Electronica
Wat is de decibel allemaal?
TechTalk
De decibel is zowel een verhouding (bijvoorbeeld de verhouding tussen ingansspanning en uitgangsspanning van een versterker) als een grootheid. De waarde wordt uitgedrukt in een logaritmische schaal zodat een groot bereik mogelijk is.
-

-

Oorspronkelijk werd de decibel gebruikt om de verzwakking van een telefoonkabel aan te geven. Men gebruikte eerst de eenheid MSC (Miles of Standard Cable) die als referentie had de verzwakking van standaard telefoonkabel van 1.6km (1 mile). Deze waarde kwam redelijk goed overeen met het kleinste verschil dat nog hoorbaar was.

Men heeft kortstondig de meer universele eenheid TU gebruikt (Transmission Unit) om uiteindelijk aan de bel te komen. De bel zelf wordt nooit gebruikt, altijd de decibel. Omdat de dB een logaritmische schaal heeft, worden grote verhoudingen verkleind tot kleine getallen, waardoor men bijvoorbeeld geen kilobel nodig heeft. De eenheid maakt geen deel uit van het Internationaal Stelsel van natuurkundige grootheden, maar wordt wel aanvaard door het IEC (internationaal electrotechnisch comitÚ).

Om parasitaire oscillaties en reflecties op de telefoonlijn te vermijden moet de lijn afgesloten worden door zijn impedantie. Het is dan alsof de lijn oneindig zou doorlopen. De impedantie van een traditionele telefoonlijn is 600Ω.

De decibel is een eenheid van vermogen

Om een signaal over een telefoonlijn te versturen heeft men een vermogen nodig. De dB is dus een eenheid van vermogen. Dit vormt al een eerste probleem als men spanningen gaat vergelijken: als men de spanning op de lijn verdubbelt, dan verviervoudigt men het vermogen. Om het vermogen te bepalen gebaseerd op een spanning en een vaste weerstnd moet men immers de spanning kwadrateren.

In praktische toepassingen heeft dit geen gevolgen: een telefoonlijn heeft een verzwakking van zoveel dB, een audioversterker heeft een versterkingsfactor van zoveel dB. In tegendeel, daardoor kan men gemakkelijker de versterking of verzwakking van een volledige keten bepalen door de dB's op te tellen. De decibel heeft immers geen lineaire schaal (waarbij een signaal van 2Z tweemaal zo sterk is als een signaal van 1Z) maar een logaritmische schaal waarbij een signaal van 2B tienmaal zo sterk is als een signaal van 1B. Pas bij de omzetting naar een fysische grootheid zoals volt of watt kan men in de problemen komen.

De decibel heeft een logaritmische schaal

Men heeft voor een logaritmische schaal gekozen om grote verhoudingen met kleine getallen te kunnen voorstellen. Doorgaans speelt het geen rol of een schakeling 100× of 101× versterkt, enkel dat de versterking ongeveer 100× bedraagt. Rekening houdend met de toleranties van de gebruikte componenten is een grootte-orde voldoende.

Een audioversterker moet bijvoorbeeld een signaal van 1mV versterken tot een signaal van 1V, een versterking van 1000×. Gebruikt men de dB schaal, dan zegt men dat de versterking 60dB bedraagt. Indien de volgende trap een versterking van 10× heeft, dan heeft men een totale versterking van 10.000×. Rekent men in decibels, dan is dat 60dB + 20dB = 80dB. Rekent men in decibels, dan kan men de vermenigvuldigingen en de grote getallen vermijden. Ter vergelijking, dat is ongeveer de open-lus versterking van een op-amp. Het is niet belangrijk dat de op amp 10.050× of 9.950× versterkt, want de open loop versterking wordt doorgaans niet gebruikt in praktische schakelingen.

De logaritmische schaal komt ook meer overeen met onze perceptie: het geluid van twee machines die naast elkaar draaien wordt niet waargenomen als tweemaal zo sterk. Het geluid van 10 machines die samen draaien wordt wel waargenomen als tweemaal zo sterk. Het verschil in geluidssterkte tussen een audioversterker van 1W en 5W is dezelfde als het verschil tussen een versterker van 50W en een versterker van 100W.

Ook bij de fotografie kent men een lineaire schaal (de lux), maar de fotografen werken met de EV (exposure value) die beter bij hun aktiviteit past. Een verhoging van 1EV komt overeen met de verdubbeling van de lichtintensiteit. De lichtintensiteit binnenshuis is ongeveer 50lux, terwijl de lichtintensiteit in volle zon 1.000.000 lux bedraagt. Omgezet naar de EV schaal komen deze waarden overeen met een RV van 4 tot 19. Je kan meer informatie vinden over de exposure value op mijn fotografie- site.

Politiekers zouden beter de dB gebruiken om de staatsschuld aan te geven: "Dit jaar is de staatsschuld gestegen met slechts 3dB". Dat klinkt toch beter dan te zeggen dat de staatsschuld verdubbeld is in een jaar tijd.


De cedibel is een verhouding, een vermogenseenheid en een spanningseenheid

Er bestaan online omzetters, maar hier heb je een tabelletje om je een idee te vormen van de decibelwaarde, de vermogensverhouding en de spanningsverhouding.

Decibel   Vermogensverhouding   Spanningsverhouding   
30100031.62
2010010
10103.162
63.981 ≅ 41.995 ≅ 2
31.995 ≅ 21.413 ≅ √2
11.2591.122
011
In de praktijk, als een versterker een versterkingsfactor van 20dB heeft, dan wordt de spanning tienmaal versterkt.

De tabel loopt ook nog naar de andere kant, met een versterking van -20dB die overeenkomt met een verzwakking van 10×.

