Звуковое давление
Звуковые измерения | |
---|---|
Характеристика | Символы |
Звуковое давление | п , СПЛ, Л ПА |
Скорость частиц | v , SVL |
Смещение частиц | д |
Интенсивность звука | I , SIL |
Звуковая мощность | П , SWL, L WA |
Звуковая энергия | В |
Плотность звуковой энергии | В |
Звуковое воздействие | Э , СЭЛ |
Акустический импеданс | С |
Звуковая частота | ИЗ |
Потери при передаче | ТЛ |
Звуковое давление или акустическое давление — это локальное отклонение давления от окружающего (среднего или равновесного) атмосферного давления , вызванное звуковой волной . В воздухе звуковое давление можно измерить с помощью микрофона , а в воде — с помощью гидрофона . Единицей в системе СИ звукового давления является паскаль (Па). [ 1 ]
Математическое определение
[ редактировать ]Звуковая волна в передающей среде вызывает отклонение (звуковое давление, динамическое давление) местного давления окружающей среды, статического давления.
Звуковое давление, обозначаемое p , определяется формулой где
- p total – полное давление,
- p stat – статическое давление.
Звуковые измерения
[ редактировать ]Интенсивность звука
[ редактировать ]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 как где
- p – звуковое давление,
- v — скорость частицы.
Акустический импеданс
[ редактировать ]Акустический импеданс , обозначаемый Z и измеряемый в Па·м. −3 ·s в единицах СИ, определяется выражением [ 2 ] где
- это преобразование Лапласа звукового давления [ нужна ссылка ] ,
- – преобразование Лапласа объемного расхода звука.
Удельное акустическое сопротивление , обозначается z и измеряется в Па·м. −1 ·s в единицах СИ, определяется выражением [ 2 ] где
- – преобразование Лапласа звукового давления,
- – преобразование Лапласа скорости частицы.
Смещение частиц
[ редактировать ]Смещение частиц прогрессивной синусоидальной волны определяется выражением где
- – амплитуда смещения частицы,
- – фазовый сдвиг смещения частицы,
- k — угловой волновой вектор ,
- ω — угловая частота .
Отсюда следует, что скорость частицы и звуковое давление вдоль направления распространения звуковой волны x определяются выражениями где
- 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
С , амплитуда удельного акустического сопротивления определяется выражением
Следовательно, амплитуда смещения частицы связана с амплитудой акустической скорости и звукового давления соотношением
Обратно-пропорциональный закон
[ редактировать ]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/ р 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: Действительно, где
- — оператор свертки ,
- С −1 — это свертка, обратная удельному акустическому импедансу ,
отсюда и закон обратной пропорциональности:
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 ссылка ]
Уровень звукового давления
[ редактировать ]Уровень звукового давления ( SPL ) или уровень акустического давления ( APL ) — это логарифмическая мера эффективного звукового давления относительно эталонного значения.
Уровень звукового давления, обозначаемый L p и измеряемый в дБ , [ 4 ] определяется: [ 5 ] где
- p — среднеквадратичное звуковое давление, [ 6 ]
- p 0 — эталонное звуковое давление ,
- 1 Нп — непер ,
- 1 Б = ( 1/2 – ln 10 ) бель , Np
- 1 дБ = ( 1/20 — ln 10 ) децибел Np .
