры телефонной лаборатории Белла. Децибел является десятой частью Бела (1 децибел = 0,1 Бел). На практике широко используется как раз децибел.
Как уже говорилось, децибел, это особенная единица измерения. Стоит отметить, что децибел не является частью официальной системы единиц СИ. Но, несмотря на это, децибел получил признание и занял прочное место наряду с другими единицами измерения.
Вспомните, когда мы хотим объяснить какое-либо изменение, мы говорим, что, например, стало ярче в 2 раза. Или, например, напряжение упало в 10 раз. При этом мы устанавливаем определённый порог отсчёта, относительно которого и произошло изменение в 10 или 2 раза. С помощью децибел также измеряют эти “разы”, только в логарифмическом масштабе.
График логарифмической зависимости
Например, изменение на 1 дБ, соответствует изменению энергетической величины в 1,26 раза. Изменение на 3 дБ соответствует изменению энергетической величины в 2 раза.
Но зачем так заморачиваться с децибелами, если отношения можно измерять в разах? На этот вопрос нет однозначного ответа. Но уж, поскольку, децибелы активно применяются, то наверняка это оправдано.
Причины для использования децибел всё-таки есть. Перечислим их.
Частично ответ на этот вопрос кроется в так называемом законе Вебера-Фехнера. Это эмпирический психофизиологический закон, т.е основан он на результатах реальных, а не теоретических экспериментов. Суть его заключается в том, что любые изменения каких-либо величин (яркости, громкости, веса) ощущаются нами при условии, если эти изменения носят логарифмический характер.
График зависимости ощущения громкости от силы (мощности) звука. Закон Вебера-Фехнера
Так, например, чувствительность человеческого уха уменьшается с ростом уровня громкости звукового сигнала. Именно поэтому, при выборе переменного резистора, который планируется применить в регуляторе громкости звукового усилителя стоит брать с показательной зависимостью сопротивления от угла поворота ручки регулятора. В этом случае, при повороте движка регулятора громкости звук в динамике будет нарастать плавно. Регулировка громкости будет линейной, так как показательная зависимость регулятора громкости компенсирует логарифмическую зависимость нашего слуха и в сумме станет линейной. При взгляде на рисунок это станет более понятно.
Зависимость сопротивления переменного резистора от угла поворота движка (А-линейная, Б-логарифмическая, В-показательная)
Здесь показаны графики зависимости сопротивления переменных резисторов разных типов: А – линейная, Б – логарифмическая, В – показательная. Как правило, на переменных резисторах отечественного производства указывается, какой зависимостью обладает переменный резистор. На тех же принципах основаны цифровые и электронные регуляторы громкости.
Также стоит отметить, что человеческое ухо воспринимает звуки, мощность которых различается на колоссальную величину в 10 000 000 000 000 раз! Таким образом, самый громкий звук отличается от самого тихого, который может уловить наш слух, на 130 дБ (10 000 000 000 000 раз).
Вторая причина широкого использования децибел является простота вычислений.
Согласитесь, что куда проще при вычислениях использовать небольшие числа вроде 10, 20, 60,80,100,130 (наиболее часто используемые числа при расчёте в децибелах) по сравнению с числами 100 (20 дБ), 1000 (30 дБ), 1000 000 (60 дБ),100 000 000 (80 дБ),10 000 000 000 (100 дБ), 10 000 000 000 000 (130 дБ). Ещё одним достоинством децибел является то, что их просто суммируют. Если проводить вычисления в разах, то числа необходимо умножать.
Например, 30 дБ + 30 дБ = 60 дБ (в разах: 1000 * 1000 = 1000 000). Думаю, с этим всё ясно.
Также децибелы очень удобны при графическом построении различных зависимостей. Все графики вроде диаграмм направленности антенн, амплитудно-частотных характеристик усилителей выполняют с применением децибел.
Децибел является безразмерной единицей измерения. Мы уже выяснили, что децибел на самом деле показывает, во сколько раз возросла, либо уменьшилась какая-либо величина (ток, напряжение, мощность). Отличие децибел от разов заключается лишь в том, что происходит измерение по логарифмическому масштабу. Чтобы это как-то обозначить и приписывают обозначение дБ. Так или иначе, при оценке приходится переходить от децибел к разам. Сравнивать с помощью децибел можно любые единицы измерения (не только ток, напряжение и проч.), так как децибел является относительной, безразмерной величиной.
