dB、dBFS、dBV、dBu...都是啥啊..

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作者: 飞飞
“7号球员夏普分球,传给了9号,9号也叫夏普,他们可能是兄弟,好球,传给10号传得非常好。咦?10号也叫夏普。可能外国印在球衣上的只是姓,就像韩国很多球员姓朴。漂亮,夏普连过两名队员破门得分!11号上前祝贺,11号也叫夏普...(停顿很久)对不起,夏普/Sharp 是赞助商的名字。”  —— 韩乔生

经过20年音频市场的普及和发展,音乐爱好者们玩得更深了,开始讨论信噪比、总谐波失真、声压级、最大电平... 就像玩车,上一代人只考虑“开宝马、坐奔驰”,而年轻人开始讨论最大功率、百里加速、扭矩、悬架类型、轮胎规格等。

不过“了解概念”只是一部分,在研究音频参数时,会发现它们的单位有点小差异,拿我们刚写完的 SPL Creon 来说,德国人的官方页面“规格”栏目中你会看到:

  • Mic Gain: +60dB

  • Main Out: +22.5dBu

  • +15dBu = 0dBFS

  • 动态范围 109dB(A)

  • 0.003% THD+N (-10dBV)

 

在音频行业,我们常见的单位有:

dB、dB(A)、dBFS、dBV、dBu...

艾玛,dB 的兄弟这么多..

维基百科的 decibel 词条中,

dB 帮派起码有四十号兄弟,

即使高手,可能也没听过:

dBμV、dBc、dBf、dBr、dBq...

而且 dBV/dBv 是不同的概念

dBk/dBK/dB-K 也都不一样...



幸好 dB 的出现不到100年,

看似凌乱的延伸并不复杂,

你只需牢记《道德经》口诀:

道生一、一生二、

二生三、三生万物


小编试试用十分钟讲个清楚

 

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道生一

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我们在《小三芯都要挂了》里讲过,19世纪末“电话公司”面世,为衡量电信号传输的损失,美国电报电话公司(AT&T)和英国邮政局开始使用“标准线材英里数”作为单位:

MSC(Miles of Standard Cable)

该单位以 795Hz 信号为测试信号,以每英里 88Ω、19AWG 直径的电话线作为“标准线材”,并计算损失比例。1 个 MSC 大概在 0.86,也即发送 1000W,一英里后剩 860W;如果传输 2 英里,就是 860W x 0.86,相当于 1000W x 0.86 的 2 次方——

因此英里数可以看成是幂指数

3 英里是 0.86 的三次方、4 英里就四次方

早期没有中继设备,传输极限是 46 英里,1000W 传输 46 英里后剩下 1W(0.86 的 46 次方)。由于 MSC 的规定很多,加上各国温度和线材不同,各国的数值略有差异;最关键的是,MSC 是英里数(大概 1.6 公里)——

而德国/法国用的公里

(法国人表示打死不用英里)

1924 年,AT&T 与欧洲“长距离电话国际委员会”决定统一标准,采用新的国际单位 TU (Transmission Unit),英里和公里都站一边,频率、阻抗和线材也不规定,各国可以有自己的规格,委员会只规定功率比例对应的指数,为方便计算,指数以 10 为底。

当然,叫“10 的 x 次方”有点 Low

委员会得起个高逼格的名字

单位叫“Bel/贝尔”,缩写“B”

不是食物链顶端的那个贝尔...

他是 AT&T 和贝尔实验室的创始人、

也是美国电话专利的持有人:

Alexander Graham Bell

我们可以来看第一个公式了,

其中 P。是原始功率,P 是末端功率,例如原始功率 1000W,末端变成 10W,是原来的 1/100,而 1/100 是 10 的 -2 次方,因此 n = -2;反过来,如果原始功率 10W,末端变成 1000W,是原来的 100 倍,也就是 10 的 2 次方,n 就等于 2。

这就是“2贝”,或者叫“2B”

委员会又发现了——放大/缩小 100 倍是很大的幅度(10倍音量),虽然远距离传输可以用,但近距离不够精细。于是增加了一个“deci-Bel”,deci 意思是 1/10,decibel 就是:

十分之一个“贝”

人称“分贝”,缩写 dB

(注意 B 是人名要大写)

2B 就变成了 20dB

小八卦:Bell 先生逝于 1922 年,因此并不知道自己在两年后被代表了,委员会其实想过很多名字,包括 logit(罗技)、decilit(分离)、decilog(分对,“log”指的对数)、decomlog(解对)、decilu(分撸)... 幸好贝爷不姓“开尔文”,否则得叫“dK/分开”。

