فشار صدا

انحراف فشار موضعی ناشی از یک موج صوتی

فشار صوت یا فشار آکوستیک انحراف فشار موضعی از فشار اتمسفر محیطی (متوسط ​​یا تعادل) است که توسط یک موج صوتی ایجاد می‌شود . در هوا، فشار صدا را می توان با استفاده از میکروفون و در آب با هیدروفون اندازه گیری کرد . واحد SI فشار صوت پاسکال (Pa) است. ^[1]

تعریف ریاضی

نمودار فشار صدا:

1. سکوت
2. صدای شنیدنی
3. فشار اتمسفر
4. فشار صدا

یک موج صوتی در یک محیط انتقال باعث انحراف (فشار صوت، فشار دینامیکی ) در فشار محیط محلی، یک فشار استاتیک می شود .

فشار صوت، که p نشان داده می شود ، با کجا تعریف می شود $${\displaystyle p_{\text{total}}=p_{\text{stat}}+p,}$$

• p _total فشار کل است،
• p _stat فشار استاتیک است.

اندازه گیری صدا

شدت صدا

در یک موج صوتی، متغیر مکمل فشار صوت، سرعت ذره است . آنها با هم شدت صوت موج را تعیین می کنند.

شدت صوت که با I نشان داده می شود و در واحدهای SI با W · m ^-2 اندازه گیری می شود ، با جایی که $${\displaystyle \mathbf {I} =p\mathbf {v} ,}$$

• p فشار صوت است،
• v سرعت ذره است.

امپدانس آکوستیک

امپدانس آکوستیک که Z نشان داده می شود و با Pa·m ^-3 ·s در واحدهای SI اندازه گیری می شود، با ^[2] تعریف می شود که در آن $${\displaystyle Z(s)={\frac {{\hat {p}}(s)}{{\hat {Q}}(s)}},}$$

• ${\displaystyle {\hat {p}}(s)}$تبدیل لاپلاس فشار صوت است ، ^{[ نیازمند منبع ]}
• ${\displaystyle {\hat {Q}}(s)}$تبدیل لاپلاس نرخ جریان حجم صدا است.

امپدانس آکوستیک خاص ، که z نشان داده می شود و با Pa·m ^-1 ·s در واحدهای SI اندازه گیری می شود، با ^[2] تعریف می شود که در آن $${\displaystyle z(s)={\frac {{\hat {p}}(s)}{{\hat {v}}(s)}},}$$

• ${\displaystyle {\hat {p}}(s)}$تبدیل لاپلاس فشار صوت است،
• ${\displaystyle {\hat {v}}(s)}$تبدیل لاپلاس سرعت ذره است.

جابجایی ذرات

جابجایی ذرات یک موج سینوسی پیشرونده با کجا داده می شود $${\displaystyle \delta (\mathbf {r} ,t)=\delta _{\text{m}}\cos(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{\delta ,0}),}$$

• ${\displaystyle \delta _{\text{m}}}$دامنه جابجایی ذره است ،
• ${\displaystyle \varphi _{\delta ,0}}$تغییر فاز جابجایی ذرات است ،
• k بردار موج زاویه ای است ،
• ω فرکانس زاویه ای است .

نتیجه این است که سرعت ذرات و فشار صوت در جهت انتشار موج صوتی x با جایی که $${\displaystyle v(\mathbf {r} ,t)={\frac {\partial \delta }{\partial t}}(\mathbf {r} ,t)=\omega \delta _{\text{m}}\cos \left(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{\delta ,0}+{\frac {\pi }{2}}\right)=v_{\text{m}}\cos(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{v,0}),}$$ $${\displaystyle p(\mathbf {r} ,t)=-\rho c^{2}{\frac {\partial \delta }{\partial x}}(\mathbf {r} ,t)=\rho c^{2}k_{x}\delta _{\text{m}}\cos \left(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{\delta ,0}+{\frac {\pi }{2}}\right)=p_{\text{m}}\cos(\mathbf {k} \cdot \mathbf {r} -\omega t+\varphi _{p,0}),}$$

• v _m دامنه سرعت ذره است،
• ${\displaystyle \varphi _{v,0}}$تغییر فاز سرعت ذرات است،
• p _m دامنه فشار آکوستیک است،
• ${\displaystyle \varphi _{p,0}}$تغییر فاز فشار آکوستیک است.