Если указывается знак “-”, например, –1 дБ, то значение измеряемой величины, например, мощности, уменьшилось в 1,26 раз. Если перед децибелами не ставят никакого знака, то речь идёт об увеличении, росте величины. Это стоит учитывать. Иногда вместо знака “-” говорят о затуханиях, снижении коэффициента усиления.
Переход от децибел к разам.
На практике чаще всего приходится переходить от децибел к разам. Для этого есть простая формула:
Внимание! Данные формулы применяются для так называемых “энергетических” величин. Таких как энергия и мощность.
Например, 1дБ равен 10 (1дБ / 10) = 1,258925…= 1,26 раза.
при 20 дБ: 10 (20дБ / 10) = 100 (увеличение величины в 100 раз)
при 10 дБ: 10 (10дБ / 10) = 10 (увеличение в 10 раз)
Переход от разов к децибелам можно осуществить по следующей формуле:
Например, рост мощности в 4 раза будет соответствовать значению в 6,021 дБ.
10 * log10(4) = 6,021 дБ.
Внимание! Для пересчёта отношений таких величин как напряжение и сила тока существуют немного иные формулы:
(Сила тока и напряжение, это так называемые “силовые” величины. Поэтому и формулы отличаются.)
Для перехода к децибелам: n = 20 * log10(m)
Для перехода от децибел к разам: m = 10 (n / 20)
n – значение в децибелах, m – отношение в разах.
Если Вы успешно дошли до этих строк, то считайте, что сделали ещё один весомый шаг в освоении электроники!
Что измеряется в децибелах, перевод в децибелы, децибел в разы, вольты, ватты и т.д.
Мы часто встречаем уровни звука, указанные в децибелах — дБ или dBu и привыкли считать что это единица измерения шума, звука. А вот и нет. Это совсем не так. Децибел — это не единица измерения вообще. Это относительная характеристика, которая может отражать напряжение, мощность, силу тока и т.д. Что-то типа процентов, долей, но в логарифмической зависимости. Сначала понять, что такое децибел, непросто, но затем оказывается, что это очень удобно.
Понятие децибела
Мы хорошо воспринимаем измерение каких-либо параметров в прямых величинах. Например, напряжение измеряется в вольтах, сила тока — в амперах, сопротивление — в омах и т.д. Когда говорим об этом, все ясно и понятно. Когда говорим об увеличении или снижении в этих прямых единицах измерения тоже все понятно. Например, напряжение с 220 вольт снизилось до 150 вольт. Все понятно. Выражение «мощность возросла на 50 ватт» тоже вопросов не вызывает.
Как понять что такое децибел и что он означает
Но иногда говорят об увеличении или уменьшении того же напряжения или мощности на 2 децибела. Как это понять? Что измеряется в децибелах? Ведь мощность меряем в ваттах? Как соотнести децибелы с ваттами или вольтами, амперами и другими величинами. Ведь так описывают многие параметры. Тут надо разбираться. Не очень просто сначала понять, но потом все становится очевидным.
Что значит бел и децибел
Сразу стоит уяснить, что бел и децибел — это не единицы измерения чего-либо. Это не результат измерений. Децибел — это величина, которая показывает насколько/во сколько раз изменился тот или иной параметр. То есть бел или децибел — это относительная величина, которая высчитывается при сравнении двух измерений одного и того же параметра.
Например, на рисунке дан график, который построили по результатам измерения напряжение на выходе прибора при изменении подаваемой на вход частоты (АЧХ). Сняты были характеристики при уровне сигнала 1 V (график 1) и 100 мV (график 2). Если смотреть на графики прямых измерений, понять что-то сложно. На втором рисунке график построен в децибелах. На этом графике очевидно, что реакция прибора одинаковая, изменился только уровень сигнала на выходе, что и понятно.
Два графика измерений. Левый — прямая зависимость (напряжения от частоты), правый — изменение напряжения в дБ при изменении частоты
Первоначально стали использовать единицу Бел. Международное обозначение бела — B, российское — Б (например, 10Б или 10B). Но более удобным оказалось применение одной ее десятой доли — децибела или дБ в российском обозначении и dBu в международном. То есть один децибел — это 0,1 Бела.
