Äänenpaine

Äänenpaine^[1][2] (myös äänipaine;^[1][3] tunnus p^[4][5]) on akustiikan suure, jolla mitataan äänen voimakkuutta. Äänenpaine on ääniaallon aiheuttama hetkellinen paineen vaihtelu staattisen paineen suhteen. Äänenpaineen yksikkö on pascal (tunnus Pa).^[4] Äänenpaine on tavallisesti hyvin pieni verrattuna väliaineen staattiseen paineeseen.

Äänenpainetaso

Katso myös: Äänenvoimakkuus

Äänenpainetaso^[2] (äänen painetaso,^[6] äänipainetaso;^[4] tunnus L_P;^[4][2] SPL^[7], engl. sound pressure level^[7]) on äänenpaineen tehollisarvon ${\displaystyle p^{2}}$ja vertailupaineen tehollisarvon ${\displaystyle p_{0}^{2}}$ suhde logaritmisella asteikolla esitettynä.^[4] Äänenpainetason yksikkö on desibeli (tunnus dB).^[4][6]

Äänenpainetaso desibeleinä on määritelty paineen ${\displaystyle p}$ ja tehon vertailuarvon ${\displaystyle p_{0}}$ suhteen kymmenkantaisen logaritmin avulla seuraavasti:

${\displaystyle L_{P}=10\log _{10}\left({\frac {p^{2}}{p_{0}^{2}}}\right)=20\log _{10}\left({\frac {p}{p_{0}}}\right)}$^[4][6]

Ilmaäänen vertailupaine on tavallisesti 20 μPa,^[4][6] joka vastaa likimain kuulokynnystä eli hiljaisinta kuultavissa olevaa ääntä 1 000 hertsin taajuudella.^[4] Äänenpainetasossa 20 dB:n nousu tarkoittaa paineen kymmenkertaistumista.^[4] Siten esimerkiksi 60 dB:n nousu merkitsee paineen tuhatkertaistumista.^[4]

Pistemäisen lähteen synnyttämä äänenpaine on vapaassa eli heijastuksettomassa kentässä kääntäen verrannollinen mittauspisteen ja äänilähteen etäisyyteen. Etäisyyden kaksinkertaistuessa äänenpaine pienenee 6 dB. Äänenpaine on aina lähteen, ympäristön ja paikan ominaisuus. Jos äänilähteen aiheuttamaa äänen voimakkuutta kuvataan ilmoittamalla äänenpaine, tulisi siksi myös samalla ilmoittaa miten äänenpaine on mitattu. Jos äänenpaine on esimerkiksi mitattu yhden metrin etäisyydellä lähteestä, käytetään usein merkintää 98 dB/1 m. Monesti on helpompaa vertailla äänilähteen äänitehoa, joka riippuu vain äänilähteen ympäristöstä ja itse lähteestä.

Ihmisen kuuloaistimuksen tyyliin taajuuspainotettu äänenpainetaso on äänitaso^[8]

Melu ja ihmisen kuulo

Katso myös: Melu

Suuri äänenpaine saattaa vaurioittaa kuuloa. Yleinen turvallisuusraja on 85 dB, jolloin pitää käyttää kuulosuojaimia, mutta kuulovaurion kehittyminen riippuu äänenpaineesta ja altistuksen kestosta. Jo selvästi alle 85 desibelin äänenpaine saattaa altistuksen pitkittyessä alkaa tuntua epämiellyttävältä. Tykinlaukaus^selvennä (180 dB) aiheuttaa lähes aina välittömän kuulovaurion ja tärykalvon repeytymisen.

Ihmisen kuuloaisti on herkimmillään 1–2 kHz:n taajuudella. Alle 20 hertsin taajuuksia ei yleensä havaita äänenä vaan tuntoaistimuksena. Kuuloaistin herkkyys pienenee nopeasti taajuuden pienentyessä alle 50 hertsin. Samoin taajuuden kasvaessa yli 16–18 kilohertsin herkkyys pienenee nopeasti. Tästä syystä on kehitetty taajuuspainotussuotimia, jotka pyrkivät jäljittelemään kuuloaistin toimintaa ja kuvaamaan äänekkyysaistimusta. Taajuuspainotussuotimet on määritelty IEC 61672 -standardissa. Yleisimmin käytetään C-painotusta, joka kuvaa melutasoa ilman bassopuolen kuulokynnyksen korjausta, sekä A-painotusta, joka kuvaa ihmisen keskimääräisesti kuuleman taajuusvasteen. Muistisääntönä voidaan pitää, että äänenpaineen kasvaessa 10 dB äänekkyys^[9] kaksinkertaistuu.^[10][5] Tarkkaan ottaen äänekkyysaistimus riippuu ainakin taajuudesta, äänenpaineesta ja äänen spektristä.^[10][5]