در نظر گرفتن تبدیل لاپلاس v و p با توجه به بازده زمانی $${\displaystyle {\hat {v}}(\mathbf {r} ,s)=v_{\text{m}}{\frac {s\cos \varphi _{v,0}-\omega \sin \varphi _{v,0}}{s^{2}+\omega ^{2}}},}$$ $${\displaystyle {\hat {p}}(\mathbf {r} ,s)=p_{\text{m}}{\frac {s\cos \varphi _{p,0}-\omega \sin \varphi _{p,0}}{s^{2}+\omega ^{2}}}.}$$

از آنجایی که دامنه امپدانس آکوستیک خاص توسط ${\displaystyle \varphi _{v,0}=\varphi _{p,0}}$ $${\displaystyle z_{\text{m}}(\mathbf {r} ,s)=|z(\mathbf {r} ,s)|=\left|{\frac {{\hat {p}}(\mathbf {r} ,s)}{{\hat {v}}(\mathbf {r} ,s)}}\right|={\frac {p_{\text{m}}}{v_{\text{m}}}}={\frac {\rho c^{2}k_{x}}{\omega }}.}$$

در نتیجه، دامنه جابجایی ذرات به سرعت آکوستیک و فشار صوت مرتبط است. $${\displaystyle \delta _{\text{m}}={\frac {v_{\text{m}}}{\omega }},}$$ $${\displaystyle \delta _{\text{m}}={\frac {p_{\text{m}}}{\omega z_{\text{m}}(\mathbf {r} ,s)}}.}$$

قانون معکوس نسبت

هنگام اندازه گیری فشار صوتی ایجاد شده توسط منبع صوتی، اندازه گیری فاصله از جسم نیز مهم است، زیرا فشار صوتی یک موج صوتی کروی به اندازه 1/ r از مرکز کره (و نه به اندازه 1/1) کاهش می یابد. r ² ، مانند شدت صدا: ^[3] $${\displaystyle p(r)\propto {\frac {1}{r}}.}$$

این رابطه یک قانون معکوس نسبت است .

اگر فشار صوت p ₁ در فاصله r ₁ از مرکز کره اندازه گیری شود، فشار صوت p ₂ در موقعیت دیگر r ₂ قابل محاسبه است: $${\displaystyle p_{2}={\frac {r_{1}}{r_{2}}}\,p_{1}.}$$

قانون تناسب معکوس برای فشار صوت از قانون مربع معکوس برای شدت صوت می آید: در واقع، جایی که $${\displaystyle I(r)\propto {\frac {1}{r^{2}}}.}$$ $${\displaystyle I(r)=p(r)v(r)=p(r)\left[p*z^{-1}\right](r)\propto p^{2}(r),}$$

• ${\displaystyle *}$عملگر پیچیدگی است ،
• z ^-1 معکوس پیچش امپدانس صوتی خاص است .

بنابراین قانون معکوس تناسب: $${\displaystyle p(r)\propto {\frac {1}{r}}.}$$

سطح فشار صدا

سطح فشار صوت ( SPL ) یا سطح فشار آکوستیک ( APL ) اندازه گیری لگاریتمی فشار مؤثر یک صدا نسبت به مقدار مرجع است.

سطح فشار صوت، با L _p نشان داده شده و با دسی بل اندازه گیری می شود ، ^[4] با: ^[5] تعریف می شود که در آن $${\displaystyle L_{p}=\ln \left({\frac {p}{p_{0}}}\right)~{\text{Np}}=2\log _{10}\left({\frac {p}{p_{0}}}\right)~{\text{B}}=20\log _{10}\left({\frac {p}{p_{0}}}\right)~{\text{dB}},}$$

• p ریشه میانگین فشار صوتی مربع است ، ^[6]
• p ₀ یک فشار صوتی مرجع است ،
• 1 Np نپر است ،
• 1 B = (1/2⁠ ln 10) Np بل است،
• 1 دسی بل = (1/20ln 10) Np دسی بل است.

