Звуковая волна в передающей среде вызывает отклонение (звуковое давление, динамическое давление) местного давления окружающей среды, статического давления.
Звуковое давление, обозначаемое p , определяется формулой
p total – полное давление,
p stat – статическое давление.
Звуковые измерения
Интенсивность звука
В звуковой волне дополнительной переменной к звуковому давлению является скорость частицы . Вместе они определяют интенсивность звука волны.
Интенсивность звука , обозначаемая I и измеряемая в Вт · м -2 в единицах СИ, определяется выражением
p – звуковое давление,
v — скорость частицы.
Акустический импеданс
Акустический импеданс , обозначаемый Z и измеряемый в Па·м -3 ·с в единицах СИ, определяется по формуле [2]
Отсюда следует, что скорость частицы и звуковое давление вдоль направления распространения звуковой волны x определяются выражениями
v m – амплитуда скорости частицы,
– фазовый сдвиг скорости частицы,
p m – амплитуда акустического давления,
– фазовый сдвиг акустического давления.
Выполнение преобразований Лапласа v и p по времени дает
Поскольку , амплитуда удельного акустического сопротивления определяется выражением
Следовательно, амплитуда смещения частицы связана с амплитудой акустической скорости и звукового давления соотношением
Обратно-пропорциональный закон
При измерении звукового давления, создаваемого источником звука, важно измерять и расстояние от объекта, так как звуковое давление сферической звуковой волны уменьшается как 1/ r от центра сферы (а не как 1/ r 2 , как и интенсивность звука): [3]
Эта зависимость представляет собой обратно пропорциональный закон .
Если звуковое давление р 1 измерить на расстоянии r 1 от центра сферы, то звуковое давление р 2 в другой точке r 2 можно рассчитать:
Закон обратной пропорциональности звукового давления вытекает из закона обратных квадратов интенсивности звука:
Звуковое давление также может меняться по направлению от центра сферы, поэтому в зависимости от ситуации могут потребоваться измерения под разными углами. Очевидным примером источника звука, уровень сферической звуковой волны которого варьируется в разных направлениях, является мегафон . [ нужна цитата ]
Уровень звукового давления
Уровень звукового давления (SPL) или уровень акустического давления — это логарифмическая мера эффективного звукового давления относительно эталонного значения.
Уровень звукового давления, обозначаемый L p и измеряемый в дБ , [4] определяется по формуле: [5]
Обычно используемое эталонное звуковое давление в воздухе составляет [7]
р 0 = 20 мкПа,
который часто считают порогом человеческого слуха (примерно звук комара, летящего на расстоянии 3 м). Правильные обозначения уровня звукового давления с использованием этого эталона — L p /(20 мкПа) или L p (относительно 20 мкПа) , но суффиксные обозначения dB SPL , dB(SPL) , dBSPL или dB SPL очень распространены, даже если они не принимаются SI. [8]
Большинство измерений уровня звука будут проводиться относительно этого эталонного значения, то есть 1 Па будет соответствовать уровню звукового давления 94 дБ . В других средах, например под водой , используется опорный уровень 1 мкПа . [9] Эти ссылки определены в ANSI S1.1-2013 . [10]
Основным прибором для измерения уровня звука в окружающей среде является шумомер . Большинство шумомеров дают показания в децибелах, взвешенных по A, C и Z, и должны соответствовать международным стандартам, таким как IEC 61672-2013 .
Примеры
Нижний предел слышимости определяется как SPL 0 дБ , но верхний предел не так четко определен. В то время как 1 атм ( пиковое значение 194 дБ или УЗД 191 дБ ) [11] [12] является самым большим изменением давления, которое неискаженная звуковая волна может иметь в атмосфере Земли (т. е. если не принимать во внимание термодинамические свойства воздуха; в действительности звук волны становятся все более нелинейными, начиная с уровня более 150 дБ), более крупные звуковые волны могут присутствовать в других атмосферах или других средах, например, под водой или сквозь Землю. [13]
Уши улавливают изменения звукового давления. Человеческий слух не обладает плоской спектральной чувствительностью ( частотной характеристикой ) в зависимости от частоты и амплитуды . Люди не воспринимают низко- и высокочастотные звуки так же хорошо, как они воспринимают звуки в диапазоне от 3000 до 4000 Гц, как показано на контуре равной громкости . Поскольку частотная характеристика человеческого слуха меняется с амплитудой, для измерения звукового давления были установлены три веса: A, B и C.
