- Decibel (dB) không phải là một đơn vị thực sự, mà là một chỉ số biểu thị mức thay đổi về độ lớn
- Bel ban đầu được dùng như một tiền tố lũy thừa tương ứng với mức thay đổi gấp 10 lần, nhưng cách áp dụng thiếu trực quan trong công thức công suất đã gây ra sự nhầm lẫn
- Vì bel quá lớn nên decibel — bằng 1/10 bel — đã trở thành cách dùng chủ đạo, nhưng do mốc chuẩn thường không được nêu rõ nên rất dễ gây hiểu nhầm
- dB không có ý nghĩa thực tế rõ ràng nếu thiếu điểm tham chiếu và đơn vị áp dụng (điện áp, công suất, v.v.), và tiêu chuẩn diễn giải lại khác nhau giữa các lĩnh vực
- Trong nhiều lĩnh vực khác nhau (âm học, vô tuyến, v.v.), các hậu tố như dB, dBm, dBu được dùng lẫn lộn, gây ra thiếu rõ ràng và nhầm lẫn
Mở đầu: Vấn đề với decibel
- Tác giả chỉ ra rằng decibel (dB) như một "đơn vị khoa học" vừa thiếu trực quan vừa phức tạp, và thường gây bối rối vì thiếu tính nhất quán
- Decibel thường được biết đến phổ biến như "đơn vị đo độ to của âm thanh", nhưng trên thực tế nó không phải là một đơn vị thông thường mà đóng vai trò như một chỉ số tương đối để biểu diễn mức thay đổi độ lớn
Bối cảnh ra đời của bel và decibel
- Bel được dùng giống như một tiền tố biểu thị số mũ cơ số 10: +1 bel nghĩa là tăng gấp 10 lần, -2 bel nghĩa là giảm còn 1/100
- Ban đầu nó được tạo ra để đo sự thay đổi công suất, và được đặt tên để vinh danh Alexander Bell
- Trong mạch điện thực tế, công suất tỉ lệ với bình phương điện áp, nên khi áp dụng bel cho đơn vị điện áp, đặc tính lũy thừa xuất hiện khác với công suất
- Bel tạo ra tình huống thiếu trực quan khi hệ số nhân thay đổi theo từng đơn vị (công suất gấp 10 lần, điện áp gấp √10 lần)
Sự phức tạp ngày càng tăng của decibel
- Vì đơn vị bel quá lớn và khó dùng trong thực tế hằng ngày, decibel (1/10 bel) đã trở thành chuẩn thông dụng
- Kết quả là, khi dùng dB cho công suất thì áp dụng hệ số 10^(1/10) (1,2589 lần), còn với điện áp thì dùng 10^(1/20) (1,1220 lần), khiến cách diễn giải thay đổi mỗi lần sử dụng
- Decibel được dùng như thể là một đơn vị duy nhất, nhưng nếu không nêu rõ điểm tham chiếu (Reference Point) và đơn vị cơ sở (Base Unit) thì nó trở nên vô nghĩa; trong thực tế các thông tin này thường bị lược bỏ và gây nhầm lẫn
Cách decibel thực sự được áp dụng
- Ví dụ, trong âm học, dB trên thực tế biểu diễn áp suất không khí theo đơn vị pascal (Pa)
- Mốc 0 dB là áp suất 20 μPa do sóng âm 1 kHz tạo ra (ngưỡng nghe của con người), nhưng chỉ nhìn ký hiệu dB thì không thể biết được điều đó
- dB trong âm học tồn tại song song ở nhiều thang đo khác nhau, như mức áp suất âm tuyệt đối (dB SPL) và các trọng số mô phỏng thính giác con người
Sự hỗn loạn trong cách ghi decibel trên sản phẩm thực tế
- Ví dụ, mức -45 dB trong bảng thông số micro thực chất là theo đơn vị điện áp, với mốc tham chiếu là điều kiện tạo ra biên độ 1V
