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

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.

Нередко граждане, особенно городские жители, жалуются на излишний шум в квартирах и на улице. Особенно раздражает он (шум) в выходные и ночью. Да и днем радости от него мало, особенно если в квартире находится маленький ребенок.

Как эксперты, так и интернет едины в своих советах – нужно вызвать участкового. Но перед тем как обратиться к представителю правоохранительных органов, необходимо хотя бы примерно разбираться с уровнями шума, при которых такое обращение оправдано, а какое является лишь раздражающим фактором, но под запрет не попадает.

Допустимые уровни шума в жилых помещениях

Регулируется он законодательными актами, согласно которым время суток делится на периоды и для каждого периода допустимый уровень шума различен.

• 22.00 – 08.00 период тишины, во время которого указанный уровень не должен превышать 35-40 децибел, (именно в них считается данный показатель).
• С восьми утра до десяти вечера по закону относится к светлому времени суток и шуметь можно чуть сильнее – 40-50 дБ.

Многие интересуется, а почему такой разброс в дБ. Все дело в том, что федеральные власти дали только примерные значения, а каждый регион устанавливает их самостоятельно. К примеру, в некоторых регионах, в частности, в столичном, днем существуют дополнительные периоды тишины. Обычно это промежуток от 13.00 до 15.00. Несоблюдение тишины в этот срок является нарушением.

Стоит сказать, что под нормами понимается тот уровень, который не может нанести никакого вреда человеческому слуху. Но многие не понимают, что означают указанные показатели. Поэтому даем сравнительную таблицу с уровнями шума и с тем, с чем сравнить.

• 0-5 дБ – ничего или почти ничего не слышно.
• 10 – этот уровень можно сравнить с небольшим шелестом листвы на дереве.
• 15 – шелест листвы.
• 20 – еле слышный человеческий шепот (на примерном расстоянии в один метр).
• 25 – уровень, когда человек разговаривает шепотом на расстоянии пары метров.
• 30 децибел с чем сравнить? – громкий шепот, ход часов на стене. Согласно нормативам СНиП, данный уровень является максимально допустимым в ночное время в помещениях, относящихся к жилым.
• 35 – примерно на этом уровне ведется разговор, правда, на приглушенных тонах.
• 40 децибел – обычная речь. СНиП определяет этот уровень как допустимый для дневного времени.
• 45 – также стандартный разговор.
• 50 – звук, который издает пишущая машинка (старшее поколение поймет).
• 55 – с чем можно сравнить этот уровень? Да то же самое, что и верхняя строка. Кстати, согласно евронормам, данный уровень является максимально допустимым для офисов класса А.
• 60 – уровень, определяемый законодательством для обычных офисов.
• 65-70 – громкие разговоры на расстоянии в один метр.
• 75 – человеческий крик, смех.
• 80 – работающий мотоцикл с глушителем, также это уровень работающего пылесоса с двигателем мощностью в 2 кВт и более.
• 90 — звук, издаваемый грузовым вагоном при движении по железке и слышный на расстояний в семь метров.
• 95 – это звук вагона метро при движении.
• 100 – на этом уровне играет оркестр духовых, работает бензопила. Звук такой же мощности издает гром. По евростандартам это максимально допустимый уровень для наушников плеера.
• 105 – такой уровень допускался в пассажирских авиалайнерах до 80-х гг. прошлого столетия.
• 110 – шум, издаваемый летящим вертолетом.
• 120-125 –звук работающего на расстоянии в один метр отбойника.
• 130 – столько децибел выдает стартующий самолет.
• 135-145 – с таким шумом взлетает реактивный самолет либо ракета.
• 150-160 – сверхзвуковой самолет пересекает звуковой барьер.