Чтобы различать различные показатели звука, используется суффикс: A-взвешенный уровень звукового давления записывается либо как дБ A , либо как L A. Уровень звукового давления, взвешенный по шкале B, обозначается либо как dB B , либо L B , а уровень звукового давления, взвешенный по C, записывается либо как dB C , либо LC . Невзвешенный уровень звукового давления называется «линейным уровнем звукового давления» и часто обозначается как дБ L или просто L. Некоторые приборы для измерения звука используют букву «Z» для обозначения линейного уровня звукового давления. [13]
Расстояние
Расстояние измерительного микрофона от источника звука часто не учитывается, когда приводятся измерения звукового давления, что делает данные бесполезными из-за внутреннего эффекта обратного пропорционального закона. В случае измерений «фонового» шума окружающей среды расстояние указывать не обязательно, поскольку не существует единого источника, но при измерении уровня шума конкретной части оборудования всегда следует указывать расстояние. Расстояние в один метр (1 м) от источника является часто используемым стандартным расстоянием. Из-за эффектов отраженного шума в закрытом помещении использование безэховой камеры позволяет сравнить звук с измерениями, выполненными в условиях свободного поля. [13]
Согласно обратному пропорциональному закону, когда уровень звука L p 1 измеряется на расстоянии r 1 , уровень звука L p 2 на расстоянии r 2 равен
Несколько источников
Формула суммы уровней звукового давления n источников некогерентного излучения имеет вид
Вставка формул
Примеры звукового давления
^ Все указанные значения представляют собой эффективное звуковое давление, если не указано иное.
^ «Звуковое давление — это сила звука на площади поверхности, перпендикулярной направлению звука» . Проверено 22 апреля 2015 г.
^ аб Вулф, Дж. «Что такое акустическое сопротивление и почему это важно?». Университет Нового Южного Уэльса, факультет физики, музыкальная акустика . Проверено 1 января 2014 г.
^ «Буквенные символы, используемые в электротехнике. Часть 3: Логарифмические и связанные с ними величины и их единицы», IEC 60027-3 Ed. 3.0 , Международная электротехническая комиссия, 19 июля 2002 г.
^ Аттенборо К., Постема М (2008). Карманное введение в акустику. Кингстон-апон-Халл: Университет Халла. дои : 10.5281/zenodo.7504060. ISBN978-90-812588-2-1.
^ Бис, Дэвид А. и Хансен, Колин. (2003). Инженерный контроль шума .
^ Томпсон, А. и Тейлор, Б.Н. Sec. 8.7: «Логарифмические величины и единицы: уровень, непер, бел», Руководство по использованию Международной системы единиц (СИ), издание 2008 г. , специальная публикация NIST 811, 2-е издание (ноябрь 2008 г.), SP811 PDF.
^ «Глоссарий терминов, связанных с шумом» . Проверено 14 октября 2012 г.
^ аб Селф, Дуглас (17 апреля 2020 г.). Аудиодизайн для малых сигналов. ЦРК Пресс. ISBN978-1-000-05044-8. этот предел достигается, когда разрежение создает вакуум, потому что давление ниже этого не может быть. Это соответствует примерно +194 дБ SPL.
^ аб Гиньяр, JC; Кинг, ПФ; Консультативная группа Организации Североатлантического договора по аэрокосмическим исследованиям и разработкам. Группа аэрокосмической медицины (1972 год). Авиамедицинские аспекты вибрации и шума. Организация Североатлантического договора, Консультативная группа по аэрокосмическим исследованиям и разработкам. В воздухе при предполагаемом атмосферном давлении 1 бар (100 000 Н/м 2 ) теоретически это происходит при уровне звукового давления примерно 191 дБ (при работе со среднеквадратичными значениями).
^ ХАТАЗАВА, Масаясу; СУГИТА, Хироши; ОГАВА, Такахиро; SEO, Ёситоки (01 января 2004 г.). «Работа термоакустического генератора звуковых волн, работающего на отходах тепла автомобильного бензинового двигателя». Труды Японского общества инженеров-механиков, серия B. 70 (689): 292–299. дои : 10.1299/кикаиб.70.292 . ISSN 0387-5016.
^ «Извержение Кракатау - самый громкий звук» . Брюль и Кьер . Проверено 24 марта 2021 г. На расстоянии 160 км (99 миль) от источника был зарегистрирован скачок уровня звукового давления более чем на 2½ дюйма ртутного столба (8,5 кПа), что эквивалентно 172 децибелам.
