Desibelikäsitteen avulla voidaan ilmaista kahden tason välistä suhteellista eroa. Päinvastoin kuin usein luullaan, desibeli (dB) ei ole itsenäinen (absoluuttisesti mitattava) tietyn fyysisen suureen mittayksikkö, kuten metri tai watti, vaan se on ainoastaan kahden, samoissa absoluuttisissa mittayksiköissä ilmaistun tason välinen logaritminen suhdeluku. Desibelein ilmoitetaan tehon, sähköisen jännitteen sekä äänenpaineen tasoja ja muutoksia.
Musiikkitekniikassa desibelein ilmaistaan useita asioita, lisäksi desibeli-suhdeyksikköjä on – nollatason määrityksestä riippuen – useita erilaisia, mikä saattaa lopullisesti sekoittaa käyttäjän ymmärryksen. Seuraavassa on lyhyesti kerrottu niistä yleisimmät.
Akustinen voimakkuuden muutos
dB SPL
Aänenpainetta mitattaessa käytetään yksikköä dB SPL (Sound Pressure Level). Vertailutasona ei ole absoluuttinen hiljaisuus, vaan ihmisen kuulokynnys keskitaajuuksilla (1 kHz–4 kHz), siis hiljaisin ääni, jonka ihminen aistii on 0 dB SPL. Äänenpaine, jonka ihminen aistii kipuna, on 120 dB kuulokynnyksen tasoa voimakkaampi, kuulon kipukynnys on siis 120 dB SPL.
Äänenpaineen muuttuminen vaikuttaa äänenpainetasoon seuraavasti: kun paine kaksinkertaistuu tai puolittuu, muuttuu äänenpainetaso ± 6 dB SPL.
Loudness
Vaikka äänenpaine kaksinkertaistuu (+6 dB SPL), kuuloaistin mielestä kuitenkin vasta 10 dB SPL muutos vastaa äänenvoiman, oikeammin äänekkyyden (loudness), kaksinkertaistumista.
Äänekkyyden aistimus on riippuvainen myös äänenkorkeudesta ja lähtötasosta. Itse asiassa desibeliasteikko ei sellaisenaan kuvaa todellista aistimusta, vaan tähän tarkoitukseen käytetään foniasteikkoa, joka huomioi paremmin kuulon toiminnan. Foni on äänekkyyden mittayksikkö, jonka asteikko vastaa dB SPL -asteikkoa ainoastaan yhdellä taajuudella (1 kHz) ja kaikilla muilla taajuuksilla se eroaa dB-asteikosta ns. Fletcher-Munson -käyrästön mukaisesti korjattuna. Nämä käyrät kuvaavat kuulon suhteellista herkkyyttä äänenkorkeuteen nähden. Matalat taajuudet ja aivan korkeimmat taajuudet korva aistii keskialueita vaimeampina. Kun korvan kannalta verrataan äänen intensiteettiä eri taajuuksilla, saadaan seuraavia tuloksia: 120 dB SPL 1 kHz:n taajuudella aistitaan yhtä voimakkaana kuin 130 dB SPL 45 Hz:n, 105 dB SPL 3 500 Hz:n ja 130 dB SPL 9 500 Hz:n taajuuksilla. Tähän kuulon epäherkkyyteen matalilla ja korkeilla taajuuksilla perustuu esimerkiksi hifi-vahvistinten loudness-korjaus.
Kuva 20. Äänenvoiman aistiminen
Paljonko on paljon?
Äänenpainetta on helpointa havainnollistaa konkreettisin esimerkein. Seuraavassa onkin esitetty muutamien äänilähteiden, luonnollisesti likiarvoisia, äänenpainetasoja.
