声音分贝的概念,dBSPL.dBm,dBu,dBV,dBFS
需要做个音频的PPM表,看着一堆的音频术语真是懵了,苦苦在网上扒了几天的文档,终于有了点收获,下面关于声音的分贝做个总结。
分贝 Decibel
分贝(dB)是一个对数单位(logarithmic unit), 它和很多常见的单位如“米”,“秒”或者“千克”等物理单位是不同的,它并不能直接用来描述一个物理量的大小或者多少,它表示的是两个相同单位物理量的比值。分贝经常用来描述声音,如超过50dB的噪声就会影响人的睡眠和休息,但分贝不仅仅用来描述声音,它还被用来描述电子学等其他领域的物理量,如描述信号强度的衰减 、信噪比等等。
前面提到分贝表示的是两个物理量的比值,作为分母的那个量通常是一个标准的基准值(standard reference value),分贝描述的就是作为分子的物理量相对于这个基准值的大小,分贝的计算公式如下:
其中,valuerefvalueref是基准值。在使用分贝表示物理量基准值是非常重要的,基准值用分贝表示的话是0dB。
描述声音的分贝
分贝可以描述很多的物理量,本文主要介绍分贝来描述声音的信号的强弱。
用来描述声音强度的物理量有很多:声压,功率,产生声音信号的电压等,使用不同的物理量来表示声音的强度,其得到的分贝也是不同的。
dB(dBSPL)
声音本质上来说是一种波,通过空气传播,传到人耳朵里引发鼓膜的振动。所以,声音的大小,实际就是对这种振动强度的反映。而由于空气的振动会引起大气压强的变换,可以使用压强变化的程度来描述声音的大小,这就是“声压(SPL,Sound Pressure Levels)”概念,其单位是Pa。例如:1米外步枪射击的声音大约是7000Pa;10米外开过汽车大约是0.2Pa。
使用声压作为测量量的分贝就是dBSPL,通常用来表示声音大小的dB多说指的就是dBSPL。声压和声音大小的关系,可以使用如下公式表示
其中,I是声音的强度;P是声压;ρρ是空气阻力,通常在室温下,空气阻力大约是400。
分贝的计算还需要一个选择一个特定的声压值作为“标准值”(0分贝),该值是固定的。有了这个基准值后代入上面的公式:
其中,P是声压测量值;PrefPref是标准值(0dBSPL)。这里选择的声压标准值为2×10−5Pa,20μPa2×10−5Pa,20μPa,是人耳在1KHz这个频率下能听到的最小的声音,大致相当于3米外一只蚊子在飞的声音。将标准值代入上式:
dBm,dBu,dBV
前面根据声音的振动,在传播的过程引起大气压强的变化,使用声压作为测量量来计算声音的分贝值。除了自然产生的声音外,现在大多数的声音都是使用电信号作为存储和传播的载体的,例如电视广播,各种音频文件等。dBm,dBu,dBV是使用和电信号相关的物理量作为被测物理量,计算其产生声音的分贝值。
dBm是使用产生声音信号的功率作为被测物理量,选择1毫瓦(1mW)作为基准值,计算分贝值。计算公式:
在物理,功率P可以有电压V和电阻R计算得到
由上面的公式可以得到dBu,使用电压作为测量量,计算声音的分贝值。在十九世纪三十年代,音频设备的输入电阻都是600欧姆,也就上面公式中的R = 600 欧姆。在dBm中,使用1mW作为基准值,那么在 R = 600 欧姆时就可以得到此时的电压为0.775V。
所以,dBu是以电压作为测量量,计算声音的分贝值,选择的基准电压为0.775V。计算公式:
dBV又是咋回事呢。在上上个实际音频设备的输入阻抗都是600欧姆,是固定不变的。但是到了现代,就有了更高阻抗的设备,例如1000欧姆,这样再选择0.775作为电压的基准值,显然是不合理的。所以,就有了一个新基准值1V。本质上dBu和dBV是没有区别的,都是选择电压作为被测单位,只是选择的基准值不同罢了。
dBV仍然是以电压作为被测量,计算声音的分贝值,选择1V作为基准值。计算公式:
dBFS
前面的几个被测量都是模拟量,在数字时代更多的音频分贝表示是dBFS。dBFS的全称为Decibels Full Scale,全分贝刻度,是数值音频分贝值的表示方法。和前面几个不一样的时,dBFS的基准并不是最小的或者是中间的某一个值,是最大的那个值!也就是说0dBFS是数字设备能达到的最大值,除了最大值外都是负值。
以数字音频的sample为16位无符号为例,16位的无符号的最大值为65536,因此dBFS的计算公式:
这样,最小的也就是说16位无符号音频的动态范围为0 ~ -96dBFS。
dBFS 和 dBu之间的转换
dBu是度量模拟信号的,而dBFS是度量数字信号的,并且dBFS不会用于度量模拟信号,所以没有在dBu和dBFS之间没有统一的转换公式,依赖于具体的数字设备。在dBu和dBFS转换时,需要规定一个峰值电压,该电压下产生的音频信号经过AD转换后得到的sample为0dBFS。例如,+18dBu对应于0dBFS,在该条件下 求 xdBu对应于ydBFS,那么就有 y=x−18y=x−18
总结
本文主要介绍和声音相关的分贝概念,分贝不同于其他的物理单位,表示的是相同物理量的比值,其具体的值依赖于选择的被测量。
- dBSPL,通常所说的dB,使用声压作为被测量,选择20μPa20μPa作为基准值。
- dBm,使用功率作为被测量,选择1mW作为基准值。
- dBu,使用电压作为被测量,选择0.775V作为基准值。
- dBV,和dBu一样,使用电压作为被测量,选择1V作为基准值。
- dBFS,和上面的量都不相同,上面的量都是测量模拟值的,dBFS是测量数字音频的,其选择的基准值为sample的最大值为0dBFS,其他的值都为负值。
dBFS和模拟量之间的转换,例如dBu,需要规定一个基础的对应关系。例如+18dBu 对应于0dBFS,则ydBFS = x - 18
仅供参考:
db值 = 20 * log10 (A / B)
A: 可以为音频数据某帧中的最大值
eg: 2声道,16位
假设1帧buf数据 -> |ChA ChB|ChA ChB|ChA ChB|ChA ChB|ChA ChB|ChA ChB|......|ChA ChB|
ChA = 2Byte(16位), ChB = 2Byte(16位)。
ChA : A = |max(ChA)| , ChB: A = |max(ChB)|
注:16位以上正负大小相对应。
B: 音频数据位数(8, 16, 32, 64)
eg: 16 -> B = 2^15 = 32768
8位以上,数据是有符号的,
eg: 1. 16位的数据 -> 0x0563 ,对应十进制 -> 1379, 它的DB = 20 * log10(1379 / 32768) = -27.5
2. 16位的数据 -> 0xFE19, 对应十进制 -> -487, 它的DB = 20 * log10(487 / 32768) = -36
3. 8位以下就是无符号数,以0x80(128)为静音(16位数据静音时为0)。
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