现在我们把公式再深化一下,

用“Level/电平”的 L P 代表 dB 数值:

反过来取对数,L P 的分贝值公式就是:

记住“分贝”只是衡量比例大小的参数,你不需要知道电压、电阻是多少,甚至不需要知道原始功率具体多大,只需要知道放大或缩小了多少倍,就像你知道“小明比小红重一倍”,但不知道小明具体有多重,也不知道他们有多高、胖不胖。

1933 年,贝尔实验室的 Fletcher 和 Munson 发现:

有时音量大一倍(6dB)

但听起来并没有大一倍。

这就是人耳的“等响曲线”

也叫 Fletcher-Munson 曲线(1937年拟定)

请大家自行百度,这里不展开了,测量很复杂,在多个国家的努力下,60 年代才由 BBC 确定最终标准,经过等响曲线校准的分贝值,我们把它叫做:

dB (A-weighted/A-加权)

缩写成 dB (A) 或 dBA

这和电压/电阻也没关系,

是人耳对声音的声学校准~

多嘴:由于弱化了极限频率的干扰(正是设备吃力的,尤其超低频),dBA 数据会比正常数据更“好看”,现在即使很多厂商写“dB”,其实都是“dBA”,但如果你看到有厂商敢在数据后标注“un-weighted/未加权”字样,我们必须为它点个赞。

 

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一生二

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上文说了 dB 是相对值,仅代表比例

以不同的单位为基准,

dB 才能“落地”

这正是委员会的高明之处,也让各国有高度的灵活性,“开放”的初期会显得比较乱,但市场会自己过滤,有些 dB 用的人越来越多,有的 dB 会越来越没人用。

首先落地的是 dBV

“V”是电压,德国最早采用,想法很简单:

1V = 0dBV

还记得高中物理的功率公式吗?

我们把电压套进上文的 dB 公式:


文科生别研究了... 我们只需要记得:

电压放大倍数 = 功率放大倍数开方,

例如 6dB ≈ 4倍功率 ≈ 2倍电压 = 2倍音量

而 12dB ≈ 16倍功率 ≈ 4倍电压 = 4倍音量

20dB = 100倍功率 = 10倍电压 = 10倍音量

由于电压和音量对等,所以 dBV 很直观。例如某 DVD 播放器的最大输出电平(MOL,Maximum Output Level)是 4V(+12dBV),而另一台播放器输出是 8V(+16dBV),那第二台播放器的最大音量是第一台的 2 倍,最大功率是第一台的 4 倍。

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dBu 的身世就曲折很多了...

30年代是广播行业的起步阶段,贝尔实验室、CBS(哥伦比亚广播公司)和 NBC(美国广播公司)联合研发一种防止音量超标的设备:VU 表(Volume Unit/音量单元),虽然在数字音频时代它已经没啥用了,但 90 后可能还有点印象:

1939年,VU 表的标准制定完毕,与 1937 年德国人发明的 PPM(峰值电平表,以电压 dBV 为单位)不同的是,美国人决定用——功率作为单位。

0dBm = 1mW = 0.001W

为什么不用电压?因为贝尔实验室是基于人耳听力进行开发的,具体算法很复杂,除了考虑频率据说还用上了“弹道学”,这里不延伸了,而 VU 表的“0”代表 0dBm。

那时美国广播行业的阻抗标准是 600Ω,因此我们可以算出 VU 标的操作电压:

2 = 0.001W x 600Ω = 0.6

于是 V ≈ 0.775V

这成了美国广播设备的最大输出电压标准

却和欧洲标准冲突,


为避免混淆,德国人说:

“大写 V 是我们先用的,

你们只能用小写 v”


于是美国广播行业一开始的标准是:

0dBv = 0.775V

很快美国人发现,有时写字手抖...

就分不清是“V”还是“v”了...

于是 dBv 就改成了 dBu


然后珍珠港被偷袭了!

老子干死你小日本!!

在战后,美国广播行业发现:

电平表本身的电路对功率有点影响

于是 0VU 微调为 +4dBm

对应电压 +4dBu ≈ 1.23V

由于美国战后拥有绝对的话语权,

+4dBu 在广播/扩声/录音圈一统江湖

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从上文我们可以知道,

dBV 和 dBu 开始只是国家标准的不同,

后来怎么就成了民用/专业的区别?