Voimakkaat äänet on mitattu yhden metrin päässä äänilähteestä. Korkeammille arvoille on merkitty myös se aika, jolle voi altistua ilman kuulosuojaimia, sitä pidemmät ajat voivat vaurioittaa kuuloa pysyvästi (tuloksena kuulon heikkeneminen ja tinnitus). Kuuloaisti on yksilöllinen, jollakulla korva saattaa kestää pitkääkin rääkkiä, toiselle voi yksi iskuääni olla kohtalokas. Mistä tiedät varmuudella kuuluvasi ”kivikorvaisiin”?
Asiaa voidaan valaista myös musiikillisilla dynamiikkamerkeillä, tällöin fff = 100 dB, f = 80 dB, p = 60 dB ja ppp = 40 dB. Jälleen kerran tarkkoja arvoja ei voi antaa, eri kuulijat määrittävät eri tavoin aistimuksensa.
Ihmiskorva ei aisti kaiken aikaa ääniä esimerkiksi 120 dB:n dynaamisella laajuudella, pikemminkin dynaaminen suorituskyky on noin 80 dB. Tämä kuitenkin riittää, sillä aivot mukauttavat kuunteluherkkyyttä siirtäen tätä 80 dB:n kaistaa ympäristöstä riippuen mm. supistamalla välikorvan lihaksia:
On aluksi vaikeaa kuulla hyvin hiljaisia ääniä, mutta hetken kuluttua korva on kasvanut sieppaamaan niitä. Vastaavasti aluksi epämiellyttävät voimakkaat äänet ovat hetken kuluttua siedettäviä. Aivot ovat kuljettaneet kuuloaistin dynamiikkakaistaa alas- tai ylöspäin vahvistamalla tai vaimentamalla ääntä tarpeen mukaan.
Tämä mukautumisilmiö ei valitettavasti suojaa kuuloa äkillisiltä iskuääniltä eikä pitkäaikaiselta melulta.
Sähköisen voimakkuuden muutos
dBu
Sähköisten signaalien yhteydessä sopivin yksikkö on dBu. 0 dBu vastaa 0,775 voltin tehollista jännitettä. Mittastandardi ei ole kuormasta riippuvainen, mikä on nykypäivän audiomaailmassa käytännöllistä. Vanhempi yksikkö dBm on sidottu kuormaan (eli vastukseen): on tuotettava 1 milliwatin (mW) teho 600 ohmin kuormaan, tähän tarvitaan 0,775 voltin jännite.
Desibelien mittaaminen jännitevaihteluiden avulla on hyvin käyttökelpoinen ratkaisu nauhureissa ja ääni-pöydissä, joissa liikkuvat pienet tehot. Kuten äänenpaineestakin puhuttaessa (dB SPL), jännitteen kaksinkertaistuminen tai puolittuminen vastaa 6 dB:n muutosta jännitetasossa ylös- tai alaspäin.
P=E2/R
Vahvistimen sähköisiä tehoja desibelein mitatessa muutokset ovat pienempiä (teho on verrannollinen jännitteen neliöön, ks. sivuotsikon kaava). Niinpä vahvistintehon kaksinkertaistaminen lisää äänenvoimakkuutta vain 3 dB, mikä on juuri ja juuri kuultavissa.
dB/dB SPL
Esimerkiksi jos 100 W laulukamoilla ei laulu kuulu riittävästi, saadaan 200 W vahvistimella ja samalla kaiuttimella äänenpainetta vain 3 dB enemmän. Kilowatilla ääntä tulisi kuuloaistin mielestä kaksinverroin eli 10 dB enemmän, jos kaiuttimet kestävät moisen tehon. Aina ei tarvitse rynnätä ostamaan isompaa vahvistinta, voi ostaa myös herkemmät kaiuttimet.
Kuunteluetäisyys vaikuttaa myös suuresti, sillä kun välimatka vapaassa tilassa (ei sisällä) äänilähteeseen kaksinkertaistuu, äänenvoimakkuus laskee 6 dB. Jos bändin soittaessa äänenvoimakkuus on metrin päässä 120 dB, on äänenpainetaso kahden metrin päässä 117 dB ja 30 metrin päässä enää noin 90 dB.