Prosig工程師詳解：什么是分貝、本底噪聲和動(dòng)態(tài)范圍？

2017-03-19  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

來(lái)源:Prosig Noise & Vibration Blog

作者:James Wren

譯者:小楠

對(duì)于decibel或dB這一計(jì)量單位,大多數(shù)工程師都很熟悉,其應(yīng)用最廣的領(lǐng)域當(dāng)屬聲學(xué),用來(lái)量化聲級(jí);但它也同樣適用于其他領(lǐng)域,例如,電子和通信領(lǐng)域。dB的一個(gè)特殊用途就是用來(lái)量化模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)范圍,例如Prosig’s P8000,其硬件采集的數(shù)據(jù)(本底噪聲、動(dòng)態(tài)范圍、分辨率)均以dB作為計(jì)量單位。

分貝(dB):

分貝是一個(gè)對(duì)數(shù)單位,用來(lái)表示物理量相對(duì)于基準(zhǔn)值的大小,因其表示的是兩個(gè)單位相同的量的比值,所以分貝是一個(gè)無(wú)量綱單位。

定義:

當(dāng)采用分貝計(jì)量功率和強(qiáng)度時(shí),它等于功率比的常用對(duì)數(shù)的10倍,數(shù)學(xué)定義如下:

其中,P1為功率值,P0為參考功率值,Ldb為分貝。

當(dāng)用于表示振幅電平時(shí),通常認(rèn)為功率與振幅的平方成正比,表示如下:

或

由于分貝是一個(gè)對(duì)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(jì)數(shù)單位,可以把一個(gè)很大或者很小的數(shù)比較簡(jiǎn)短地表示出來(lái)),人類的聽(tīng)覺(jué)反應(yīng)是基于聲音的相對(duì)變化而非絕對(duì)的變化,對(duì)數(shù)標(biāo)度正好能模仿人類耳朵對(duì)聲音的反應(yīng)。

和所有的對(duì)數(shù)量一樣,我們僅需通過(guò)簡(jiǎn)單的相加或相減即可實(shí)現(xiàn)分貝值的乘除運(yùn)算。分貝測(cè)量是相對(duì)于給定的基準(zhǔn)值,因此可以被視為絕對(duì)測(cè)量;也就是說(shuō),如果一個(gè)特定的基準(zhǔn)值是已知的,那么,精確測(cè)量值可以從上述方程之一獲得。當(dāng)基準(zhǔn)值不同時(shí),dB單位后面經(jīng)常會(huì)添加一些后綴,下文將具體介紹。

應(yīng)用:

在聲學(xué)領(lǐng)域,通常采用分貝來(lái)量化聲壓級(jí)(相對(duì)于某一基準(zhǔn)值),用來(lái)形容聲音的響度,但不反映聲音的絕對(duì)響度。通過(guò)計(jì)算聲壓級(jí),可以對(duì)兩個(gè)聲源進(jìn)行比較,或者對(duì)人耳感知的聲音水平進(jìn)行量化。對(duì)于聲學(xué)測(cè)量,分貝是尤為重要的,因?yàn)槿硕筛兄淖畲舐晧号c最小聲壓(可被檢測(cè)到的)的比值接近100萬(wàn);進(jìn)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(xué)測(cè)量中的地位是相當(dāng)重要的。

對(duì)于聲壓級(jí),其基準(zhǔn)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?yàn)榉重愖畛Ｒ?jiàn)的用法是聲壓級(jí)測(cè)量,所以其通?？s寫(xiě)為dB,而非dB(SPL)。

表1 聲學(xué)中常見(jiàn)的分貝單位

人耳并非所有頻率聲音都有感知,其對(duì)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(jué)不到。鑒于此,在聲學(xué)測(cè)量中通常需要引入加權(quán)濾波,其頻率響應(yīng)近似與人耳的相等(A計(jì)權(quán));對(duì)于不同的測(cè)量和應(yīng)用,分為A計(jì)權(quán)、B計(jì)權(quán)、C計(jì)權(quán)和D計(jì)權(quán);以A計(jì)權(quán)為例,其測(cè)量結(jié)果單位表示為dBA或dB(A)。

