電磁兼容入門篇之」分貝「，你理解的不過是冰山一角

1、衆人眼中的分貝

小賈說：「分貝……好像是形容聲音大小的吧，反正是某個單位。」

「對對對！我前幾天剛測了噪音，就是用分貝來衡量的，額，不對，後面好像還有個括號dB（A）…」同事小偉迷茫了。

「不對吧？我記得測量接收機的測量值也是用分貝來表示的，那個應該不是指聲音」小黃接話道。

其實，他們說的都對又都不對，分貝並不只僅是一個單位，更是描述某比值時的一種對數表達方式。

2、分貝的前因後果

知道貝爾嗎？哪一個貝爾？…沒錯，就是發明了電話的那個，

貝爾先生雖以發明電話著稱於世，但也是他，發現咱們人類耳朵對聲音強度的反應是成對數形式，大體意思就是當聲音的強度上升到某一限值時，人的聽覺會變的相對鈍化，這就使得能夠用對數的單位來表示人耳的特性，世人爲了記念這一傑出發現而命名爲Bell（貝爾）。

然而，在後續的實際應用中因爲Bell（貝爾）這一單位在描述時有些略大，就好比咱們的單位kV（實際生活中接觸到的電壓大部分都爲伏級），因此就產生了更小的十分之一級的單位：decibel（分貝）。英語中deci 是十分之一的意思，將deci ＋ bel結合即成decibel。而這又能夠簡寫爲dB。

注意：dB前面的「d」是小寫，然後面的「B」 是爲了表示對貝爾的記念和尊重應大寫。

3、如何定義分貝？

聲學方面：咱們知道，聲音本質上也是一種波。聲音經過空氣傳播，經過空氣分子的振動傳到了咱們耳朵裏，繼而引起人耳鼓膜的振動，這樣咱們才得以聽到聲音。因此，聲音的大小，其實反映的是聲波振動的強度。

因爲空氣振動會引發大氣壓強的變化，因此確切地說，咱們應該用壓強變化的程度來描述一個聲音的大小，這就是聲壓(SPL,Sound Pressure Levels)的概念，它的單位是Pa（帕斯卡）。

好比：咱們平常談話的聲音大約是2*10^-2 Pa；酒吧的聲音約爲2Pa，

細心地你就會發現二者居然相差百倍之多，但咱們彷佛感受差異並無百倍這麼巨大。因此用聲壓來描述聲音強度雖然表述更爲準確，但卻與咱們的平常感受存在不小的出入。所以聲學引入分貝做爲聲壓的測量量，這就是咱們常見的dB（SPL）的由來。

分貝是以下定義的：設定某一聲壓值爲「標準值」（0分貝），標準值換算爲咱們上述所說的聲壓是2×10^-5 Pa（20μPa），這也是人耳在1000Hz這個頻率下能聽到的最小的聲音，說形象點大體至關於3米外的一隻蚊子在飛。咱們將這個值看作是參考值（Vref），給定其餘任何一個聲音，將這個聲音的值除以標準值，而後對結果取以10爲底的對數，再乘以20，這樣獲得的結果就是給定聲音的分貝。寫成公式就是：

說了這麼多幹枯的概念，仍是舉個例子讓你們更直觀地感覺一下：

好比對於上面的兩個例子，你們能夠依據公式進行簡單計算下，那麼平常談話聲音換算過來就是60分貝，酒吧的聲音是100分貝，這樣不只方便計算，並且比較符合通常人的聽覺感覺。

事實上，不少人聽不到上述「標準值」的聲音。根據世界衛生組織的定義，若是一我的能聽到的最小聲音在25分貝如下，就屬於正常聽力。

平常生活中的聲音：

總結一下：

經過上面對「分貝」的描述，咱們會發現：

1.「分貝」並不反映聲音的絕對響度，它是以某一個聲音爲基準，描述聲音響度的相對關係。科學一點說，它把一個指數增加的物理量轉換成了線性增加的物理量，便於計算。

2.「0分貝」並不表明「沒有聲音」，它只是通常認爲人類能聽到的最小聲音而已。徹底有可能有比0分貝還弱的聲音（好比4米外的一隻蚊子），那就是負分貝了。

3.上面提到的2×10^-5 Pa，是用於計算「在空氣或其它氣體中傳播的聲音」時使用的標準值。當計算經過水等液體介質傳播的聲音時，就要採用不一樣的標準值（水爲1×10^-6Pa即1μPa）。這意味着，若是有一樣分貝的空氣中的聲音和水下的聲音，它們各自表明的聲壓強度是不同的哦。