原因是...

战后的欧洲是这样子的:

英、法、德、意都是一片废墟

50年代英国人开始玩 HiFi,后来传入欧洲,

作为古典音乐发源地,欧洲人太喜欢音乐了

然而大家都没钱!

那是晶体管还没普及的模拟时代,

+4dBu 对元件、箱体、电子管要求都很高

没办法,只能用便宜的元件和材料,

那就把电压降到 -10dBV 吧~

就在欧洲抓紧时间恢复生产时,美国和苏联在打冷战,搞军备竞赛,因此错过了70年代民用设备和 HiFi 音响的发展机遇,另一原因是美国将德国和日本看成自己的工厂,自己玩金融和高新技术,把落后产能交给乡村父老,每年收点保护费~ 总之,

与自上而下倡导的 +4dBu 所不同,

HiFi 圈普及 -10dBV 是自下而上的

注意这是美国人的说法,也许欧洲人会说 -10dBV 有其他考虑(例如节能环保?),但从专业角度考虑,高电压对音质一定是有利的。

 

提问环节:

+4dBu 比 -10dBV 大多少 dB?

+4 -(-10) = 14dB?(看起来是坑啊)


大家记住一个等式:

0dBV = +2.22dBu

或者 0dBu = -2.22dBV

所以 +4dBu = (-2.22 + 4)dBV = +1.78dBV

那么 +4dBu - (-10dBV) = (1.78 + 10)dB

= 11.78dB

还记得我们上文的公式?

12dB ≈ 16倍功率 ≈ 4倍电压 = 4倍音量

民用和专业的音量标准相差 4 倍

推荐一个 dBu/dBV 在线换算:sengpielaudio.com/calculator-db-volt.htm

 

 

 

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二生三

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除了代表电压的 dBV、代表功率的 dBm

还有更诡异的:

例如 dBK(K 是“开尔文”)是温度单位、

dB-Hz 是频率单位、dBZ 是雷达的效率...

而声音玩家会经常遇到三个衍生的 dB:

dBFS、dB SPL、dB(A)

先来个段子:

公司的90后小同事问我:好声卡的动态范围是不是会“更小”,我说怎么会呢?他说:“-120dB 不是比 -110dB 更小吗?”——我竟无言以对...

当我们谈论数字产品的参数时,例如信噪比/动态范围、底噪、谐波失真、互调失真(通常以百分比显示,但可以转化为 dB,请见文章《0.01% 的失真是多大?》)的时候,

我们谈论的 dB 其实是 dBFS

即“dB Full Scale (满血)”,面世时间不长

1977 年才开始使用

(CD 在 1982 年面世,之前大家没有“数字音频”的概念)

与 dBu/dBV 不同的是:

电压有最小值(没电)但没最大值

而 dBFS 有最大值:0dBFS

但却没有最小值,它可以无穷小。它的意义是——代表能记录的声音细节,dBFS 越小,说明能记录越小的声音,细节也越多。音乐爱好者应该都听过“精度/比特”的概念:

1 个 bit 代表 -6.02dB

80年代由于技术限制,“红白游戏机”只能记录 8-bit 音色,相当于 -(6 x 16) = -48dB 的细节(好像画面也是 8-bit?),-48dB 以下就全是噪音了,因此不够“真实”,但并不妨碍这些游戏成为经典(所以旋律与和声很重要,音色只是音乐的一部分)。

16-bit CD 能记录 -(6 x 16) = -96dB 的细节,别小看仅比 8-bit 多 -48dB,这种程度的细节已经超过人耳的极限,虽然人的体力在20岁开始走下坡路,但听力是从一出生就开始衰减的,小孩的耳朵大概能听到 -90dB,而30岁以后能听到 -80dB 已经不错了。

可能很多人不知道,80后记忆中的“录音带”信噪比最高只有 -72dB,就是说:

“录音带”只相当于 12-bit 的精度

因此 16-bit 的 CD 已经足够回放真实的声音

(由于录音/混音会有损音质,因此要求 24-bit)

超过 0dBFS 怎么办?——直接“削波”,就是强行把超出的波形削平,此时播放器或声卡的电平表冒红,因此这是需要避免的。(如果超出一点,听起来可能不太明显,如果超出太多,波形会变成类似“方波”的大段噪音)。

“动态范围”和“信噪比”有啥区别?动态范围通常是“绝对底噪”或“AD/DA 芯片底噪”,例如 -120dB 动态,意味着不会记录 -120dB 以下声音(全是噪音),信噪比可以看成“实际底噪”或“模拟电路底噪”。民用厂商有时两个值相差巨大,但专业厂商习惯把两个数值做成一样,因此专业厂商通常不写“信噪比”,它们说动态范围就是信噪比。

 

问题又来了:

0dBFS 听起来是多大?