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

表2 電子和通信領(lǐng)域中常見(jiàn)的分貝單位

舉例:

如果未定義基準(zhǔn)值,那么,分貝可以被用作相對(duì)振幅的簡(jiǎn)單測(cè)量;例如,假設(shè)有兩個(gè)揚(yáng)聲器,一個(gè)發(fā)出聲音的功率為P1,另一個(gè)也發(fā)出相同的聲音,功率為P?2,假設(shè)所有其他的條件都相同,那么,兩個(gè)聲音之間的分貝差為:

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

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

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

如果兩者功率相同,兩個(gè)聲音之間的分貝差為:

這說(shuō)明了dB標(biāo)度的一些常見(jiàn)特性,無(wú)論測(cè)量類型如何:

1. 功率增加一倍,分貝增加3 dB;振幅增加一倍,分貝增加6 dB;

   
   

2. 功率降低一半,分貝降低3 dB;振幅降低一半,分貝降低6 dB;

   
   

3. 0 dB意味著測(cè)量值與基準(zhǔn)值相同,注意,這并不意味著沒(méi)有功率或信號(hào)。

本底噪聲

任何實(shí)際測(cè)量都會(huì)受到某種形式的噪聲或不必要信號(hào)的干擾。在聲學(xué)中,這可能是背景噪聲;在電子設(shè)備中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)熱噪聲、輻射噪聲或其他干擾信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)中,系統(tǒng)本身實(shí)際上會(huì)對(duì)測(cè)量的信號(hào)增加噪聲。一般認(rèn)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(hào)處理過(guò)程中,本底噪聲測(cè)量是指測(cè)量整個(gè)數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理系統(tǒng)中所有噪聲源和干擾信號(hào)的總和。本底噪聲限制了系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量的最小值,任何被測(cè)幅值的平均值不得低于本底噪聲值?？傊?本底噪聲是指信號(hào)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(hào)低于本底噪聲,將很難分辨。

圖1

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(hào)才能被準(zhǔn)確測(cè)量,在此情況下,20KHz、-100dB的信號(hào)可以被準(zhǔn)確測(cè)量;如果,如果本底噪聲高于-120dB,測(cè)量將變得困難。

例如,人耳可以聽(tīng)到一種非常低的聲音,如大頭針落地聲音或竊竊私語(yǔ)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(gè)嘈雜的環(huán)境內(nèi),僅憑借人耳,想聽(tīng)到如此低的聲音水平是絕對(duì)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(jìn)技術(shù),包括信號(hào)處理模塊和一些比較實(shí)用的技術(shù),例如,在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中,禁止使用冷卻風(fēng)扇。

動(dòng)態(tài)范圍和分辨率

動(dòng)態(tài)范圍是用來(lái)描述由系統(tǒng)測(cè)量的最小和最大信號(hào)之間的比率的術(shù)語(yǔ)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)際中,大多數(shù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的電壓范圍為± 10V。在ADC電壓范圍內(nèi),為了最大限度地提高輸入電壓,在信號(hào)輸入ADC之前,有時(shí)需要將信號(hào)放大。

測(cè)量系統(tǒng)的分辨率是由ADC輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)決定的,位數(shù)越多,量化單位越小,對(duì)信號(hào)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(shí) -10~10V,輸出16位2進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為

以分貝的形式表示為:

因此,對(duì)于16位的ADC,其動(dòng)態(tài)范圍為96dB;對(duì)于24位的ADC,其動(dòng)態(tài)范圍為144dB。

測(cè)量系統(tǒng)本底噪聲也受到ADC系統(tǒng)分辨率的限制,例如,對(duì)于16位和24位的測(cè)量系統(tǒng),其本底噪聲下限值分別為-96dB和-144 dB;然而,在實(shí)際中,本底噪聲經(jīng)常會(huì)高于這一數(shù)值,這是由于測(cè)量系統(tǒng)中的電子噪聲導(dǎo)致的。

現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),例如Prosig’s P8000,采用了一系列先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)提高幅值分辨率和對(duì)于低幅值數(shù)據(jù)(例如,本底噪聲信號(hào))的測(cè)量,其精度也將大大提高。

作者:

James Wren

(Solutions Engineer and Sales & Marketing Manager at Prosig)

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