《振動噪音科普專欄》甚麼是dB?


dBdecibel,中文翻譯是「分貝」。有看到「聲音壓力位準」是dB,也有「聲音功率位準」、「聲音強度位準」都是dB,看起來是不同的「物理量」(physical quantity)甚麼是「感測器」(sensor)及物理量(physical quantity)】,為什麼都用dB表示?dB是單位符號嗎?dB的意義為何?還有,好像也有加速度(acceleration)、速度(velocity)、位移(displacement),甚至力(force)也是寫成dB的單位?為什麼呢?

在先前的單元:【為什麼噪音值是「分貝」?】,已經介紹了「聲音壓力位準」(Sound Pressure Level, SPL),單位:dB,分貝(decibel)。分貝值更精確、完整的單位表示,應該寫成:dB re 20μPa,英文唸法:decibel with respect to 20 micro Pascal。中文說法:20μPa為參考值的分貝值

「聲音壓力」(Pa)轉換成「聲音壓力位準」分貝(dB)的定義如下:

SPL = 20*Log10 ( P / Pref)

其中,

l   SPLsound pressure level,「聲音壓力位準」,單位:dB,分貝(decibel)
l   P是所度量的「聲音壓力」,單位:Pascal,簡寫Pa ,帕斯卡,簡稱帕。
l   Pref 是「聲音壓力參考值」,20μPaμ10的負6次方,micro的代號。一般認知:如果是1000Hz的純音時,20μPa的聲音壓力值是人耳剛好可以聽到聲音的量值,所以就採用Pref=20μPa

由以上SPL的定義,我們可以寫出「物理量」轉換為「dB」的通式如下:

dB = 20*Log10 ( X / Xref)

其中,X是所要轉換的「物理量」,Xref是「該物理量的參考值」。參閱圖示,共列出了7種物理量的dB轉換表示式,以及其單位表示方式和對應的「物理量參考值」,包括:

1.          加速度位準(acceleration level):單位表示為dB re 1 μm/s^2
2.          速度位準(velocity level):單位表示為dB re 1 nm/s
3.          位移位準(displacement level):單位表示為dB re 1 pm
4.          聲音壓力位準(sound pressure level):單位表示為dB re 20 μPa
5.          聲音功率位準(sound power level):單位表示為dB re 1 pW
6.          聲音強度位準(sound intensity level):單位表示為dB re 1 pW/m^2
7.          外力位準(force level):單位表示為dB re 1 μN

上述的單位表示中,μmicro,代表10的負6次方。nnano,代表10的負9次方。ppico,代表10的負12次方。μnp都是「數量級代號」,讀者可以回顧一下先前單元:【單位符號的組成:數量級代號+單位代號】。

由以上的討論,綜合「物理量」轉換為「dB」的重點如下:

1.          「物理量」轉換為「dB」的轉換通式,基本上都是有一個參考值,實際度量的物理量除以參考值後,取10為底的對數(logarithmic)運算,再乘以20。唯二除外是:「聲音功率位準」、「聲音強度位準」,都是乘以10
2.          將「物理量」轉換為「dB」的意義:將數量級大的數字量值,經過對數處理可以轉換為較小數值,以聲音及振動來說,換算成dB與人體的感受度是比較能感受其大小程度的相關性。例如:由先前單元:【怎麼看「等響度曲線」?】,以1000Hz的純音而言,音量大小相差10dB,就大約是兩倍響度的差異。所以音量大小都以dB來表示,容易感受聲音的量值範圍。
3.          dB嚴格說來,只是一種量值的表示方式,將實際的「物理量」數值,取了對數處理,真正的單位是dB後面的 with respect to 對應的參考值。因此,不同的「物理量」確實都可以以dB來表示其單位,須注意都要加入參考值的標示。
4.          當表示成dB的方式,該物理量都稱為「位準」(level)。例如:加速度位準、速度位準、外力位準等。因此,看到了「位準」,就要注意對應的「物理量參考值」是甚麼。
5.          「物理量參考值」不同,所轉換得到的dB值,就會不同。例如:參考圖示中的「加速度位準」其「參考值」是10的負6次方m/s^2,此乃根據ISO 1683的定義。但是,JIS,定義「加速度位準」之「參考值」是10的負5次方m/s^2。因此,會有相同的加速度量值,由於「加速度位準」之「參考值」定義不同,所得到的dB數值,就不同。

本單元探討了不同「物理量」的dB轉換及定義方式,希望對讀者有幫助。

以上個人看法,請多指教!

王栢村
2018.04.10






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