Ciśnienie akustyczne - Sound pressure

Pomiary dźwięku
Charakterystyka
Symbolika
 Ciśnienie akustyczne  p , SPL, L PA
 Prędkość cząstek  v , SVL
 Przemieszczenie cząstek  δ
 Natężenie dźwięku  ja , SIL
 Moc dźwięku  P , SWL, L WA
 Energia Dźwięku  W
 Gęstość energii dźwięku  w
 Ekspozycja na dźwięk  E , SEL
 Impedancja akustyczna  Z
 Częstotliwość dźwięku  AF
 Utrata transmisji  TL

Ciśnienie akustyczne lub ciśnienie akustyczne to lokalne odchylenie ciśnienia od ciśnienia atmosferycznego otoczenia (średniego lub równowagi) , spowodowane przez falę dźwiękową . W powietrzu ciśnienie akustyczne można zmierzyć za pomocą mikrofonu , aw wodzie za pomocą hydrofonu . SI modułu ciśnienia akustycznego jest paskal (Pa).

Definicja matematyczna

Wykres ciśnienia akustycznego:
  1. cisza;
  2. słyszalny dźwięk;
  3. ciśnienie atmosferyczne;
  4. ciśnienie akustyczne

Fala dźwiękowa w medium transmisyjnym powoduje odchylenie (ciśnienie akustyczne, ciśnienie dynamiczne ) lokalnego ciśnienia otoczenia, czyli ciśnienie statyczne .

Ciśnienie akustyczne, oznaczone p , jest określone przez

gdzie

p total to ciśnienie całkowite,
p stat to ciśnienie statyczne.

Pomiary dźwięku

Natężenie dźwięku

W fali dźwiękowej zmienną uzupełniającą do ciśnienia akustycznego jest prędkość cząstek . Razem określają intensywność dźwięku fali.

Natężenie dźwięku , oznaczone jako I i mierzone w W · m −2 w jednostkach SI, jest określone przez

gdzie

p to ciśnienie akustyczne,
v to prędkość cząstki.

Impedancja akustyczna

Impedancja akustyczna , oznaczona jako Z i mierzona w Pa·m −3 ·s w jednostkach SI, jest określona wzorem

gdzie

jest transformacją ciśnienia akustycznego Laplace'a ,
to transformata Laplace'a natężenia przepływu dźwięku.

Specyficzna impedancja akustyczna , oznaczona z i mierzona w Pa·m- 1 ·s w jednostkach SI, jest zdefiniowana przez

gdzie

jest transformatą ciśnienia akustycznego Laplace'a,
jest transformacją Laplace'a prędkości cząstek.

Przemieszczenie cząstek

Przemieszczenie cząstek z postępującym przebiegu sinusoidalnego jest przez

gdzie

jest amplitudą przemieszczenia cząstek,
jest przesunięciem fazowym przesunięcia cząstek,
k jest wektorem falowym kątowym ,
ω to częstotliwość kątowa .

Wynika z tego, że prędkość cząstek i ciśnienie dźwięku wzdłuż kierunku propagacji fali dźwiękowej x są podane przez

gdzie

v m jest amplitudą prędkości cząstki,
jest przesunięciem fazowym prędkości cząstek,
p m to amplituda ciśnienia akustycznego,
to przesunięcie fazowe ciśnienia akustycznego.

Biorąc transformaty Laplace'a v i p w odniesieniu do wydajności w czasie

Ponieważ , amplituda określonej impedancji akustycznej jest wyrażona wzorem

W konsekwencji amplituda przemieszczenia cząstek jest powiązana z prędkością akustyczną i ciśnieniem dźwięku przez

Prawo odwrotnej proporcji

Podczas pomiaru ciśnienia akustycznego wytwarzanego przez źródło dźwięku ważne jest również zmierzenie odległości od obiektu, ponieważ ciśnienie akustyczne sferycznej fali dźwiękowej zmniejsza się o 1/ r od środka kuli (a nie o 1/ r 2 , podobnie jak natężenie dźwięku):

Ta zależność jest prawem odwrotnie proporcjonalnym .

Jeżeli ciśnienie akustyczne p 1 jest mierzone w odległości r 1 od środka kuli, ciśnienie akustyczne p 2 w innej pozycji r 2 można obliczyć:

Prawo odwrotnej proporcji ciśnienia akustycznego pochodzi z prawa odwrotności kwadratu dla natężenia dźwięku:

W rzeczy samej,

gdzie

jest operatorem splotu ,
z- 1 jest odwrotnością splotu określonej impedancji akustycznej ,

stąd prawo odwrotnej proporcji:

Ciśnienie dźwięku może również różnić się w kierunku od środka kuli, więc w zależności od sytuacji mogą być konieczne pomiary pod różnymi kątami. Oczywistym przykładem źródła dźwięku, którego sferyczna fala dźwiękowa różni się poziomem w różnych kierunkach, jest megafon .

