Desibeli

Desibeli(tunnusdB) ondimensioton yksikkö,joka vertailee tehosuureiden suhteitalogaritmisellaasteikolla. Sitä käytetään tavallisimmin kahden signaalin välisen tehosuhteen ilmaisuun sekävahvistimentaivaimentimenvaikutuksen ilmaisemiseen. Desibeli ei kuuluSI-järjestelmään,mutta Kansainvälinen paino- ja mittakomitea on suositellut sen lisäämistä järjestelmään.

Siinä, missä prosentit ilmaisevat mitan suhteen vertailukohtaansa osamäärän avulla,

${\frac {\text{mitta}}{\text{vertailukohta}}}\cdot 100\ \%$

desibeli on logaritminen ja tehosuureille pätee:

${\mbox{dB}}=10\cdot \log _{10}\left({\frac {\text{mitattu teho}}{\text{vertailuteho}}}\right)$

Alun perinBell Telephone Laboratoryssa Yhdysvalloissakäytettiin yksikköä TU (transmission unit), mittaamaan esimerkiksisähkövirrantaijännitteen tehoavertailuarvoon nähden mutta1923tai1924yksikkö nimettiin laboratorion perustajanAlexander Graham Bellinmukaan beliksi, bel (B).

Koska beli oli” liian suuri” arkikäyttöön, tuli sen kymmenesosasta, desibelistä (dB eli 0,1 B) suositumpi.

Akustiikassa

Akustiikassadesibeliä käytetäänäänenvoimakkuudenyksikkönä valittuun vertailuarvoon nähden.

Ihmisaistitovat yleensälogaritmisia,niin kuuleminenkin. Se tarkoittaa, ettääänenpaineenkymmenkertaistuminen tuntuu aina yhtä suurelta muutokselta: kasvu sadasta tuhanteen tuntuu yhtä suurelta kuin kasvu kymmenestä sataan. Ihmiskorvalle logaritminen desibeliasteikko siis sopii paremmin kuin pascal-asteikko. Koska äänen teho on verrannollinen äänenpaineenneliöön,äänenpaineen kasvaminen kymmenkertaiseksi vastaa äänen tehon satakertaistumista eli kahdenkymmenen desibelin (2 belin) nousua. Äänenpaineen satakertaistuminen vastaa äänenvoimakkuuden 40 dB kasvua ja äänenpaineen tuhatkertaistuminen 60 dB kasvua jne.

Äänenvoimakkuuden desibelilukema ilmaisee mitatun äänen tehon suhteessa valittuun vertailuarvoon, joka usein on 20μPaäänenpainetta vastaava teho. Tätä pidetään yleisenä inhimillisenä kuulokynnyksenä. 20 mikropascalinpainetarkoittaa 2 · 10⁻⁵newtoninvoimaa neliömetrillä, mikä on suunnilleen sama kuin kahdenkilon painoneliökilometrillä. Ääni on suunnilleen se, mikä lähteehyttysestä,joka lentää kolmen metrin päästä. Kaavaan sijoitettuna tällainen äänenpaineeltaan 20 μPa hyttysen ääni on siis voimakkuudeltaan nolla desibeliä.

Melumittauksissakäytetään yleensä eri taajuuksia eri tavoin painottavia suodatuksia. Tällä painotuksella pyritään kuvaamaan tarkemmin äänen vaikutusta ihmiseen. Yleisin on ns. A-suodatin, jolloinmelutason mittaukseenkäytetään merkintää dB (A). Toinen yleinen taajuuspainotus on C-suodatin. On esitetty, että pieni- eli matalataajuisen melun mittaukseen pitäisi käyttää C-taajuuspainotusta eikä A-painotusta. On oletettu, että C-painotettu taso antaisi paremmin äänekkyyttä ja haittoja luokittelevan lukeman kuin A-painotettu taso.^[1]

Melutasossa jokainen kymmenen desibelin (1 belin) nousu tarkoittaa äänen energian kymmenkertaistumista.

Äänenintensiteettimittauksissadesibelin vertailuarvona voi olla myös 1 pW.^lähde?Tällöinkin jokainen kymmenen desibelin (= 1 beli) nousu tarkoittaa äänen tehon kymmenkertaistumista.

Elektroniikassa

Elektroniikassa desibeliä käytetään yleisesti paitsitehonmyösjännitteenjavirransuhteiden ilmoittamiseen. Jännitteitä (tai vastaavasti virtoja) verrattaessa on huomattava, että teho on verrannollinen jännitteenneliöönja jännitesuhdetta vastaavan tehosuhteen logaritmi saadaan kertomalla jännitesuhteen logaritmi kahdella. Jännitteen (tai virran) kymmenkertaistuminen vastaa siten tehon satakertaistumista eli 20 dB vahvistusta.

