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來源:ZOBO卓邦 發(fā)布日期 2023-11-21 瀏覽:
相信學習音樂制作的同學在混音階段經(jīng)常會碰到各種關(guān)于聲音的單位,其中具代表性的可能就是分貝家族的單位了,如dBSPL、dBm、dBu、dBV、dBFS等。
那么,這些單位分別表示什么,又有什么區(qū)別呢?
一、描述聲音信號強弱的單位:分貝(dB)
我們都知道,聲音本質(zhì)上是一種物理上的波,這種波傳到我們的耳膜上引起耳膜的振動,然后轉(zhuǎn)化為生物信號傳遞到我們的大腦,我們就聽到了聲音。
描述聲音的指標有很多,如音高、音色、音量等等。其中,我們常見的“分貝(dB/decibel)”,就是用來描述聲音信號的聲強級的一個單位,在某些時候也可以近似地理解成描述聲音大小的一個單位。
不過,值得注意的是,“分貝(dB)”這個單位其實是一種相對的概念,即它并不能像描述頻率的“赫茲(Hz)”、描述質(zhì)量的“克(g)”、描述長度的“米(m)”那樣給出一個客觀的量,而只能給出兩個相同物理量的比值。
畢竟,“分貝(dB)”這個單位并不是聲學領域的專屬單位,其一開始是來源于長途電訊的計測的,后來才被應用在電工、無線電、力學、沖擊振動、機械功率和聲學等領域。
二、不帶后綴的dB(dBSPL)
我們常見的分貝家族的單位應該就是不帶后綴的“dB”了,其完整形式應該是“dBSPL”,其后的“SPL”是“Sound Pressure Levels(聲壓級)”的縮寫。
因此,我們可以看到,這個單位側(cè)重的是聲音的振動所產(chǎn)生的壓強,即聲壓(單位為Pa)。聲強級與聲壓的平方成正比,遵循I=(P^2)/Z的關(guān)系。其中,I為聲強級,P為聲壓,Z為媒介的特性聲阻,而Z又等于聲速(C)和密度(ρ)的乘積。
前面我們提到了,分貝是一個比值。所以既然有與其成正比的值,那么相應地就有與其成反比的值。
這個成反比的值是人為規(guī)定的標準聲壓值。在dBSPL的語境下,則是人耳在1000Hz的頻率下能聽到的小的聲音的聲壓值,大小是0.00002Pa。我們規(guī)定聲壓在這個值的時候聲音信號的聲強級為0dBSPL。
我們發(fā)現(xiàn),如果僅僅只是具體的聲壓與這個標準聲壓的比值的話,那么得出的分貝值只能為正數(shù),一些聲壓小于0.00002Pa的聲音的分貝值也是正數(shù),這顯然不合理。
因此,在具體的公式中,我們還引入了對數(shù):
其中,I為聲音信號的聲強級,單位為dBSPL;P為我們具體測定的聲壓,單位為Pa。之所以這里有個平方,是因為前面提到了,聲強和聲壓遵循I=(P^2)/Z的關(guān)系。
可以看出,這個公式直接計算出來的值是沒有單位的,在這里我們?nèi)藶榈丶由蟙BSPL的單位,簡寫為dB。
三、dBm、dBu、dBV
事實上,在分貝家族的單位里,只有dBSPL是與物質(zhì)世界中的聲波有直接關(guān)系的,剩下的單位都是間接地表示物質(zhì)世界中的聲音信號的聲強級的。
其中,dBm、dBu、dBV這三個單位都是與電信號相關(guān)的,通過表示電信號的強度來間接反映聲音信號的聲強級。畢竟,現(xiàn)在的很多音頻文件都是以數(shù)字信號的形式儲存于電腦等電子設備中的。
與前面的dBSPL類似地,dBm的計算同樣也涉及到一對單位相同的值的比值,一個是具體的測定值,一個是標準值。這里選取的測定值是聲音的功率,而標準值則是0.001W這個標準功率值。
