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[分享] dBSPL、dBv、dBu、dBV、dBFS

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发表于 2017-8-4 13:07:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
dB——分贝
分贝(decibel)是量度两个相同单位之数量比例的计量单位,在音视频行业应用广泛,例如度量声音强度,常用dB表示。分贝最初来源于长途电讯的计测, 后被广泛应用在电工、无线电、力学、冲击振动、机械功率和声学等领域。
dB实际上是一个辅单位,其主单位是“贝尔”,以美国发明家亚历山大·格拉汉姆·贝尔(Alexander Graham Bell,1847年3月3日-1922年8月2日)的名字命名。 timg.jpg
但是“贝尔”这个单位太大了,使用并不方便,所以人们常用的是其1/10的方式使用,就是“分贝”。“分”(deci-)指十分之一,个位是“贝”(bel)。以10为标准,那么1000就是2Bell,也就是20dB。

“分贝”和“米”、“秒”、“摄氏度”等物理量并不相同,它并不是一个直接描述声音强度的物理量。

题目上的“dBSPL、dBv、dBu、dBV、dBFS”,都是在dB上了个后缀,dB后面不同的字母指示的就是我们用什么作为测量单位来得到这个分贝值的。

dBSPL(表述声压)
SPL(Sound Pressure Levels)
声音是一种振动波。声音通过空气传播(也可以是其它介质)被我们听到,本质上就是空气分子的振动传到了耳朵里,引发鼓膜的振动。所以声音的大小,反映的是这种振动的强度。
由于空气振动会引起大气压强的变化,所以确切地说,我们应该用压强变化的程度来描述一个声音的大小,这就是“声压”的概念,它的单位是Pa(帕斯卡,压强单位)。比如:1米外步枪射击的声音大约是7000Pa;10米外开过的汽车大约是0.2Pa。
用声压来描述声音强度虽然准确,但和人的感知不匹配:声压的变化范围非常大,不同声音的声压可能相差成百上千倍。比如上面两个例子:虽然步枪的声音确实比汽车声要大,但要说大出几万倍,这无论如何也与我们的日常感觉有出入。
这个是人耳的听觉特性,人耳不是线性的,而是对数的。
对于声音,“分贝”是这样定义的:我们将某一个声压值定义为“参照数”(0分贝),这是一个固定的值;任何一个声音,都和这个参照数相除,取结果的对数(以10为底),再乘以20,这样算出来的就是这个声音的分贝。
写成公式就是:
分贝公式.png
其中:GdB 为分贝;V0 为声压参照数;V1 为声压测量值。

0dB作为“参照数”的声音,当我们计算在气体介质中传播的声音时,采用的标准值是2×10^-5 Pa(20μPa),这是人耳在1KHz这个频率下能听到的最小的声音,大致相当于3米外的一只蚊子在飞。这就是声学上对“0分贝”的定义。事实上,很多人听不到这样弱的声音。根据世界卫生组织的定义,如果一个人能听到的最小声音在25分贝以下,就属于正常听力。
而人的听觉痛阀是120 dBSPL,对应的压强是20Pa。
20 * log (20 Pa / 0.00002 Pa) = 120 dB

dBv和dBu(表述电压)
注意:dBv(v小写)
这两个单位是一样的。为什么呢?只是因为dBv和dBV仅仅是大小写的区别,太容易混淆了,所以人们就将小写的dBv写成dBu,方便区别。仅此而已……
0dBu = 0.775 V(参照数)
为什么选择0.775V呢?因为以前的输入输出阻抗定的是600Ω,而0.775V的电压,加在600Ω上,正好得到1mW的功率,这个0.775就是这样得来的。(更精确的说是0.7746V)
在这儿要注意的是:这个值是取的平均电压值,因为音频信号不是直流信号,电压是一直在改变的,而dBu的标准电压最初也是以交流电的功率换算出来的。

dBV
注意:dBV(V大写)
为什么又出来一个大写的V呢?
上面说的,dBv和dBu参照数取的是0.775V,有的工程师就觉得这样很麻烦,搞个小数点的,太不方便了。所以,就用1V为参照数来计算。
dBV = 20 * log (被测电压 / 1V)
所以,dBV和dBu/dBv的本质上是一样的,只是参照数不同罢了。

把dBu和dBV做简单换算,可以用dBu=dBV+2.2来做简单计算。

dBFS
dBFS则是在数字音频的领域上的一个值了。
dBFS的全称是"Decibels Full Scale"(全分贝刻度)——是一种为数字音频设备创立的分贝值表示方法。
0dBFS的参照数不是最小的值,也不是中间某个值,而是最大值。
OK,那这个“最大值”是怎么来的呢?这个要从数字音频的存储原理说起:
我们用16bit的数字音频为例:“16bit”的意思是,采样信号以16位二进制数字来存储。二进制数字就两个:“0”和“1”。
所以,最大的值就是1111 1111 1111 1111(二进制,换算成十进制是65536),因此,计算dBFS的公式就是:
dBFS = 20 * log (采样信号 / 1111 1111 1111 1111)
这样就很容易解释为什么不能超过“0”了,因为dBFS的参照数是最大值,所以:
20 * log (1111 1111 1111 1111 / 1111 1111 1111 1111) = 0 dBFS
那么最小的呢?
除了0之外,16位二进制最小的数字是:0000 0000 0000 0001
那么:
20 * log (0000 0000 0000 0001 / 1111 1111 1111 1111) = -96 dBFS

所以说,16bit时,最大的动态范围是96dB,大无可大。而24bit而要大得多了,可以达到144dB。(参考后图)

那么,dBu或dBV与dBFS之间怎么换算?
有问题,现在这个问题是有争议的。从最初的-12dBFS对应0dBu到-14,又到-28,又回到-20或-22。具体是怎么样的,只能看你手上设备的说明书了。

附图一:
640.jpg
图片源于网络,做了翻译和补充说明

附图二:
dB的副本.png
图片源于网络,做了翻译和补充说明

641.jpg

图聆科技公众微信.jpg


发表于 2017-11-2 11:17:53 | 显示全部楼层
是好东西,但真正愿意深入了解的人真的不多了!
发表于 2017-11-13 10:46:59 | 显示全部楼层
说得很详细!
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