Poziom Ciśnienia Akustycznego SPL
Poziom ciśnienia akustycznego (SPL), wyrażony w decybelach (dB), jest powszechnie stosowany w akustyce. Można go mierzyć w powietrzu za pomocą mikrofonu i w wodzie za pomocą hydrofonu.
Poziom ciśnienia akustycznego (SPL), wyrażony w decybelach (dB), jest powszechnie stosowany w akustyce. Można go mierzyć w powietrzu za pomocą mikrofonu i w wodzie za pomocą hydrofonu.
Poziom ciśnienia akustycznego SPL jest logarytmiczną miarą efektywnego ciśnienia dźwięku w odniesieniu do wartości odniesienia, zdefiniowanej w dB (decybelach). Powszechnie stosowaną referencyjną wartością ciśnienia akustycznego w powietrzu jest 20 μPa, co często uznaje się za próg słyszalności. Dolna granica słyszalności jest definiowana jako poziom ciśnienia akustycznego SPL równy 0 dB. Największa zmiana ciśnienia niezniekształconej fali dźwiękowej w atmosferze ziemskiej wynosi 1 atm (194 dB szczytowe lub 191 dB SPL).
Ciśnienie akustyczne to lokalne odchylenie od ciśnienia otaczającego powietrza spowodowane przez falę dźwiękową. Może być mierzone w powietrzu za pomocą mikrofonu i w wodzie za pomocą hydrofonu. Ciśnienie akustyczne jest mierzone w paskalach (Pa). Matematyczna definicja ciśnienia akustycznego to ciśnienie całkowite, które równa się sumie ciśnienia statycznego i ciśnienia dynamicznego. Zmienną uzupełniającą ciśnienie akustyczne w fali dźwiękowej jest prędkość cząstek, która razem określa natężenie dźwięku fali.
Pomiary poziomu ciśnienia akustycznego SPL mogą wskazywać na możliwość uszkodzenia słuchu. Narażenie na poziom ciśnienia akustycznego powyżej 85 dB przez dłuższy czas może spowodować uszkodzenie słuchu, podczas gdy narażenie na poziom powyżej 120 dB może spowodować natychmiastowe i trwałe uszkodzenie słuchu. Dlatego ważne jest, aby mierzyć poziomy SPL i podejmować odpowiednie środki w celu ochrony przed narażeniem na głośny hałas, takie jak noszenie zatyczek do uszu lub nauszników.
Częstotliwość dźwięku wpływa na pomiary poziomu ciśnienia akustycznego (SPL), ponieważ ludzkie ucho ma różną wrażliwość na różne częstotliwości. Dlatego mierniki poziomu dźwięku wykorzystują filtry ważenia częstotliwości, takie jak filtry ważenia A, B i C, aby dostosować pomiary poziomu ciśnienia akustycznego SPL do czułości ludzkiego ucha na różnych częstotliwościach. Filtry ważone A są powszechnie używane do pomiaru hałasu otoczenia, ponieważ najlepiej odpowiadają wrażliwości ludzkiego ucha na dźwięki o średniej częstotliwości. Filtry ważone B podkreślają wyższe częstotliwości, podczas gdy filtry ważone C podkreślają niższe częstotliwości.
Obliczanie poziomu ciśnienia akustycznego (SPL)
Aby obliczyć SPL, należy wziąć stosunek ciśnienia akustycznego do poziomu odniesienia ciśnienia akustycznego, a następnie wziąć logarytm (podstawa 10) tego stosunku, a następnie pomnożyć przez 20. Daje to SPL w decybelach (dB).
Na przykład, jeśli ciśnienie akustyczne wynosi 20 µPa, wówczas stosunek ciśnienia akustycznego RMS do poziomu odniesienia ciśnienia akustycznego wynosi 20/20 = 1. Logarytm (podstawa 10) tego stosunku daje 0, a pomnożenie przez 20 daje SPL równy 0 dB. Jest to najniższy możliwy poziom SPL, który odpowiada progowi słyszenia.