فشار صوتی مرجع رایج در هوا ^{[7] است.}

p ₀ = 20 μPa،

که اغلب به عنوان آستانه شنوایی انسان در نظر گرفته می شود (تقریبا صدای پرواز پشه در فاصله 3 متری). نمادهای مناسب برای سطح فشار صوت با استفاده از این مرجع، L _{p / (20 μPa)} یا L _p (re 20 μPa) هستند ، اما نمادهای پسوندی dB SPL ، dB(SPL) ، dBSPL، یا dB _SPL بسیار رایج هستند، حتی اگر آنها توسط SI پذیرفته نمی شوند. ^[8]

بیشتر اندازه‌گیری‌های سطح صدا نسبت به این مرجع انجام می‌شوند، به این معنی که 1 Pa برابر SPL 94 دسی‌بل است . در رسانه های دیگر، مانند زیر آب ، سطح مرجع 1 μPa استفاده می شود. ^{[9] این مراجع در} ANSI S1.1-2013 تعریف شده است . ^[10]

ابزار اصلی برای اندازه گیری تراز صدا در محیط، تراز سنج صدا می باشد . اکثر سطح سنج‌های صوتی خوانش‌ها را با دسی‌بل‌های A، C و Z ارائه می‌کنند و باید استانداردهای بین‌المللی مانند IEC 61672-2013 را رعایت کنند .

نمونه ها

حد پایین قابل شنیدن به عنوان SPL 0 dB تعریف شده است ، اما حد بالایی به وضوح تعریف نشده است. در حالی که 1 اتمسفر ( اوج 194 دسی بل یا 191 دسی بل SPL ) ^{[11] [12]} بزرگترین تغییر فشاری است که یک موج صوتی تحریف نشده می تواند در جو زمین داشته باشد (یعنی اگر خواص ترمودینامیکی هوا نادیده گرفته شود، در واقع صدا امواج با شروع بیش از 150 دسی بل به تدریج غیر خطی می شوند، امواج صوتی بزرگتر می توانند در جوهای دیگر یا رسانه های دیگر مانند زیر آب یا از طریق زمین وجود داشته باشند. ^[13]

کانتور با صدای یکسان ، فشار صدا در مقابل فرکانس را در سطوح بلندی درک متفاوت نشان می‌دهد

گوش ها تغییرات فشار صدا را تشخیص می دهند. شنوایی انسان نسبت به فرکانس در مقابل دامنه حساسیت طیفی مسطح ( پاسخ فرکانسی ) ندارد . انسان صداهای با فرکانس پایین و بالا را درک نمی کند و همچنین صداهای بین 3000 تا 4000 هرتز را درک نمی کند، همانطور که در کانتور با بلندی مساوی نشان داده شده است . از آنجایی که پاسخ فرکانسی شنوایی انسان با دامنه تغییر می کند، سه وزن برای اندازه گیری فشار صدا ایجاد شده است: A، B و C.

به منظور تمایز اندازه های مختلف صدا، پسوندی استفاده می شود: سطح فشار صدا با وزن A به صورت dB _A یا L _A نوشته می شود . سطح فشار صوت با وزن B به صورت dB _B یا L _B نوشته می شود و سطح فشار صوتی با وزن C به صورت dB _C یا L _C نوشته می شود . سطح فشار صوت بدون وزن "سطح فشار صدای خطی" نامیده می شود و اغلب به صورت dB _L یا فقط L نوشته می شود. برخی از ابزارهای اندازه گیری صدا از حرف "Z" به عنوان نشانه SPL خطی استفاده می کنند. ^[13]