• Terveen nuoren ihmisen kuulokynnyksenä 1 000 Hz taajuudella pidetään yleisesti 20 µPa = 2·10⁻⁵ pascalin (Pa) äänenpaineen tasoa, joka vastaa 0 dB logaritmiasteikolla.
• Häiritsevä taustamelu yöaikaan on noin 28–31 dB.
• Normaali puhe 60–70 dB.
• Huuto 90–105 dB.
• Kipukynnys on noin 125 dB, mutta se on voimakkaasti taajuussidonnainen. Kipukynnys 20 Hz:ssä on jo yli 140 dB.
• Lentokoneiden suihkumoottorit tuottavat "turvallisen matkan päästä"^selvennä noin 130–140 dB:n melun.
• Teoreettinen säröytymätön maksimiäänenpaine yhden ilmakehän paineessa voi olla korkeintaan 101 325 Pa, joka on ilmanpaine merenpinnan tasolla. Tämä on äänenpainetasona 191 dB.^[11]

Lähteet

• Karjalainen, Matti: Kommunikaatioakustiikka. (Suomenkielinen oppikirja) Espoo: TKK, Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio, 1999. ISBN 951-22-4412-8
• Pulkki, Ville & Karjalainen, Matti: Communication Acoustics – An Introduction to Speech, Audio and Psychoacoustics. (Kansainvälinen englanninkielinen kovakantinen oppikirja, 430 sivua) New York: John Wiley & Sons, Ltd, 2015. ISBN 978-1-118-86654-2

Viitteet

1. Pulkki, Ville & Karjalainen, Matti: Lyhyt johdatus kommunikaatioakustiikkaan, s. 10. Espoo: TKK, Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio, 2015.^{[vanhentunut linkki]}
2. SFS-ISO 80000-8: s. 22. SFS.
3. Karjalainen, Matti: Hieman akustiikkaa (PDF) (Sivu 12.) 2000. Espoo: TKK, Akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratorio. Arkistoitu 3.12.2020. Viitattu 16.1.2017. (suomeksi)
4. Karjalainen 1999, s. 18.
5. Pulkki & Karjalainen 2015.
6. Suomen Standardoimisliitto: SI-opas (myös painettuna: ISBN 952-5420-93-0) (PDF) (Sivu 23.) SFS-oppaat. 04.11.2002. Suomen Standardoimisliitto. Arkistoitu 31.8.2012. Viitattu 5.12.2013.
7. Karjalainen 1999, s. 86.
8. Äänitaso; Termipankki.fi
9. Karjalainen 1999, s. 121.
10. Karjalainen 1999, s. 121–134.
11. 20 · log (101325 / 20·10⁻⁶) −3 dB.

Aiheesta muualla

• Pulkki, Ville: Kommunikaatioakustiikan perusteet. Espoo: Aalto-yliopisto, Signaalinkäsittelyn ja Akustiikan laitos, 2016.
• Äänen voimakkuus. Internetix.
• Melukäsitteitä. (Arkistoitu – Internet Archive) Työterveyslaitos.
• Conversion of sound pressure to sound pressure level and vice versa.
• Table of Sound Levels – Corresponding Sound Pressure and Sound Intensity
• Hamby, William: Ultimate Sound Pressure Level Decibel Table (2004).
• Ohm's law as acoustic equivalent– calculations.
• Definition of sound pressure level.
• A table of SPL values.
• Relationships of acoustic quantities associated with a plane progressive acoustic sound wave. (PDF)
• Sound pressure and sound power – two commonly confused characteristics of sound.
• How many decibels is twice as loud? Sound level change and the respective factor of sound pressure or sound intensity.