Z drugiej strony, jeśli ciśnienie akustyczne wynosi 200 µPa, to stosunek ciśnienia akustycznego RMS do poziomu odniesienia ciśnienia akustycznego wynosi 200/20 = 10. Logarytm (podstawa 10) tego stosunku daje 1, a pomnożenie przez 20 daje SPL równe 20 dB. Jest to znacznie głośniej niż próg słyszalności, ale nadal stosunkowo cicho.
Wraz ze wzrostem ciśnienia akustycznego rośnie również SPL. Przy SPL wynoszącym 120 dB dźwięk jest uważany za próg bólu, a każdy głośniejszy dźwięk może spowodować trwałą utratę słuchu.
Przy pomiarze ciśnienia akustycznego w Pa, dodanie 20 dB do poziomu dB jest równoważne pomnożeniu ciśnienia akustycznego przez 10. Na przykład 200 µPa odpowiada 20 dB (re 20 µPa), podczas gdy 2000 µPa odpowiada 40 dB.
Jaka jest wartość odniesienia dla poziomu ciśnienia akustycznego (SPL)?
Wartością odniesienia dla SPL (Sound Pressure Level) jest minimalny poziom ciśnienia akustycznego, który może być odbierany przez ludzkie ucho, równy 0 dB SPL. Odpowiada to ciśnieniu akustycznemu 20 µPa (mikropaskali), które jest również znane jako próg słyszenia. Wartość odniesienia służy do obliczania różnicy poziomów ciśnienia akustycznego między zmierzonym ciśnieniem akustycznym a minimalnym słyszalnym ciśnieniem akustycznym. Poziomy ciśnienia akustycznego są wyrażane w dB SPL, co jest logarytmiczną miarą poziomu ciśnienia akustycznego względem ciśnienia odniesienia.
ISO 1999 definiuje poziom ciśnienia akustycznego (Lp) według następującego wzoru:
Lp=10lg (p/p0)2
gdzie p jest ciśnieniem akustycznym w paskalach, a referencyjne ciśnienie akustyczne p0 wynosi 20 μPa, zgodnie z normą ISO 1683.
Poziom ciśnienia akustycznego skorygowanego charakterystyką A (LpA)
LpA=10lg (pA/p0)2
gdzie pA to ciśnienie akustyczne skorygowane charakterystyką A w paskalach.
Ludzie postrzegają poziomy ciśnienia akustycznego w logarytmicznej skali decybelowej, która odnosi się do najniższego słyszalnego przez człowieka ciśnienia akustycznego wynoszącego około 20 μPa (20 mikropaskali), znanego również jako 0 dB. Najniższy poziom ciśnienia akustycznego słyszalny przez człowieka występuje zazwyczaj między 3000 a 4000 Hz. Ciśnienie akustyczne wynoszące około 60 Pa może powodować ból w normalnym ludzkim uchu.
Ze względu na duże zmiany amplitudy ciśnienia akustycznego zamiast jednostki Paskal stosuje się poziom ciśnienia akustycznego w decybelach (Lp). Używając wzoru Lp=10lg (p/p0)2, gdzie p jest ciśnieniem akustycznym w paskalach, a p0 jest referencyjnym ciśnieniem akustycznym 20 μPa. Wzór ten wyraża poziom ciśnienia akustycznego jako logarytmiczną funkcję stosunku ciśnienia akustycznego do ciśnienia odniesienia. Podwojenie ciśnienia akustycznego w paskalach zwiększa poziom ciśnienia akustycznego w decybelach o 6 dB.
W skali decybelowej słyszalne dźwięki wahają się od 0 dB, czyli progu słyszalności, do ponad 130 dB, czyli progu bólu. Chociaż podwojenie ciśnienia akustycznego odpowiada wzrostowi o 6 dB, potrzeba około 10 dB wzrostu, aby dźwięk subiektywnie wydawał się dwa razy głośniejszy. Najmniejsza zmiana, jaką może usłyszeć człowiek, wynosi około 3 dB.
Poziom ciśnienia akustycznego (SPL) można opisać subiektywnie w oparciu o skalę decybeli (dB). Zakres od 0 do 40 dB jest uważany za cichy lub bardzo cichy, podczas gdy od 60 do 80 dB jest ogólnie określany jako głośny. Poziom ciśnienia akustycznego wynoszący 100 dB jest postrzegany jako bardzo głośny, podczas gdy wszystko powyżej 120 dB jest nie do zniesienia.
