ماهو الديسبل decibel وكيف يتم قياسه؟

 مقدمة :

الديسيبل (إختصارا dB ) هي الوحدة المستخدمة لقياس شدة الصوت.
مقياس الديسيبل غريب قليلا لأن الأذن البشرية حساسة بشكل لا يصدق.

أذنك يمكن أن تسمع كل شيء من صوت حك البشرة بالاصابع بخفة وحتى صوت المحرك النفاث ذات الصوت المرتفع . من حيث القدرة أو القوة أو الشدة يبلغ صوت المحرك النفاث نحو 1،000،000،000،000 مرة أقوى من أصغر صوت مسموع . وهذا فرق كبير!

على مقياس الديسيبل أصغر صوت مسموع (بالقرب من الصمت التام) هو 0 ديسيبل 0 dB. والصوت الأقوى بعشر مرات تكون قوته بمقياس الديسيبل هى 10 ديسيبل 10 dB. والصوت الأقوى مائة مرة عن شبه الصمت التام تكون قوته 20 ديسيبل 20 dB.والصوت الأقوى 1000 مرة من الصمت شبه التام تكون قوته 30 ديسيبل 30 dB. وفيما يلي بعض الأصوات الشائعة ومعدلها (قوتها) بالديسيبل :

• الصمت شبه التام 0 dB
• الهمس 15 dB
• المحادثة العادية 60 dB
• ماكينة قص الأعشاب 90 dB
• بوق(نفير) السيارة 110 dB
• حفل لموسيقى الروك أو محرك نفاث120 dB
• ألعاب نارية أو مفرقعات 140 dB
وانت تعرف بتجرتك الخاصة أن المسافة تؤثر على قوة(شدة) الصوت فإذا ابتعدت تنخفض الشدة إلى درجة كبيرة , جميع التصنيفات المذكورة أعلاه مأخوذة عند الوقوف بالقرب من الصوت.

ويمكن لأي صوت فوق 85 ديسيبل أن يتسبب فى فقدان السمع،نتيجة للشدة ولزمن التعرض لهذا الصوت . هل تعلم أنك تستمع إلى صوت بقوة 85 ديسيبل عند رفع صوتك لكى يسمعك شخص آخر. ثماني ساعات من الصوت بشدة 90 ديسيبل يمكن أن تسبب ضررا (تلف) لأذنيك ؛ وأى تعرض لصوت بقوة 140 ديسيبل يسبب ضررا على الفور (ويسبب الألم الفعلي).

التعريف وأمثلة :


التعريف :
تستخدم وحدة الديسيبل ( dB) لقياس مستوى الصوت ، ولكنها تستخدم على نطاق واسع في مجال الالكترونيات ، وفى الإشارات وفى الاتصالات.
الديسيبل هو وحدة لوغاريتمية logarithmic unit تستخدم لوصف نسبة ratio.
هذه النسبة قد تكون لقدرة power وقد تكون لضغط الصوت sound pressure ، وقد تكون للجهد أو قد تكون للشدة intensity أو أشياء أخرى عديدة.
لكن أولا للتعرف على الوحدات اللوغريتمية لننظر إلى بعض الأرقام. (يتم مراجعة ما هو اللوغاريتم؟).
على سبيل المثال، لنفترض أن لدينا اثنين من مكبرات الصوت،الأول قدرته الصوتية P1 و والآخر قدرته الصوتية أعلى ولتكن P2, ولكن جميع العوامل الأخرى مشتركة ( المسافة و التردد ) .
فما الفرق بينهما ؟

يعرف الفرق بينهما بالديسيبل بالصورة :
10 log (P2/P1) dB

حيث اللوغاريتم للأساس 10 .
إذا أنتج المكبر الثانى قدرة ضعف الأول يكون الفرق بالديسيبل

10 log (P2/P1) = 10 log 2 = 3 dB


وكما هو مبين بالشكل التالى حيث تم توقيع قيمة 10 log (P2/P1) أى الديسيبل بالنسبة لقيمة P2/P1 .










وإذا كانت قدرة المكبر الثانى 10 أضعاف المكبر الأول يكون الفرق بالديسيبل :
10 log (P2/P1) = 10 log 10 = 10 dB.
وإذا كانت قدرة المكبر الثانى 10 مليون ضعف المكبر الأول يكون الفرق بالديسيبل :


10 log (P2/P1) = 10 log 1,000,000 = 60 dB.

