Prosig工程師詳解：什么是分貝、本底噪聲和動態(tài)范圍？

2017-03-19 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

來源:Prosig Noise & Vibration Blog

作者:James Wren

譯者:小楠

對于decibel或dB這一計量單位,大多數(shù)工程師都很熟悉,其應用最廣的領域當屬聲學,用來量化聲級;但它也同樣適用于其他領域,例如,電子和通信領域。dB的一個特殊用途就是用來量化模數(shù)轉換系統(tǒng)的精度和動態(tài)范圍,例如Prosig’s P8000,其硬件采集的數(shù)據(jù)(本底噪聲、動態(tài)范圍、分辨率)均以dB作為計量單位。

分貝(dB):

分貝是一個對數(shù)單位,用來表示物理量相對于基準值的大小,因其表示的是兩個單位相同的量的比值,所以分貝是一個無量綱單位。

定義:

當采用分貝計量功率和強度時,它等于功率比的常用對數(shù)的10倍,數(shù)學定義如下:

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其中,P1為功率值,P0為參考功率值,Ldb為分貝。

當用于表示振幅電平時,通常認為功率與振幅的平方成正比,表示如下:

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或

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由于分貝是一個對數(shù)量,所以它可以方便地用于表示取值范圍從很小到很大的數(shù)值(使用dB作計數(shù)單位,可以把一個很大或者很小的數(shù)比較簡短地表示出來),人類的聽覺反應是基于聲音的相對變化而非絕對的變化,對數(shù)標度正好能模仿人類耳朵對聲音的反應。

和所有的對數(shù)量一樣,我們僅需通過簡單的相加或相減即可實現(xiàn)分貝值的乘除運算。分貝測量是相對于給定的基準值,因此可以被視為絕對測量;也就是說,如果一個特定的基準值是已知的,那么,精確測量值可以從上述方程之一獲得。當基準值不同時,dB單位后面經(jīng)常會添加一些后綴,下文將具體介紹。

應用:

在聲學領域,通常采用分貝來量化聲壓級(相對于某一基準值),用來形容聲音的響度,但不反映聲音的絕對響度。通過計算聲壓級,可以對兩個聲源進行比較,或者對人耳感知的聲音水平進行量化。對于聲學測量,分貝是尤為重要的,因為人耳可感知的最大聲壓與最小聲壓(可被檢測到的)的比值接近100萬;進一步地,由于聲功率與聲壓平方成正比,那么該比值將接近1兆;可想而知,分貝在聲學測量中的地位是相當重要的。

對于聲壓級,其基準聲壓值通常為20μPa或2×10??Pa,這是人耳靈敏度的極限。需要注意的是,因為分貝最常見的用法是聲壓級測量,所以其通?？s寫為dB,而非dB(SPL)。

表1 聲學中常見的分貝單位

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人耳并非所有頻率聲音都有感知,其對聲音的敏感范圍一般在1 kHz—4 kHz,低于或高于該范圍,人耳都感覺不到。鑒于此,在聲學測量中通常需要引入加權濾波,其頻率響應近似與人耳的相等(A計權);對于不同的測量和應用,分為A計權、B計權、C計權和D計權;以A計權為例,其測量結果單位表示為dBA或dB(A)。

在電子和通信領域,分貝通常用于表示功率或振幅比,以量化個別電路或元件的增益或損耗。其優(yōu)勢在于,因其對數(shù)特性,電路總增益就是對電路各個部分增益(以分貝為單位)的簡單求和。在電子領域,dB后面也可以添加后綴,用以表示不同的基準值。例如,dBm表示基準值為1毫瓦的功率測量。

表2 電子和通信領域中常見的分貝單位

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舉例:

如果未定義基準值,那么,分貝可以被用作相對振幅的簡單測量;例如,假設有兩個揚聲器,一個發(fā)出聲音的功率為P1,另一個也發(fā)出相同的聲音,功率為P?2,假設所有其他的條件都相同,那么,兩個聲音之間的分貝差為:

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如果,第二個揚聲器發(fā)射的聲功率是第一個揚聲器的2倍,兩個聲音之間的分貝差為:

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如果,第二個揚聲器發(fā)射的聲功率是第一個揚聲器的10倍,兩個聲音之間的分貝差為:

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如果,第二個揚聲器發(fā)射的聲功率是第一個揚聲器的1000000倍,兩個聲音之間的分貝差為:

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如果兩者功率相同,兩個聲音之間的分貝差為:

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這說明了dB標度的一些常見特性,無論測量類型如何:

功率增加一倍,分貝增加3 dB;振幅增加一倍,分貝增加6 dB;
功率降低一半,分貝降低3 dB;振幅降低一半,分貝降低6 dB;
0 dB意味著測量值與基準值相同,注意,這并不意味著沒有功率或信號。

本底噪聲

任何實際測量都會受到某種形式的噪聲或不必要信號的干擾。在聲學中,這可能是背景噪聲;在電子設備中經(jīng)常會出現(xiàn)熱噪聲、輻射噪聲或其他干擾信號。在數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)中,系統(tǒng)本身實際上會對測量的信號增加噪聲。一般認為,系統(tǒng)的電子元件越多,系統(tǒng)引起的噪音就越大。

在數(shù)據(jù)采集和信號處理過程中,本底噪聲測量是指測量整個數(shù)據(jù)采集和信號處理系統(tǒng)中所有噪聲源和干擾信號的總和。本底噪聲限制了系統(tǒng)可以準確測量的最小值,任何被測幅值的平均值不得低于本底噪聲值?？傊?本底噪聲是指信號中背景噪聲電平或由系統(tǒng)引入的噪聲電平;如果被捕獲的信號低于本底噪聲,將很難分辨。

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圖1

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圖2

由圖1可以發(fā)現(xiàn),本底噪聲在-120dB左右;圖2表明只有高于本底噪聲的信號才能被準確測量,在此情況下,20KHz、-100dB的信號可以被準確測量;如果,如果本底噪聲高于-120dB,測量將變得困難。

例如,人耳可以聽到一種非常低的聲音,如大頭針落地聲音或竊竊私語聲音。然而,這種情況也只可能在特殊環(huán)境下(本底噪聲或背景噪聲很低,例如,隔音室或非常安靜的房間)發(fā)生;在一個嘈雜的環(huán)境內,僅憑借人耳,想聽到如此低的聲音水平是絕對不可能的。

為了盡可能降低的本底噪聲,Prosig’s P8000數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)綜合了各種先進技術,包括信號處理模塊和一些比較實用的技術,例如,在數(shù)據(jù)采集過程中,禁止使用冷卻風扇。

動態(tài)范圍和分辨率

動態(tài)范圍是用來描述由系統(tǒng)測量的最小和最大信號之間的比率的術語。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動態(tài)范圍被定義為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以捕獲的最小和最大振幅之間的比率。實際中,大多數(shù)模數(shù)轉換器(ADC)的電壓范圍為± 10V。在ADC電壓范圍內,為了最大限度地提高輸入電壓,在信號輸入ADC之前,有時需要將信號放大。

測量系統(tǒng)的分辨率是由ADC輸出二進制或十進制數(shù)字的位數(shù)決定的,位數(shù)越多,量化單位越小,對信號的分辨能力就越高;大多數(shù)ADC具有16位或24位的分辨率。

例如,輸入模擬電壓的范圍時 -10~10V,輸出16位2進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為

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