В настоящее статье поговорим о том, что такое звуковое давление, рассмотрим понятие (импеданс) — удельное акустическое сопротивление среды. Также поговорим об уровнях звукового давления и интенсивности звука.
Чтобы лучше понимать о чём сегодня пойдёт речь, советую прочитать предыдущую статью по этой теме (звуковые волны, виды, длина волны и скорость звука).
Звуковое давление
Звуковая волна, как мы уже рассматривали в прошлой статье, распространяется в среде в виде волн сжатия и разряжения плотности.
В газах (в том числе и воздухе) плотность и давление связаны между собой:
p = RTp
T — температура среды, R — газовая постоянная среды, p — плотность.
А поскольку у волны имеются области сжатия и разряжения, то в первой области давление будут выше статического атмосферного. А в случае разряжения – ниже.
Вот как это выглядит:
Разность между мгновенным значением давления в данной точке среды и атмосферным давлением называется звуковым давлением.
Звуковое давление измеряется в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м².
Наша слуховая система может определять очень большой диапазон разностей между мгновенным значением звукового давления и атмосферным.
На рисунке ниже представлено, различное звуковое давление от звуковых источников в децибелах (про децибелы подробнее читай далее):
Импеданс
Рассматривая звук, в прошлой статье (читать) мы выяснили, что звуковая волна зависит от частоты и амплитуды звукового давления. Если тело оказывает большое сопротивление приложенному звуковому давлению, то частицы приобретают малую скорость.
Поэтому импеданс – это удельное акустическое сопротивление среды. Представляет из себя отношение звукового давления к скорости колебаний частиц среды:
Z = p/v
Измеряется в (Па · с)/м или кг/(с · м²).
Удельное акустическое сопротивление для воздуха составляет (при температуре 20 С°) 413 кг/(с · м²). В металле, к примеру, оно составляет 47,7 × 10 кг/(с · м²). Так как в воздухе импеданс достаточно мал, то и излучаемая полезная энергия также мала.
Если рассматривать КПД (коэффициент полезного действия) музыкальных инструментов, голосового аппарата, громкоговорителей и т. п., то оно в воздухе находится в пределах 0,2-1%.
Энергетические параметры
Звуковая волна переносит энергию механических колебаний, значит она имеет энергетические параметры. Среди которых: акустическая энергия P (Дж); мощность W – энергия, переносимая в единицу времени (Вт); интенсивность I – количество энергии, проходящее в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны (Вт/м²); плотность – количество звуковой энергии в единице объёма (Дж/м²).
Уровни звукового давления (анг. SPL, sound pressure level)
Восприятие громкости человеком происходит не по линейному закону, пропорционально амплитуде колебаний, а по логарифмическому. Поэтому для определения параметров звука применяют логарифмические шкалы.
Человек различает огромный диапазон изменения звукового давления от тихого 2 × 10 ⁻⁵ Па до очень громкого 20 Па. Разница составляет 10⁶.
Использовать такую школу очень неудобно. Поэтому в измерительных приборах пользуются логарифмическими единицами – децибелами (дБ). Эта единица происходит от другой – бел, который равен десятикратному изменению интенсивности звука. Однако бел – единица крупная и неудобная для измерений. Поэтому применяется её десятая часть – децибел.
Уровень звукового давления определяется как:
L = 20 lg p/p₀
Например, если звуковое давление p = 2 Па, то уровень звукового давления равен: L = 20 lg (2 Па/(2 × 10 ⁻⁵) Па) = 20 lg (1 × 10⁺⁵) = 20 × 5 = 100 дБ.
Один децибел – примерно та наименьшая разница в громкости, которую человеческое ухо может почувствовать.
Полезно запомнить следующее. Изменение громкости в 3 дБ равно отношению 2:1. Поэтому если мы берем два одинаковых источника звука, т. е. удваиваем мощность, то громкость увеличиться на 3 дБ. Например, если к голосу присоединяется ещё один, равный по громкости, то уровень звука увеличится на 3 дБ. Если нужно ещё увеличить на 3 дБ, потребуется вдвое увеличить имеющийся состав.
Также можно обратиться к следующей таблице (в ней показано на сколько дБ нужно убавить, чтобы получить звучание в 2 раза тише, в 3 и т. д.):
| 1% | 10% | 25% | 33% | 50% | 100% |
| 1/100
(в 100 раз тише) |
1/10
(в 10 раз тише) |
1/4
(в 4 раза тише) |
1/3
(в 3 раза тише) |
1/2
(в 2 раза тише) |
1/1 |
| -40дБ | -20дБ | -12 дБ | -10 дБ | — 6 дБ | 0 дБ |
Для определения суммарного уровня давления нескольких инструментов их никогда не складывают. Вначале необходимо рассчитать значение звукового давления каждого инструмента. Допустим играют две скрипки. Одна с уровнем 80 дБ, другая 86 дБ. У первой звуковое давление равно — 0,2 Па, второй — 0,4 Па.
Рассчитывается так: L = 20 lg p/p₀, значит 80 дБ = 20 lg p / (2 × 10 ⁻⁵), далее lg p / (2 × 10 ⁻⁵) = 4. Следовательно 10⁴ = p / (2 × 10 ⁻⁵), отсюда значение звукового давления будет p = 0,2 Па.
После этого определяется суммарное звуковое давление
В нашем случае суммарное давление равно p = 0, 447 Па. Затем определяется суммарный уровень звукового давления. Который равен 86,98 дБ.
Уровень интенсивности звука
Уровень интенсивности звука также измеряется в децибелах по формуле:
L₁ = 10 lg I/I₀
I₀ – нулевой уровень, равный 10⁻¹² Вт/м².
Мощность, напряжение, ток
Перечисленные электрические характеристики также часто приводятся в децибелах и имеют свои специальные обозначения. Приведём несколько примеров:
L dBm = 10 lg WВт/ 1мВт – уровень мощности отнесённый к 1 мВт
L dBv = 20 lg UB/1B – уровень напряжения, отнесённый к 1 В (Америка)
L dBv = 20 lg UB/0,775 B – уровень напряжения, отнесённый к 0,775 В (Европа)
Спасибо, что читаете New Style Sound (подписаться на новости)
Похожие записи
Форматы сжатия звука. Часть 2.
Продолжим рассматривать различные форматы сжатия звука, их достоинства и недостатки.…
Форматы сжатия звука. Часть 1.
Сегодня существует огромное количество форм сжатия музыки на компьютере, хотя,…
Интерференция, принцип суперпозиции, стоячие волны, биения, эффект Доплера.
В прошлой статье мы рассмотрели такие понятия, как рефракция, дифракция,…
Отражение звуковых волн, рефракция, дифракция, рассеяние.
Сегодня в статье мы рассмотрим как происходит изменение звуковой волны…
Звуковые поля. Виды звуковых полей.
Продолжая изучать звук, сегодня мы поговорим о звуковых полях и…