Indien een machine een geluidsdruk van 80dB produceert, dan leveren twee identieke machines een geluidsdruk van 83dB (tweemaal zoveel geluid).

Maar het werken met logaritmen heeft ook voetangels: we moeten bijvooebeeld de gemiddelde geluidsdruk in een ruimte meten en we maken twee metingen, een van 70dB en een van 90dB. Het rekenkundig gemiddelde is 80dB, het logaritmische gemiddelde is 87dB.

Absolute waarden

Tot nu toe hebben we gesproken van de decibel als relatieve waarde, een verhouding tussen twee waarden. Maar men kan evengoed een natuurkundige waarde aan het nulniveau geven, bijvoorbeeld 0dB = 1mW. De decibel is nu geen relatieve meting meer, maar een absolute, want we hebben een referentiepunt. Indien de impedantie van de telefoonlijn 600Ω bedraagt, dan heeft men een spanning van 0.775V nodig om 1mW te leveren (0dBm, nulpunt van de schaal). Bij 1dBm heeft men een vermogen van 1.259mW en een spanning van 0.870V.

Als de dB schaal gebruikt wordt om absolute waarden te meten (en geen verhoudingen), dan plaatst men een extra letter bij het symbool: we hebben dus de dBm (0dBm = 1mW) en de dBW (met 0dBW = 1W).

Andere eenheden zijn de dBV (weinig gebruikt, met 0dBV = 1V) en de dBÁV, deze laatste waarde wordt bijvoorbeeld gebruikt om signaalsterktes op antennes aan te geven. Het antennesignaal kan sterk variŰren, van een paar ÁV tot honderden mV bij ontvangstantennes, waardoor het gemakkelijker is het signaal aan te geven op de dB schaal. Het speelt daarbij geen rol of het antennesignaal 1.75 of 1.80mV bedraagt (65dBÁV), het resultaat zal hetzelfde zijn.

De decibel was eerst een vermogen die door een telefoonlijn gestuurd werd, maar ondertussen wordt de telefoonlijn bijna niet meer gebruikt. De dBu heeft nog steeds als spanningsreferentie 0.775V, maar zonder belastingsweerstand (het is een zuivere spanningsmeting). u = unloaded of unterminated. Deze eenheid wordt veelvuldig gebruikt door audio techniekers (professionele studio apparatuur).

Het is belangrijk te weten of de eenheid een vermogenseenheid (zoals de dBm) of een spanningseenheid (zoals de dBu) is. Een vermogen dat 10× hoger is geeft een gain van 10dB, terwijl een spanning die 10× hoger is een gain van 20dB geeft. In nagenoeg alle toepassingen gebruikt men tegenwoordig een spanning als referentie.

Bij digitale toepassingen gebruikt men de dB FS (full scale) die de maximale signaalsterkte aangeeft. Signalen kunnen dus niet boven de 0dB FS komen, want ze kunnen niet omgezet worden naar een digitaal getal. Het betreft een piekwaarde, want bij de sampling worden er ogenblikkelijke waarden gedigitaliseerd. Als men de effektieve waarde van een 0dB FS sinussignaal meet, dan zit men op -3dB. Als men een spanning van 230V gelijkricht en filtert, dan bekomt men een piekspanning van 325V, dus 2 (3dB) hoger dan de effektieve spanning.

De dBu schaal komt (bijna) overeen met de indicatie op een VU-meter (Volume Units), maar de VU meter heeft een vertraging van 300ms door de traagheid van de aanwijzer. Zo'n vertraging komt goed overeen met de menselijke perceptie waarbij een korte oversturing (met signaalvervorming) niet opvalt als de duur ervan lager is dan 300ms. De nulwaarde van de schaal komt overeen met de maximale uitsturing bij opname of de maximale modulatiediepte in een zender.

De VU meter op sommige cassetterecorders lijkt wel een gadget, en toch is het een gestandardiseerd meetapparaat met een schaal van -20dB tot +3dB, met -3dB in het midden van het scherm. Door de standardisatie van de aanduiders konden geluidstechnici in een oogopslag de gemiddelde geluidssterkte en de dynamiek bepalen. De OdB aanduiding komt echter overeen met een spanning van 1.228V

Voor digitale toepassingen waarbij het signaal zeker nooit boven de 0dB mag komen gebruikt men een PPM aanduider (Peak Program Meter). Deze aanduider komt in verschillende uitvoeringen en het is niet altijd duidelijk wat de meter aangeeft. De aanduiding is verschoven ten opzichte van een VU-meter, met het maximaal niveau dat niet overschreden mag worden op +9dB. De aanduider wordt door een schakeling gestuurd om de wijzertraagheid te compenseren en de piekwaarde aan te geven. Tegenwoordig gebruikt met een ledbar die het pieksignaal aangeeft.

De dB wordt ook gebruikt in de accoustiek, dit is de meest gekende versie van de dB schaal. Men heeft het over de dB SPL (Sound Pressure Level), 0dB SPL komt overeen met de gehoordrempel van de mens (drukverschil van 20ÁPa (micropascal)). Maar het menselijk oor is niet even gevoelig voor alle frekwenties, daarom gebruikt men eerder een gewogen schaal dB A, dB B of dB C. Deze gewogen schalen worden gebruikt als men de geluidsoverlast moet meten.

Bepaalde multimeters hebben een dB-schaal, die overeenkomt met de dBu, want de meter doet een spanningsmeting met het nulniveau op 0.775V wisselspanning. Als men overgaat van een 3V schaal naar een 30V schaal, dan moet men 20dB optellen bij de waarde.

De meter heeft geen interne weerstand van 600Ω, op de 30V schaal zou er een vermogen van 1.5W gedissipeerd worden, en bij 100V een vermogen van 17W. Het toestel meet dus duidelijk in dBu, niet in dBm.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-