A decibel (dB) két mennyiség arányának logaritmikus mértéke, amit széles körben használnak az akusztika, a fizika és az elektronika területén.
Eredetileg a teljesítmény vagy a térerősség arányaként használták, de mára általánosan elterjedt a mérnöki gyakorlatban. A decibelt széles körben használják a hang erősségének mérésére. A decibel mértékegysége és dimenziója egy, hasonlóan a százalékhoz.
Alkalmazásának több előnye van: szélsőségesen nagy és kicsi értékek összehasonlítását teszi lehetővé, egyszerű összeadásra és kivonásra egyszerűsíti le az arányokkal való műveleteket, valamint a decibel logaritmikus skálája megfelel az emberi halló- és látószerv működésének.
A bel és a decibel története A bel (jele: B) az egyik leggyakrabban használt egység a telekommunikációban, az elektronikában és az akusztikában. A Bell Telephone Laboratory mérnökei vezették be a „szabványos” telefonkábel 1 mérföld (1,6 km) hosszúságú szakaszán bekövetkező hangerősség-csökkenés mértékének meghatározásához. Eredetileg transmission unit vagy TU (átviteli egység, illetve ÁE) volt a neve, de 1923-ban vagy 1924-ben, a laboratórium alapítójának tiszteletére (Alexander Graham Bell) átnevezték a ma ismert névre.
Mindennapi használatra a bel mint egység túl nagynak bizonyult, ezért helyette a decibel (dB) – ami 0,1 bel (B) – terjedt el.
A bel használatos a zajteljesítményszintek mérésénél is. A Richter-skála által használt számok is tulajdonképpen belben vannak kifejezve (egység nélküli számok). A spektrometriában és optikában az elnyelés egységének mérésére (optikai sűrűség) használt egység megfelel −1 B-nek. A csillagászatban a csillagok fényességének mérésénél szintén logaritmikus skálát használnak, mivel a fényesség érzékelésénél az emberi szem – az emberi fül hangérzékeléséhez hasonlóan – logaritmikus érzékenységű.
Meghatározása A decibel két módon is meghatározható:
vagy, ha a kérdéses mennyiség másodfokú függvénnyel fejezhető ki:
ahol X0 a meghatározott referencia. A legtöbb esetben a referenciaérték éppen 1, és ezért nem kell használni. Néhányan a jobb érthetőség és konvenció miatt mégis használják.
Egy I erősség vagy P teljesítmény kifejezhető decibelekben a következő szabványos egyenletek alapján
ahol I0 és P0 a meghatározott erősség vagy teljesítmény referencia érték.
Példák Példaként, ha PdB 10 dB-lel nagyobb, mint PdB0, PdB ekkor P0 tízszerese. Ha PdB 3 dB-lel nagyobb, akkor a teljesítményarány nagyon közel van a kétszereshez ().
Hangerősség esetében I0 referenciának általában a 10−12 W/m² értéket választják, mivel ez közelítőleg az emberi hallásküszöb értéke. Ha ezt az értéket választják, akkor a mértékegységet "dB SIL"-nek (Sound Intensity Level – SIL) nevezik. Hangteljesítmény esetében, P0-t általában 10−12 W-nak választják, a mértékegységet pedig "dB SPL"-nek (Sound Pressure Level) nevezik.
Elektromos áramkörök Az elektromos áramkörökben az eldisszipált (veszteségként leadott) teljesítmény egyenesen arányos a V feszültség négyzetével, a hanghullámok esetében az átvitt teljesítmény is arányos a p nyomás amplitúdójának négyzetével. A tényleges, effektív hang nyomás kapcsolatban van az I hangerősséggel, a levegő sűrűségével ρ, valamint a c hangsebességgel, a következő képlet szerint:
Helyettesítve a feszültséget vagy nyomást, illetve referenciafeszültség- vagy nyomásértékeket, valamint átrendezve az egyenletet, és bevezetve a 10-es szorzót az erősség (intenzitás) és teljesítmény, illetve a 20-as szorzót a feszültség és áramerősség esetében, a következő egyenleteket kapjuk:
ahol U0 és p0 a feszültség, illetve nyomás meghatározott referenciaértékei. Ez azt jelenti, hogy 20 dB növekedéshez minden tényezőnek 10-szeres növekedése szükséges (feszültség vagy nyomás), vagy minden tényező 2-szeres növekedése közelítőleg 6 dB-es növekedést jelent. Meg kell jegyezni azonban, hogy a fizikában a decibel minden esetben csak teljesítményarányt jelent; helytelen a használata, ha az elektromos impedancia vagy az akusztikus impedancia nem azonos a mérési pontokon, ahol a két feszültséget vagy nyomást mérjük, a mérnöki gyakorlatban azonban elterjedt a használata.