- Nhưng áp suất âm tham chiếu của chuẩn này không phải ngưỡng nghe của con người (0 dB SPL), mà là 94 dB SPL (tương đương tiếng máy cắt cỏ chạy xăng)
- Cách ghi dB khác nhau giữa các lĩnh vực và việc không hướng dẫn rõ điểm tham chiếu khiến người dùng bị bối rối
Vấn đề với các hậu tố dB khác nhau
- Trong lĩnh vực vô tuyến và các lĩnh vực khác, dBm không có nghĩa là "decibel-mét" mà là công suất tương đối lấy mốc milliwatt
- dBμ trông giống như microwatt, nhưng trên thực tế lại lấy mốc là microvolt, nên rất dễ nhầm với dBu và các ký hiệu khác
- Việc dùng lẫn các hậu tố này dẫn đến thiếu rõ ràng và sai sót trong diễn giải
Kết luận
- Về bản chất, decibel không phải là một đơn vị đơn lẻ mà là một khái niệm tiền tố biểu diễn sự thay đổi lũy thừa của tỷ lệ
- Nó luôn cần có điểm tham chiếu và đơn vị áp dụng; nhưng trên thực tế những thông tin này thường bị lược bỏ, tạo ra một hệ thống thiếu minh bạch chỉ người trong cuộc mới hiểu
- Sự lẫn lộn trong cách ký hiệu giữa nhiều lĩnh vực cho thấy sự cần thiết của việc cung cấp thông tin rõ ràng và nhất quán
2 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Tôi muốn nhấn mạnh rằng khi dùng bel hoặc decibel, lý tưởng nhất là luôn phải ghi rõ mức tham chiếu trong ngoặc hoặc chỉ số dưới, chứ không nên chỉ ngầm hiểu. Ví dụ, khi biểu thị áp suất âm tuyệt đối thì dùng dB(SPL), còn mức âm lượng mà con người cảm nhận thì dùng dB(A) và các đơn vị tương tự. Điện áp RMS dựa trên công suất được ký hiệu là dB(u) (trước đây gọi là dB(v), khác với dB(V) viết hoa). Các đơn vị dB khác nhau nên được xem như những thực thể hoàn toàn tách biệt với nhau. Chúng đều biểu thị tỷ lệ logarit, nhưng khi gặp một đơn vị dB mới thì tốt nhất nên đối xử với nó như sinh vật ngoài hành tinh mới gặp lần đầu
Lý do mọi người thấy rối với khái niệm decibel là vì họ coi dB như một đơn vị độc lập. Thực ra nó chỉ là tỷ lệ của một đơn vị nào đó
Cũng có lúc dùng cho tỷ lệ không có đơn vị, ví dụ nhiều người nói kiểu như "cái đó có công suất thấp hơn cái này 10dB"
Khẳng định rằng dB không được dùng nếu không gắn tham chiếu là không hoàn toàn đúng. Với gain và attenuation thì dùng dB không có tham chiếu là hoàn toàn tự nhiên. Nếu dùng dBm hay các biến thể đơn vị khác trong trường hợp đó thì ngược lại mới là sai hoàn toàn
Khi làm phần mềm trong một dự án radar, tôi thấy các kỹ sư radar ngồi cạnh dùng dB rất nhiều. Tôi cảm nhận được rằng ngay cả với kỹ sư, nhiều di sản lịch sử dù biết là vô lý nhưng vẫn tồn tại vì tính thực dụng. Phần mềm thực ra cũng vậy. Giao thức email, terminal escape sequence, UX của lệnh