Дальше, к сожалению, без математики не обойтись. Придется вспомнить что такое десятичный логарифм. Десятичный логарифм показывает, в какую степень надо возвести число 10 чтобы получить требуемую цифру. На рисунке вы видите соотношение, возможно будет понятнее в таком виде.
Несколько значений десятичных логарифмов
Теперь, собственно о Белах и децибелах. Если говорить об определениях, то Бел — это десятичный логарифм отношения двух величин. Любых двух величин. Мощностей, напряжения, силы звука, частоты и т.д. Давайте на примере. Надо понять, что выдает прибор на выходе при изменении параметров на входе. Выбирают какую-то точку отсчета — базу. Затем изменяют параметр, проводят измерение результата, делят его на «базу» и берут десятичный логарифм. Получают результат измерения в децибелах. Так измеряют параметры, пересчитывают в децибелы и строят зависимости.
Формула, которая поясняет что такое дБ (децибел) и как их считают
На рисунке даны две формулы — для вычисления энергетических величин (по мощности) и амплитудных (по напряжению). Как видите, они отличаются только коэффициентом. U1 тут — это результат измерений, а Uo — базовая величина, с который сравнивают измерений.
Почему используют децибелы, а не прямые величины
Использование логарифмических зависимостей часто более понятно и несет больше информации, чем прямые измерения. Это видно на примере построения графиков амплитудно-частотной характеристики. И такой случай не единичный, многие зависимости более информативны в логарифмической зависимости.
Кроме того, децибелы используют в тех областях, где параметры изменяются в очень широком диапазоне. Более понятна нам ситуация со звуками. Человек в состоянии воспринимать частоты от 20 Гц до 20 000 Гц. Ничего себе разброс! В тысячу раз.
Интенсивность звука и его соответствие в дБА
Заметили разницу? Показатель увеличился в 100 раз, а в белах увеличился на 2 Б. Это удобнее. Согласитесь, проще оперировать единицами, чем сотнями тысяч. Важно просто понимать смысл сказанного. При возрастании прямых величин их надо умножать на то число, на которое параметр увеличился. При оперировании децибелами их складывают. Согласитесь, это проще.
Что такое dBm, dBv, dBA (дБм, дБв, дБА)
Как вы уже поняли, децибел — это относительная величина и отражать она может что угодно. Надо только выбрать точку отсчета, базу, эталон, с которым сравнивают все последующие изменения. База для сравнения может быть взята произвольно. Но тогда непонятно как соотносить разные измерения. В таком случае, обычно, указывают относительно чего считался логарифм. То есть, что подставляли в знаменатель (в формуле выше это Uo).
Для электротехники и мощностей были выбраны базовые точки отсчета — две величины напряжения, с которыми сравнивают большую часть измерений электрических величин.
На что влияет точка отсчета? Просто на уровень, на котором строится зависимость. Если же по данным построить график, он будет иметь ту же форму.
Как считают децибелы
Больше в ходу не Белы, а их десятая часть — децибелы (обозначение dB или дБ). Ведь чаще увеличение не в сотни и тысячи раз, а чуть поскромнее. Так что обычно говорят об увеличении того или иного показания или характеристики на 5 дБ или на 10 дБ.
Пример соответствия децибел и «раз»
Но важно помнить, что описанная выше прямая зависимость характерна только для энергетических величин (это если мощность возросла в 10 раз, то она увеличилась на 10 дБ). Для других зависимость тоже логарифмическая, но вычисляется по другой формуле. И это надо помнить.
| Децибелы | Соотношение мощностей | Соотношение амплитуд |
|---|---|---|
| -3 | 0,5 | 0,7 |
| -6 | 0,25 | 0,5 |
| -10 | 0,1 | 0,3 |
| -20 | 1,01 | 0,1 |
| -25 | 0,03 | 0,05 |
| -40 | 0,01 | 0,0001 |
| -60 | 0,001 | 0,000001 |
Возможно, поможет понять что такое децибел следующие сравнение. Представим, что мощность изменяется литрами. Соотношение между 0,5 литра и 1 литром такое же как и между 1 литром и 2 литрами. Это 0,5 и равно оно 6 дБ. Но если сравнивать 0,5 и 0,75 литра, то они относятся как 0,66(6) что в децибелах около 3,6 дБ. Примерно так.
