Zrozumienie skali decybelowej: znaczenie, zastosowania i pomiary

Decybel (dB) to logarytmiczna jednostka miary równa jednej dziesiątej bela. Nie mierzy samej wielkości, tylko jej stosunek do wartości odniesienia. Dzięki temu na jednej, krótkiej skali da się opisać zarówno ledwie słyszalny szept, jak i start samolotu, a w elektronice – wzmocnienie sygnału od ułamków do tysięcy razy.

Skąd wzięła się jednostka bel i decybel

Decybel wywodzi się z pomiarów tłumienia i mocy w telefonii z początku XX wieku, prowadzonych w Bell System. W 1928 roku dotychczasową jednostkę transmisji przemianowano na decybel, czyli jedną dziesiątą nowo zdefiniowanego bela. Nazwa bela upamiętnia Alexandra Grahama Bella. Decybel uznają m.in. Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) i Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO).

Jak działa skala logarytmiczna w decybelach

Na skali liniowej każdy kolejny krok dodaje tę samą wartość. Na skali decybelowej każdy krok oznacza mnożenie wielkości. W praktyce mnożenie wzmocnień zamienia się w dodawanie decybeli, a dzielenie zmienia znak wyniku na ujemny. Dlatego straty sygnału zapisuje się jako wartości ujemne.

Wzór dla mocy i dla napięcia lub ciśnienia

Dla wielkości mocy (moc, natężenie) stosuje się wzór:

L = 10 · log10(P / P0) [dB]

Dla wielkości „polowych” (napięcie, ciśnienie akustyczne) współczynnik wynosi 20:

L = 20 · log10(U / U0) [dB]

Z obu wzorów wynika, że ta sama zmiana w decybelach oznacza inny mnożnik dla mocy i dla napięcia.

Wartości, które warto zapamiętać

Przykład z elektroniki: wzmacniacz o wzmocnieniu napięciowym 10, 100 i 1000 razy ma wzmocnienie odpowiednio 20, 40 i 60 dB. Szczegółowe wyprowadzenia i wykresy można znaleźć w artykule InterTech Academy o decybelach.

Decybele w akustyce

Poziom ciśnienia akustycznego (dB SPL) liczy się ze wzoru z współczynnikiem 20, a wartością odniesienia jest 20 µPa. Odpowiada to najcichszemu dźwiękowi, jaki człowiek wykrywa przy częstotliwości 1000 Hz, więc 0 dB SPL oznacza próg słyszenia. Ciśnienia od 20 µPa do 2 Pa, różniące się około 100 tysięcy razy, mieszczą się w przedziale od 0 do 100 dB. Próg bólu przypada na 120-140 dB SPL.

Przykładowe poziomy dźwięku

Wartości w tabeli poniżej są orientacyjne. Podaje się je zwykle dla odległości około metra od źródła dźwięku. W otwartej przestrzeni natężenie dźwięku ze źródła punktowego spada z kwadratem odległości, więc każde podwojenie dystansu obniża zmierzony poziom o około 6 dB. Ten sam głośnik zmierzony z dwóch metrów pokaże wynik niższy o mniej więcej 6 dB niż z metra, a z czterech – kolejne 6 dB mniej.

Jak ucho odbiera zmiany poziomu

• Spadek o 1 dB jest dla ucha praktycznie niezauważalny.
• Wzrost o 10 dB brzmi jak podwojenie hałasu, a spadek o 10 dB jak jego zmniejszenie o połowę.
• Dwa identyczne źródła dźwięku dają razem poziom wyższy tylko o 3 dB, a nie dwa razy wyższą liczbę decybeli.

Poziom dźwięku a czas ekspozycji

Długotrwała lub powtarzająca się ekspozycja na hałas od 85 dB może uszkadzać słuch. Według poradnika Amplifon przy 85 dB zalecany maksymalny czas ekspozycji to 8 godzin, przy 100 dB – 15 minut, a przy 110 dB – zaledwie 1 minuta. W przepisach dotyczących pracy obowiązuje zasada, że każde 3 dB więcej skraca dopuszczalny czas o połowę. Powyżej około 130 dB, czyli w okolicach progu bólu, do trwałego uszkodzenia słuchu może dojść niemal natychmiast, nawet po krótkiej ekspozycji. Te informacje mają charakter ogólny i nie zastępują konsultacji z lekarzem lub protetykiem słuchu.

Oznaczenia dB w elektronice i audio

Sama liczba decybeli nic nie mówi, dopóki nie wiadomo, względem czego ją podano. Dlatego do symbolu dodaje się przyrostek:

• dBm – moc odniesiona do 1 miliwata,
• dBV – napięcie skuteczne odniesione do 1 wolta,
• dBFS – poziom sygnału cyfrowego względem maksimum, które urządzenie przyjmie bez przesterowania; 0 dBFS to górna granica, a wszystkie niższe wartości są ujemne,
• dB(A), dB(C) – poziom dźwięku zmierzony z określonym filtrem korekcyjnym (ważeniem).

Jak mierzyć poziom dźwięku

Do pomiaru służy miernik poziomu dźwięku. Mikrofon trzyma się na wysokości ucha i kieruje w stronę źródła. Aplikacje na smartfon, np. Decibel X czy NIOSH Sound Level Meter, dają orientacyjny wynik, ale korzystają z wbudowanego mikrofonu, który nie jest skalibrowany. Do pomiarów, od których coś zależy, lepiej użyć skalibrowanego miernika.

Najczęściej zadawane pytania

Ile decybeli to dwa razy głośniej?

Około 10 dB. Taki wzrost ucho odbiera jako podwojenie głośności, choć moc dźwięku rośnie wtedy dziesięciokrotnie.

Czy 3 dB to duża różnica?

W mocy tak – 3 dB to niemal dwukrotny wzrost. Tyle samo przybywa, gdy obok jednego źródła hałasu włączy się drugie, identyczne. Ponieważ podwojenie odczuwanej głośności wymaga około 10 dB, zmiana o 3 dB brzmi znacznie skromniej niż „dwa razy głośniej”.

Czy telefonem można zmierzyć decybele?

Tak, ale tylko orientacyjnie. Mikrofon w smartfonie nie jest skalibrowany, więc wynik aplikacji może odbiegać od wskazań profesjonalnego miernika.

Czy 25 dB to głośno?

Nie – to bardzo cichy dźwięk. Na orientacyjnej skali poziomów dźwięku 20 dB odpowiada szeptowi, a 30 dB bardzo spokojnej ulicy bez ruchu, więc 25 dB mieści się dokładnie pomiędzy tymi dwiema wartościami. Dla porównania normalna rozmowa to już około 60 dB – czyli w odczuciu znacznie głośniej niż 25 dB, bo skala decybelowa jest logarytmiczna, a nie liniowa.

Źródła:

• Wikipedia – Decybel
• Wikipedia (en) – Decibel
• InterTech Academy – Decybele, o co w nich chodzi?
• Nyquista – Decybel, definicja i wzór dB
• Silvent Knowledge – Podstawowe informacje o decybelach (dB)
• Amplifon – Skala decybeli
• Peak Studios – Dezibel
• Wikipedia – Poziom natężenia dźwięku