^ Брюк С.Е., Кардос Калифорния, Оза А., Мерфи В.Дж. (2014). «Отчет NIOSH HHE № 2013-0124-3208. Отчет об оценке опасности для здоровья: измерение воздействия импульсного шума на закрытых и открытых стрельбищах во время тактических учений» (PDF) . Цинциннати, Огайо: Министерство здравоохранения и социальных служб США, Центры по контролю и профилактике заболеваний, Национальный институт безопасности и гигиены труда.{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
^ abcdefg «Знаете ли вы, насколько громкими могут быть воздушные шары?» . Проверено 8 июня 2018 г.
^ «Обзор продукта корпорации LRAD для LRAD 1000Xi» . Архивировано из оригинала 16 марта 2014 года . Проверено 29 мая 2014 г.
^ ab Реалистичные максимальные уровни звукового давления для динамических микрофонов — Shure .
^ Запись духовых инструментов и язычков.
^ Свейнпол, Де Вет ; Зал III, Джеймс В.; Кукемоер, Дирк (февраль 2010 г.). «Вувузела – хорошо для вашей команды, плохо для ваших ушей» (PDF) . Южноафриканский медицинский журнал . 100 (4): 99–100. дои : 10.7196/samj.3697 . ПМИД 20459912.
^ Нейв, Карл Р. (2006). «Порог боли». Гиперфизика . Научные ссылки . Проверено 16 июня 2009 г.
^ Фрэнкс, Джон Р.; Стивенсон, Марк Р.; Мерри, Кэрол Дж., ред. (июнь 1996 г.). Предотвращение профессиональной потери слуха – Практическое руководство (PDF) . Национальный институт безопасности и гигиены труда . п. 88 . Проверено 15 июля 2009 г.
^ «Таблица децибел - SPL - Сравнительная таблица громкости» . сенгпиаудио . Проверено 5 марта 2012 г.
^ AB Уильям Хэмби. «Таблица предельного уровня звукового давления в децибелах». Архивировано из оригинала 19 октября 2005 г.
^ «EPA определяет уровни шума, влияющие на здоровье и благополучие» (пресс-релиз). Агенство по Защите Окружающей Среды . 2 апреля 1974 года . Проверено 27 марта 2017 г.
^ ""САМОЕ ТИХОЕ МЕСТО НА ЗЕМЛЕ" - СЕРТИФИКАТ МИРОВЫХ РЕКОРДОВ ГИННЕСА, 2005" (PDF) . Лаборатории Орфилда.
↑ Миддлмисс, Нил (18 декабря 2007 г.). «Самое тихое место на Земле – лаборатории Орфилда». Аудио наркоманы, Inc. Архивировано из оригинала 21 ноября 2010 г.
^ Юстас, Дэйв. "Безэховая камера". Университет Солфорда. Архивировано из оригинала 04 марта 2019 г. Проверено 21 сентября 2016 г.
^ «Лаборатория Microsoft устанавливает новый рекорд самого тихого места в мире» . 2015-10-02 . Проверено 20 сентября 2016 г. Компьютерная компания построила безэховую камеру, в которой высокочувствительные тесты показали средний уровень фонового шума на уровне невообразимо тихого -20,35 дБА (децибел по шкале А).
^ «Посетите самую тихую комнату в мире» . Microsoft: Внутри B87 . Проверено 20 сентября 2016 г.
Общий
Беранек, Лео Л., Акустика (1993), Акустическое общество Америки, ISBN 0-88318-494-X .
Дэниел Р. Райчел, Наука и применение акустики (2006), Springer New York, ISBN 1441920803 .
Внешние ссылки
СМИ, связанные со звуковым давлением, на Викискладе?
Звуковое давление и звуковая мощность, эффект и причина
Преобразование звукового давления в уровень звукового давления и наоборот
Таблица уровней звука, соответствующего звукового давления и интенсивности звука
Закон Ома как акустический эквивалент, расчеты
Соотношения акустических величин, связанных с плоской прогрессивной акустической звуковой волной
Звуковое давление и звуковая мощность: две характеристики звука, которые часто путают. Архивировано 29 сентября 2011 г. на Wayback Machine.
На сколько децибел громче в два раза? Изменение уровня звука и соответствующий фактор звукового давления или интенсивности звука