Обычно используемое эталонное звуковое давление в воздухе составляет [ 7 ]
который часто считают порогом человеческого слуха (примерно звук комара, летящего на расстоянии 3 м). Правильными обозначениями уровня звукового давления с использованием этого эталона являются 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 опорный уровень 1 мкПа . , используется [ 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
[ редактировать ]Нижний предел слышимости определяется как SPL 0 дБ , но верхний предел не так четко определен. В то время как 1 атм ( пик 194 дБ или УЗД 191 дБ ) [ 11 ] [ 12 ] - это наибольшее изменение давления, которое неискаженная звуковая волна может иметь в атмосфере Земли (т. е. если не принимать во внимание термодинамические свойства воздуха; в действительности звуковые волны становятся все более нелинейными, начиная с уровня более 150 дБ), могут присутствовать более крупные звуковые волны в других атмосферах или других средах, например, под водой или через 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 L A. , либо как 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
[ редактировать ]Расстояние измерительного микрофона от источника звука часто не учитывается при измерении уровня 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 нет 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
[ редактировать ]Формула суммы уровней звукового давления n источников некогерентного излучения имеет вид
Вставка формул в формуле суммы уровней звукового давления дает
Примеры звукового давления
[ редактировать ]Источник звука | Расстояние | Уровень звукового давления [ а ] | |
---|---|---|---|
( Хорошо ) | ( дБ УЗД ) | ||
Ударная волна (искаженные звуковые волны > 1 атм ; впадины формы волны отсекаются при нулевом давлении) [ 11 ] [ 12 ] | >1,01×10 5 | >191 | |
открытого типа. Простое термоакустическое устройство [ 14 ] | [ нужны разъяснения ] | 1.26×10 4 | 176 |
1883 г., извержение Кракатау. [ 15 ] [ 16 ] | 165 км | 172 | |
Винтовка .30-06 ведет огонь | 1 м до сторона стрелка |
7.09×10 3 | 171 |
Петарда [ 17 ] | 0,5 м | 7.09×10 3 | 171 |
Электрошоковая граната [ 18 ] | Окружающий | 1.60×10 3 ...8.00×10 3 |
158–172 |
9-дюймовый (23 см) воздушный шар для вечеринки, надутый до разрыва [ 19 ] | На ухо | 4.92×10 3 | 168 |
Воздушный шар диаметром 9 дюймов (23 см) раздавился и разорвался. [ 19 ] | На ухо | 1.79×10 3 | 159 |
9-дюймовый (23 см) воздушный шар для вечеринки, надутый до разрыва [ 19 ] | 0,5 м | 1.42×10 3 | 157 |
Воздушный шар диаметром 9 дюймов (23 см), который лопнул булавкой. [ 19 ] | На ухо | 1.13×10 3 | 155 |
LRAD 1000Xi Акустическое устройство дальнего действия [ 20 ] | 1 м | 8.93×10 2 | 153 |
9-дюймовый (23 см) воздушный шар для вечеринки, надутый до разрыва [ 19 ] | 1 м | 731 | 151 |
Реактивный двигатель [ 13 ] | 1 м | 632 | 150 |
Воздушный шар диаметром 9 дюймов (23 см) раздавился и разорвался. [ 19 ] | 0,95 м | 448 | 147 |
Воздушный шар диаметром 9 дюймов (23 см), который лопнул булавкой. [ 19 ] | 1 м | 282.5 | 143 |
Самый громкий человеческий голос [ 21 ] | 1 дюйм | 110 | 135 |
Труба [ 22 ] | 0,5 м | 63.2 | 130 |
вувузелы Рог [ 23 ] | 1 м | 20.0 | 120 |
Порог боли [ 24 ] [ 25 ] [ 21 ] | На ухо | 20–200 | 120–140 |
Риск мгновенной потери слуха из-за шума | На ухо | 20.0 | 120 |
Реактивный двигатель | 100–30 м | 6.32–200 | 110–140 |
Двухтактная бензопила [ 26 ] | 1 м | 6.32 | 110 |
отбойный молоток | 1 м | 2.00 | 100 |
Движение по оживленной дороге (двигатели внутреннего сгорания) | 10 м | 0.20–0.63 | 80–90 |
Повреждение слуха (при длительном воздействии, не обязательно продолжительное) [ 27 ] | На ухо | 0.36 | 85 |
Легковой автомобиль (двигатель внутреннего сгорания) | 10 м | 0.02–0.20 | 60–80 |
Движение по оживленной дороге ( электромобили ) [ 28 ] | 10 м | 0.20–0.63 | 65-75 |
Установленный EPA максимальный уровень защиты от потери слуха и других разрушительных воздействий шума, таких как нарушение сна, стресс, ухудшение обучения и т. д. [ 29 ] | Окружающий | 0.06 | 70 |
Телевизор (на уровне дома) | 1 м | 0.02 | 60 |
Обычный разговор | 1 м | 2×10 −3 –0.02 | 40–60 |
Легковой автомобиль (электрический) [ 30 ] | 10 м | 0.02–0.20 | 38-48 |
Очень спокойная комната | Окружающий | 2.00×10 −4 ...6.32×10 −4 |
20–30 |
Легкий шелест листьев, спокойное дыхание. [ 13 ] | Окружающий | 6.32×10 −5 | 10 |
Слуховой порог при 1 кГц [ 27 ] | На ухо | 2.00×10 −5 | 0 |
Безэховая камера , Orfield Labs, A-взвешенный [ 31 ] [ 32 ] | Окружающий | 6.80×10 −6 | −9.4 |
Безэховая камера , Солфордский университет , A-взвешенный [ 33 ] | Окружающий | 4.80×10 −6 | −12.4 |
Безэховая камера , Microsoft, A-взвешенная [ 34 ] [ 35 ] | Окружающий | 1.90×10 −6 | −20.35 |
- ^ Все указанные значения представляют собой эффективное звуковое давление, если не указано иное.
