声音与分贝

我们知道，声音是一种振动波。声音通过空气传播、被我们听到，本质上就是空气分子的振动传到了耳朵里，引发鼓膜的振动。所以，声音的大小，其实反映的是这种振动的强度。由于空气振动会引起大气压强的变化，所以确切地说，我们应该用压强变化的程度来描述一个声音的大小，这就是“声压”的概念，它的单位是Pa（帕斯卡）。比如：1米外步枪射击的声音大约是7000Pa；10米外开过的汽车大约是0.2Pa。

用声压来描述声音强度虽然准确，但却有很明显的问题：声压的变化范围非常大，不同声音的声压可能相差成百上千倍。比如上面两个例子：虽然步枪的声音确实比汽车声要大，但要说大出几万倍，这无论如何也与我们的日常感觉有出入。

因此，物理学上使用了“分贝”的概念。对于声音，“分贝”是这样定义的：我们将某一个声压值定义为“标准值”（0分贝），这是一个固定的值；任何一个声音，都和这个标准值相除，取结果的对数（以10为底），再乘以20，这样算出来的就是这个声音的分贝。写成公式就是：

其中：GdB 为分贝；V0 为声压标准值；V1 为声压测量值。

对于上面的两个例子，步枪射击的声音换算过来就是171分贝，汽车开过的声音是80分贝，这样不仅方便计算，而且比较符合一般人的听觉感受。

这里涉及到了一个作为“标准值”的声音。当我们计算在气体介质中传播的声音时，采用的标准值是2×10^-5 Pa（20μPa），这是人耳在1000Hz这个频率下能听到的最小的声音，大致相当于3米外的一只蚊子在飞。这就是物理上对“0分贝”的定义。事实上，很多人听不到这样弱的声音。根据世界卫生组织的定义，如果一个人能听到的最小声音在25分贝以下，就属于正常听力。

另外，“分贝”并不仅仅用来描述声音强弱，它还被运用在电子学等其它物理领域，比如用来描述信号的增益衰减、信噪比等等。用来表示声音强弱时，“分贝”被写成dB(SPL)，其中dB 是decibel（分贝）的缩写，SPL是Sound Pressure Level（声压位准）的缩写。除此以外，分贝还有别的形式。

通过上面对“分贝”的描述，我们会发现：

1. “分贝”并不反映声音的绝对响度，它是以某一个声音为基准，描述声音响度的相对关系。科学一点说，它把一个指数增长的物理量转换成了线性增长的物理量，便于计算。

2. “0分贝”并不代表“没有声音”，它只是一般认为人类能听到的最小声音而已。完全有可能有比0分贝还弱的声音（比如4米外的一只蚊子），那就是负分贝了。

3. 上面提到的2×10^-5 Pa，是用于计算“在空气或其它气体中传播的声音”时使用的标准值。当计算通过水下等液体介质传播的声音时，就要采用不同的标准值（1×10^-6 Pa，1μPa）。

这意味着，如果有同样分贝的空气中的声音和水下的声音，它们各自代表的声压强度是不一样的。

4. 虽然“分贝”是另一个单位“贝尔”（Bel）的十分之一，但“贝尔”这个单位很少使用，因为人们发现在大部分应用场合，“贝尔”这个单位偏大，“分贝”比它更加合适。

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附：一些声音的分贝

-80分贝：核潜艇的麦克风在水下听到的100米外一只虾咀嚼食物的声音

-30分贝：20英里外一个人的说话声

0分贝：10英尺（约3米）外一只蚊子在飞

10分贝：非常安静的房间

13分贝：灯泡的嗡嗡声

15分贝：1米外一根别针从1厘米的高度掉落下来的声音

20分贝：乡村的夜晚

30分贝：沙漠的夜晚

40-60分贝：正常谈话的声音

50-53分贝：洗衣机的工作声

60-80分贝：10米外经过的汽车

70分贝：10英尺（约3米）外的真空吸尘器；美国环保署认定的人类能忍受（不产生听力损失、睡眠障碍、焦虑、学习障碍等）的最大噪音

85分贝：长期作用下会引起听力损伤

90分贝：10英尺（约3米）外经过的公共汽车或卡车；食物搅拌机

100分贝：一般家用音响设备的最大音量

104-107分贝：开始引起疼痛的声音（在2750Hz的频率下）

110-140分贝：100米外的喷气式飞机引擎

116分贝：人体开始感觉到振动的声音（在低频率下）

120-130分贝：摇滚演唱会的最前排

127分贝：开始引起耳鸣的声音

128分贝：在8.2英尺（约2.5米）外测量到的人类最大的尖叫声140分贝：即使声音时间很短，也会引起听力损伤

141分贝：开始引起恶心感觉的声音

168分贝：M1加兰德步枪在1米外开火

175.8分贝：250英尺（约75米）外1吨TNT炸药爆炸

192.8-194.7分贝：地球大气压理论上能传播的最大强度声音