Все перечисленное условно делится по уровню воздействия на человеческий слух:

• 0-10 – ничего или почти ничего не слышно.
• 15-20 – еле слышно.
• 25-30 – тихо.
• 35-45 – уже довольно шумно.
• 50-55 – отчетливо слышно.
• 60-75 – шумно.
• 85-95 – очень шумно.
• 100-115 – крайне шумно.
• 120-125 – почти невыносимый уровень шума для человеческого слуха. Работающие отбойным молотком рабочие в обязательном порядке должны надевать специальные наушники, иначе потеря слуха обеспечена.
• 130 – это так называемый болевой порог, звук выше для человеческого слуха уже фатален.
• 135-155 – без защитного снаряжения (наушники, шлемы) у человека наступает контузия, травмы мозга.
• 160-200 – гарантирован разрыв барабанных перепонок и, внимание, легких.

Свыше 200 децибел можно даже не рассматривать, так как это смертельный уровень звука. Именно на таком уровне действует так называемое шумовое оружие.

Что еще

Но и меньшие показатели могут привести к необратимым травмам. К примеру, длительное воздействие на слух звука в 70-90 децибел оказывает на человека пагубное воздействие, в частности, на ЦНС. Для сравнения – обычно это громко играющий телевизор, уровень музыки в автомобиле у некоторых «любителей», звук в наушниках плеера. Хотите еще слушать громкую музыку – будьте готовы к тому, что впоследствии придется долго лечить нервы.

А если шум превышает показатель в 100 децибел, то потеря слуха практически гарантирована. Да и как показывает практика, от музыки на таком уровне больше негатива, чем удовольствия.

В Европе запрещено размещать много оргтехники в одном помещении, особенно если комната не отделана звукопоглощающими материалами. Ведь в небольшом помещении два компьютера, факс и принтер могут поднять уровень шума до 70 дБ.

Вообще на рабочем месте максимальный уровень шума может быть не более 110 дБ. Если где-то он превышает 135, то на этом участке запрещается любое пребывание человека, даже кратковременное.

При превышении уровня шума на рабочем месте 65-70 дБ рекомендуется носить специальные мягкие беруши. Если они изготовлены качественно, то должны уменьшить внешний шум на 30 дБ.

Изолирующие наушники, продаваемые в строительных магазинах, не только обеспечивают максимальную защиту практически от любого шума, но и защитят височную долю головы.

И в заключение скажем одну интересную новость, которая кому-то может показаться смешной. Статистика показала, что городской житель, живущий в режиме постоянного шума, попав в зону полной тишины, где уровень шума не превышает 20 дБ, начинает испытывать дискомфорт. Да что говорить, у него начинается депрессия. Вот такой вот парадокс.

Вопрос о переводе дБ в дБм и наоборот часто приходится слышать от клиентов, встречать на специализированных форумах. Однако, как бы не хотелось, нельзя перевести мощность в затухание.

Если мощность оптического сигнала измерена в дБм, то для определения затухания A (дБ) необходимо от мощности сигнала на входе в линию отнять мощность сигнала на выходе из нее. Но обо всем этом по порядку.

Оптическая мощность, или мощность оптического излучения - это основополагающий параметр оптического сигнала. Он может быть выражен в привычных нам единицах измерения - Ватт (Вт), милливатт (мВт), микроватт (мкВт). А также логарифмических единицах - дБм.

Затухание оптического сигнала (А) - величина, которая показывает во сколько раз мощность сигнала на выходе линии связи (P вых) меньше мощности сигнала на входе этой линии (Pвх). Затухание выражается в дБ (дециБелл) и может быть определено по следующей формуле:

Рисунок 1 - формула расчета оптического затухания в случае если оптическая мощность выражена в Вт

Немного непривычно, не так ли? Логарифмические линейки и таблицы - уходят в прошлое, по крайней мере для молодых монтажников их давно уже заменил калькулятор. И даже с учетом использования калькулятора - такая формула не сильно удобна. Поэтому, для упрощения расчетов было принято решение перевести единицы измерения мощности в логарифмический формат и таким образом избавиться от логарифмов в формуле:

Рисунок 2 - пересчет мощности из мВт в дБм

Для перевода дБм в Вт и наоборот можно пользоваться также таблицей:

В результате пересчета, формула вычисления оптического затухания (рис 1) превращается в:

Рисунок 3 - перевод дБм в дБ (dBm в dB), взаимозависимость между мощностью и затуханием

Учитывая тот факт, что все известные автору измерители оптической мощности в качестве основной единицы измерения используют дБм, то используя формулу на рис 3 инженер может определить уровень затухания даже в уме. Кроме того, многие приборы имеют функцию установки опорного уровня, благодаря чему пользователю выдается значение потерь сразу в Дб.

В этом случае, измерение затухания оптической линии значительно упрощается, что продемонстрировано на следующем видео.

Измерение затухания оптической линии

Зачастую измерянного значения затухания в дБ - достаточно. Однако для того, чтобы представить во сколько раз уменьшился входной сигнал, можно воспользоваться формулой:

m = 10 (n / 10)

где m - отношение в разах, n - отношение в децибелах

можно также пользоваться следующей таблицей:

Таблица 1 - перевод дБ в разы

Для начинающих несколько слов о не понятных для многих единицах измерения принятых в антенной технике и радиотехнике высоких частот.

dBm (дБм). Иногда удобно какую либо величину принять за эталон (нулевой уровень) и относительно ее измерять уровень уже в децибелах. Так, если принять за нулевой уровень - 1мВт и относительно его измерять мощность по логарифмической децибельной шкале, то появляется такая единица измерения как дБм(1мВт = 0 дБм). Она уже имеет вполне весомый физический смысл, в отличии от безличных децибелов, dBm - это мера мощности. В ней измеряют уровень слабых сигналов (в том же «палкомере» модема), чувствительность приемников, мощность передатчиков и т.п. Например уровень в 50 мкВ на 50-омном входе приемника соответствует уровню мощности 5·10 -8 мВт или -73 дБм. Измерять чувствительность в единицах мощности более удобно, чем в единицах напряжения, так так нам приходится иметь дело с сигналами разной формы, в том числе шумовыми. К тому же, мы избавляемся от необходимости каждый раз уточнять, каково входное сопротивление приемника. Например, пороговая мощность большинства "свистков", при которой они еще коннектятся с базовой станцией около -110 dBm. Мощность передатчика тоже можно измерять в dBm. Например мощность Wi Fi роутера в 100 мВт равна 20 dbm. Можно воспользоваться нашим онлайн калькулятором для перевода мВт в дБм и обратно . Во многих устройствах вы обнаружите уровень сигнала в asu . Это еще одна единица измерения уровня сигнала, призваная вогнать в ступор анонима своей непонятностью. Расшифровывается - "Arbitrary Strength Unit" - усредненная единица уровня сигнала. Дело в том, что в разных диапазонах мы используем каналы с разной модуляцией, разной полосой частот и т.п. Поэтому равные dBm в 3G и 4G - не эквивалентны одинаковой чувствительности по отношению сигнал/шум в канале. Чтобы привести чувствительность к единому знаменателю придумали asu . Связь между asu и dBm для разных диапазонов следующая:


• GSM : dBm = 2 × ASU - 113 , ASU в диапазоне значений 0..31 и 99 (сеть не определена).
• UMTS : dBm = ASU - 116 , ASU в диапазоне значений -5..91 и 255 (сеть не определена).
• LTE : (ASU - 141) ≤ dBm < (ASU - 140)