4、dB在EMC測試中的應用

這纔是重中之重，還記得嗎？咱們上篇文章有提到測量接收機也會以dB來顯示測試結果，那麼咱們爲何在EMC測試中要用dB呢？採用dB來表示又有什麼優勢呢？

聲音的「分貝」概念我想你們都已經瞭解，給定聲音的值除以參考值，而後對結果取以10爲底的對數，再乘以20獲得的即爲聲音的分貝。功率公式會有點小不一樣：聲波也能夠看作是一種能量，它的功率（P）比是聲壓（p）比的平方。即功率10*log（P2/P1）=10*log（p22/p12）=20*log（p2/p1），也即功率分貝是聲壓分貝的兩倍。

例如：甲功率比乙功率大一倍，那麼以乙的功率爲基準值，甲的功率分貝爲10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是說，甲的功率比乙的功率大3 dB。

那麼一樣地，「分貝」做爲EMC測試的一個計量單位也是一個表徵相對值的量：測量物理量除以參考量，而後對比值取以10爲底的對數，再乘以10（功率值）或者20（電壓或電流值）。

而這意味着採用「分貝」可使物理量之間較複雜的乘除及方冪運算轉換爲對數之間簡單的加減運算，由於對數的存在，哪怕兩個功率之間存在較大的數量級差別，它們的分貝差也只是很小的數字。好比：當P2=1000000000P1時，二者分貝只差90dB而已，所以，「分貝」還具備壓縮數據的特色，可提升測量計算的精確性，基於此，咱們在EMC測試中也常以「分貝」來做爲計量單位。

瞭解了以上後咱們再來看看電磁兼容測試中常見的參考量以及與測量值「分貝」的換算關係：

 

1. dBm

dBm即dB毫瓦，是用分貝來表示功率的一種方式，也叫做功率電平。

dBm=10*log(P/0.001(W))，P爲所測功率值瓦（W）。如：1mW=10*log(0.001W/0.001W)=0dBm， 10mW=10*log(0.01W/0.001W)=10dBm。

2. dBμV

dBμV即dB微伏，是用分貝來表示電壓的一種方式，也叫電壓電平。

dBμV=20*log（U/1(μV)），Ｕ表明須要測量的絕對電壓值，單位爲伏（V）。如：

1μV=20*log（1μV/1(μV)）=0 dBμV。

 

3. dBW

dBW=10*log(P/1(W))，dBW = dBm–30

 

5、dB的計算公式

1.電壓（電流）放大倍數分貝數定義：K=20lg(Vo/Vi)，其中K爲放大倍數的分貝數，Vo爲信號輸出值，Vi爲信號輸入值；

2.功率放大倍數分貝數定義：K=10lg(Po/Pi)，其中K爲放大倍數的分貝數，Po爲放大信號功率輸出，Pi爲信號功率輸入；

3.對於放大器：輸出與輸入的比值即爲放大倍數，當改用「分貝」作單位時，放大倍數就稱之爲增益，因此之後在看到「增益」時，咱們知道這是說放大倍數的意思，只是一個概念的兩種不一樣叫法而已。