هذا المثال يظهر ميزة واحدة من مقاييس الديسيبل والذى يكون مفيدا في مناقشة الصوت sound:
فعن طريقها يمكن وصف نسب كبيرة جدا باستخدام أرقام ذو حجم متواضع.
لكن لاحظ أن الديسيبل يصف نسبة : ولم يتطرق إلى قدرة أى من المكبرين , فقط النسبة بين القدرتين . لاحظ أيضا المعامل 10 'deci'في التعريف والذى اشتق منه الاسم decibel .

 


ضغط الصوتSound pressure، ومستوى الصوت sound level والديسيبلdB:
يقاس الصوت عادة بالميكروفونات , واستجابتها(تقريبا) تتناسب مع ضغط الصوت p .
قدرة الموجة الصوتية (مع ثبات باقى العوامل ) تتناسب مع مربع الضغط ( وهى تشبه أن القدرة الكهربية فى مقاومة تتناسب مع مربع الجهد ) .
لوغاريتم مربع x هو مجرد 2 log x وهذا يؤدى إلى إدخال المعامل 2 عند التحويل من الضغط إلى ديسيبل. ومن ثم يكون الفرق في مستوى ضغط الصوت بين مصدريين من الأصوات ذات ضغط p1 و p2 مع وبقدرة P1 و P2 هو :

20 log (p2/p1) dB = 10 log (p22/p12) dB = 10 log (P2/P1) dB
حيث اللوغاريتم للأساس 10 .

ماذا يحدث عندما خفض قوة الصوت إلى النصف ؟
لوغاريتم 2 يساوى 0.3 لذلك يكون لوغاريتم 1/2 هو -0.3
لذلك عند خفضت القدرة للنصف فسوف تقل القدرة ويقل مستوى الصوت بما قيمته 3 dB .
إذا خفضنا القدرة للنصف مرة ثانية (اى اصبحت ربع القدرة الأصلية) فسوف يتم تخفيض المستوى بما قيمته3 dB أخرى .
اذا استمر التخفيض إلى النصف نحصل على النسب التالية :






ماذا سيحدث إذا قمت بإضافة اثنين من مصادرالأصوات المتطابقة؟
هل يمكن مضاعفة الشدة (بمعنى زيادة قدرها 3 ديسيبل)؟
أو هل يتم مضاعفة الضغط (بمعنى زيادة قدرها 6 ديسيبل)؟
هذا هو أحد الأسئلة المطروحة في كثير من الأحيان والتى سوف نتناولها .

الأسئلة الشائعة :
1- كيف يمكن أن يكون لدينا ديسيبل بالسالب ؟ اليس صفر الديسيبل يعنى عدم وجود صوت ؟

صفر الديسيبل هو المستوى المرجعي ، وليس صفر ضغط الصوت. لذلك يمكن أن يكون هناك ديسيبل سالب .
عادة ما يتم تعيين صفر الديسيبل حول حد سماع الإنسان (في مدى التردد الأكثر حساسية).
مستوى الصوت بالديسيبل هو قياس (بمقياس لوغاريتمى ) للنسبة بين ضغط الصوت أو شدة الصوت إلى هذا المستوى المرجعي .
لوغاريتم واحد بصفر،لذلك صفر ديسيبل يناظر المستوى المرجعي.
الأعداد الأكبر من الواحد لها لوغاريتم موجب ، لذلك فإن الديسيبل الموجب يعني مستويات الصوت الأكبر من المرجع.
الأعداد الأصغر من واحد لها لوغاريتم سالب , لذلك فإن الديسيبل السالب يعني مستويات الصوت دون المستوى المرجعي.

صوت ذات ضغط أو شدة بصفر تكون قيمة الديسيبل له بسالب مالانهاية ديسيبل .
ومع ذلك ، فمن المستحيل تخفيض ضغط الصوت أوشدة الصوت إلى الصفر ، ما لم يكون هناك فراغ، وذلك بسبب الحركة الحرارية للجزيئات.


2- ما هي العلاقة بين علو (جهارة) الصوت loudness والديسيبل؟ هل 80 ديسيبل أعلى صوتا مرتينمن من 40 ديسيبل؟ كيف يتم الترجمة من ديسيبل إلى علو الصوت ؟

مستوى الصوت بالديسيبل هو كمية طبيعية (فيزيائية) ويمكن أن تقاس بموضوعية.
علو (جهارة) الصوت هى كمية تصورية وفقط يمكن الحصول على قياسات لها بتوجيه أسئلة للناس عن العلو أو العلو النسبى (وبطبيعة الحال سوف يعطى الأشخاص المختلفين إجابات مختلفة قليلا) .
يتم الربط بينهما بما يعرف بعلم النفس البدنى psychophysics . تجارب علم النفس البدني تبين أن : مضاعفة علو الصوت مرة تلو الأخرى تعادل 10 ديسيبل تقريبا فى كل مرة .
ومن ثم يمكن تقريبا القول أن صوت 50 dB أعلى مرتين من صوت 40 dB وأن صوت 60 dB أعلى مرتين من صوت50 dB الخ.