Wrażliwość ludzkiego ucha na różne częstotliwości nie jest jednakowa, a najbardziej czuły zakres wynosi od 2 kHz do 5 kHz. Oznacza to, że subiektywna głośność dźwięku nie zależy wyłącznie od poziomu ciśnienia akustycznego, ale także od innych złożonych czynników. Co więcej, ta różnica w czułości częstotliwości jest bardziej wyraźna przy niskich poziomach ciśnienia akustycznego niż przy wysokich. Kontury równej głośności na rysunku pokazują poziom ciśnienia akustycznego wymagany dla dowolnej częstotliwości, aby uzyskać taką samą pozorną głośność jak ton o częstotliwości 1 kHz. Na przykład ton o częstotliwości 50 Hz musi być o 15 dB wyższy niż ton o częstotliwości 1 kHz na poziomie 70 dB, aby uzyskać taką samą subiektywną głośność.
Z drugiej strony, dźwięki impulsowe stanowią wyzwanie w ocenie głośności. Dźwięk impulsowy to dźwięk trwający krócej niż jedną sekundę. Ucho jest mniej wrażliwe na postrzeganie głośności takich dźwięków ze względu na ich krótki czas trwania. Przykładami dźwięków impulsowych są odgłosy maszyny do pisania i uderzenia młotkiem. Naukowcy ogólnie zgadzają się, że dźwięki krótsze niż 70 milisekund mają niższą postrzeganą głośność niż dźwięki o dłuższym czasie trwania i tym samym poziomie ciśnienia akustycznego.
Poziom ciśnienia akustycznego dla niektórych źródeł może się różnić w zależności od odległości między źródłem a słuchaczem. Wartości podane w tej tabeli mają charakter orientacyjny:
| Źródło | Poziom ciśnienia akustycznego (dB) |
|---|---|
| Próg słyszalności | 0 |
| Szelest liści | 20 |
| Cichy szept (1 m) | 30 |
| Ciche biuro | 40 |
| Normalna rozmowa w odległości 1 m | 60 |
| Wewnątrz samochodu | 65-80 |
| Głośny śpiew | 70 |
| Odkurzacz (3 m) | 75 |
| Autobusy, ciężarówki z silnikiem diesla, motocykle (15 m) | 80 |
| Młot pneumatyczny (15 m) | 90 |
| Metro (wewnątrz) | 94 |
| Kosiarka do trawy (1 m) | 107 |
| Ogłuszający, ludzki limit bólu | 120 |
| Samolot odrzutowy (30 m) | 130 |
| Próg bólu | 140 |
| Start wojskowego odrzutowca (30 m) | 150 |
| Duża broń wojskowa | 180 |
Poziom ciśnienia akustycznego SPL jest zwykle mierzony za pomocą miernika poziomu ciśnienia akustycznego. Miernik poziomu ciśnienia akustycznego zawiera mikrofon, sekcję przetwarzania sygnału i wyświetlacz. Fale ciśnienia akustycznego wprawiają membranę mikrofonu w ruch, który jest przekształcany w sygnały elektryczne przez miernik poziomu ciśnienia akustycznego. Następnie SLM konwertuje sygnały elektryczne na cyfrowe, dzięki czemu mogą być wyświetlane w postaci decybeli.
Aby obliczyć poziom ciśnienia akustycznego skorygowany charakterystyką A (LpA), SLM wykorzystuje filtry ważące częstotliwość, które dostosowują odczyt ciśnienia akustycznego do czułości ludzkiego ucha na różne częstotliwości. Filtr ważący A kładzie większy nacisk na częstotliwości, które ludzie słyszą najlepiej. SLM może również zintegrować ciśnienie akustyczne w czasie w postaci równoważnego ciągłego poziomu dźwięku (Leq), który jest średnią energią dźwięku w określonym czasie.