增益爲0dB時，無放大；增益爲3dB時，電壓或者電流放大倍數約爲1.4，功率放大倍數爲2；增益爲6dB時，電壓或者電流放大倍數約爲2，功率放大倍數爲4；……

放大倍數（*倍）

增益dB（電壓/電流）

增益dB（功率）

1

0.0

0.0

2

6.0

3.0

3

9.5

4.8

4

12.0

6.0

5

14.0

7.0

6

15.6

7.8

7

16.9

8.9

8

18.1

9.0

9

19.1

9.5

10

20.0

10.0

11

20.8

10.4

12

21.6

10.8

13

22.3

11.1

14

22.9

11.5

15

23.5

11.8

16

24.1

12.0

17

24.6

12.3

18

25.1

12.6

19

25.6

12.8

20

26.0

13.0

21

26.4

13.2

22

26.8

13.4

23

27.2

13.6

24

27.6

13.8

25

28.0

14.0

26

28.3

14.1

27

28.6

14.3

28

28.9

14.5

29

29.2

14.6

30

29.5

14.8

31

29.8

14.9

32

30.1

15.1

33

30.4

15.2

34

30.6

15.3

35

30.9

15.4

36

31.1

15.6

37

31.4

15.7

38

31.6

15.8

39

31.8

15.9

40

32.0

16.0

1-40倍放大對應的電壓/電流、功率增益表（dB）

 

物理量

參考量

相應的分貝量

分貝量的名稱

測量值分貝數計算公式

電壓

1μV

0 dBμV

微伏分貝

dBμV=20lg（測量值/1μV）

電流

1μA

0 dBμA

微安分貝

dBμA=20lg（測量值/1μA）

電場強度

1μV/m

0 dBμV/m

微伏每米分貝

dBμV/m=20lg（測量值/1μV/m）

磁場強度

1μA/m

0 dBμA/m

微安每米分貝

dBμA/m=20lg（測量值/1μA/m）

輻射功率

1pW

0 dBpW

皮瓦分貝

dBpW=10lg（測量值/1pW）

常見的參考量及測量量計算公式

（1）關於－3dB

上面咱們看到的都是正值，那麼什麼是－3dB呢？爲何又要特別說明一下這個數值呢？

測量值若是大於參考值，那麼獲得的增益爲正數字，反過來若是測量值小於參考值，獲得的增益天然就爲負數，-3dB也叫半功率點或截止頻率點。隨着輸入頻率上升，放大電路的電壓放大倍數將降低，當電壓幅度降至最大值的0.707倍時的頻率，爲截止頻率。這時功率值剛好是最大功率的一半因此又稱爲是半功率點。而用分貝表示正好降低了3dB。

如圖：假設f0爲1kHz，則對應的Bandwidth 範圍fL ~ fH 爲0.707kHz~1.414kHz. 這個從圖上看不出來。

根據電壓幅度計算：20log(0.707)=－3dB ，根據功率計算：10log（0.5）=-3dB，對應的頻率稱爲上截止頻率，咱們常說的-3dB帶寬也就是指電壓降低到幅值的0.707倍或功率降低到一半時對應的頻帶寬度。

（2）dBmV 、dBµV與dBm的換算

咱們已經知道：

dBμV=20lg（測量電壓/1μV） ---（1）

dBmV=20lg（測量電壓/1mV） ---（2）

dBm=10lg（測量功率/1mW） ---（3）

由 測量功率=測量電壓^2/阻抗 ---（4）

可知：

測量功率*阻抗=測量電壓^2 ---（5）

將（5）式代入（3）式可得：

測量功率=（10^（dBm/10））/10^3---(6)

由（2）式可知：

測量電壓=（10^（dBmV/20））/10^3---(7)

將（6）、（7）式代入（4）式可得：

dBmV=10lg（阻抗*1000）+dBm ---（8）

 

當阻抗值取50Ω時:

dBmV=46.9897+dBm50Ω---（9）

當阻抗值取75Ω時:

dBmV=48.7506+dBm75Ω---（10）

同理能夠獲得 dBµV 到dBmV 之間的關係以下，

dBμV=20lg（1000）+dBmV=60+dBmV ---（11）

好了公式就總結完了，沒記住？不要緊！這些公式你們之後都會常用的，用到時記得過來查閱就行了，Practice makes perfect！

 

舉個例子鞏固一下：

例如：有一個50歐的功率放大器，其輸出功率爲50dBm，求其輸出電平（以μV爲單位）？

答：由公式（9）可知，輸出電平=47+50=97dBmV；再由公式（11）可知，

輸出電平=97+60=157dbμV。