แนวคิดพื้นฐานเดซิเบลและการใช้งานในระบบเสียง

Decibel and Sound Concept

Decibel and Sound Concept (แนวคิดพื้นฐานเดซิเบลและการใช้งานในระบบเสียง)

ระบบการวัดของ level ส่วนใหญ่มักเริ่มจากแรงดันไฟฟ้า(voltage amplitude). Relative level จะเปลี่ยน ณ จุดที่กำหนดและสามารถสังเกตได้บน voltmeter scale เมื่อเราทราบว่า

ซึ่งจะเป็นจริงได้ถ้าค่าทั้งสองถูกวัดที่จุดเดียวกันในวงจรเหล่านั้น การใช้งานโดยทั่วไปแล้วจะลบเลขชี้กำลัง(exponent) ออกจากอัตราส่วน(ratio) และนำไปใช้กับการคูณ

ดังนั้นโปรดจำไว้ว่า เดซิเบล(decibel)นั้นขึ้นอยู่กับ power ratio เสมอ อัตราส่วนอื่นๆ(เช่น แรงดันไฟฟ้า(voltage), กระแสไฟฟ้า(current), หรือแรงดันเสียง(sound pressure)) จะต้องเปลี่ยนเป็น power ratio โดยการยกกำลังสองแล้วแปลงเป็นระดับพลังงานในเดซิเบล

1.1 Converting Voltage Ratios to Power Ratios (การแปลง voltage ratio เป็น power ratio)

ช่วงเทคนิคทางด้านเสียงหลายท่านสับสนกับความจริงที่ว่า การเพิ่มความต่างศักย์หรือแรงดันไฟฟ้า(voltage)เป็นสองเท่าจะทำให้เพิ่มขึ้นถึง 6-dB ในขณะที่การเพิ่มกำลัง(power)เป็นสองเท่าจะเพิ่มขึ้นเพียง 3-dB รูปที่ 2.1 แสดงให้เห็นถึงสิ่งที่เกิดขึ้นว่า ถ้าเราตรวจสอบทั้ง voltage และ power ไปพร้อมกัน ในวงจรที่เราเพิ่ม voltage เป็นสองเท่า โปรดจำไว้ว่า สำหรับการเพิ่ม voltage เป็นสองเท่า power จะเพิ่มขึ้นสี่เท่า

1.2 The dBV

หนึ่งในข้อผิดพลาดที่พบบ่อยมากที่สุดเมื่อใช้เดซิเบลคือ การพิจารณาว่ามันเป็นอัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้า(voltage ratio) (เช่น เดซิเบลจำนวนมากที่สูงหรือต่ำกว่า reference voltage) เมื่อต้องการรวบรวมข้อผิดพลาด ผลลัพธ์จะถูกพาดพิงเป็น level คำว่า level จะถูกสงวนไว้ใช้สำหรับ power คือ การเพิ่มขึ้นใน voltage magnitude นั้นถูกเรียกว่า “amplification.”

อย่างไรก็ตาม เดซิเบลสามารถใช้ได้อย่างถูกต้องกับ voltage reference. Reference เท่ากับ 1.0 V. เมื่อ voltage magnitudes อ้างอิงถึง logarithmically พวกมันจะถูกเรียกว่า dBV (เช่น dB มากกว่าหรือต่ำกว่า 1.0 V) การใช้งานนี้ถูกต้องตามกฎหมายเนื่องจากการตรวจวัดทั้งหมดถูกทำขึ้นในวงจรเปิดและสามารถเปลี่ยนแปลงเป็นระดับพลังงาน (power level) ได้อย่างง่ายดายที่ส่วน impedance interface ใดๆ

คำจำกัดความต่อไปนี้มาจากพจนานุกรมมาตรฐาน IEEE ของ Electrical และ Electronics Terms, Second Edition :

1.2.1

Voltage Amplification (1) (Generally). การเพิ่มขึ้นในสัญญาณ voltage magnitude ในการส่งจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งหรือกระบวนการของมัน ดูเพิ่มเติม amplifier. 210 (2) ทรานสดิวเซอร์(transducer). scalar ratio ของ signal output voltage ต่อ signal input voltage. ข้อควรระวัง: การขยายของศัพท์เดซิเบลอย่างไม่ถูกต้อง, ratio นี้ บางครั้งก็แสดงเป็นเดซิเบลโดยการคูณลอการิทึมของมันด้วย 20 ในปัจจุบันมันอาจจะแสดงใน decilogs หมายเหตุ: ถ้าหาก input และ/หรือ output power ประกอบไปด้วยมากกว่าหนึ่งองค์ประกอบ เช่น multifrequency signal หรือ เสียงรบกวน ดังนั้น หลายความถี่ต้องระบุส่วนประกอบเฉพาะที่ใช้และน้ำหนัก ดูเพิ่มเติมที่: Transducer