Децибелы в акустике
Вы, возможно, удивитесь, но для акустики децибелы подходят просто идеально. Собственно, Александр Белл ввел понятие Бел при исследовании порога слышимости. Он определил, что «громкость» мы воспринимаем не по реальной мощности сигнала, а по десятичному логарифму от этой мощности. Как так? Давайте рассмотрим пример.
Имеется усилитель, который выдает сигнал мощностью 1 Вт. Чтобы увеличить его в 1,1 раза, добавить надо только 0,1 Вт. А если на выходе у нас 100 Вт, то чтобы увеличить мощность в 1,1 раза надо поднять мощность на 10 Вт. Увеличение громкости в обоих случаях будет «для уха» одинаковым, а увеличение мощности имеет явно нелинейный характер.
Мы воспринимаем не реальный уровень сигнала, а логарифмическую зависимость
На основании вот этого явления Белл и вывел то самое логарифмическое отношение. В его честь и названа эта относительная единица измерений. Что еще это нам дает? А вот такие факты:
Принять децибелы не так легко. Но наверное, вы уже поняли, что в децибелах громкость звука/шума не измеряется. Эта цифра показывает насколько изменился сигнал относительно «нулевой» точки восприятия. Примерно так можно это сформулировать.
Таблица уровней шумов
Ну, а чтобы было понятнее, приведем таблицу сравнений привычных, знакомых звуков и их среднего уровня.
| дБ | С чем можно сравнить | дБ | С чем можно сравнить |
|---|---|---|---|
| 0 дБ | Полная тишина | 90 дБ | Звук работающего фена, мотоцикла, поезда |
| 1 дБ | Самый нижний порог слышимости | 100-105 дБ | Ремонт и рок-концерт |
| 10-24 дБ | Шелест листвы | 110 дБ | Музыка в ночном клубе |
| 20 дБ | Шепот | 120 дБ | Автомобильный гудок |
| 40 дБ | Так звучит дождь | 130-135 дБ | Звук работающей дрели |
| 45 дБ | Тихий разговор | 140 дБ | Шум турбин самолета |
| 60 дБ | Громкий разговор | 160 дБ | Звук выстрела возле уха |
| 80-90 дБ | Шоссе с интенсивным движением | 200 дБ | Смертельный уровень шума |
Каждый шум или звук имеет определенный уровень мощности, но проще его описывать в децибелах
Факты, которые позволят оценить важность акустики и децибелов:
Вообще, постоянное нахождение в шумном помещении сильно снижает способность воспринимать звуки. Мало того, оно приводит к расстройствам психики, сна, что негативно сказывается и на общем самочувствии. Поэтому шумные производства — зона риска. Чтобы хорошо себя чувствовать, просто необходимо время от времени находится если не при полной тишине, то при низком уровне шума.
Перевод децибелов в разы
Давайте попробуем сформулировать что такое децибел по-другому. Децибел — это логарифм соотношения двух величин. Эта относительная величина, которая показывает во сколько одно значение больше или меньше другого (базового). «Во сколько раз» это нам понятно. Поэтому часто приходится переводить децибелы в разы и наоборот. Можно, конечно, посчитать, но проще пользоваться таблицей.
