Звуковая мощность

Звуковые измерения
Звуковые измерения
Характеристика	Символы
Звуковое давление	п , СПЛ, Л ПА
Скорость частиц	в , СВЛ
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
	v ; т ; и ;

Звуковая мощность или акустическая мощность — это скорость, с которой звуковая энергия излучается, отражается , передается или принимается в единицу времени. ^[1] Это определено ^[2] как «через поверхность произведение звукового давления и компонента скорости частицы в точке поверхности в направлении, нормальном к поверхности, интегрированное по этой поверхности». Единицей в системе СИ звуковой мощности является ватт (Вт). ^[1] Это относится к мощности звуковой силы на поверхности, окружающей источник звука, в воздухе.

Для источника звука, в отличие от звукового давления, звуковая мощность не зависит ни от помещения, ни от расстояния. Звуковое давление — это свойство поля в точке пространства, а звуковая мощность — это свойство источника звука, равное общей мощности, излучаемой этим источником во всех направлениях. Звуковую мощность, проходящую через определенную область, иногда называют звуковым потоком или акустическим потоком через эту область.

Уровень звуковой мощности L _WA

В нормативных актах часто указывается метод измерения. ^[3] который объединяет звуковое давление над поверхностью, окружающей источник. L _WA определяет мощность, передаваемую на эту поверхность, в децибелах относительно одного пиковатта. Устройства (например, пылесос) часто имеют требования к маркировке и максимальные количества, которые они могут производить. В расчетах используется шкала А-взвешивания , поскольку этот показатель касается громкости, воспринимаемой человеческим ухом. Измерения ^[4] в соответствии с ISO 3744 измеряются в 6–12 определенных точках вокруг устройства в полубезэховом пространстве. Испытательная среда может располагаться как в помещении, так и на открытом воздухе. Требуемая среда находится на твердом грунте в большом открытом пространстве или в полубезэховой камере (свободное поле над отражающей плоскостью).

Таблица выбранных источников звука

Вот таблица некоторых примеров из онлайн-источника. ^[5] Для ненаправленных источников в свободном пространстве звуковая мощность в L _wA равна уровню звукового давления в дБ выше 20 микропаскалей на расстоянии 0,2821 м. ^[6]

Ситуация и источник звука	Звуковая мощность ( В )	Уровень звуковой мощности ( дБ опорное 10 ⁻¹² В)
Сатурн V Ракета ^[7]	100 000 000	200
Проект Сонар Артемида	1 000 000	180
Турбореактивный двигатель	100 000	170
Турбореактивный самолет на взлете	1000	150
Турбовинтовой самолет на взлете	100	140
Пулемет Большой орган	10	130
Симфонический оркестр Тяжелый гром Звуковой бум	1	120
Рок-концерт (1970-е) Цепная пила Ускоряющийся мотоцикл	0.1	110
газонокосилка Автомобиль на скорости шоссе Стальные колеса метро	0.01	100
Большой дизельный автомобиль	0.001	90
Громкий будильник	0.0001	80
Относительно тихий пылесос.	10 ⁻⁵	70
Фен	10 ⁻⁶	60
Радио или ТВ	10 ⁻⁷	50
Холодильник Низкий голос	10 ⁻⁸	40
Тихий разговор	10 ⁻⁹	30
Шепот одного человека Наручные часы тикают	10 ⁻¹⁰	20
Человеческое дыхание одного человека	10 ⁻¹¹	10
Справочное значение	10 ⁻¹²	0

Математическое определение

Звуковая мощность, обозначаемая P , определяется выражением ^[8]

P=\mathbf {f} \cdot \mathbf {v} =Ap\,\mathbf {u} \cdot \mathbf {v} =Apv

где

f — звуковая сила единичного вектора u ;
v — скорость частицы проекции v вдоль u ;
А – площадь;
р — звуковое давление .

В среде звуковая мощность определяется выражением

P={\frac {Ap^{2}}{\rho c}}\cos \theta ,

где

А – площадь поверхности;
ρ — массовая плотность ;
с — скорость звука ;
θ — угол между направлением распространения звука и нормалью к поверхности.
р — звуковое давление .

Например, звук при SPL = 85 дБ или p = 0,356 Па в воздухе ( ρ = 1,2 кг⋅м ⁻³ и c = 343 м⋅с ⁻¹) через поверхность площадью A = 1 м ² нормально к направлению распространения ( θ = 0°) имеет поток звуковой энергии P = 0,3 мВт .