См. также
[ редактировать ]- Акустика
- Телефон (единица измерения)
- Громкость
- Соне (единица измерения)
- Измеритель уровня звука
- Степенной закон Стивенса
- Закон Вебера-Фехнера , особенно случай звука.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Звуковое давление — это сила звука, действующая на поверхность, перпендикулярную направлению звука» . Проверено 22 апреля 2015 г.
- ^ Jump up to: а б Вулф, Дж. «Что такое акустический импеданс и почему он важен?» . Университет Нового Южного Уэльса, факультет физики, музыкальная акустика . Проверено 1 января 2014 г.
- ^ Лонгхерст, RS (1967). Геометрическая и физическая оптика . Норвич: Лонгманс.
- ^ «Буквенные символы, используемые в электротехнике. Часть 3: Логарифмические и связанные с ними величины и их единицы» , IEC 60027-3 Изд. 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 . ISBN 978-90-812588-2-1 .
- ^ Бис, Дэвид А. и Хансен, Колин. (2003). Инженерный контроль шума .
- ^ Росс Розер, Майкл Валенте, Аудиология: Диагностика (Thieme 2007), стр. 240.
- ^ 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 .
- ^ Морфей, Кристофер Л. (2001). Словарь акустики . Сан-Диего: Академическая пресса. ISBN 978-0125069403 .
- ^ «Глоссарий терминов, связанных с шумом» . Проверено 14 октября 2012 г.
- ^ Jump up to: а б Селф, Дуглас (17 апреля 2020 г.). Аудиопроектирование для малых сигналов . ЦРК Пресс. ISBN 978-1-000-05044-8 .
этот предел достигается, когда разрежение создает вакуум, потому что давление ниже этого не может быть. Это соответствует примерно +194 дБ SPL.
- ^ Jump up to: а б 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
- ^ Jump up to: а б с д и Винер, Итан (2013). «1». Аудио Эксперт . Нью-Йорк и Лондон: Focal Press. ISBN 978-0-240-82100-9 .
- ^ 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 Б. 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.
- ^ Винчестер, Саймон (2003). Кракатау: день, когда мир взорвался, 27 августа 1883 года . Пингвин/Викинг. п. 218. ИСБН 978-0-670-91430-2 .
- ^ Фламме, Грегори А; Либе, Кевин; Вонг, Адам (2009). «Оценка слухового риска от уличного импульсного шума I: Фейерверки» . Шум и здоровье . 11 (45): 223–230. дои : 10.4103/1463-1741.56216 . ISSN 1463-1741 . ПМИД 19805932 .
- ^ Брюк, Скотт Э.; Кардоус, Чак А.; Оза, Аалок; Мерфи, Уильям 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.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г «Знаете ли вы, насколько громкими могут быть воздушные шары?» . Канадский аудиолог . 3 (6). 9 января 2014 года . Проверено 8 июня 2018 г.
- ^ «Обзор продукта корпорации LRAD для LRAD 1000Xi» . Архивировано из оригинала 16 марта 2014 года . Проверено 29 мая 2014 г.
- ^ Jump up to: а б 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 . hdl : 2263/13136 . 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.
- ^ Jump up to: а б Уильям Хэмби. «Таблица предельного уровня звукового давления в децибелах» . Архивировано из оригинала 19 октября 2005 г.
- ^ Николас Мисдарис, Луи-Фердинанд Пардо (август 2017 г.), Звук тишины электромобилей – вопросы и ответы , InterNoise, HAL Open Science, Гонконг, Китай , получено 2 мая 2024 г.
- ^ «EPA определяет уровни шума, влияющие на здоровье и благополучие» (пресс-релиз). Агентство по охране окружающей среды . 2 апреля 1974 года . Проверено 27 марта 2017 г.
- ^ Николас Мисдарис, Луи-Фердинанд Пардо (август 2017 г.), Звук тишины электромобилей – вопросы и ответы , InterNoise, HAL Open Science, Гонконг, Китай , получено 2 мая 2024 г.
- ^ « САМОЕ ТИХОЕ МЕСТО НА ЗЕМЛЕ» – СЕРТИФИКАТ МИРОВЫХ РЕКОРДОВ ГИННЕСА, 2005 Г.» (PDF) . Лаборатории Орфилда.
- ^ Миддлмисс, Нил (18 декабря 2007 г.). «Самое тихое место на Земле – Лаборатория 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).
- ^ «Загляните в 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
[ редактировать ]- 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
- Сравнительная таблица децибел (громкости)