聲音測量最常用的物理量是聲壓,但聲壓的大小通常用聲壓級(Sound Pressure Level,SPL)來描述。人耳可聽的聲壓范圍為2×10-5Pa~20Pa,對應的聲壓級范圍為0~120dB,因此,引入聲壓級的概念易于描述線性變化很大的聲壓。
一、壓強
定義:單位面積上所受到的壓力叫做壓強;
單位:壓強的單位是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、設大氣受聲波擾動后壓強由p0改變為p1,則由聲擾動產生的逾量壓強(簡稱為逾壓)p=p1-p0就稱為聲壓,聲壓的大小反應了聲波的強弱。或者:聲音通過空氣的振動所產生的壓強叫做聲壓強,簡稱聲壓。聲壓是一標量而不是矢量,它的相位按下列原則區分正負,當聲壓使總聲壓增加時,聲壓相位規定為正,反之為負。
2、聲壓的單位為Pa(帕),有時也用bar(巴)作單位,1bar=100KPa。
3、正常人耳對1KHz聲音剛剛能覺察其存在的聲壓值(20μPa)被稱為1KHz聲音的可聽閾聲壓。一般來講,人耳不能覺察到低于這一聲壓值的聲音的存在。
4、聲場中某一瞬時的聲壓值稱為瞬時聲壓。
5、一定時間間隔中最大的瞬間聲壓值稱為峰值聲壓或巔值聲壓。如果聲壓隨時間變化是按簡諧規律,那么峰值聲壓也就是聲壓的振幅。
6、在一定時間間隔中,瞬時聲壓對時間取均方根值稱為有效聲壓:
式中下角符號e代表有效值,T代表取平均的時間間隔,它可以是一個周期或比周期大得多的時間間隔。我們日常中所說的聲壓和一般電子儀表所測得的聲壓都是有效聲壓。
三、聲壓級
3.1 聲壓級定義
把聲壓的有效值取對數來表示聲音的強弱,這種表示聲音強弱的數值叫聲壓級。聲壓級以符號SPL表示,單位為分貝(dB):
式中pe為待測聲壓的有效值,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,因此人們就把這個壓強作為聲壓強的參照標準,記做pref,因此在聲學或醫學上把20μPa=0dBSPL定義為聽閾,即聽覺的閥門,只有高于此值,閥門才能打開,聽到聲音。
3.2 聲壓級的計算
在空氣中聲壓級的計算公式為:
例如1Pa聲壓對應的聲壓級:
這就是平時我們所說的1Pa的聲壓相當于94dB聲壓級(SPL),類似可以計算出:
20μPa=0dBSPL
200μPa=20dBSPL
2mPa=40dBSPL
20mPa=60dBSPL
200mPa=80dBSPL
2Pa=100dBSPL
即聲壓變為原來的10倍,聲壓級在原來的基礎上增加20dB;聲壓變為原來的2倍,聲壓級在原來的基礎上增加6dB;
另外,當聲壓達到20Pa,即聲壓級為120dBSPL時,人耳會感覺到疼痛,因此,在聲學或醫學上把20Pa=120dBSPL定義為痛閾,長時間在此環境下工作,會對聽覺系統造成傷害。
采用分貝(dB)來表達聲學量值的主要原因,是由于人體聽覺系統對聲音強弱刺激的反應不是按線性(即逐漸加大)規律變化的,而是成對數比例關系變化的,所以采用對數的分貝值可以適應聽覺本身的特點。其次,日常生活中遇到的聲音,若以聲壓值表示,變動范圍是很寬的,當用對數換算后,從數值上可以大為縮小聲壓的變化范圍,因此用分貝來表示聲學的量值是科學的。