Radiotekniikassa

RadiotekniikassadBmtarkoittaa desibelimäärää suhteessamilliwattiin^[2].Tätä yksikköä käytetään erityisesti ammattielektroniikassa, kuten radiopuhelimissa. Vastaanottimen herkkyys saattaa olla esim. −105 dBm. Yhden milliwatin teho on 0 dBm. +30 dBm teho vastaa siis 1 000 mW eli yhden watin tehoa. VastaavastidBWeli desibeliwatti tarkoittaa desibelimäärää suhteessa wattiin.

dBftarkoittaa ’desibeliä femtowattiin verrattuna’. Vertailukohteena on siis 10⁻¹⁵W teho. Ero dBm-yksikköön on −120 desibeliä. 1 fW eli 0 dBf on siis −120 dBm ja vastaavasti 1 mW eli 0 dBm on +120 dBf. Yksikköä käytetään ilmaisemaan vastaanottimen herkkyyttä viihde-elektroniikan laitteissa, esim. stereovirittimissä. Syynä lienee se, että näin saadaan mainoksiin suuria positiivisia lukuja, jotka näyttävät asiantuntemattoman asiakkaan silmissä paremmalta kuin negatiiviset dBm-luvut. Tyypillinen virittimen herkkyys saattaa olla esim. +50 dBf, kun se dBm-lukemana olisi −70 dBm.

dBμVtarkoittaa desibelimäärää suhteessamikrovolttiin.Tätä käytetään esimerkiksi yhteisantenniverkoissa ilmaisemaan antenniliittimeltä saatavaa jännitettä.

Audioelektroniikassa

Käytössä on useita erilaisia dB-vertailuarvoja, koska alkuaikojen audiolaitteet pohjautuivat puhelinjärjestelmiin, jotka ovat edelleenkin löyhästi äänijärjestelmien lähtökohtana. Puhelinlinjojen impedanssi oli alun perin 600 Ω. Huomattiin, että kun linjalla kulkee tyypillinen keskustelu, se tuottaa noin 0,775 V tehollisjännitteen, kun impedanssi on 600 Ω. Tehona tämä tarkoittaa noin 1 mW tehoa (katso kaava alta), josta on johdettu vertailuarvo 0 dBm = 1 mW ja 0 dBv = 0,775 V / 600 Ω (dBv ei ole enää yleisessä käytössä).^[3]

$P=U^{2}/Z=(0,775)^{2}/600=0,001$

Ammattilaitteiden VU-mittarit olivat alun perin kalibroitu dBm-vertailuarvoon. Ne oli suunniteltu siten, että signaali, jonka tehollisjännite oli 0,775 V, saa mittarin neulan nousemaan 0 VU (eli 0 dBm). Tämä arvo on ns. normaali käyttötaso (tai SOL,standard operating level). Tällä tasolla signaali on riittävän voimakas kaikille äänilaitteen komponenteille tuottamatta säröä. Koska useimmat järjestelmät eivät ole enää suunniteltu 600 Ω impedanssia ajatellen, 0 dBv tilalle on otettu 0 dBu, jossa u tarkoittaaunspecifiedtaiunloaded(joka käytännössä jättää täysin huomiotta kytketyn linjan vastuksen, tai olettaa, että linjassa on korkea avoimen virtapiirin impedanssi). VU-mittareiden kanssa sarjaankytketään vastus, joka käytännössä muuttaa mittarin toimintaa siten, että se vaatii korkeamman +4 dBu tason, jotta mittari näyttää 0 VU. Tämä taso on nykyään kaikkien ammattilaitteiden standardi, joka tarkoittaa käytännössä 1,228 V tehollisjännitettä. Analogisissa lähetysmiksereissä 0 VU oli kalibroitu +8 dBu, eli 1,947 V tehollisjännitteeseen, mutta tätä standardia ei enää käytetä digitaalisissa lähetysmiksereissä.^[3]

Vaikka dBu ja dBm eivät enää ole täysin riippuvaisia toisistaan, yksiköitä käytetään vieläkin ristiin, joka johtaa siihen, että jotkin laitteet saavuttaakseen 0 VU-tason, tarvitsivat joko +4 dBm (tässä tapauksessa 0,775 V) tai +4 dBu signaalin. Tässä tapauksessa ainoastaan +4 dBu taso on oikein.^[3]

$+4({\mbox{dBu}})=20\log(U/0,775)\rightarrow {4 \over 20}=20\log(U/0,775)\rightarrow 10^{0,2}={\mbox{U}}/0,775\rightarrow {\mbox{U}}=0,775\cdot 10^{0,2}\rightarrow +4{\mbox{dBu}}=1,228{\mbox{V}}$