فاصله

فاصله میکروفون اندازه‌گیری از منبع صدا اغلب در هنگام نقل قول اندازه‌گیری‌های SPL حذف می‌شود و به دلیل تأثیر ذاتی قانون تناسب معکوس، داده‌ها بی‌فایده می‌شوند. در مورد اندازه‌گیری‌های محیطی محیطی نویز «پس‌زمینه»، نیازی به ذکر فاصله نیست، زیرا هیچ منبع واحدی وجود ندارد، اما هنگام اندازه‌گیری سطح نویز یک قطعه خاص از تجهیزات، فاصله همیشه باید ذکر شود. فاصله یک متری (1 متر) از منبع یک فاصله استاندارد است که اغلب استفاده می شود. به دلیل اثرات نویز منعکس شده در یک اتاق بسته، استفاده از یک محفظه آنکوئیک اجازه می دهد تا صدا با اندازه گیری های انجام شده در یک محیط میدان آزاد قابل مقایسه باشد. ^[13]

طبق قانون تناسب معکوس، وقتی سطح صوت L _{p 1} در فاصله r ₁ اندازه گیری می شود ، سطح صوت L _{p 2} در فاصله r ₂ است . $${\displaystyle L_{p_{2}}=L_{p_{1}}+20\log _{10}\left({\frac {r_{1}}{r_{2}}}\right)~{\text{dB}}.}$$

منابع متعدد

فرمول مجموع سطوح فشار صوت n منبع تابش نامنسجم است $${\displaystyle L_{\Sigma }=10\log _{10}\left({\frac {p_{1}^{2}+p_{2}^{2}+\dots +p_{n}^{2}}{p_{0}^{2}}}\right)~{\text{dB}}=10\log _{10}\left[\left({\frac {p_{1}}{p_{0}}}\right)^{2}+\left({\frac {p_{2}}{p_{0}}}\right)^{2}+\dots +\left({\frac {p_{n}}{p_{0}}}\right)^{2}\right]~{\text{dB}}.}$$

با وارد کردن فرمول ها در فرمول مجموع سطوح فشار صوت به دست می آید $${\displaystyle \left({\frac {p_{i}}{p_{0}}}\right)^{2}=10^{\frac {L_{i}}{10~{\text{dB}}}},\quad i=1,2,\ldots ,n}$$ $${\displaystyle L_{\Sigma }=10\log _{10}\left(10^{\frac {L_{1}}{10~{\text{dB}}}}+10^{\frac {L_{2}}{10~{\text{dB}}}}+\dots +10^{\frac {L_{n}}{10~{\text{dB}}}}\right)~{\text{dB}}.}$$

نمونه هایی از فشار صدا

1. تمام مقادیر ذکر شده فشار صوت موثر هستند مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد.

همچنین ببینید

• آکوستیک  - شاخه ای از فیزیک که شامل امواج مکانیکی است
• Phon  - واحد لگاریتمی سطح بلندی صدا
• بلندی صدا  - درک ذهنی از فشار صدا
• Sone  - واحد بلندی درک شده
• سطح سنج صدا  - دستگاه اندازه گیری آکوستیک
• قانون قدرت استیونز  - رابطه تجربی بین شدت تغییر یافته واقعی و درک شده محرک
• قانون وبر-فچنر  - قوانین مرتبط در زمینه روان شناسی

