前言:近日看到一个波特图,试图理解它用对数坐标的原因,于是就稍微研究了下。并发现对数与我之前搞不大清楚的分贝有很大联系,因此顺便把分贝也说了下。
对数:
对数与指数是相反的运算,正如除法与乘法是相反的运算一样。
要取消乘6,可以用除6来解:
要取消6的若干次方的指数,可以用底数是6的对数,即:
注:上面这段话是选自《解码宇宙》——查尔斯.赛弗。
通常我们只使用几个固定的底数,如以2、e或者10为底数。其中以10为底的对数叫做常用对数,记作lg。
函数y=lgx,自变量与函数的关系表格如下:
x(自变量) |
y=lgx(函数) |
0.01 |
-2 |
0.1 |
-1 |
1 |
0 |
10 |
1 |
100 |
2 |
1000 |
3 |
它的图象:
由此可见:
1、欲使对数函数变化一个单位,自变量需要变化一个数量级。
2、该函数是单调递增,自变量1对应的对数为0
因此,自变量大于1时,对数函数变化缓慢;自变量小于1时,对数函数变化迅速。1是对数函数变化的一个明显的分界点。
在实际生活与工作中,有时候对物理量的描述用对数更加方便。因为对数描述法可能更符合人的心理特点。这就是心理学上的“韦伯定律”和“费希钠定律”,它揭示了在一定的刺激下,虽然物理量呈几何级数增长,但对于人的心理来讲,却呈线性增长。比如声音的响度、地震的强度等。这这些情况下,用对数坐标作图更加方便与直观。它既可以保证我们关心的那部分细节信息不丢失,又可以保证较大的作图范围。
对数坐标:
两条坐标轴的刻度间长度并不与刻度成比例,而是与刻度的对数成比例。它可以把幂函数图象转换成直线。例如:
指数n |
线性坐标 |
对数坐标 |
3 |
||
2 |
||
1 |
||
-1 |
||
-2 |
对数坐标只能表示无量纲的量,如两个物理量的比值。为方便起见,我们引入分贝来表征这个比值的大小。
分贝(dB):
对于功率类物理量的比值(如功率),其分贝为该比值常用对数的10倍。
对于幅值类物理量的比值(如电压、电流、声压、场强等),其分贝为该比值常用对数的20倍。
用公式表示:
列表如下:
比值=物理量:基准量 |
分贝表示10lg(比值) |
分贝表示20lg(比值) |
0.5 |
-3 |
-6 |
0.707 |
-1.5 |
-3 |
1 |
0 |
0 |
1.414 |
1.5 |
3 |
2 |
3 |
6 |
4 |
6 |
12 |
10 |
10 |
20 |
100 |
20 |
40 |
1000 |
30 |
60 |
由此可见:
1、如果一个放大器的增益为6dB,则其对电压放大倍数为2倍,对功率的放大为4倍,实际上就是这样。虽然放大器对于电压和功率的放大倍数不同,但他们增益是一样的。这就是分贝对电压和功率的定义不同的原因。
如果我们给定了基准量,就可以直接用分贝表示物理量的大小了。负的分贝表示物理量比基准量小,0分贝表示物理量与基准量一样大。例如:
在电学领域:取600欧姆的纯电阻上耗散一毫瓦(mW)功率作为基准值,因此零电平功率(dBm)和零电平电压(dBu)分别为1mW和0.707V(有效值)。
声强:由于人的耳朵所能感受到的最小声压是20µPa,因此人们就把这个压强作为声压强的参照标准。据此来表示声音的强度。
关于分贝的更多知识,敬请参阅 维基百科Decibel(英文)