Это параметр, который будет интересен при преобразовании шума обратно в полезную энергию вместе с любыми потерями в улавливающем устройстве.

Отношения с другими величинами

Звуковая мощность связана с интенсивностью звука :

P=AI,

где

A обозначает площадь;
I означает интенсивность звука.

Звуковая мощность связана с плотностью звуковой энергии :

P=Acw,

где

c означает скорость звука ;
w означает плотность звуковой энергии.

Уровень звуковой мощности

Уровень звуковой мощности (SWL) или уровень акустической мощности — это логарифмическая мера мощности звука относительно эталонного значения.
Уровень звуковой мощности, обозначаемый и _LW измеряемый в дБ , ^[9] определяется: ^[10]

L_{W}={\frac {1}{2}}\ln \!\left({\frac {P}{P_{0}}}\right)\!~\mathrm {Np} =\log _{10}\!\left({\frac {P}{P_{0}}}\right)\!~\mathrm {B} =10\log _{10}\!\left({\frac {P}{P_{0}}}\right)\!~\mathrm {dB} ,

где

P – звуковая мощность;
Р ₀ – эталонная звуковая мощность ;
1 Np = 1 – непер ;
1 Б = ⁠ 1/2 10 ⁠ ln — бел ;
1 дБ = ⁠ 1/20 — 10 ⁠ ln это децибел .

Обычно используемая эталонная звуковая мощность в воздухе равна ^[11]

P_{0}=1~\mathrm {pW} .

Правильные обозначения уровня звуковой мощности с использованием этого эталона — L _{W /(1 пВт)} или L _W (относительно 1 пВт) , но суффиксные обозначения dB SWL , dB(SWL) , dBSWL или dB _SWL очень распространены, даже если они не принимаются SI. ^[12]

Эталонная звуковая мощность P ₀ определяется как звуковая мощность с эталонной интенсивностью звука I ₀ = 1 пВт/м. ² проходящий через поверхность площадью A ₀ = 1 м ²:

P_{0}=A_{0}I_{0},

следовательно, опорное значение P ₀ = 1 пВт .

Связь с уровнем звукового давления

Общий расчет звуковой мощности по звуковому давлению выглядит следующим образом:

L_{W}=L_{p}+10\log _{10}\!\left({\frac {A_{S}}{A_{0}}}\right)\!~\mathrm {dB} ,

где: ${A_{S}}$ определяет площадь поверхности, которая полностью охватывает источник. Эта поверхность может иметь любую форму, но она должна полностью охватывать источник.

В случае источника звука, расположенного в свободном поле над отражающей плоскостью (т. е. над землей), в воздухе при температуре окружающей среды, уровень звуковой мощности на расстоянии r от источника звука приблизительно связан с уровнем звукового давления (SPL) соотношением ^[13]

L_{W}=L_{p}+10\log _{10}\!\left({\frac {2\pi r^{2}}{A_{0}}}\right)\!~\mathrm {dB} ,

где

L _п – уровень звукового давления;
А ₀ = 1 м ²;
${2\pi r^{2}},$ определяет площадь поверхности полушария; и
r должно быть достаточным, чтобы полусфера полностью охватывала источник.

Вывод этого уравнения:

{\begin{aligned}L_{W}&={\frac {1}{2}}\ln \!\left({\frac {P}{P_{0}}}\right)\\&={\frac {1}{2}}\ln \!\left({\frac {AI}{A_{0}I_{0}}}\right)\\&={\frac {1}{2}}\ln \!\left({\frac {I}{I_{0}}}\right)+{\frac {1}{2}}\ln \!\left({\frac {A}{A_{0}}}\right)\!.\end{aligned}}

Для прогрессивной сферической волны

z_{0}={\frac {p}{v}},

A=4\pi r^{2},

(площадь поверхности сферы)

где z ₀ – характеристическое удельное акустическое сопротивление .