--------------------------------
من مصدر آخر


مفهوم الديسبل
الديسيبل         هو وحدة لقياس ضغط الصوت، أو "الفولتية"، أو القدرة، وغيرها من الكميات، الصَّوتية أو الكهربائية. وهو يساوي عُشْر بِلّ. والبِلُّ وحدة قياسية، عُرفت بهذا الاسم، نسبة إلى المخترع والعالم الأسكتلندي المولد، ألكسندر جرهام بِلّ.         وكثيراً ما يُستخدم الديسيبل في علم الصَّوت، لمقارنة شدته أو ضغطه، بالاستناد إلى مستويات مرجعية ثابتة، أكثرها شيوعاً، في قياس شدة الصوت، 10ـ12 واط للمتر المربع الواحد. وهذا المستوى يعادل صفراً من الديسيبلات. وأكثرها قياس ضغط الصَّوت، فإننا نجد أن أكثر النقاط المرجعية شيوعاً، في قياس ضغطه، هو 2×10ـ5 باسكال.         وإذا كان الصَّوت في مستوى 10 ديسيبلات، فإن الأذُن البشرية الطبيعية، لا تلتقطه، إلا بصعوبة. وقد يكون مستوى ضغط الصوت، في غرفة هادئة، نحو 40 ديسيبلاً، ولكن إذا بلغ مستواه 70 ديسيبلاً، فإنه يُعَدّ صوتاً مزعجاً؛ إذ إنَّ الصَّوت في مستوى 70 ديسيبلاً، يبث من الطاقة أكثر مما يبثه الصوت في مستوى 40 ديسيبلاً، ألف مرة.
 مفهوم الديسبل : dB concept واستخدامه في الحسابات
 قياس ربح الاستطاعة بالديسبل dB :
G(dB)= 10 * log(Po/Pi)
 قياس الاستطاعة بالنسبة 1mw
P(dBm) = 10* log (P/1mw)
 أمثلة :
40dBm = 10Watt
-30 dBm = 10 uW
 تطبيق :
على اعتبار أن Zi = Zo = 50 Ohm لمضخم استطاعة
استطاعة الدخل فيه Pi = 0.02 W
استطاعة المخرج Po = 2 W
Pi(dBm) = 10 * log ( 0.02w/1mw) = 10 * log20 = 13 dBm
Po(dBm) = 10* log ( 2w/1mw) = 10 * log2000 = 33 dBm
 G =2/0.02 = 100  مرة
G(dB) = 10 log(2/0.02) = 20 dB
 لاحظ أن الاستطاعة في المخرج تساوي استطاعة المدخل بال dBm + ربح المكبر بال dB
Po(dBm) = Pi(dBm) + G(dB)
Po(dBm) = 13 + 20 = 33 dBm
 Vi =sqr(Pi * Zi) = sqr(0.02 *50) = 1 Volt
Vo = sqr(Pi * Zo) = sqr(2*50) = 10 Volt
 G(dB) = 20 log (Vo/Vi) = 20 dB
نلاحظ أن حساب ال dB هو نفسه بالنسبة للاستطاعة او الجهد نفسه
لا حظ انه عندما يكون الجهاز مكبرا فانه يكون ذو ربح G(dB) >0
أما في حالة التخميد يكون G(dB) <0 span="">
 مثال عملي :
مرسل باستطاعة 100 Watt بهوائي ذو ربح +4 dB طوله 15.2 متر مرفوع على برج ارتفاعه 30 متر
فنحتاج إلى كبل كوكسيال بطول يساوي ( طول البرج + طول الهوائي ) أي بطول 45.5 متر وكابل كوكسيال بهذا الطول يكون ضياعه بمقدار –6dB
يرسل موجة بتردد 150MHz  إلى مسافة 90 ميل إلى هوائي استقبال على ارتفاع h2=762  متر وبطول هوائي يجعل ربحه +9 ديسيبل dB ويكون التخميد الناتج عن طريق بهذا الطول _ وسط الانتشار _ هو -160dB
وكبل نقل إشارة المستقبل يكون تخميده –20 dB
تبلغ حساسية جهاز الاستقبال –113 dBm فهل تنجح عملية الاتصال أم لا ؟
 الحل :
Pr = +50 -6 +4 -160 +9 -20 = -123
أي أن الاستطاعة الواصلة إلى مدخل المستقبل اقل 10 مرات من حساسية المستقبل والحل يتم ب :
1- إما بزيادة استطاعة المرسل بمقدار 10dB أي الى 1000Watt
2-  أو بوضع هوائي استقبال بربح على الاقل 19dB – هوائي ياغي غير كافي لأن ربحه 14 dB
3-  بوضع هوائي إرسال ياغي ذو ربح 14 dB عوضا عن المستخدم 4 dB وبذلك يتحقق الهدف