這里的這個“P”不再是壓強了,而是功率了。同樣,可以看出,這個公式直接計算出來的值也是沒有單位的,在這里我們?nèi)藶榈丶由蟙Bm的單位。
dBu的計算跟dBm是一脈相承的,其選用的兩個值分別是具體測定的電壓值和標準電壓值。這個標準電壓值可以根據(jù)標準功率值和上世紀的標準電阻600Ω計算出來,約為0.7746V。dBu的公式為:
這里的“U”是具體測定的電壓。對于這個公式直接計算出來的值,我們加上dBu的單位。這里之所以有二次方,是因為電阻一定時功率與電壓的平方成正比。
接下來的dBV其實跟dBu是一類的,只是二者的標準電壓值不同。計算dBV所用到的標準電壓值為1V,這是在標準電阻為1000Ω的情況下計算出來的。dBV的公式為:
對于這個公式直接計算出來的值,我們加上dBV的單位。
四、dBFS
終于到了跟dBSPL、dBm、dBu、dBV都不同的dBFS了。如果說dBSPL、dBm、dBu、dBV這幾個單位衡量的至少都是模擬信號的話,那么dBFS的對象就是純數(shù)字信號了。
此外,dBFS與它們的一個很明顯的區(qū)別就是,0dBFS是這個單位的標定大值,所有超出0dBFS的值都屬于異常情況。這個,通過觀察dBFS的后綴“FS(Full Scale,滿刻度)”也可以看出端倪。
宿主軟件中常見的調(diào)音臺上的電平的單位就是dBFS。我們可以觀察到,這里的電平一般都是負數(shù),偶爾電平呈正數(shù)的時候電平條就會變色,這就是提示你電平超過0dBFS了,需要進行調(diào)整。
一般來說,我們在宿主軟件中新建工程的時候,往往都會提示我們選用采樣精度,如16bit、24bit和32bit(float),而dBFS的計算在不同采樣精度下也是不一樣的。
拿16bit來舉例。16bit的格式可記錄的聲音的動態(tài)范圍為2的16次方也就是65536個單位。假設我們測定的某個音頻的動態(tài)為D,如果想要將D的單位換算成dBFS,就需要運用到下面的這樣一個公式:
可以觀察到,當D小于65536的時候,I總是為負的;當D等于65536的時候,I為0;而當I大于65536的時候,I大于0,屬于異常情況。
另外,當D等于0,也就是沒有電平的時候,I等于負無窮,這時電平的值也會變成“-∞”的記號。
以此類推,我們可以得到24bit下的dBFS的計算公式為:
32bit下的dBFS的計算公式為:
以上的這三個公式計算的結(jié)果都沒有單位,我們?nèi)藶榈亟o結(jié)果加上dBFS的單位。
五、總結(jié)
讓我們簡單地總結(jié)一下。分貝其實并不是一個表示聲音大小的單位,其表示的是一對相同物理量的比值,其具體的值取決于被觀測的物理量和相應的人為規(guī)定的基準值。
其中,dBSPL的被測量是聲壓,其基準值是0.00002Pa;dBm的被測量是功率,其基準值是0.001W;dBu的被測量是電壓,其基準值是0.7746V;dBV的被測量也是電壓,其基準值是1V。
與以上幾個都不同,dBFS的被測量是數(shù)字音頻領域的動態(tài)值,其基準值在不同采樣精度下不同,16bit下是65536個單位,24bit下是16777216個單位,32bit下是4294967296個單位。
我們在生活中聽人說的“分貝”一般指的是dBSPL,這個值可正可負,理論上來說沒有上下限;在音樂制作中,我們常遇見的“分貝”多數(shù)情況下指的是dBFS,這個值絕大多數(shù)情況下是負的,且有理論上限0dBFS。
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本文作者:辰諳