Poziom ciśnienia akustycznego

Poziom ciśnienia akustycznego (SPL) lub poziom ciśnienia akustycznego jest logarytmiczną miarą efektywnego ciśnienia dźwięku w stosunku do wartości odniesienia.

Poziom ciśnienia akustycznego, oznaczony L p i mierzony w dB , jest określony przez

gdzie

p jest średnią kwadratową ciśnienia akustycznego,
p 0 to referencyjne ciśnienie akustyczne ,
1 Np to neper ,
1 B = ( 1/2ln 10) Np jest bel ,
1 dB = (1/20ln 10) Np to decybel .

Powszechnie stosowanym referencyjnym ciśnieniem akustycznym w powietrzu jest

p 0 = 20 μPa,

który jest często uważany za próg słyszalności człowieka (z grubsza dźwięk komara przelatującego w odległości 3 m). Właściwe oznaczenia poziomu ciśnienia akustycznego przy użyciu tego odniesienia to L p /(20 μPa) lub L p (re 20 μPa) , ale oznaczenia przyrostków dB SPL , dB(SPL) , dBSPL lub dB SPL są bardzo powszechne, nawet jeśli nie są akceptowane przez SI.

Większość pomiarów poziomu dźwięku będzie wykonywana w odniesieniu do tego odniesienia, co oznacza, że 1 Pa będzie odpowiadać SPL równemu 94 dB . W innych mediach, takich jak pod wodą , stosuje się poziom odniesienia 1 μPa . Te odniesienia są zdefiniowane w ANSI S1.1-2013 .

Głównym przyrządem do pomiaru poziomu dźwięku w środowisku jest miernik poziomu dźwięku . Większość mierników poziomu dźwięku podaje odczyty w decybelach ważonych A, C i Z i musi spełniać międzynarodowe normy, takie jak IEC 61672-2013 .

Przykłady

Dolna granica słyszalności jest zdefiniowana jako SPL na poziomie 0 dB , ale górna granica nie jest tak jasno określona. Podczas gdy 1 atm ( szczyt 194 dB lub SPL 191 dB ) jest największym wahaniem ciśnienia, jakie może mieć niezniekształcona fala dźwiękowa w atmosferze ziemskiej (tj. jeśli pominie się właściwości termodynamiczne powietrza, w rzeczywistości fala dźwiękowa staje się coraz bardziej nieliniowa, zaczynając od początku 150 dB), większe fale dźwiękowe mogą być obecne w innych atmosferach lub innych mediach, takich jak pod wodą lub przez Ziemię.

Kontur równej głośności , pokazujący ciśnienie dźwięku w stosunku do częstotliwości przy różnych postrzeganych poziomach głośności

Uszy wykrywają zmiany ciśnienia akustycznego. Słuch ludzki nie ma płaskiej czułości widmowej ( odpowiedzi częstotliwościowej ) w stosunku do częstotliwości w funkcji amplitudy . Ludzie nie odbierają dźwięków o niskiej i wysokiej częstotliwości, jak również odbierają dźwięki o częstotliwości od 3000 do 4000 Hz, co pokazuje kontur równej głośności . Ponieważ pasmo przenoszenia ludzkich zmian słuchowych z amplitudą trzy korygujące zostały ustalone do pomiaru ciśnienia akustycznego: A, B i C. A-waga odnosi się do poziomu hałasu ciśnieniach do 55 dB , B-waga odnosi się do należytego poziomu ciśnień między 55 dB i 85 dB , a ważenie C służy do pomiaru poziomu ciśnienia akustycznego powyżej 85 dB .

W celu odróżnienia różnych środków dźwiękowe, sufiks stosuje się: poziom ciśnienia akustycznego jest zapisywany albo w dB A lub L A . Poziom dźwięku B-wa jest zapisywany albo w dB B lub L B poziom ciśnienia dźwięku c ważone i jest zapisywany albo w dB C lub L C . Nieważony poziom ciśnienia akustycznego nazywany jest „liniowym poziomem ciśnienia akustycznego” i jest często zapisywany jako dB L lub po prostu L. Niektóre przyrządy do pomiaru dźwięku używają litery „Z” jako wskaźnika liniowego SPL.