1.2.2

Decilog (dg). มาตราส่วนของลอการิทึมสเกล(logarithmic scale) ใช้สำหรับการวัดค่าลอการิทึมของอัตราส่วนของสองค่าของปริมาณใดๆ หมายเหตุ: ค่าของมันคือจำนวนของ decilogs เท่ากับ 10 เท่าของลอการิทึมต่อรากที่ 10 ของอัตราส่วน. เพราะฉะนั้น 1 decilog จึงสอดคล้องกับอัตราส่วนของ 10 0.1 (นั่นคือ 1.25829)

1.3 The Decibel as a Power Ratio

โปรดทราบว่า 20 W/10 W และ 200 W/100 W ทั้งสองนี้มีค่าเท่ากับ 3.01 dB, ซึ่งหมายความว่า power ratio ที่เป็น 2 ต่อ 1 (2:1) นั้นยังคงมีอยู่ แต่ไม่มีการเปิดเผยค่า power ที่แท้จริง หูของมนุษย์จะได้ยินความแตกต่างเล็กๆน้อยๆระหว่าง 1 และ 2 W เหมือนกันกับระหว่าง 100 และ 200 W

การเปลี่ยนเดซิเบลกลับเป็น power ratio(อัตราส่วนพลังงาน) (แบบ exponential หรือรูปชี้กำลัง) จะเหมือนกับลอการิทึมใดๆที่มีการเพิ่มตัวคูณเข้าไป(รูปที่ 2.2) ลูกศรในรูปที่ 2.2 แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนตำแหน่งของปริมาณ(quantities) ตารางที่ 2.1 แสดงจำนวนของเดซิเบลที่สอดคล้องกับอัตราส่วนกำลังไฟฟ้า(power ratio)ต่างๆ

1.4 Finding Other Multipliers

บางครั้งใน acoustics เราอาจจำเป็นต้องใช้ตัวคูณมากกว่า 10 หรือ 20 เมื่อเรารู้ว่า Δ dB(จำนวนของ dB สำหรับเปลี่ยนอัตราส่วน 2:1) ให้คำนวนตัวคูณด้วย

รูปที่ 2.2 การแปลง dB จากรูปแบบลอการิทึมเป็นรูปแบบเลขชี้กำลัง

ตัวอย่างเช่น หากเปลี่ยน 2:1 ให้เทียบเท่ากับ 3.01 dB จะได้

หากเปลี่ยน 2:1 ให้เทียบเท่ากับ 6.02 dB จะได้

และสุดท้าย หากเปลี่ยน 2:1 เทียบเท่ากับ 8 dB จะได้

สำหรับ Δ dB ใดๆที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงอัตราส่วน 2:1 ที่รวมกับลอการิทึมต่อฐาน 10 นี่อาจจะถูกทำให้ค่าลดลง

1.5 The Decibel as a Power Quantity

เราได้เห็นแล้วว่า เดซิเบลจำนวนหนึ่งนั้นเป็นเพียงอัตราส่วนเท่านั้น ด้วยการให้ references ใดๆก็ตาม (เช่น 50 W) เราสามารถใช้เดซิเบลเพื่อหาค่าสัมบูรณ์ได้ ข้อมูลอ้างอิงมาตรฐาน(A standard reference) สำหรับกำลัง(power)ใน audio work คือ  W (0.001 W) หรือ x V across Z Ω โปรดจำไว้ว่า เมื่อ level แสดงเป็นวัตต์(wattage) มันจึงไม่จำเป็นต้องระบุอิมพีแดนซ์(impedance) แต่เมื่อมันถูกระบุเป็นแรงดันไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ไฟฟ้า(voltage) อิมพีแดนซ์(impedance) จึงจำเป็นต้องระบุด้วย กำลังนี้ถูกเรียกว่า 0 dBm. ตัว m เล็ก แทนคำว่า มิลลิวัตต์(milliwatt, 0.001 W) หรือ 1 ใน 1000 ของวัตต์

1.6 Example(ตัวอย่าง)

กำลังในวัตต์(power in watt) ที่สัมพันธ์กับ + 30 dBm มีการคำนวนดังนี้

สำหรับกำลังของ -12 dBm:

แรงดันไฟฟ้า(voltage) ที่เป็น 600 Ω จะได้

โปรดจำไว้ว่า ระดับพลังงานที่ -12-dBm สามารถปรากฎขึ้นได้ในทุกอิมพีแดนซ์(impedance) และจะเป็นระดับพลังงานเดียวกันเสมอ แรงดันไฟฟ้า(voltage) จะแปรผันหรือแตกต่างกันเพื่อรักษาระดับพลังงานนี้ไว้ ในระบบ constant voltage ระดับพลังงานจะแตกต่างกันไปตามการเปลี่ยนแปลงของอิมพีแดนซ์(impedance) ในระบบ constant current แรงดันไฟฟ้า(voltage) จะเปลี่ยนไปตามความแตกต่างของอิมพีแดนซ์(impedance) (เช่น -12dBm across 8Ω =  = 0 022 V).

2 Measuring Electrical Power(เครื่องวัดการใช้พลังงานไฟฟ้า)

เมื่อ W คือกำลังในวัตต์, E คือแรงเคลื่อนไฟฟ้า(electromotive force) ในค่าเฉลี่ยกำลังสอง(rms volts), I คือ rms amperes ที่หมุนเวียนอยู่, Z คือ ขนาดของอิมพีแดนซ์(impedance)ในโอห์ม(ohms) [ใน audio (AC) วงจรไฟฟ้า Z (อิมพีแดนซ์) ถูกนำมาใช้แทนที่ R (ความต้านทาน AC)] และ θ คือความแตกต่างของ phrase ระหว่าง E และ I เป็นองศา(degrees)

สมการเหล่านี้ใช้ได้กับ single frequency rms คลื่นไซน์(sine wave) แรงดันไฟฟ้า(voltage) และกระแส(currents) เท่านั้น

2.1 Most Common Technique(เทคนิคที่ใช้บ่อยที่สุด)

1. Measure Z and θ
2. Measure E across the actual load Z ดังนั้น

3 Expressing Power as an Audio Level

Reference power คือ 0.001 W (1 mW). เมื่อแสดงเป็นระดับ(level) กำลัง(power)นี้ จะถูกเรียกว่า 0 dBm (0 dB อ้างอิงถึง(referenced) to 1 mW).

ดังนั้นเพื่อแสดงระดับพลังงาน(power level) เราจำเป็นต้องใช้สองกำลัง(power) อันดับแรกคือกำลังที่วัดได้(the measured power)  และอย่างที่สองคือ the reference power  สิ่งนี้สามารถนำมาเขียนในรูปแบบการเปลี่ยนกำลังใน dB ดังนี้

สามารถนำมาเขียนเป็น power level ได้ดังนี้

หรือ

3.1 Special Circumstance

เมื่อ    และ

เมื่อ  เป็นแรงดันไฟฟ้าที่สัมพันธ์(voltage associated) กับ reference power(กำลัง/พลังงานอ้างอิง)

4 Conventional Practice

เมื่อคำนวนระดับพลังงาน(power level) ใน dB เรามักจะทำ

 

โปรดจำไว้ว่า E2 อาจเป็นแรงดันไฟฟ้าใดๆ(any voltage) และ R2 อาจเป็นความต้านทานใด ๆ (any resistance) ได้ตราบที่มันแทนค่า 0.001 W.

4.1 Levels in dB(ระดับใน dB)

1. คำว่า ระดับ(level) จะใช้สำหรับพลังงาน/กำลัง(power) ที่แสดงผลเป็นเดซิเบลเสมอ

      2.

3. คำจำกัดความ power:

            Apparent power(กำลังไฟฟ้าปรากฎ)

 

            Average real(ค่าเฉลี่ยจริง) หรือ absorbed power เป็น

         

            Reactive power เป็น 

           

            Power factor(ค่าประกอบกำลังไฟฟ้า)

4. คำว่า “gain(กำไร/ได้รับ)” หรือ “loss(การขาดทุน/สูญเสีย)” หมายถึงการได้รับพลังงาน/เพิ่มพลังงานหรือสูญเสียพลังงานที่ output ของระบบ(system) เนื่องจากอุปกรณ์อยู่ในระหว่างการทดสอบ

ที่มา : หนังสือ  AUDIO ENGINEERING know it all

อ่านบทความเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องได้ที่

• การแบ่ง “ชนิดของคลื่น”
• ระดับของสัญญาณเสียง
• dB scale เรื่องยากที่เข้าใจได้ง่าย ๆ
• มาทำความรู้จักย่านความถี่แต่ละย่านกัน
• แนวคิดพื้นฐานเดซิเบลและการใช้งานในระบบเสียง

เข้าชมเพจ AT Prosound

 

• Facebook
• Twitter
• Line