这不一定,取决于厂商怎么设计,

通常声卡会说明 0dBFS = 多少电压

例如 0dBFS = +9dBu 或者 +12dBu

(Line Out 和耳机输出有时不一样)

很多百科说 dBFS 对应的电压是“各国的不同标准”,其实与国家关系不大,例如上图的英国厂商 Audient,入门级的 iD14 是 0dBFS = +12dBu,但中端的 iD22 是 +18dBu,其他声卡厂商也基本如此,因此它与音质的关系更大:电压越大,电压(推力)也更大。

* 目前 500 元价位的专业声卡基本是 +6dBu,千元级是 +9dBu,三千级别是 +12dBu,万元级基本都有 +20dBu,各厂商的旗舰通常 +24dBu 到头了(这是 AD/DA 部分电路,在模拟部分,厂商可能有更高的电压,例如 SPL Pro-Fi 的模拟部分高达 +36dBu)。

最后要注意音质参数的“说法”,通常录音师说“120dB 动态”,其实是“-120dB”,说“动态大”其实是“绝对值大”,例如 -120dB 动态比 -100dB “更大”。这和“中国队大胜韩国队” 和“中国队大败韩国队”是一个意思一样,取决于语境(麻痹的昨天又输给韩国了...)

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最后谈谈 dB SPL 和 dB(A)

前面我们讨论的其实是“数字”和“电流”,你想想,我们的耳朵并不能“听数字”或者“听电流”,“数字音频”其实是对真实能量的反应,要听到声音最关键是第三步:

数字 → 电流 → 物理震动

衡量真实震动大小的单位就是 dB SPL

“SPL” 是 Sound Pressure Level 缩写,简称“声压级”,在声卡上我们见不到这个单位,而音箱上比较常见,例如 EVE SC207 的官方页面会写:

Maximum SPL@1m:106dB

这是录音师常说的“最大声压(级)”,通常测量是单只音箱在距离 1 米时的极限粉噪,或以 < 1% THD 的正弦波扫频(由于灵活性很大,厂商爱玩猫腻,我之前吐槽过小米的蓝牙音箱——在28平米办公室以 0.5米测试双单元的粉噪,真心建议他们在厕所测试...)。

注意“dB SPL”和 dBFS 通常人们都直接叫“dB”,但由于语境不同,还是很好区分的;
在扩声音箱和耳机行业我们还经常看到以 dB 为单位的“灵敏度”,这是“功率的效率”,其中扩声音箱灵敏度是“1W 功率”能达到的声压,耳机灵敏度是 1mW 能达到的声压。

我们看看声压级的计算:

跟电压公式一个模子,也就说比例幅度一样(6dB ≈ 2倍电压 ≈ 2倍音量),而且有最小值 0(绝对无声)但没有最大值(没有最响,只有更响),这和 dBFS 是相反的。

很多人以为 dB (SPL) 是个音频行业的“老司机”了,其实不是,行业标准在 1994 年才定下来,那 1994 年之前的扩声演唱会用什么单位测量声压?——帕斯卡/Pa。

还记得高中物理?帕斯卡是“压强”单位

真实的声音是大气的“叠加压强”

(没有大气就没有声音,真空不能传声)

所以“咆哮哥”本质上是在产生大压强...

1994 年录音师开始改用 dB 做单位:

1 Pa ≈ 94dB (SPL)

可以算出:

两倍气压即 2 Pa ≈ (94 + 6) dB = 100dB

等式仅针对 1 米距离,如果距离增加一倍,声压就减少一半(6dB),也就是 1 Pa 在两米时 ≈ 88dB;距离缩短一半(0.5米)时,1 Pa ≈ 100dB。

Pa/dB SPL 的在线换算:sengpielaudio.com/calculator-soundlevel.htm

深入的先不谈,了解不同场景的声压即可:

(1 μPa = 0.000001 Pa)

据说 ANSI(美国标准协会)设立 20μPa = 0dB (SPL) 的时候,是以人耳的听力极限制定的,这个极限是——3米外一只蚊子的嗡声(等于 20μPa)。