Podczas pomiaru dźwięku ważne jest, aby dokładnie uchwycić zmiany poziomu ciśnienia akustycznego, które mogą gwałtownie się zmieniać. W przeszłości analogowe mierniki dźwięku nie nadążały za szybkimi wahaniami, co skutkowało błędnymi odczytami. Aby rozwiązać ten problem, ustandaryzowano dwie charakterystyki odpowiedzi detektora: Szybka (Fast) i Wolna (Slow). Szybka reakcja czujnika ma stałą czasową 125 milisekund, co pozwala na szybką reakcję wyświetlacza, ale pozwala dokładnie obserwować niezbyt szybko zmieniające się poziomy dźwięku. Natomiast reakcja czujnika Slow ma stałą czasową wynoszącą 1 sekundę, co daje wolniejszą reakcję, która pomaga lepiej obserwować szybkie wahania wyświetlacza na mierniku analogowym.
Nowoczesne mierniki poziomu dźwięku z cyfrowymi wyświetlaczami rozwiązują problem szybkich fluktuacji wskazań. Pomimo tego, nadal wykorzystują one detektory, ponieważ są one często podyktowane normą, na której mają być oparte pomiary. Obecnie ważenie czasowe Slow jest powszechnie stosowane do pomiaru poziomu dźwięku w miejscach pracy, a Fast jest stosowane w monitorowaniu hałasu w środowisku. Dodatkowo, Impulsowe ważenie czasowe jest używane do pomiaru hałasu impulsowego, takiego jak hałas maszyn, wystrzałów lub eksplozji, ponieważ wychwytuje szczytowy poziom dźwięku.
Wagi A, C i Z to wagi częstotliwości stosowane w miernikach poziomu hałasu w celu dostosowania zmierzonego poziomu ciśnienia akustycznego (SPL), aby lepiej odpowiadał ludzkiej percepcji dźwięku.
Krzywa ważenia A pokazuje, jak ludzkie ucho reaguje na różne poziomy ciśnienia akustycznego i jest często używana do pomiaru hałasu w środowisku i w przemyśle. Krzywa ważenia A tłumi poziomy ciśnienia akustycznego o niskiej i wysokiej częstotliwości, nadając większą wagę częstotliwościom od 500 Hz do 10 kHz, gdzie ludzki słuch jest najbardziej wrażliwy.
Krzywa ważenia C mierzy ogólny poziom ciśnienia akustycznego we wszystkich częstotliwościach bez tłumienia. Jest używana do pomiaru dźwięku w środowiskach o wysokim poziomie hałasu, takich jak koncerty rockowe lub pasy startowe lotnisk.
Krzywa ważenia Z jest również znana jako ważenie „liniowe” lub „płaskie” i nie stosuje żadnego ważenia częstotliwości do pomiaru SPL. Mierzy poziom ciśnienia akustycznego we wszystkich częstotliwościach i jest używana do pomiarów naukowych lub kalibracji instrumentów.
LAF i LAS to powszechnie stosowane ważone poziomy ciśnienia akustycznego w normach akustycznych, takich jak IEC 61672. LAF to skrót od poziomu dźwięku L, z ważeniem częstotliwościowym A, oraz ważeniem czasowym Fast, który jest miarą poziomu ciśnienia akustycznego dostosowaną do wrażliwości ludzkiego ucha na różne częstotliwości. LAS to skrót od poziomu dźwięku L, z ważeniem częstotliwościowym A oraz stałą czasową Slow. Zarówno LAF, jak i LAS są powszechnie stosowane w pomiarach narażenia na hałas w miejscu pracy i ocenach hałasu w środowisku. Ogólnie rzecz biorąc, związek między SPL, LAF i LAS polega na tym, że LAF i LAS to dwa różne sposoby pomiaru SPL z ważeniem czasowym Slow lub Fast, wykorzystujące ważenie częstotliwościowe A.
Dźwięk jest formą energii, a wielkość utraty słuchu spowodowanej ekspozycją na środowisko dźwiękowe zależy zarówno od poziomu, jak i czasu trwania ekspozycji. Aby określić, czy dźwięk ma wpływ na ludzki słuch, wymagany jest pomiar poziomu ciśnienia akustycznego i czasu jego trwania. Równoważny ciągły poziom dźwięku (LEQ) dostarcza informacji o tym, na ile energii dana osoba była narażona. Pomiary LEQ są wykorzystywane do wielu rodzajów pomiarów akustycznych, w tym akustyki budynków, hałasu środowiskowego i hałasu w miejscu pracy. LEQ jest średnią liniową kwadratu ciśnienia akustycznego w danym okresie czasu i nie wykorzystuje ważenia czasowego. LEQ jest przydatny do reprezentowania równoważnego poziomu energii dźwięku w czasie i jest powszechnie stosowany do reprezentowania poziomów narażenia na hałas w miejscach pracy i innych środowiskach.