مراجع

1. «فشار صدا نیروی صوت بر یک سطح عمود بر جهت صدا است» . بازبینی شده در 22 آوریل 2015 .
2. Wolfe, J. "امپدانس آکوستیک چیست و چرا مهم است؟". دانشگاه نیو ساوت ولز، بخش فیزیک، آکوستیک موسیقی . بازیابی شده در 1 ژانویه 2014 .
3. Longhurst، RS (1967). اپتیک هندسی و فیزیکی . نوریچ: لانگمنز.
4. "نمادهای حروف مورد استفاده در فناوری الکتریکی - قسمت 3: مقادیر لگاریتمی و مرتبط، و واحدهای آنها"، IEC 60027-3 Ed. 3.0 ، کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی، 19 ژوئیه 2002.
5. Attenborough K، Postema M (2008). مقدمه ای در اندازه جیبی بر آکوستیک. کینگستون از هال: دانشگاه هال. doi :10.5281/zenodo.7504060. شابک 978-90-812588-2-1.
6. بیس، دیوید ای. هانسن، کالین (2003). کنترل نویز مهندسی
7. راس روزر، مایکل والنت، شنوایی شناسی: تشخیص (تیمه 2007)، ص. 240.
8. تامپسون، A. و تیلور، BN Sec. 8.7: "کمیت ها و واحدهای لگاریتمی: سطح، نپر، bel"، راهنمای استفاده از سیستم بین المللی واحدها (SI) نسخه 2008 ، انتشارات ویژه NIST 811، چاپ دوم (نوامبر 2008)، SP811 PDF.
9. مورفی، کریستوفر ال. (2001). فرهنگ لغت آکوستیک . سن دیگو: انتشارات آکادمیک. شابک 978-0125069403.
10. «واژه نامه اصطلاحات نویز» . بازیابی شده در 2012-10-14 .
11. سلف، داگلاس (17-04-2020). طراحی صوتی سیگنال کوچک. مطبوعات CRC. شابک 978-1-000-05044-8. این حد زمانی حاصل می شود که نادر بودن خلاء ایجاد کند، زیرا نمی توانید فشار کمتری از آن داشته باشید. این مربوط به +194 دسی بل SPL است.
12. Guignard, JC; کینگ، پی اف. گروه مشورتی سازمان پیمان آتلانتیک شمالی برای تحقیق و توسعه هوافضا پنل پزشکی هوافضا (1972). جنبه های هواپزشکی ارتعاش و نویز. سازمان پیمان آتلانتیک شمالی، گروه مشاوره تحقیق و توسعه هوافضا. در هوا با فشار اتمسفر فرضی 1 بار (100000 نیوتن بر متر مربع ⁾ این از نظر تئوری در حدود 191 دسی بل SPL (با مقادیر rms کار می کند) رخ می دهد.
13. Winer، Ethan (2013). "1". کارشناس صدا نیویورک و لندن: مطبوعات کانونی. شابک 978-0-240-82100-9.
14. هاتازاوا، ماسایاسو؛ سوگیتا، هیروشی؛ اوگاوا، تاکاهیرو؛ SEO، یوشیتوکی (01-01-2004). "عملکرد یک مولد امواج صوتی ترموآکوستیک با حرارت اتلاف موتور بنزینی خودرو". معاملات انجمن مهندسین مکانیک ژاپن B. 70 (689): 292-299. doi : 10.1299/kikaib.70.292 . ISSN  0387-5016.
15. «فوران کراکاتوآ – بلندترین صدا». برول و کیار بازیابی شده در 2021-03-24 . در فاصله 160 کیلومتری (99 مایلی) از منبع، افزایش سطح فشار صوتی بیش از 2 و نیم اینچ جیوه (8.5 کیلو پاسکال)، معادل 172 دسی بل ثبت شد.
16. وینچستر، سایمون (2003). کراکاتوآ: روزی که جهان منفجر شد، 27 اوت 1883 . پنگوئن / وایکینگ ص 218. شابک 978-0-670-91430-2.
17. فلام، گریگوری ای. لیبه، کوین؛ وونگ، آدام (2009). "برآورد خطر شنوایی ناشی از نویز ضربه ای در فضای باز I: ترقه ها". سر و صدا و سلامت . 11 (45): 223-230. doi : 10.4103/1463-1741.56216 . ISSN  1463-1741. PMID  19805932.