Следовательно,

I=pv={\frac {p^{2}}{z_{0}}},

и поскольку по определению I ₀ = p ₀²/ z ₀ , где p ₀ = 20 мкПа – эталонное звуковое давление,

{\begin{aligned}L_{W}&={\frac {1}{2}}\ln \!\left({\frac {p^{2}}{p_{0}^{2}}}\right)+{\frac {1}{2}}\ln \!\left({\frac {4\pi r^{2}}{A_{0}}}\right)\\&=\ln \!\left({\frac {p}{p_{0}}}\right)+{\frac {1}{2}}\ln \!\left({\frac {4\pi r^{2}}{A_{0}}}\right)\\&=L_{p}+10\log _{10}\!\left({\frac {4\pi r^{2}}{A_{0}}}\right)\!~\mathrm {dB} .\end{aligned}}

Расчётная мощность звука практически не зависит от расстояния. На звуковое давление, используемое в расчетах, может влиять расстояние из-за эффектов вязкости при распространении звука, если это не учтено.

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Рональд Дж. Бакен, Роберт Ф. Орликофф (2000). Клиническое измерение речи и голоса . Cengage Обучение. п. 94. ИСБН 9781565938694 .
^ «ISO 80000-8(en) Величины и единицы. Акустика» . [ИСО].
^ «ISO 3744:2010(ru) Акустика. Определение уровней звуковой мощности и уровней звуковой энергии источников шума с использованием звукового давления. Инженерные методы для практически свободного поля над отражающей плоскостью» . [ИСО] . Проверено 22 декабря 2017 г.
^ «Регламент ЕС по звуковой мощности для пылесосов» . [NTi Аудио]. 19 декабря 2017 года . Проверено 22 декабря 2017 г.
^ «Звуковая сила» . Инженерный набор инструментов . Проверено 28 ноября 2013 г.
^ «Уровень звуковой мощности» .
^ Олгуд, Дэниел К. (15 февраля 2012 г.). «Сервер технических отчетов НАСА (NTRS)» . НАСА . Проверено 24 марта 2021 г. Самый большой уровень звуковой мощности, когда-либо наблюдавшийся в НАСА Стеннис, составлял примерно 204 дБ, что соответствовало ступени Saturn S-IC на испытательном стенде B-2.
^ Ландау и Лифшиц, «Механика жидкости», Курс теоретической физики, Том. 6
^ «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 .
^ Росс Розер, Майкл Валенте, Аудиология: Диагностика (Thieme 2007), стр. 240.
^ Томпсон, А. и Тейлор, Б.Н., раздел 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), СП811 PDF
^ Чаддертон, Дэвид В. Инженерия строительных услуг , стр. 301, 306, 309, 322. Тейлор и Фрэнсис, 2004. ISBN 0-415-31535-2

Внешние ссылки

[clinical-1] Jump up to: ^а ^б Рональд Дж. Бакен, Роберт Ф. Орликофф (2000). Клиническое измерение речи и голоса . Cengage Обучение. п. 94. ИСБН 9781565938694 .

[2] «ISO 80000-8(en) Величины и единицы. Акустика» . [ИСО].

[3] «ISO 3744:2010(ru) Акустика. Определение уровней звуковой мощности и уровней звуковой энергии источников шума с использованием звукового давления. Инженерные методы для практически свободного поля над отражающей плоскостью» . [ИСО] . Проверено 22 декабря 2017 г.

[4] «Регламент ЕС по звуковой мощности для пылесосов» . [NTi Аудио]. 19 декабря 2017 года . Проверено 22 декабря 2017 г.

[5] «Звуковая сила» . Инженерный набор инструментов . Проверено 28 ноября 2013 г.

[6] «Уровень звуковой мощности» .

[7] Олгуд, Дэниел К. (15 февраля 2012 г.). «Сервер технических отчетов НАСА (NTRS)» . НАСА . Проверено 24 марта 2021 г. Самый большой уровень звуковой мощности, когда-либо наблюдавшийся в НАСА Стеннис, составлял примерно 204 дБ, что соответствовало ступени Saturn S-IC на испытательном стенде B-2.

[8] Ландау и Лифшиц, «Механика жидкости», Курс теоретической физики, Том. 6

[IEC60027-3-9] «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.

[10] 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 .

[11] Росс Розер, Майкл Валенте, Аудиология: Диагностика (Thieme 2007), стр. 240.

[NIST2008-12] Томпсон, А. и Тейлор, Б.Н., раздел 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), СП811 PDF

[Chadderton-13] Чаддертон, Дэвид В. Инженерия строительных услуг , стр. 301, 306, 309, 322. Тейлор и Фрэнсис, 2004. ISBN 0-415-31535-2

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

Уровень звуковой мощности L WA