dB的概念

振動(dòng)試驗(yàn)基礎(chǔ)1-必要的數(shù)學(xué)和物理知識(shí)2

振動(dòng)試驗(yàn)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)dB（分貝）的概念，概念定義請(qǐng)參考上面鏈接文章復(fù)習(xí)一下，需要注意的是它分兩種情況，一種是加速度、速度、位移、電壓、電流等使用的dB，另一種是能量、功率、PSD等使用的dB，兩者的區(qū)別是定義式前面的系數(shù)不同。一個(gè)是20，一個(gè)是10。

  dB是倍數(shù)的另一種表現(xiàn)形式，因?yàn)槎x式log括號(hào)里面的就是倍數(shù)。為什么在振動(dòng)試驗(yàn)中使用dB？主要是因?yàn)樵谡駝?dòng)試驗(yàn)中常使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)，使用dB更適合表達(dá)，主要好處一是便于計(jì)算，將乘除化為加減，二是可以將數(shù)量級(jí)差異巨大的兩個(gè)量的數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)都能比較清晰地呈現(xiàn)，即差異懸殊的兩個(gè)量之間比值的相對(duì)大小，用比較小的數(shù)字來表征。所以需要我們突破常規(guī)概念，轉(zhuǎn)換思維。在振動(dòng)試驗(yàn)中，dB經(jīng)常在以下幾種情況下出現(xiàn)。

1 試驗(yàn)控制精度公差的定義

如下圖試驗(yàn)條件，試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，最完美的運(yùn)行情況是響應(yīng)加速度值（控制加速度傳感器響應(yīng)值）曲線（綠色曲線）和目標(biāo)加速度值曲線（紫色曲線）完全吻合，但是由于各種原因（共振、動(dòng)圈傾斜等原因），不可能完全吻合，所以要設(shè)置控制精度要求即誤差要求。一般正負(fù)3dB以內(nèi)可認(rèn)為正常區(qū)域，警告范圍為正負(fù)3dB（黃線）與正負(fù)6dB（紅線）之間，也就是說響應(yīng)加速度的值低于目標(biāo)加速度的值0.71倍(3.55m/s2)或者高于目標(biāo)加速度值1.41倍(7.05m/s2)，認(rèn)為試驗(yàn)的控制精度出現(xiàn)問題，開始報(bào)警但試驗(yàn)不停止，需要引起試驗(yàn)人員的注意。試驗(yàn)中斷范圍為正負(fù)6dB（紅線）以外，即響應(yīng)加速度的值低于目標(biāo)加速度的值0.5倍（5m/s2）或者高于目標(biāo)加速度值2倍（10m/s2），試驗(yàn)控制精度出錯(cuò)，試驗(yàn)中斷停止，再繼續(xù)試驗(yàn)下去失去試驗(yàn)意義。

有些試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)給出警告和中斷dB值，很多試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都是默認(rèn)正負(fù)3dB和正負(fù)6dB，為什么默認(rèn)這兩個(gè)值，作者從事這么多年一直沒有找到答案。但個(gè)人猜測(cè)可能和試驗(yàn)材料的安全系數(shù)有關(guān)，學(xué)過《機(jī)械設(shè)計(jì)》的讀者可能記得一般取安全系數(shù)1.3至1.4之間，也就是3dB左右，通過牛頓第二定律計(jì)算受到1.3倍的推力激勵(lì)，試驗(yàn)體材料還是安全的，不會(huì)損壞，但需要我們注意。材料的破壞系數(shù)一般為2，即6dB，受到2倍的推力激勵(lì)，材料破損，試驗(yàn)就沒有必要進(jìn)行，為了對(duì)稱，下限也就取-3dB和-6dB了。以上僅為一家之言，僅供參考。

 沖擊試驗(yàn)中的dB誤差同樣滿足上述描述，但在隨機(jī)試驗(yàn)中即PSD的定義中是有區(qū)別的，雖然是同樣的正負(fù)3dB和6dB，但對(duì)應(yīng)的倍數(shù)關(guān)系是不一樣，原因請(qǐng)從定義公式中查找，有興趣的同學(xué)可以自行計(jì)算下圖中每根曲線各點(diǎn)處的縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)PSD值。

2 手動(dòng)預(yù)試驗(yàn)中量級(jí)設(shè)置

 如下圖右上角所示，為了使試驗(yàn)完美，不破壞試驗(yàn)體，試驗(yàn)都需要進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，可以先小量級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)，然后通過手動(dòng)按鈕慢慢上量級(jí)，一般從-10dB開始，每隔2dB相加，每次觀察試驗(yàn)體的受力情況或者確認(rèn)采集數(shù)據(jù)是否正常等，最后確認(rèn)試驗(yàn)運(yùn)行無問題，直接上到0dB開始正式試驗(yàn)?？赡苡械恼駝?dòng)控制儀軟件沒有這個(gè)功能，敬請(qǐng)注意。

 此處的dB是針對(duì)某個(gè)試驗(yàn)量級(jí)來說的，有人會(huì)疑惑是功率譜密度的dB還是隨機(jī)試驗(yàn)加速度RMS值的dB。從上面的定義可以看出，做出這樣的理解是錯(cuò)誤的，某個(gè)dB時(shí)，實(shí)際上已經(jīng)唯一地確定了試驗(yàn)量級(jí)地相對(duì)大小。只是有用不同物理量，如PSD或者RMS來計(jì)算比值的時(shí)候，其比值結(jié)果時(shí)不同的，下圖中時(shí)針對(duì)加速度的RMS值來說的，即

 dB ＝ 10log(PSD2/PSD2)＝ 20log(RMS2/RMS1)

3 隨機(jī)試驗(yàn)PSD值條件斜率的設(shè)定

 dB/oct的形式出現(xiàn)，具體參考下面的文章。

振動(dòng)試驗(yàn)入門 其他相關(guān)事項(xiàng)12 隨機(jī)試驗(yàn)條件中“dB/oct”如何理解？

4 動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)

 動(dòng)態(tài)范圍是指某個(gè)量最高的量值和最低量值的比值，一般也用dB表示，和振動(dòng)控制儀硬件的AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的位數(shù)密切相關(guān)，dB值越大越好，精度越高，可以用來衡量振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)劣。

5 噪聲測(cè)試領(lǐng)域

一種特殊用法，衡量噪聲的量級(jí)大小，比如我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定住宅區(qū)噪聲，白天不能超過55dB，夜間應(yīng)低于45dB。而這個(gè)dB是與安靜環(huán)境下一根針掉下來的聲音進(jìn)行比較的。振動(dòng)試驗(yàn)里面基本用不到，了解一下即可。

  以上列舉了dB(分貝)概念在振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)的情亂，有可能有遺漏。讀完全文是不是覺得dB沒有那么難了，只是倍數(shù)的另外一種表達(dá)方式而已，重點(diǎn)理解第一種情況。最后，用兩張表格即分貝和倍數(shù)的關(guān)系（振動(dòng)試驗(yàn)常用值、兩種情況）來結(jié)束全文。