Dystans

Odległość mikrofonu pomiarowego od źródła dźwięku jest często pomijana podczas cytowania pomiarów SPL, przez co dane są bezużyteczne ze względu na nieodłączny efekt prawa odwrotności kwadratów , które w skrócie stwierdza, że ​​podwojenie odległości między źródłem a odbiornikiem powoduje dzielenie wymierny efekt o cztery. W przypadku pomiarów hałasu „w tle” w środowisku otoczenia nie trzeba podawać odległości, ponieważ nie występuje żadne pojedyncze źródło, ale przy pomiarach poziomu hałasu określonego urządzenia należy zawsze podawać odległość. Często stosowaną standardową odległością jest odległość jednego metra (1 m) od źródła. Ze względu na wpływ szumu odbitego w zamkniętym pomieszczeniu, zastosowanie komory bezechowej pozwala na uzyskanie dźwięku porównywalnego z pomiarami wykonanymi w środowisku pola swobodnego.

Zgodnie z odwrotnym prawem proporcjonalności, gdy poziom dźwięku L p 1 jest mierzony w odległości r 1 , poziom dźwięku L p 2 w odległości r 2 wynosi

Wiele źródeł

Wzór na sumę poziomów ciśnienia akustycznego n niespójnych źródeł promieniowania to

Wstawianie formuł

we wzorze na sumę uzysków poziomów ciśnienia akustycznego

Przykłady ciśnienia akustycznego

Przykłady ciśnienia akustycznego w powietrzu przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym
Źródło dźwięku Dystans Poziom ciśnienia akustycznego
( Pa ) ( dB SPL )
Fala uderzeniowa (zniekształcone fale dźwiękowe > 1 atm ; doliny fali są obcinane przy zerowym ciśnieniu) >1,01×10 5 >191
Proste otwarte urządzenie termoakustyczne 1,26×10 4 176
1883 erupcja Krakatoa 165 km² 172
.30-06 strzela się z karabinu m od strony
strzelca
7,09×10 3 171
Petarda 0,5 m² 7,09×10 3 171
Granat ogłuszający Otoczenia 1,60×10 3
...8,00×10 3
158–172
9-calowy (23 cm) balon imprezowy napompowany do zerwania 0 mln 4,92×10 3 168
Balon o średnicy 9 cali (23 cm) zmiażdżony do rozerwania 0 mln 1,79×10 3 159
9-calowy (23 cm) balon imprezowy napompowany do zerwania 0,5 m² 1,42×10 3 157
Balon o średnicy 9 cali (23 cm) pęknięty za pomocą szpilki 0 mln 1,13×10 3 155
Urządzenie akustyczne dalekiego zasięgu LRAD 1000Xi 1 mln 8,93×10 2 153
9-calowy (23 cm) balon imprezowy napompowany do zerwania 1 mln 731 151
Silnik odrzutowy 1 mln 632 150
Balon o średnicy 9 cali (23 cm) zmiażdżony do rozerwania 0,95 m² 448 147
Balon o średnicy 9 cali (23 cm) pęknięty za pomocą szpilki 1 mln 282,5 143
Najgłośniejszy ludzki głos 1 cal 110 135
Trąbka 0,5 m² 63,2 130
Róg wuwuzeli 1 mln 20,0 120
Próg bólu Łza 20–200 120–140
Ryzyko natychmiastowej utraty słuchu spowodowanej hałasem Łza 20,0 120
Silnik odrzutowy 100–30 m² 6,32–200 110–140
Pilarka dwusuwowa 1 mln 6,32 110
Młot pneumatyczny 1 mln 2.00 100
Ruch na ruchliwej jezdni 10 m² 0,20–0,63 80-90
Uszkodzenie słuchu (przy długotrwałej ekspozycji, nie musi być ciągłe) Łza 0,36 85
Samochód osobowy 10 m² 0,02–0,20 60–80
Zidentyfikowane przez EPA maksimum w celu ochrony przed utratą słuchu i innymi szkodliwymi skutkami hałasu, takimi jak zaburzenia snu, stres, trudności w nauce itp. Otoczenia 0,06 70
Telewizor (ustawiony na poziomie domu) 1 mln 0,02 60
Normalna rozmowa 1 mln 10-3 –0,02 40-60
Bardzo spokojny pokój? Otoczenia 2,00× 10-4
...6,32× 10-4
20-30
Lekki szelest liści, spokojny oddech Otoczenia 6,32× 10-5 10
Próg słyszalny przy 1 kHz Łza 2,00× 10-5 0
Komora bezechowa , Orfield Labs, A-ważona Otoczenia 6,80×10 -6 -9,4
Komora bezechowa , University of Salford , A-ważona Otoczenia 4,80×10 -6 -12,4
Komora bezechowa , Microsoft, A-ważona Otoczenia 1,90×10 -6 -20,35

Zobacz też

Bibliografia

Ogólny
  • Beranek, Leo L., Akustyka (1993), Acoustical Society of America, ISBN  0-88318-494-X .
  • Daniel R. Raichel, Nauka i zastosowania akustyki (2006), Springer New York, ISBN  1441920803 .

Zewnętrzne linki