Pomiary LEQ można wykonywać w dowolnym odpowiednim czasie, zwanym czasem integracji, podczas gdy SPL mierzy chwilowy poziom ciśnienia akustycznego w określonym momencie. Mierniki poziomu ciśnienia akustycznego Svantek rejestrują zarówno poziomy ciśnienia akustycznego, jak i LEQ w postaci kolejnych czasów integracji w pliku rejestratora historii czasu.
W akustyce głośność i natężenie dźwięku to inne miary niż SPL (poziom ciśnienia akustycznego). SPL to pomiar poziomu ciśnienia fali dźwiękowej w odniesieniu do poziomu odniesienia, zwykle podawany w decybelach (dB). Jest to miara fizycznej siły fali dźwiękowej.
Z kolei natężenie jest miarą ilości energii dźwiękowej, która przechodzi przez dany obszar w danym czasie. Zwykle mierzone jest w watach na metr kwadratowy (W/m2). Natężenie jest miarą energii, jaką niesie ze sobą fala dźwiękowa.
Głośność to subiektywne postrzeganie intensywności dźwięku. Wpływa na nią wiele czynników, w tym SPL i częstotliwość, a także czułość ludzkiego ucha. Głośność jest zwykle mierzona w jednostkach zwanych fonami.
Poziom ciśnienia akustycznego (SPL) fali dźwiękowej maleje wraz ze wzrostem odległości od źródła. Dzieje się tak, ponieważ fale dźwiękowe rozprzestrzeniają się we wszystkich kierunkach, gdy oddalają się od źródła, a energia fali jest rozprowadzana na coraz większym obszarze. Spadek SPL wraz z odległością jest znany jako tłumienie dźwięku.
Szybkość tłumienia dźwięku zależy od wielu czynników, takich jak częstotliwość fali dźwiękowej, rozmiar i kształt źródła oraz środowisko, w którym dźwięk się przemieszcza. Jednakże, zgodnie z ogólną zasadą, SPL spada o 6 decybeli (dB) na każde podwojenie odległości od źródła.
Na przykład, jeśli SPL fali dźwiękowej w odległości 1 metra wynosi 80 dB, będzie to 74 dB w odległości 2 metrów, 68 dB w odległości 4 metrów i tak dalej. Oznacza to, że głośność dźwięku zależy w dużej mierze od odległości od jego źródła. Podczas pomiaru i kontroli poziomu hałasu w różnych miejscach należy o tym pamiętać.
Poziom ciśnienia akustycznego (SPL) ma różne zastosowania, z których niektóre obejmują
W kontekście audio, SPL jest używany do opisania głośności sygnałów audio. SPL jest wykorzystywany w projektowaniu i testowaniu sprzętu audio, takiego jak głośniki i słuchawki, w celu zapewnienia, że wytwarzają one dźwięk na bezpiecznych i odpowiednich poziomach. Jest również używany w studiach nagraniowych i środowiskach dźwiękowych na żywo do monitorowania głośności sygnałów audio i zapobiegania uszkodzeniom słuchu wykonawców i słuchaczy.
Kalibracja jest niezbędna, aby zapewnić, że mierniki poziomu ciśnienia akustycznego zapewniają dokładne i precyzyjne pomiary. Aby skalibrować miernik poziomu dźwięku, nad mikrofonem umieszcza się przenośny kalibrator akustyczny. Kalibratory zapewniają określony poziom ciśnienia akustycznego, do którego można dostosować miernik poziomu ciśnienia akustycznego. Typowe poziomy ciśnienia akustycznego używane do kalibracji to 94 dB lub 114 dB (wybór zależy od tła akustycznego).
Autoryzowany konsultant SVANTEK pomoże Ci w szczegółach, takich jak wymagane akcesoria do monitorowania hałasu i wibracji.