git, v.v.—ở đâu cũng có thể có một bài viết kiểu "cái này thật vô lý". Nhưng thực tế là mọi người vẫn cứ dùng. Một lợi thế của dB là biến phép nhân thành phép cộng để tính toán. Khi giá trị gain hoặc attenuation rất lớn hay rất nhỏ, nếu tính theo tuyến tính thì sẽ thành lũy thừa, nhưng trong hệ decibel thì nhờ biến đổi logarit, nó trở thành cộng các số có hai chữ số rất đơn giản. Cùng một nguyên lý với việc khi tính toán số học, nếu phải nhân nhiều số nhỏ thì chuyển sang log rồi cộngTôi thấy các bài chê dB trên Internet cũng khá thú vị, nhưng dB vẫn có vẻ là giải pháp hữu ích nhất hiện nay. Trong lĩnh vực RF, nếu biểu diễn mức tín hiệu bằng dBm và gain bằng dB thì có thể tính bằng cộng thay vì nhân. Đặc biệt như ví dụ về filter và amplifier mắc nối tiếp, chỉ cần cộng trực tiếp nên ngay cả khi làm bài tập đại học đây cũng là lợi thế rất lớn. Và với ký pháp đơn giản này có thể biểu diễn đủ thứ như công suất, gain, suy hao, SPL, nên rất thực dụng. Việc kỹ sư bám lấy đơn vị dB là vì nó khớp chính xác với hiện thực của tín hiệu phức tạp, và cũng vì chưa có lựa chọn tốt hơn rõ ràng nào
Tôi cũng có mối quan hệ yêu-ghét với dB. Tôi nghĩ nếu mở rộng bài này thành mục decibel trên Wikipedia thì sẽ rất hay. Mỗi lần tôi đọc mục đó trong đời, đã nhiều lần tôi nghĩ "tại sao mình lại không hiểu nổi cái này?". Nếu bài viết mở đầu bằng câu "thứ này phức tạp một cách vô lý" thì chắc không hợp phong cách nghiêm túc của Wikipedia, nhưng về mặt học tập có lẽ sẽ hữu ích hơn nhiều
Có cảm giác là nhiều người chưa hiểu decibel quan trọng đến mức nào trong truyền thông, RF và kỹ thuật sợi quang. Quan hệ giữa điện áp và công suất là một thực tế khách quan, và cũng là chỗ mà kỹ sư mới vào nghề chắc chắn sẽ vấp, nhưng rốt cuộc nó chỉ quy về bài toán chia cho 10 hay 20; còn nhờ decibel mà cả phép nhân giữa những số cực nhỏ và cực lớn cũng chuyển thành phép cộng các số hai chữ số mà vẫn giữ được độ chính xác đủ dùng. Khi đọc những bài than phiền về hệ thống này, tôi thật sự nghi ngờ liệu tác giả đã từng làm thực tế chưa
Dù thiếu kinh nghiệm thực tế thì người ta vẫn có thể quen với những tập quán kỳ quặc. Điều tác giả thấy khó hiểu là cùng một ký hiệu dB nhưng tùy ngữ cảnh lại là các thứ nguyên hoàn toàn khác nhau hoặc là con số không đơn vị, chứ không có định nghĩa đơn vị gọn gàng như trong vật lý. Nếu hậu tố luôn được ghi rõ ràng thì có lẽ người ta đã không tiếp tục nêu vấn đề kiểu này
Tôi thấy decibel dùng cho gain khuếch đại thì ổn (đặc biệt dBm trong RF khá hợp lý). Nhưng chuyện công thức lại khác nhau tùy là điện áp hay công suất (10 lần / 20 lần) vẫn rất kỳ quái. Nhất là trong audio, decibel quá mơ hồ về định nghĩa nên thành vấn đề. Và việc dùng dB có đơn vị mà không ghi rõ đường cơ sở thì lúc nào cũng có thể trở thành mớ hỗn độn. Gần đây tôi thấy quảng cáo nói "độ ồn thấp ở khoảng cách 3 mét" bằng decibel; cũng tốt vì có nêu chuẩn, nhưng so với chuẩn 1m thông dụng thì họ đồng thời đang bỏ qua chênh lệch áp suất cỡ 10dB
Tôi làm trong mảng xử lý tín hiệu, nhưng hơi xa RF hay audio. Vì dB mà có rất nhiều chuyện dễ gây nhầm lẫn nên trong tài liệu kỹ thuật thực tế tôi cố ý không dùng dB. Tôi từng trải nghiệm việc khách hàng khi dùng dB thường không hiểu đủ ngữ cảnh nên hiểu sai rất thường xuyên
