聲音測(cè)量最常用的物理量是聲壓,但聲壓的大小通常用聲壓級(jí)(Sound Pressure Level,SPL)來(lái)描述。人耳可聽的聲壓范圍為2×10-5Pa~20Pa,對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)范圍為0~120dB,因此,引入聲壓級(jí)的概念易于描述線性變化很大的聲壓。
一、壓強(qiáng)
定義:?jiǎn)挝幻娣e上所受到的壓力叫做壓強(qiáng);
單位:壓強(qiáng)的單位是Pa(帕);
1Pa=1N/㎡,即1帕斯卡=1平方米面積上受到1牛頓的壓力;
1Pa=103mPa=106μPa
二、聲壓
1、設(shè)大氣受聲波擾動(dòng)后壓強(qiáng)由p0改變?yōu)?span lang="EN-US" dir="ltr">p1,則由聲擾動(dòng)產(chǎn)生的逾量壓強(qiáng)(簡(jiǎn)稱為逾壓)p=p1-p0就稱為聲壓,聲壓的大小反應(yīng)了聲波的強(qiáng)弱?;蛘撸郝曇敉ㄟ^(guò)空氣的振動(dòng)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)叫做聲壓強(qiáng),簡(jiǎn)稱聲壓。聲壓是一標(biāo)量而不是矢量,它的相位按下列原則區(qū)分正負(fù),當(dāng)聲壓使總聲壓增加時(shí),聲壓相位規(guī)定為正,反之為負(fù)。
2、聲壓的單位為Pa(帕),有時(shí)也用bar(巴)作單位,1bar=100KPa。
3、正常人耳對(duì)1KHz聲音剛剛能覺(jué)察其存在的聲壓值(20μPa)被稱為1KHz聲音的可聽閾聲壓。一般來(lái)講,人耳不能覺(jué)察到低于這一聲壓值的聲音的存在。
4、聲場(chǎng)中某一瞬時(shí)的聲壓值稱為瞬時(shí)聲壓。
5、一定時(shí)間間隔中最大的瞬間聲壓值稱為峰值聲壓或巔值聲壓。如果聲壓隨時(shí)間變化是按簡(jiǎn)諧規(guī)律,那么峰值聲壓也就是聲壓的振幅。
6、在一定時(shí)間間隔中,瞬時(shí)聲壓對(duì)時(shí)間取均方根值稱為有效聲壓:
式中下角符號(hào)e代表有效值,T代表取平均的時(shí)間間隔,它可以是一個(gè)周期或比周期大得多的時(shí)間間隔。我們?nèi)粘V兴f(shuō)的聲壓和一般電子儀表所測(cè)得的聲壓都是有效聲壓。
三、聲壓級(jí)
3.1 聲壓級(jí)定義
把聲壓的有效值取對(duì)數(shù)來(lái)表示聲音的強(qiáng)弱,這種表示聲音強(qiáng)弱的數(shù)值叫聲壓級(jí)。聲壓級(jí)以符號(hào)SPL表示,單位為分貝(dB):
式中pe為待測(cè)聲壓的有效值,pref為參考聲壓,在空氣中參考聲壓pref一般取為2×10-5Pa。
由于人耳所能感受到的最小聲壓是20μPa,因此人們就把這個(gè)壓強(qiáng)作為聲壓強(qiáng)的參照標(biāo)準(zhǔn),記做pref,因此在聲學(xué)或醫(yī)學(xué)上把20μPa=0dBSPL定義為聽閾,即聽覺(jué)的閥門,只有高于此值,閥門才能打開,聽到聲音。
3.2 聲壓級(jí)的計(jì)算
在空氣中聲壓級(jí)的計(jì)算公式為:
例如1Pa聲壓對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí):
這就是平時(shí)我們所說(shuō)的1Pa的聲壓相當(dāng)于94dB聲壓級(jí)(SPL),類似可以計(jì)算出:
20μPa=0dBSPL
200μPa=20dBSPL
2mPa=40dBSPL
20mPa=60dBSPL
200mPa=80dBSPL
2Pa=100dBSPL
即聲壓變?yōu)樵瓉?lái)的10倍,聲壓級(jí)在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加20dB;聲壓變?yōu)樵瓉?lái)的2倍,聲壓級(jí)在原來(lái)的基礎(chǔ)上增加6dB;
另外,當(dāng)聲壓達(dá)到20Pa,即聲壓級(jí)為120dBSPL時(shí),人耳會(huì)感覺(jué)到疼痛,因此,在聲學(xué)或醫(yī)學(xué)上把20Pa=120dBSPL定義為痛閾,長(zhǎng)時(shí)間在此環(huán)境下工作,會(huì)對(duì)聽覺(jué)系統(tǒng)造成傷害。
采用分貝(dB)來(lái)表達(dá)聲學(xué)量值的主要原因,是由于人體聽覺(jué)系統(tǒng)對(duì)聲音強(qiáng)弱刺激的反應(yīng)不是按線性(即逐漸加大)規(guī)律變化的,而是成對(duì)數(shù)比例關(guān)系變化的,所以采用對(duì)數(shù)的分貝值可以適應(yīng)聽覺(jué)本身的特點(diǎn)。其次,日常生活中遇到的聲音,若以聲壓值表示,變動(dòng)范圍是很寬的,當(dāng)用對(duì)數(shù)換算后,從數(shù)值上可以大為縮小聲壓的變化范圍,因此用分貝來(lái)表示聲學(xué)的量值是科學(xué)的。