• dBi (дБи). Единица измерения усиления антенн относительно «эталонной» антенны. За такую эталонную антенну принят так называемый изотропный излучатель - идеальная антенна, диаграмма направленности которой представляет собой сферу, коэффициент усиления которой равен единице и КПД которой равен 100%. Излучение сигнала таким излучателем происходит с равномерной интенсивностью во все стороны. Такой антенны в природе не существует, это виртуальный объект, однако, очень удобный в качестве эталона для измерения параметров реальных антенн. Существует еще одна единица: dBd - здесь за эталон принят полуволновой диполь. Однако, использование dBi предпочтительнее, т.к. в этом случае проще расчет энергетического баланса трассы радиосвязи. dBi - это относительная единица, ничем по сути от простого децибела не отличима, кроме определения эталона, относительно которого и идет отсчет. Принципиальной разницы между dBi и dBd нет - усиление в dBi = усилению в dBd + 2.15 dB . В старых радиолюбительских книжках и журналах усиление антенн измеряют просто в децибелах. В этом случае чаще всего имеется ввиду усиление относительно полуволнового вибратора, т.е. оно эквивалентно dBd . Измерение относительно изотропного излучателя изначально использовалось только в США, но в последнее время распространилось во всем мире, поэтому во избежании путаницы сейчас, если речь идет об усилении антенны, правилом хорошего тона считается использование децибела с суффиксом - dBi или dBd.
  

В принципе за «нулевой уровень» можно принять любую величину. Так на свет появляются такие звери как "дБмкВ" (напряжение - отношение к одному микровольту), "дБВт" (мощность - отношение к одному ватту). В акустике за нулевой уровень звука принято звуковое давление 2·10 -5 Па - порог слышимости. При этом там не стали заморачиваться с довеском к «дБ», а прямо так и измеряют уровень звука в децибелах. Так сложилось исторически, потому что децибелы впервые применялись именно в области акустики. Но надо иметь ввиду - это как бы не «чистые» относительные децибелы, а «звуковые» - абсолютные. Например, шум реактивного самолета с расстояния 25 м равен 140 дБ, а 0 дБ - это порог слышимости. Часто можно встретить единицу под именем dBA . Она специально придумана для измерений интенсивности шумов. Величина дБА - уровень звукового давления, измеренный в "звуковых" децибелах при помощи шумомера, содержащего корректирующую цепочку, имитирующую чувствительность человеческого уха, что дает возможность получать отсчеты более соответствующие реальной слышимости шума.

Вообще, люди начали использовать децибелы для измерения различных вещей не просто так. Еще в XIX веке психофизиологами Эрнстом Вебером и Густавом Фехнером было установлено, что “сила ощущения p пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя S”. Это относится к звуку, освещенности, тактильным ощущениям.
В технике проводной связи используют другую единицу - Непер. Неперы определяются не через десятичный, а через натуральный логарифм. Может это и правильнее, ведь многие законы природы основаны на числе Эйлера, которое является основанием натурального логарифма. Но все-таки мы пользуемся децибелами. (1 непер = 8,686 дБ)

При расчетах все эти dB, dBi, dBm по сути своей все являются децибелами, т.е. суммируются (если усиление) или вычитаются (если затухание), но dBm имеет приоритет как мера мощности сигнала. Например:

Уровень на входе приемника(dBm) = Мощность передатчика(dBm) + Усиление антенн(dBi) - Ослабление сигнала(dB)

Неискушенный аноним обычно теряется при виде такого изобилия разновидностей децибел. Но затем приходит понимание, что это приносит упрощение в расчетах. Например в расчете дальности связи Wi-Fi . Многим трудно наглядно представить себе «децибельную» шкалу, особенно в отрицательной области. На самом деле это легко сделать по аналогии с привычным всем термометром. Чем выше мощность в dBm, тем «теплее» цифра. Другими словами -75dBm больше (выше по шкале, «теплее»), чем -95dBm. Более отрицательная цифра в параметре чувствительностии означает, что приемник способен принять более слабый (холодный) сигнал.

Вот так оно все запутано в этом децибельном царстве. И напоследок... Имейте ввиду, что децибел и имбецил совершенно разные понятия.

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.