【声学基础】分贝、响度和声级的详细解读

更新内容：

（一）分贝（Decibel）

（二）响度和声级（Loudness and Level）

【基本概念】

1 分贝（decibel）

两个同类功率量或可与功率类比的量（比如电流平方、电压平方、质点速度平方、声压平方、位移平方、速度平方、加速度平方、力平方、振幅平方、场强平方、声强和声能密度）之比值的常用对数乘以10等于1时的级差。其单位符号为dB。

2 声级/计权声级（sound level）

（电声词典）声级计上以分贝表示的读数（它是相应于全部可听声频率范围内按规定频率计权和积分时间而测得的声压级），即为声场中某一点的声级。

3 响度(Loudness)

（电声词典）听觉判断声音强弱的属性，根据它可以把声音排成由轻到响的序列。人耳感觉的响度主要取决于声音的强度（但与声音的频率和波形也有关），其单位是宋。

【正文】

   音频从业者需要具备多学科知识储备，本章旨在为音频从业者建立基础理论知识体系。本小节主要介绍关键基础知识点：分贝与声级。

（一）分贝（Decibel）

   分贝是一种以人类听觉感知为基础来表达“强度”的量化方式。我们大多数人习惯用线性思维看待物理变量，但这种线性关系在人类听觉感知中并不成立。人们对声音响度和频率的感知变化，本质上是基于相对于初始条件的百分比变化。这意味着音频工程师关注的是比例关系（特定比例总能产生相同的效果）。主观测试表明，扬声器功率需提升约26%才能产生可听的变化。因此无论初始功率多大，1.26：1的比例都能实现最小的可听变化。

   出于简化考虑，音频领域通常采用以10为底的对数系统。以放大器功率为例，通过计算目标参数（功率：瓦特）的变化率并取以10为底的对数，即可得出两个不同瓦特值之间的电平变化量，该数值以dB为单位表示。对数转换通过查找表或科学计算器实现，其作用有二：

1.将比例关系转化为更符合人类听觉的对数刻度；

 

2.使极大数据能以更简洁的形式呈现（见图2-1）。

 

 

执行分贝转换的步骤如上图2-2所示。

   分贝始终是一个与功率相关的比率。电气和声学功率的变化可以按照上述方式精确地转换。非功率量必须与功率成比例——这是由功率方程建立的关系所决定的，这要求在计算比值之前，对电压、距离和压力进行平方运算。

其中，W是功率（瓦特），E是电压（伏特），R是电阻（欧姆）。

 

 

上图2-3给出了部分dB变化的列表以及产生指示dB变化所需的电压、压力、距离和功率的比值，需要我们努力记住加粗显示的变化，并能够通过听觉识别它们。我们大致解读细节如下：

   （1）低改变量[勉强可察觉“Barely perceptible”]：可参考量（电压、声压等）比值1.21:1（对应原始值）时，功率比值1.26:1，分贝变化1dB。说明1dB通常是人类听觉系统勉强可以察觉的声阈值。

   （2）中等变化量[多数人可察觉“Noticeable to most”]：可参考量（电压、声压等）比值1.41:1（对应原始值）时，功率比值2:1，分贝变化3dB。

   （3）继续加大改变量[随系统调节目标“Goal for system changes”]:可参考量（电压、声压等）比值2:1（对应原始值）时，功率比值4:1，分贝变化6dB。

   （4）显著改变量[变化“Twice as lound or soft”]:可参考量（电压、声压等）比值3.16:1（对应原始值）时，功率比值10:1，分贝变化10dB。

   （5）极限改变量[听觉极限“Limits of audibility”]:可参考量（电压、声压等）比值100:1（对应原始值）时，功率比值10000:1，分贝变化40dB。

 

当我们比较两个相同单位的任意量时，结果是相对强度（相对dB对于现场工作很有用）的变化；若在比值的分母中使用标准参考量，则得到的是绝对强度（绝对dB对于设备规格和校准很有用），此时该单位即为相对于原始基准的分贝值单位。上图2-4列出了用于确定绝对强度dB的部分基准参考参数。

   最初，分贝应用于阻抗匹配接口，并始终与功率参考值相关联。现代音响系统中，很少有设备接口采用阻抗匹配设计，它们实际上通过非匹配结构来优化元件间的电压传输。虽然各设备接口的阻抗并不相同，但可能具备相同的阻抗条件。若输出阻抗与输入阻抗之间存在至少1：10的开路比例关系，则电压传输基本不受实际阻抗值的影响。这种接口被称为恒压接口，此时信号源处于开路或未端接状态。在使用分贝测量恒压接口时，需假设系统处于开路条件。由于在现代模拟系统中几乎普遍存在开路条件，这意味着系统输出端的电平变化仅仅源于处理链路中某处的电压调节的变化，而不取决于其产生的电阻或功率传输。因此使用分贝和电压参考的做法是一种被广泛接受的普遍现象。

   而分贝的另一个重要功能是为信号链各环节电压变化引起的音量变化提供了统一的衡量标准。基于各设备线性工作条件的假设，通过分贝，我们可以根据扬声器前级设备的输出电压变化，准确判断听音位置的声强变化。例如，当麦克风输出电压翻倍时，从麦克风到混音器、信号处理器、功率放大器，最终到达听音位置的声强会增加6分贝。麦克风声强增加6分贝可能源于说话者提高6分贝的音量，也可能仅仅是因为将拾音距离缩短一半（即2：1的距离比）。音频设备的音量控制通常采用相对dB校准。当推子移动6分贝时，设备（及系统）的输出电压会翻倍，而输出功率则会增加四倍。

   绝对功率等级可用于对音频设备进行评级。功率放大器能够产生100瓦的连续功率，其额定值为

  这意味着放大器的功率可以比1瓦的放大器高出20分贝。一个在过载前可输出10伏的混频器，其额定功率为

 

  如果同一混频器在零点处输出1伏特均方根电压，则该混频器在零点上方具有20分贝的峰值声压。

   若扬声器在1米处可产生90分贝参考值（20μPa，微帕斯卡）的声强，则在10米处其声强将达到

 

 

简而言之，分贝表示：“由改变一个量所引起的水平差异将取决于该量的初始值和它被改变的百分比”。

它架起了物理参数变化量与人类听觉感知响度变化之间的桥梁。

 

（二）响度和声级（Loudness and Level）

   声音事件的感知响度与其声学强度相关，而声学强度又与驱动扬声器的电学强度相关。强度（即电学或声学压力或功率）以分贝为单位表示。在人耳线性工作范围内，听觉系统会将强度增加视为响度提升。由于耳膜是压力敏感器官，存在一个临界阈值，在此阈值以下信号可与背景噪声区分开来。该阈值约为中频段环境压力偏离20μPa。以这个数值为基准并转换为分贝单位，即

 

这一数值被广泛认可为人类中频听力阈值。声压级始终以分贝为单位，基准值为0.00002帕斯卡。声功率级则以分贝为单位，基准值为1皮瓦（10^-12W)。

 

 

上图2-6展示了音频从业者关注的典型声压级参数。

【Reference】

Fundamentals of Audio and Acoustics by Pat Brown

《电声词典》第二版

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