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声压

平面的纵波示意图。


物理学中,声压(英文:acoustic pressure)是指声波通过媒质时,由振动所产生的压强改变量,符号为 p。声波作为一种纵波,在空气中传播时,空气粒子的疏密程度会随声波而改变。因此,该处压强也会随之改变,此改变量即为声压。在国际单位制中,声压的单位是帕斯卡(帕,Pa)。

如图所见,在声波传播时,不同位置的疏密程度也有所不同,压强也因而不同。量度一个声波的声压,常以均方根 prms 作为平均值计算。

声压级(英文:sound pressure level)是指以对数尺衡量的“有效声压”,相对于一个基准值的大小,符号为 SPL,用分贝(dB)作为单位。对于人类的听觉,于最敏感的频率范围 2 000 Hz 到 5 000 Hz 中,听阈约为 2 × 10-5 Pa,因此通常以此作为声压级的基准值。

在空气中,声压能以传声器度量;在水中则可使用水听器度量。

声压

声压示意图:①无声 ②可闻音 ③大气压 ④瞬时声压

声压 p声波通过媒质时,由振动所产生的压强改变量。以空气作为媒质的例子,无声时的压强应为标准大气压强 1 atm (101.325 kPa)。当声音传播时,会造成粒子的扰动,引起压强的改变。这个改变量,就是声压。

由于粒子的扰动有疏有密,在每点的瞬时声压也有所不同,因此我们常以均方根 prms 作为平均值计算。对于一个正弦波的纯音,声压峰值 ppeak 和均方根值 prms 有以下关系:

在空气中,对于人类的听觉,于最敏感的频率范围 2 000 Hz 到 5 000 Hz 中,听阈约为 2 × 10-5 Pa,记作 p0

声压和距离的关系,符合反比律,即某点的声压 p,与该点和声源的距离 r反比

声压级

声压级 SPL 是另一个量度声压大小的常用物理量,指相对于一个基准值,以对数尺衡量的声压,定义如下:

其中 p0听阈声压,在空气中常取 2 × 10-5 Pa;在水中则常取 10-6 Pa。

由于声压级是对数级数,本身是无量纲量。为表示它是以基数为 10 的对数级数,常加上贝尔(B)作为单位,分贝(dB)就是十分之一个贝尔。有需要时,会写成 dB SPL 或 dB re 20 μPa ,以强调是声压级的对数级数。

声压级 SPL 上升 10 dB ,代表声压平方 p2 上升 10 倍。声压级 SPL 上升 x dB ,则代表代表声压平方 p2 上升 10 log x 倍。由此可见,声压级是渐强标度,其数值和声压并非线性关系

与其他声学物理量的关系

声音的衡量
声压 p, SPL
粒子速度 v, SVL
粒子位移 ξ
声强 I, SIL
声功率 Pac
声能级 SWL
声能密度 E
声能通量 q
声阻抗 Z
声速 c
声频 AF

声压 p声强 I 是关系密切的物理量。它们符合以下关系:

其中:

  • v 是粒子速度,单位是米每秒(m s-1)。
  • z 是媒质的特征声阻,单位为瑞利(rayl)。


以空气中的听阈声压 2 × 10-5 Pa 作换算,取空气声阻 400 rayl ,可得听阈声强 I0:

声强级 SIL 作为对数级数,就是以此值作为基准。因此,给定在空气声阻的 400 rayl 的环境下,声压级和声强级的数值相等:


一些声压和声压级的例子

空气中的声源 声压 p
(Pa)
声压级 SPL
(dB)
激波 (distorted sound waves > 1 atm; waveform valleys are clipped at zero pressure) >101,325 Pa >194 dB
正常环境气压中非失真声音的理论极限 101,325 Pa ~194.094 dB
闪光弹 6,000–20,000 Pa 170–180 dB
火箭发射 ~4000 Pa ~165 dB
Simple open-ended thermoacoustic device[1] 12,619 Pa 176 dB
离.30-06 Springfield开火点一米的位置 7,265 Pa 171 dB(peak)
M1加兰德步枪开火点一米的位置 5,023 Pa 168 dB
30米外的客机引擎 632 Pa 150 dB
Threshold of pain 63.2 Pa 130 dB
呜呜祖拉号角一米的位置 20 Pa 120 dB(A)[2]
Hearing damage(possible) 20 Pa approx. 120 dB
100米外的客机引擎 6.32 – 200 Pa 110 – 140 dB
一米外的手提钻 2 Pa approx. 100 dB
10米外的公路 2×10−1 – 6.32×10−1 Pa 80 – 90 dB
Hearing damage(over long-term exposure, need not be continuous) 0.356 Pa 85 dB[3]
10米外的汽车 2×10−2 – 2×10−1 Pa 60 – 80 dB
EPA-identified maximum to protect against hearing loss and other disruptive effects from noise, such as sleep disturbance, stress, learning detriment, etc. 70 dB[4]
Handheld electric mixer 65 dB
一米外的电视 2×10−2 Pa approx. 60 dB
洗衣机、洗碗机 50-53 dB
正常的谈话 2×10−3 – 2×10−2 Pa 40 – 60 dB
非常安静的房间 2×10−4 – 6.32×10−4 Pa 20 – 30 dB
树叶声、安静的呼吸声 6.32×10−5 Pa 10 dB
在1 kHz时的听觉极限 2×10−5 Pa 0 dB[3]

参考资料

  1. ^ Hatazawa, M., Sugita, H., Ogawa, T. & Seo, Y.(Jan. 2004),‘Performance of a thermoacoustic sound wave generator driven with waste heat of automobile gasoline engine,’ Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (Part B) Vol. 16, No. 1, 292–299. 存檔副本. [2012-01-30]. (原始内容存档于2012-02-23).
  2. ^ Swanepoel, De Wet; Hall III, James W; Koekemoer, Dirk. Vuvuzela – good for your team, bad for your ears (PDF). South African Medical Journal. February 2010, 100 (4): 99–100. PMID 20459912.
  3. ^ 3.0 3.1 William Hamby. Ultimate Sound Pressure Level Decibel Table. (原始内容存档于2010-07-27).
  4. ^ EPA Identifies Noise Levels Affecting Health and Welfare, 1974-04-02 [2010-11-01]

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