Đây không phải là phản bác đúng nghĩa với các điểm bị chỉ trích ở trên, mà chỉ thể hiện sự quen thuộc và xu hướng duy trì hiện trạng
Điều tác giả phàn nàn chỉ là một thủ pháp văn phong, chứ tôi không thấy giọng điệu tiêu cực đến mức đó
Tôi cười thật sự với câu đùa rằng bel được đặt theo Alexander Bell, như thể đó là truyền thống kiểu wat được đặt theo James Watt
Mỗi khi nói về độ to của âm thanh bằng dB mà không ghi rõ khoảng cách đo thì tôi luôn thấy bực. Ngay trong bài gốc cũng mắc lỗi lược bỏ phạm vi khi viết "94 dB, đại khái bằng tiếng máy cắt cỏ chạy xăng". Ở đây khoảng cách cực kỳ quan trọng, và áp suất âm thực tế thay đổi theo bình phương khoảng cách. Ví dụ, nếu máy cắt cỏ là 94dB thì có thể giả sử được đo ở khoảng cách 1m, nhưng nếu lùi ra 2m thì sẽ giảm xuống còn 91dB. Cả chuyện công suất giảm một nửa lại là 3dB cũng thật ngớ ngẩn; giá mà dùng base 2 (logarit cơ số 2) thì có lẽ đã đỡ hơn
Lịch sử hiệu chuẩn của audio vu Meter là một mô hình hoàn toàn chủ quan; vào thập niên 1920, BBC và các công ty Mỹ gần như đã quyết rằng "cách của chúng tôi là tiêu chuẩn", rồi từ đó sinh ra thêm nhiều biến thể. Hiện nay về cơ bản chỉ là được hợp thức hóa muộn màng để khớp với một số chuẩn của BIPM. Thực tế khi đó chỉ là kiểu "nếu so với thứ chúng tôi làm ra mà vẫn chạy tốt thì không sao cả". Đây cũng là một trường hợp mà hiện tượng hysteresis trong đồng hồ đo cuộn dây-nam châm lại trở thành tính năng chứ không phải lỗi
Nhìn chung, thang db là một công cụ cực kỳ hữu ích trong nhiều lĩnh vực thực tế, và tôi nghĩ điều này chưa được các bài phê bình đề cập đúng mức. Nó "chỉ là tỷ lệ công suất trên thang logarit", nhưng khi tính toán nối chuỗi gain/attenuation trong một hệ thống thì trên thực tế chỉ cần cộng tất cả lại, nên khi nói chuyện với kỹ sư âm thanh thì đây là lợi thế khổng lồ, vì có thể làm các phép tính đó ngay cả khi không hiểu nền tảng khoa học phía sau
Tôi nghĩ chính tác giả cũng đã thừa nhận trong bài rằng ratio là hữu ích. Bản chất vấn đề là dùng đơn vị như thế nào và định nghĩa thang tham chiếu ra sao. Ví dụ được đưa ra thực tế là ratio thuần túy nên không sao cả (không nêu rõ tham chiếu), chỉ là vẫn còn giới hạn mơ hồ ở chỗ đo dựa trên cái gì, như điện áp hay công suất
Nếu không phải tình huống có nhiều đơn vị chồng lấn như dB, thì chẳng hạn giả sử mất 4m ở đơn vị milli và khuếch đại thêm 6m, ta sẽ tự nhiên tính ra còn lại 2m. Điểm độc đáo của dB là các phép toán chồng lấn kiểu này diễn ra một cách tự nhiên trong không gian logarit
Trong lĩnh vực RF (radar), dB/dBm là công cụ cực mạnh khi phải cân nhắc chuyện nối amplifier, insertion loss, v.v. Cường độ tín hiệu giữa bộ phát và bộ thu trong thực tế chênh lệch rất lớn, và nhờ hệ dB mà việc so sánh trở nên trực quan hơn rất nhiều
Tôi đã chăm chỉ đọc về dB dù nó chẳng cần thiết gì cho cuộc sống của tôi cả haha