| дБ | Увеличение напряжения (силы тока) в разы | Увеличение мощности (энергетической составляющей) в разы | дБ | Увеличение напряжения (силы тока) в разы | Увеличение мощности (энергетической составляющей) в разы |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 1 | 28 | 25,12 | 631 |
| 1 | 1,12 | 1,26 | 29 | 28,17 | 794 |
| 2 | 1,26 | 1,59 | 30 | 31,64 | 1000 |
| 3 | 1,41 | 2 | 31 | 35,46 | 1257 |
| 4 | 1,59 | 2,51 | 32 | 39,84 | 1587 |
| 5 | 1,78 | 3,16 | 33 | 44,64 | 1993 |
| 6 | 2 | 2,98 | 34 | 48,08 | 2312 |
| 7 | 2,24 | 5,01 | 35 | 56,82 | 3165 |
| 8 | 2,51 | 6,31 | 36 | 63,29 | 4006 |
| 9 | 2,82 | 7,94 | 37 | 70,92 | 5030 |
| 10 | 3,16 | 10 | 38 | 79,36 | 6298 |
| 11 | 3,55 | 12,59 | 39 | 89,29 | 7973 |
| 12 | 3,98 | 15,85 | 40 | 100 | 10000 |
| 13 | 4,47 | 19,96 | 41 | 112,23 | 12596 |
| 14 | 5,01 | 25,12 | 42 | 125,94 | 15861 |
| 15 | 5,62 | 31,65 | 43 | 141,24 | 19949 |
| 16 | 6,31 | 39,84 | 44 | 158,48 | 25116 |
| 17 | 7,08 | 48,08 | 45 | 177,94 | 31663 |
| 18 | 7,94 | 63,59 | 46 | 199,60 | 39840 |
| 19 | 8,91 | 79,36 | 47 | 223,71 | 50046 |
| 20 | 10 | 100 | 48 | 251,26 | 63132 |
| 21 | 11,22 | 125,94 | 49 | 281,69 | 79349 |
| 22 | 12,59 | 158,48 | 50 | 316,5 | 100 000 |
| 23 | 14,12 | 199,60 | 60 | 1 000 | 1 000 000 |
| 24 | 15,85 | 251,26 | 70 | 3165 | 10 000 000 |
| 25 | 17,79 | 316,50 | 80 | 10 000 | 100 000 000 |
| 26 | 19,96 | 398,4 | 90 | 31650 | 1 000 000 000 |
| 27 | 22,37 | 500,42 | 100 | 100 000 | 10 000 000 000 |
Как видите, чтобы напряжение увеличилось в три раза, мощность необходимо поднять в 10 раз. Впечатляющая разница. Эта таблица позволяет точно понять связь между этими величинами.
Но сигналы и величины не только увеличиваются, они могут и снижаться. Следующая таблица дана для падения значений относительно эталона.
| дБ | Снижение напряжения (силы тока) в разы | Снижение мощности (энергетической составляющей) в разы | дБ | Снижение напряжения (силы тока) в разы | Снижение мощности (энергетической составляющей) в разы |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 1 | -8,0 | 0,398 | 0,159 |
| -0,1 | 0,989 | 0,977 | -9,0 | 0,355 | 0,126 |
| -0,2 | 0,977 | 0,955 | -10 | 0,316 | 0,1 |
| -0,3 | 0,966 | 0,933 | -11 | 0,282 | 0,0794 |
| -0,4 | 0,955 | 0,912 | -12 | 0,251 | 0,0631 |
| -0,5 | 0,944 | 0,891 | -13 | 0,224 | 0,0501 |
| -0,6 | 0,933 | 0,871 | -14 | 0,2 | 0,0398 |
| -0,8 | 0,912 | 0,832 | -15 | 0,178 | 0,0316 |
| -1,0 | 0,891 | 0,794 | -16 | 0,159 | 0,0251 |
| -1,5 | 0,841 | 0,708 | -18 | 0,126 | 0,0159 |
| -2,0 | 0,794 | 0,631 | -20 | 0,1 | 0,01 |
| -2,5 | 0,750 | 0,562 | -30 | 0,0316 | 0,001 |
| -3,0 | 0,668 | 0,501 | -40 | 0,01 | 0,0001 |
| -3,5 | 0,631 | 0,447 | -50 | 0,00316 | 0,00001 |
| -4,0 | 0,596 | 0,398 | -60 | 0,001 | 0,000001 |
| -4,5 | 0,562 | 0,355 | -70 | 0,000316 | 0,0000001 |
| -5,0 | 0,501 | 0,316 | -80 | 0,0001 | 0,00000001 |
| -6,0 | 0,501 | 0,251 | -90 | 0,0000316 | 0,000000001 |
| -7,0 | 0,447 | 0,2 | -100 | 0,00001 | 0,0000000001 |
Ослабление того или иного сигнала проще описывать в децибелах. Простые цифры легче запоминаются. Но иногда надо знать и реальный уровень мощности. Для этого используют таблицы (перевод дБ в мкВ)
Перевод ослабления сигнала в дБ в микровольты мкВ