-------------------------------

شدة الصوت

نعرف شدة الموجة الصوتية بأنها الطاقة التي تحملها الموجة في الثانية عبر وحدة المساحات العمودية على اتجاه انتشار الموجة . وحيث أن الشدة هي كمية الطاقة في الثانية ، إذن شدة الصوت هي القدرة المارة خلال وحدة مساحات عمودية على اتجاه انتشار الموجة . تقاس وحدة شدة الصوت بالواط لكل متر مربع. كما تستخدم وحدة ديسيبل للتعبير عن شدة الصوت ، حيث أن الديسيبل يسهّل مقارنة أعداد كبيرة جدا بأعداد صغيرة جدا ، حيث تتغير شدة الصوت تغيرات كبيرة بين الهمس و الضوضاء ، وكلها يمكن أن تسمعها الأذن . بالنسبة للصوت : شدة الصوت العادية تكون عند 60 ديسيبل ، وابتداء من ديسيبل 90 فصاعدا تصاب الأذن بضرر إذا تعرضت لصوت بهذه الشدة لفترة طويلة . (هذا هام لمستمعي الموسيقي والأغاني بصوت عالى او بواسطة سماعات الأذن . يجب ألا يديروا التضخيم إلى نهايته العظمى ، بل عليهم سماع الموسيقى بصوت معقول).
يوضح الجدول التالي شدة بعض الأصوات (وحدة الديسيبل dB ):

نوع الصوت	شدة الصوت w\m2	مستوى شدة الصوت dB
الصوت المسبب للألم (طائرة نفاثة فوق الرأس)	1	120
طائرة عند الإقلاع*	10−2	100
ثقّابة الصخور التي تعمل بالهواء المضغوط	10−3	90
صوت دراجة نارية *	10−4	80
طريق كثيف بالمرور*	10−5	70
التخاطب العادي* (أو صوت ماكينة الخياطة)*	10−6	60
الهمس المتوسط الارتفاع*	10−10	20
حفيف الشجر*	10−11	10
الصوت المسموع بالكاد	10−12	0

• عندما يكون الشخص قريباً من مصدر الصوت
  • كلما زاد الديسيبل بمقدار 10 زادت شدة الصوت الضعف .
    • التعرض لديسيبل في الصوت أعلى من 90 ديسيبل لفترة طويلة تعرض السمع عند الإنسان بضرر دائم .

للتعبير عن طريقة استجابة الإذن للأصوات بطريقة أفضل يُستخدم عادةً مقياس شدة الصوت ، أو مقياس الديسيبل ، المبني على قوى الرقم 10.
ويمكن أن نلاحظ في مقياس الديسيبل أن الحد الأدنى لشدة الصوت المسموع بالكاد للإذن المتوسطة أي () هو الصفر في مقياس الديسيبل . وكلما ازداد الديسيبل بمقدار 10 dB زادت شدة الصوت بمقدار الضعف . وقد وجد أن الإذن تحكم على الأصوات طبقاً لمقياس الديسيبل، أي أن حاسة السمع لدى الإنسان تقيس الصوت بطريقة لوغاريتمية .
إذا زادت الصوت عن 90 ديسيبل فغن هذا يتسبب في قطم خلايا السمع ، وهي لا تتجدد . فإذا تعرض الإنسان إلى أصوات عالية فوق 90 dB لمدة ظويلة فإنهم يفقدون السمع رويدا رويدا . لهذا نجد الحفارين العاملين على حفارات كهربائية يحمون آذانهم بواسطة مهدئات للصوت (ما يشبه السماعات) . وكذلك يفعل مرشدوا الطائرات على أرض المطارات قبل اقلاعها ،فهم أيضا يلبسون مهدئات للصوت على آذانهم لحماية سمعهم.



_______
مواضيع مشابهة أو ذات علاقة بالموضوع :