分贝、功率、电压、电流

分贝、功率、电压、电流 在表示音响器材的数据时常常会出现几个单位名词，分别是分贝(Decibel)、功率(Power)、电压(Voltage)与电流(Current)，首先我们来了解功率与电压和电流之间的关系： 功率(Power) = 电压(Voltage) x 电流(Current) 功率的基本单位是瓦特(Watt)、电压的基本单位是伏特(Volt) 而电流的基本单位是安培(Ampere)，功率是由电压乘上电流之后所得出的一个能量单位，比如说我们常常提到一台扩大机最大输出有几瓦，这就是在讲这台扩大机最大能输出的瓦特数有多少。而为了方便表示，我们常常会把这三个单位用缩写表示，其缩写对应列表如下： 瓦特(Watt) = W = 1000 mW 伏特(Volt) = V = 1000 mV 安培(Ampere) = A = 10000 mA 再来是一个很容易搞混的名词 ─ 分贝(Decibel)，分贝是一种对数单位(a logarithmic unit)，是贝尔(Bell)这个单位的十分之一，故称分贝。贝尔这个单位是由顶顶大名的贝尔(Alexander Graham Bell)先生所发明，他发现是人类耳朵对声音强度的反应是成对数形式的而非线性的，在声音强度较低时所产生的变化人耳比较敏感，而声音强度较高时所产生的变化人耳反而比较无法分辨，人耳这样的特性刚好很近似于对数型态，所以就提出了贝尔这个单位来反应听觉的特性曲线。 由于贝尔这个测量单位在实际使用时太大了，所以现今常用的单位是分贝，是贝尔这个单位的十分之一，也就是1 Bell = 10 decibel，分贝的缩写为dB，是现今最常用的声音测量单位。 但是我们在电子学中是以功率、电压、电流来做为计算测量的依据的，所以要对应到分贝这个声音测量单位时我们需要有换算的公式来做为依据，下表分别列出分贝与功率、电压、电流之间的关系： 上表中的Wref、Vref、Iref是其参考的基本单位大小(reference level)，而W、V、I为实际要代入算式的瓦特、伏特、安培值，而Wdb、Vdb、Idb则是以分贝为单位的数值，看到这边大家可能会有点困惑的是：为什么要有参考的基本单位呢？会需要有参考单位的原因是分贝事实上本身并不是一个绝对测量单位，比如我们说一瓦就是代表很明确的一瓦特，而是一种计算相对变量的单位。所以我们要再赋与一个参考的单位才能变成一个有意义的绝对单位，举例来说： 我们将Wref设为1W为参考单位，这时分别代入1W与100W这两个测量的瓦特数，这时代入1W可以得到Wdb = 0，而代入100W时可得到Wdb = 20，这代表了当以1W为基本参考单位时，100W得到比1W时所能产生的分贝还多20dB的分贝值(20dB - 0dB)，由这个例子可以得知，分贝这个单位本身是用于计算基于某一个参考单位时，不同的能量之间彼此的相对关系，必需要再加上一个参考的基本单位才能得到一个可互相换算的绝对单位。 实际常用的各种测量单位(dBm、dBu、dBV、dBW、dBFS...) 看完关于分贝的简单概述之后，接着下来我们正式开始介绍最容易让人头昏脑胀的各种实际常用的电平单位名词，这些常用的单位主要分成两大类，第一类是绝对型(Absolute)测量单位，例如dBm、dBu、dB(SPL)...等等，其值是建立在一个明确的参考单位之上的，也就是说绝对型的分贝测量单位是可以明确的被换算回一个特定的数值；第二类则是相对性(Relative)测量单位，例如dBFS、dBr...等等，这类的测量单位并没有一个明确的参考单位纯在，其值纯粹只是相对于另外一个条件下时所产生的测量值，这种相对分贝测量单位在音响界中最有名的就是频率响应(Frequency Response)中的-3dB截止点，所谓-3dB截止点，纯粹只是比一段频率中平坦的分贝值滚落3dB时的点而以，而那段平坦的分贝值有可能是20dBv，也有可能是60dBV...等等，所以这类相对型的分贝测量单位并无法换算回一个明确的数值。 绝对型分贝测量单位   dBm dBm是以1mW(0.001W)为参考基本单位的电平单位，是一个测量功率的常用单位，在耳机的规格里常提到xxdB/1mW就是dBm，代表在1mW的功率时可提供多大的音压，不过耳机这个值通常参考参考就好，因为大部份的耳机厂商都没有提供是在多少距离测量的。另外，dBm在现在很常被当成声音讯号电平的测量单位，若是要换算成讯号的电压时，需假设负载阻抗为600Ω(等下会详细解释换算的方法)。   