18. بروک، اسکات ای. کاردوس، چاک ا. اوزا، آلوک؛ مورفی، ویلیام جی (2014). "گزارش NIOSH HHE شماره 2013-0124-3208. گزارش ارزیابی خطرات سلامتی: اندازه گیری قرار گرفتن در معرض نویز تکانشی در محدوده های شلیک داخلی و خارجی در طول تمرینات آموزشی تاکتیکی" (PDF) . سینسیناتی، OH: وزارت بهداشت و خدمات انسانی ایالات متحده، مراکز کنترل و پیشگیری از بیماری، موسسه ملی ایمنی و بهداشت شغلی.
19. "آیا می دانستید بالن ها چقدر بلند هستند؟". شنوایی شناس کانادایی 3 (6). 9 ژانویه 2014 . بازبینی شده در 8 ژوئن 2018 .
20. «نمایندگی اجمالی محصول شرکت LRAD برای LRAD 1000Xi». بایگانی شده از نسخه اصلی در 16 مارس 2014 . بازبینی شده در 29 مه 2014 .
21. حداکثر سطوح فشار صدا واقعی برای میکروفون های پویا – Shure .
22. ضبط برنج و نی.
23. سوانپول، دی وت ؛ سالن III، جیمز دبلیو. کوکمور، دیرک (فوریه 2010). "Vuvuzela - خوب برای تیم شما، بد برای گوش شما" (PDF) . مجله پزشکی آفریقای جنوبی . 100 (4): 99-100. doi : 10.7196/samj.3697 . hdl :2263/13136. PMID  20459912.
24. ناو، کارل آر. (2006). "آستانه درد". هایپرفیزیک . SciLinks ​بازیابی شده در 2009-06-16 .
25. فرانکز، جان آر. استفنسون، مارک آر. مری، کارول جی.، ویرایش. (ژوئن 1996). پیشگیری از کم شنوایی شغلی – راهنمای عملی (PDF) . موسسه ملی ایمنی و بهداشت شغلی . ص 88 . بازیابی شده در 2009-07-15 .
26. «جدول دسی بل – SPL – نمودار مقایسه بلندی». sengpielaudio . بازیابی شده در 5 مارس 2012 .
27. هامبی، ویلیام. "جدول دسی بل سطح فشار صدا نهایی". بایگانی شده از نسخه اصلی در 2005-10-19.
28. Nicolas Misdariis، Louis-Ferdinand Pardo (اوت 2017)، صدای سکوت وسایل نقلیه الکتریکی - مسائل و پاسخ ها، InterNoise، HAL Open Science، هنگ کنگ، چین ، بازیابی شده در 2 مه 2024
29. «EPA سطوح نویز مؤثر بر سلامت و رفاه را شناسایی می‌کند» (نسخه مطبوعاتی). سازمان حفاظت محیط زیست . 2 آوریل 1974 . بازبینی شده در 27 مارس 2017 .
30. Nicolas Misdariis، Louis-Ferdinand Pardo (اوت 2017). "صدای سکوت خودروهای برقی - مسائل و پاسخ ها". InterNoise، HAL Open Science، هنگ کنگ، چین . بازبینی شده در 2 مه 2024 .
31. "ساکت ترین مکان روی زمین" - گواهی رکوردهای جهانی گینس، 2005" (PDF) . آزمایشگاه های اورفیلد
32. Middlemiss, Neil (18 دسامبر 2007). "ساکت ترین مکان روی زمین - آزمایشگاه اورفیلد". معتادان صوتی بایگانی شده از نسخه اصلی در 2010-11-21.
33. یوستاس، دیو. "محفظه بی حسی". دانشگاه سالفورد. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2019-03-04.
34. «آزمایشگاه مایکروسافت رکورد جدیدی را برای ساکت ترین مکان جهان ثبت کرد». 02-10-2015 . بازیابی شده در 2016-09-20 . این شرکت کامپیوتری یک محفظه anechoic ساخته است که در آن تست‌های بسیار حساس، میانگین خوانش نویز پس‌زمینه را به میزان غیرقابل تصوری آرام -20.35 دسی‌بل (دسی بل A-weighted) گزارش می‌کنند.
35. «ساکت‌ترین اتاق جهان را ببینید». مایکروسافت: داخل B87 . بازیابی شده در 2016-09-20 .

ژنرال

• Beranek, Leo L., Acoustics (1993), Acoustical Society of America, ISBN 0-88318-494-X . 
• Daniel R. Raichel, The Science and Applications of Acoustics (2006), Springer New York, ISBN 1441920803 . 

لینک های خارجی

• رسانه‌های مربوط به فشار صدا در ویکی‌انبار
• فشار صدا و قدرت صدا، دو ویژگی معمولاً اشتباه گرفته شده صدا
• نمودار مقایسه دسیبل (بلندی).