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:

${\displaystyle X_{\mathrm {dB} }=10\log _{10}{\bigg (}{\frac {X}{X_{0}}}{\bigg )}^{2}\,dB=20\log _{10}{\bigg (}{\frac {X}{X_{0}}}{\bigg )}\,dB}$

   vagy, ha a kérdéses mennyiség másodfokú függvénnyel fejezhető ki:   

${\displaystyle X_{\mathrm {dB} }=20\log _{10}{\bigg (}{\frac {Y}{Y_{0}}}{\bigg )}\,dB}$

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

${\displaystyle I_{\mathrm {dB} }=10\log _{10}\left({\frac {I}{I_{0}}}\right)^{2}\quad \mathrm {vagy} \quad P_{\mathrm {dB} }=10\log _{10}\left({\frac {P}{P_{0}}}\right)\ ,}$

ahol I₀ és P₀ a meghatározott erősség vagy teljesítmény referencia érték.

Példák

Példaként, ha P_dB 10 dB-lel nagyobb, mint P_dB0, P_dB ekkor P₀ tízszerese. Ha P_dB 3 dB-lel nagyobb, akkor a teljesítményarány nagyon közel van a kétszereshez (${\displaystyle 10^{3 \over 10}=1,99526}$).

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:

${\displaystyle I=p_{e}^{2}/\rho _{0}c\,}$

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:

${\displaystyle U_{\mathrm {dB} }=20\log _{10}\left({\frac {U_{1}}{U_{0}}}\right)\quad \mathrm {vagy} \quad p_{\mathrm {dB} }=10\log _{10}\left({\frac {p_{1}}{p_{0}}}\right)^{2}\ ,}$

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.^[1]

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”.^[2]

A NIST általános térmennyiségek számára az L_F, L_E betűjelet javasolja, a teljesítményszint számára az L_P jelet^[3]

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).^[4] 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".^[5][6] 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 milliárd környékén van. Mivel a teljesítmény a nyomás négyzetével arányos, a legnagyobb és a legkisebb teljesítmény között hozzávetőlegesen 1 és milliárd négyzete közé esik. A decibel skála használatánál a milliárd 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 (${\displaystyle 20\log _{10}(1\ \mathrm {atm} /20\ \mu \mathrm {Pa} )=194.09}$). 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.