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虽然上文提过 dB(A),这里再补充一点

厂商数据大部分都经过“等响曲线”校准

有的标 dB(A)、A-Weighted,有的不标

这条曲线大概是这个样子:

红线就是“等响曲线”,

这条曲线上听起来一样

例如 70dB 的 20Hz 正弦波、

以及 2dB 的 1000Hz 正弦波,

两者听起来音量/响度一样

明显人耳对超低频/超高频都不敏感,最敏感的是 3000 ~ 4000Hz,八卦一下,根据“奥卡姆剃刀原理”,拥有这种灵敏度一定有原因,对此频率敏感的人类更容易繁衍下来,小编查了一下,这部分是啮齿类动物的主频段——也就是老鼠。

我们把测得的曲线反过来补偿就可以了:

但还没这么简单,等响曲线图你能看到

不同音量下,红线的斜率不一样

例如 90dB 的 20Hz 正弦波和 20dB 的 1kHz 正弦波一样响,但 100dB 的 20Hz 正弦波响度相当于 40dB 的 1kHz 正弦波...

考虑到不同响度,调制出来的曲线不一样:

室内校准用 A-weighted/A 加权(蓝线)

扩声用声压更大的 C-weighted(红线)

等响曲线的单位是“Phon/方”,指的是 1kHz 正弦波的声压,例如 1kHz 的正弦波如果响度 40dB,那我们就说它是以 40 Phon 为基准来加权(A 加权),C 加权是 60 Phon。

dBA 虽然是行业标准,但一直有专家提出不同意见,Rane 就在自己文章里嘲笑厂商在 dBA 背后隐藏了什么(SNR 部分)~ 也许这种态度导致 Rane 被 inMusic 收购吧...

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三生万物

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上面我们分别了解了音乐工作者常见的 6 种 dB,另外 30 多种其实是相关的衍生单位,因此更深入的这里不讨论了,在结尾我们要谈谈本文的真正目的:

保护听力,才能感受万物

人耳对音量/频率的感应,

来自“听毛细胞”(下图)

这种细胞只减少,永不再生

从出生开始,你的听力只能衰退

(只是衰退的快慢问题)

如果你经常去迪厅和音乐节这种大声压场合,听毛细胞衰减会非常快,有频率发生器软件的朋友可以测试一下——30岁以上基本听不到 18kHz(例如小编),对于音乐工作者,请关注下监听控制器的“DIM”按钮,另外可以依靠频谱仪提高听音效率,减少工作时间。

很多人以为叉烧评测室的小编天天在听设备,其实我们不评测的时候基本不听歌;万一要评测音箱,通常花五分钟听几首歌就明白了(之前说过,老司机有“绝对频响”)。

还有,听耳机容易用更大的音量,

因此建议大家尽量多听音箱。

(世卫组织“听力保护日”的 LOGO 正是耳机夹爆鸡蛋...)

多少的声压级是安全的?世卫组织认为:

安全声压级是 < 70dB

危险声压级是 > 90dB

(在 90dB 场所 30分钟 会永久损害听力)

那我们怎么知道声压超过 90dB?

随身携带“声压计”吗?

其实有手机就行

在 APP Store 搜索“Decibel”

会出来一堆声压测量 APP

如果 APP 实测接近 90dB,就要小心了

这不是说年轻人别去音乐节和酒吧了

最起码要来一幅 10 块钱的 3M 耳塞~

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中国经济正以最快的速度追赶欧美

这是以牺牲环境和健康为代价的。

比起“看得见”的雾霾,甲醛和噪音这些看不见的危害很容易被忽视,举个例子,我们音乐行业的乐器/音响展览会简直是“比大声”,甲醛和音量严重超标,但小编去法兰克福乐器展(欧洲最大乐器展),发现馆内居然还可以聊天——随时有工作人员拿着声压级,测量有没有展位的音量超标。

你关心了这么多年音响的灵敏度,

是时候关心下自己耳朵的灵敏度了


感谢@syy819 提醒,确实只有数字设备才谈得上“精度”,我修改一下文章~

录音带只有12-bit的精度这个说法有问题,模拟设备不存在采样精度,因为其幅值是连续可变的。但是你可以说录音带的底噪只能达到12-bit精度数字信号的水平。

千万注意不能写“db”,3dB ≈ 2倍功率 ≈ 1.4倍电压 ≈ 1.4倍音量

f声音大1倍究竟是3db还是6db?