Szabványok A decibel nem SI-egység, ennek ellenére a Bureau International des Poids et Mesures vagy International Committee for Weights and Measures ajánlja a felvételét az SI rendszerbe. Az SI konvenciókat követve, a d kisbetű, mint az SI deci- prefixum esetében, és a B nagybetűs, mint a többi, névből származó egység, a bel Alexander Graham Bell nevéből származik. Írott formában decibel.
A félreértések elkerülése érdekében a fizikai mennyiség nevében megadható, mire vonatkozik a decibel. Például: erősítés, csillapítás, feszültségszint, hangnyomásszint, hangintenzitás-szint stb. A BIPM nem engedi meg ennek a mértékegységnél való jelölését, tehát a dB jelnél: „Ezen mértékegységek használatánál a fizikai mennyiség természetét meg kell határozni, és a referenciafeltételeket is meg kell adni”. BIPM; nem SI-mértékegységek, i lábjegyzet
A NIST általános térmennyiségek számára az LF, LE betűjelet javasolja, a teljesítményszint számára az LP jelet
Előnyök A decibel használatának több előnye is van: Nagyon kényelmesen használhatók a decibel értékek például egymás után kötött erősítők erősítésének meghatározására, mert csak össze kell adni a számokat, és nem kell erősítési tényezőket szorozni. A hányadosok nagyon széles tartománya kifejezhető egy viszonylag kis, jól kezelhető számmal, ami még szemmel is láthatóvá tesz nagy mennyiségi változásokat. Az akusztikában a decibel, mint hányadosoknak egy logaritmikus skálán való értelmezése jól illeszkedik a logaritmikus érzékelésű hangosság- és hangerősség-változásokhoz. Más szavakkal: a hangosság minden szintjére igaz, hogy a növekedés decibelben mért értékét ugyanannyinak érzékeljük – például az emberek a 20 dB-ről 25 dB-re történő növekedést (hozzávetőlegesen) ugyanannyinak érzik, mint a 90 dB-ről 95 dB-re történő növekedést. Ezt a jelenséget Stevens teljesítménytörvénye néven ismerjük.
Használata Akusztika A decibel egy elterjedten használt mértékegység az akusztikában, a hangszintek mérésére, valamilyen 0 dB-hez képest. Általában, a hangerősséget mint hangnyomásszintet (sound pressure level – SPL) határozzák meg, 20 mikropascalhoz képest (20 µPa) gázokban, más közegek esetében pedig 1 µPa-hoz képest (az ANSI S1.1-1994 szabvány szerint).Glossary of Noise Terms – hangnyomás szint definíciója 20 µPa az emberi hallásküszöbre (nagyjából egy szúnyog repülésének hangja 3 méterről) vonatkozik. Gyakran a dB(SPL) egységet használják, ami magában foglalja a fenti referenciaértékhez való viszonyítást, bár többen javasolták, hogy a referenciaértéket ki kellene egészíteni a következők szerint: "100 dB re 20 µPa". A következőkben referenciaszintnek a 20 µPa-t tekintjük.
A decibel használatának az oka a fül azon képessége, hogy nagyon széles tartományt képes érzékelni. A hang okozta nyomásarány, ami még nem károsítja a fület (rövid idejű hatás) hozzávetőlegesen a millió környékén van. Mivel a teljesítmény a nyomás négyzetével arányos, a legnagyobb és a legkisebb teljesítmény között hozzávetőlegesen 1 és millió négyzete közé esik. A decibel skála használatánál a millió négyzetének logaritmusa 12, így az arányok változása ezen a skálán 0 és 120 dB közé esik.
Pszichológusok úgy tapasztalták, hogy a hangosság érzékelése közelítőleg logaritmikus; lásd a Weber–Fechner-törvényt. Más szavakkal: azonos mértékű hangosságnövekedéshez többszörös hangnyomás-növekedés szükséges. Ezért az hangerősítők erősítésszabályzóin a beosztások nem az erősítő (kimenő) feszültségét adják meg, hanem annak logaritmusát (így csaknem egyenletes a beosztás).
Különböző frekvenciakiemelések használata mellett megengedett a hang szintjének azonos kifejezése decibelben. A kiemelések hatására az akusztikus mérőberendezések érzékenysége megfelel a fül érzékenységének, adott frekvenciák és szintek mellett. A leggyakrabban az A és a C kiemelést használják a B és a Z típus mellett.