dBW dBW和dBm是兄弟型的测量单位，不同之处是dBW是以1W为基准，喇叭厂很爱用这个单位，常用来标示其喇叭的效率，比如说89dB/1W，不过这也是参考参考就好，因为每家的测量距离与测量环境都不一样，只是生产喇叭的厂商必需用一个大家都可以简单了解的一种标示方式来让消费者可以得到数据而以。和dBm之间的关系为倍数关系，关系式列表如下：   dBu、dBv dBu与dBv(注意是小写的v喔)是同样的一个单位，以 0.775 Vrms为基准，在最初是使用dBv来表示，不过由于dBv太容易与dBV混在一起让人搞不清楚，所以后来改用dBu来表示，其中小写的u代表无负载状态(unloaded)，意味着dBu是用来做为一个音频讯号电平的测量单位，而不管负载的阻抗是多少。至于为什么要以0.775 Vrms为基准呢？这是由于dBu是由dBm演化而来，而早期的通信设备其的传输阻抗是600Ω，所以在规范里，当负载的阻抗假定为600Ω时，0 dBu = 0 dBm。 基于负载的阻抗为600Ω，此时0 dBm代表了有1mW的能量，此时将1mW与600Ω代入 公式，就可以得到近似0.775 Vrms的参考电压了，完整的计算过程列表如下： 由上述说明可知，只有当负载阻抗明确的定义成600Ω时，dBu和dBm才会相等，其余的时后dBu纯粹是用来表示以0.775 Vrms为基准时电压的分贝测量值，在实际运用时，我们常常会看到+4dBu这个数值运用在专业器材的标准参考电平规格中，这个数值就是代表了此时电平是1.228 Vrms。此外，遵循IEC 60268-17标准的模拟讯号电平指示器(VU Meter)中的0 VU位置等于+4dBu，这个0 VU = +4dBu的标准现今被大多数的专业器材所使用。   dBV 再来一个叫dBV的测量单位，dBV在性质和dBu、dBv，也是一个用来求得音频讯号电平的测量单位，只不过改以1 Vrms为基准，看到这边，可能会有网友开始觉得这个世界实在是莫名奇妙的很，相似的东西却总是要弄出很多种不同的规格出来，就笔者猜想，这个dBV应该是美国人搞出来的，为什么呢？大概是因为美国人数学程度很...那个，所以喜欢直接用整数来计算吧。 在现今，dBV比较常出现在消费性产品上，也就是大部份的音响器材厂商喜欢用的，通常用来表示最大输入的讯号电平，比如说0 dBV (1 Vrms)、 +6 dBV (2 Vrms)、-10dBV(316mVrms)。 相对型分贝测量单位   dBr 提到相对型的分贝测量单位，最简单明了的就是dBr，其中的小写r代表相对(relative)的意思，其定义很简单，就是以某个不同的分贝数值为基准后，所测量出来的值与基准值的相对差异值，举例来讲，有一台扩大机，在特定条件时其20Hz ~ 20Khz频率范围的电压增益(Voltage Gain)为20dB，而在10Hz与100Khz时测量出的增益为17dB，这时把20Hz ~ 20Khz时的电压增益20dB做为基准，那10Hz与100Khz的dBr就是-3dB，因为17dB - 20dB为-3dB。   dBFS dBFS是以该系统最能接受的最大电平为基准的分贝测量单位，也就是在系统中在不切割(clipping)波型的前提下所能接受的最大讯号电平。其中FS是满刻度、全范围(full scale)的意思，而因为是以最大值为基准点，所以dBFS都是小于零的负值，当变成正值时就代表已经超载(overload)了。在实际应用上常见于数字器材用来指示最大可接受的电平，而0 dBFS有两种不同的定义方法，有一些器材是以最大峰值(peak)电平为0 dBFS，而另外一些则是以最大均方根值(RMS)电平为0 dBFS，这类以RMS值为0 dBFS的器材有个有趣的现象，比如说若是以最大方波(square wave)的RMS值为0 dbFS时，此时最大的正旋波(sine wave)RMS值只能到-3 dBFS；而若是反过来以最大正旋波的RMS值为0 dBFS时，此时最大的方波RMS值则可以到+3 dBFS。 此外，当数字系统中依取样位(bit)数的不同时，其动态范围(dynamic range)也不同，假设使用16位的数字系统，当其16的位都是1时(1111 1111 1111 1111)，也就是65535时为0 dBFS，最低的值为(0000 0000 0000 0001)，也就是其值为1时与最大值差了65535倍，也就是最低值时为-96 dBFS，整个系统的最大动态范围是96dB，可是若是20位的系统则有120dB的动态范围、24位有144dB，32位有192dB。所以当取样的位数越高时，其动态范围也会随之增大，使得讯号电平得以提高以远离底部的噪声层。