Kun ammattilaitteiden SOL on +4 dBu, kuluttajille suunnattujen laitteiden (esimerkiksi kotiteatterit tai CD-soittimet) SOL on noin -10 dBV. Tämä on ongelmallista siinä vaiheessa, kun laitteita kytketään ammattilaitteisiin; niiden tuottama signaali on heikompaa ja sitä joudutaan nostamaan. Tarvittava signaalin tehon nosto on tässä tapauksessa 12 dB (kaava alla), sillä vertailuarvot eivät ole samat.^[3]

$-10{\mbox{dBV}}=20\log({U \over 1})=0,316V$

$4{\mbox{dBu}}=20\log({U \over {0,775}})=1,228V$

$20\log({1,228 \over {0,316}})=12{\mbox{dB}}$

Laskutoimitukset desibeleillä

Desibelisuureiden yhteenlasku

Summattaessa keskenäänkorreloimattomiasuureita, joiden voimakkuus on ilmaistu desibeleinä johonkin vertailutehoon nähden, desibelit tulee ensin muuttaa tehoarvoiksi, jotka lasketaan yhteen ja summa muutetaan takaisin desibeleiksi.

Desibeliarvojen muuntaminen tehoarvoiksiP_itapahtuu kaavalla

$P_{i}=P_{0}\cdot 10^{(x_{i}/10)}$ ,

missä $P_{0}$ on vertailuteho, jax_iovat desibeliarvot, jotka tulee muuttaa tehoksi. Kun yhteistehoP_sumon selvillä, se voidaan muuttaa takaisin desibeliarvoksix_sumkaavalla:

$x_{sum}=10\log _{10}(P_{sum}/P_{0})$ .

Jos summattavien suureiden vertailutehot ovat samat niin koko lasku voidaan suorittaa kaavalla:

$x_{sum}=10\log _{10}(10^{x_{1}/10}+10^{x_{2}/10})$ ,

missäx₁jax₂ovat yhteenlaskettavien tehojen arvot desibeleinä.

Jos esimerkiksi tietokoneen tuuletin tuottaa 40 dB äänenvoimakkuuden niin kaksi tällaista tuuletinta yhdessä tuottaa 43 dB äänenvoimakkuuden.

Jos yhteenlaskettavat suureet korreloivat, lasku on monimutkaisempi.^[4]

Vahvistuksien yhdistäminen

Kun desibelejä käytetään ilmaisemaan signaalin vaimennusta tai vahvistustasarjaankytketyissäosajärjestelmissä, järjestelmän kokonaisvahvistus saadaan laskemalla osajärjestelmien vahvistukset yhteen. Jos esimerkiksi esivahvistimen vahvistus on 10 dB, ja päätevahvistimen vahvistus on 20 dB, niin vahvistimen kokonaisvahvistus on 30 dB.

Muita logaritmisia asteikkoja

Lähteet

↑Kari Pesonen:Ympäristömelun haittojen arvioinnin perusteita.(Sosiaali- ja terveysministeriön selvityksiä 2005:14.) Sivu 125.PDF(Arkistoitu– Internet Archive)
↑RF Power Values; CISCO
↑^a ^b ^c ^dDaniel M. Thompson:Understanding audio: getting the most out of your project or professional recording studio.Boston, MA: Berklee College of Music, 2018. 982089520.ISBN 978-1-4950-2875-5,1-4950-2875-5.Teoksen verkkoversio(viitattu 24.4.2023).
↑Variance Sum Law II - Correlated Variableslibretexts.org.Viitattu 3.5.2023.

Kirjallisuutta

Karjalainen, Matti:Kommunikaatioakustiikka.Suomenkielinen oppikirja. Espoo: TKK, Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio, 1999.ISBN 951-22-4412-8.
Pulkki, Ville & Karjalainen, Matti:Communication Acoustics – An Introduction to Speech, Audio and Psychoacoustics.Englanninkielinen oppikirja. New York: John Wiley & Sons, Ltd, 2015.ISBN 978-1-118-86654-2.Teoksen verkkoversio.

Aiheesta muualla

Pieni melutietopaketti (Luonnonsuojeluliitto)arkisto.sll.fi.Arkistoitu1.5.2005. Viitattu 6.4.2005.
Audiokirja, Audiotekniikan perusteitaari.lepoluo.to.

[1] Kari Pesonen:Ympäristömelun haittojen arvioinnin perusteita.(Sosiaali- ja terveysministeriön selvityksiä 2005:14.) Sivu 125.PDF(Arkistoitu– Internet Archive)

[2] RF Power Values; CISCO

[:0-3] Daniel M. Thompson:Understanding audio: getting the most out of your project or professional recording studio.Boston, MA: Berklee College of Music, 2018. 982089520.ISBN 978-1-4950-2875-5,1-4950-2875-5.Teoksen verkkoversio(viitattu 24.4.2023).

[4] Variance Sum Law II - Correlated Variableslibretexts.org.Viitattu 3.5.2023.

[1]

[2]

[3]

[4]

Desibeli

Sisällys

Akustiikassa