A levegőben a 85 dB feletti hangnyomás már veszélyes lehet, az ismétlődően jelentkező 85 dB-es hangnyomás már maradandó károsodást, míg a 120 dB-es akár azonnali dobhártya-károsodást (beszakadás) okozhat. Az ablakok hozzávetőlegesen 163 dB esetén törnek be. Repülőgép sugárhajtómű A-frekvenciakiemelés esetében kb. 133 dB-es nyomást hoz létre 33 méterről, vagy 100 dB-est 170 méterről. A légkörben atmoszferikus nyomáson egyszerű a kapcsolat a hanghullámok okozta nyomás és a teljesítmény között, hozzávetőlegesen igaz, hogy 1 atmoszférán, az SPL 194 dB ha a viszonyítási szint 20 µPa (). A nagynyomású hanghullámokat gyakran nevezik lökéshullámoknak; és bár hanghullámok, jellemzőik viszont nagyban eltérnek a normál hanghullámok jellemzőitől. Elvileg ezek a hangnyomások (földrengés vagy robbanás keltette) is kifejezhetők a decibelskálán, és így 194 dB-t meghaladó értéket is kapunk, de ekkor az értelmezéshez meg kell adni, milyen mennyiséget és hol mértünk, és át kell számolni SPL-re. A következő tábla kibővített változata megtalálható a makeitlouder.com webcímen.
dB(SPL)Forrás (távolság)194 Elméleti határ, hanghullám esetén, 1 atmoszféra környezeti nyomásnál180 A Krakatau vulkán robbanása 160 km-ről a levegőben 168 géppuska lövése 1 méterről150 repülőgép sugárhajtóműve 30 méterről140 pisztolylövés 1 méterről120 fájdalomküszöb; vonatkürt 10 méterről110 gyorsító motorkerékpár 5 méterről; láncfűrész 1 méterről100 légkalapács 2 méterről; diszkó belül90 üzemi zaj, kamion 1 méterről80 porszívó 1 méterről, zaj forgalmas utca járdáján70 erős forgalom 5 méterről66 normál beszélgetés60 iroda vagy vendéglő belül50 csendes vendéglő vagy az átlagos otthon belül40 lakóterület éjjel30 színházi csend; halk suttogás10 emberi lélegzet 3 méterről0 emberi hallásküszöb (egészséges fül esetén); egy szúnyog repülésének hangja 3 méterről
Meg kell jegyezni, hogy az objektumok által kibocsátott SPL – hangnyomásszint változik a távolsággal. A leggyakrabban használt „mérőobjektumok”, mint a sugárhajtómű vagy légkalapács, értelmezhetetlenek távolságinformáció nélkül. A mérés nem az objektum zaján, hanem az objektum által keltett zaj hatására, az objektumtól bizonyos távolságban lévő levegő egy pontjában lévő hangnyomás alapján történik. Szemlélet alapján belátható, hogy például egy vulkánkitörés keltette zaj a kráter közvetlen közelében sokkal hangosabb, mint tőle 5 km távolságból.
A hangnyomás szintek csak a megadott távolságokban valósak, a távolság növekedésével az értékek csökkennek és fordítva. Amennyiben a távolság ismeretlen, akkor gyakorlatilag nem lehet megbecsülni a hangnyomás szintjét. A mérésnél gyakran hivatkoznak a „fájdalomküszöb”-re vagy valamely korlátra, ami halláskárosodást okozhat, ha a fül egy bizonyos távolságnál közelebb van. A környezeti zaj mérésénél a távolság érdektelen, mivel a zajszint nagyjából állandó a tér minden pontján.
Ellenőrzött körülmények között, egy akusztikai laboratóriumban egy egészséges, gyakorlott emberi fül képes hallani 1 dB-es hangszint alatt is, főként egy frekvencián („tiszta hang”) és közepes frekvenciatartományban.
A fenti skálán az emberi hallás tartomány 0 dB(SPL) és nagyjából 140 dB (SPL) közé esik. 0 dB (SPL) a hallásküszöb egy egészséges, nem sérült hallás esetén, 1 kHz-en. 0 dB (SPL) nem jelenti a hangok teljes hiányát, és egészen különlegesen jó hallású emberek még hallanak hangot −10 dB (SPL)-nél is. A folytonos zaj 3 dB-es növekedése kétszeres hangteljesítmény-növekedést jelent, annak ellenére, hogy kísérletek alapján az emberi fül nagyjából 10 dB növekedést érzékel kétszeres hangosságnövekedésnek.
Munkavédelem