Áp suất âm thanh

Bài này viết về đo lường âm thanh nghe thấy. Đối với an-bum âm nhạc, xem Ngưỡng áp suất âm.

Áp suất âm hay áp suất âm thanh là chênh lệch áp suất cục bộ so với áp suất khí quyển trung bình gây ra bởi một sóng âm. Áp suất âm trong không khí có thể được đo bằng microphone, và trong nước bằng cách dùng hydrophone. Đơn vị SI cho áp suất âm p là pascal (ký hiệu: Pa).

Biểu đồ áp suất âm: 1. yên tĩnh, 2. âm thanh nghe thấy, 3. áp suất khí quyển, 4. áp suất âm tức thời

Đo đạc âm thanh
Đặc tính	Ký hiệu
Áp suất âm thanh	p, SPL
Vận tốc hạt	v, SVL
Dịch chuyển hạt	δ
Cường độ âm thanh	I, SIL
Công suất âm thanh	P, SWL
Năng lượng âm thanh	W
Mật độ năng lượng âm thanh	w
Phơi nhiễm âm thanh	E, SEL
Trở kháng âm thanh	Z
Vận tốc âm thanh	c
Tần số âm thanh	AF
Tổn thất truyền đạt	TL
x t s

Ngưỡng áp suất âm (SPL) hay ngưỡng âm thanh là đo lường lô-ga-rít áp suất âm hiệu dụng của một âm thanh so với một giá trị tham chiếu. Nó được đo bằng đề-xi-ben (dB) trên một ngưỡng tham chiếu tiêu chuẩn. Áp suất âm "không" tham chiếu thường dùng trong không khí là 20 µPa RMS, which is usually considered the threshold of human hearing (at 1 kHz).

Áp suất âm tức thời

Áp suất âm tức thời là độ lệch từ các áp suất môi trường xung quanh cục bộ ${\displaystyle p_{0}}$ gây ra bởi một sóng âm tại một vị trí đã cho và given instant in time.

Áp suất âm hiệu dụng là đạo hàm cấp hai của áp suất âm tức thời over a given interval of time (or space).

Áp suất âm tổng ${\displaystyle p_{tong}}$ bằng:

${\displaystyle p_{tong}=p_{0}+p_{osc}\,}$

ở đây:

${\displaystyle p_{0}}$ = áp suất khí quyển xung quanh cục bộ,

${\displaystyle p_{osc}}$ = chênh lệch áp suất âm.

Cường độ

Trong một sóng âm, biến bổ sung cho áp suất âm là vận tốc hạt âm thanh. Chúng cùng nhau xác định cường độ âm thanh của sóng. Cường độ âm thanh tức thời cục bộ là kết quả của áp suất âm và vận tốc âm thanh.

${\displaystyle {\vec {I}}=p{\vec {v}}}$

Trở kháng âm thanh

Đối với biên độ nhỏ, áp suất âm thanh và vận tốc hạt liên quan tuyến tính và tỷ lệ của chúng là trở kháng âm thanh. Trở kháng âm thanh phụ thuộc vào cả các đặc tính của sóng và trung gian truyền tải.

Trở kháng âm thanh được cho bởi^[1]

${\displaystyle Z={\frac {p}{U}}}$

ở đây

Z là trở kháng âm thanh

p là áp suất âm

U là particle velocity

Dịch chuyển hạt

Áp suất âm p liên quan tới dịch chuyển hạt (hoặc biên độ hạt) ξ bằng công thức

${\displaystyle \xi ={\frac {v}{2\pi f}}={\frac {v}{\omega }}={\frac {p}{Z\omega }}={\frac {p}{2\pi fZ}}\,}$.

Áp suất âm p là

${\displaystyle p=\rho c2\pi f\xi =\rho c\omega \xi =Z\omega \xi ={2\pi f\xi Z}={\frac {aZ}{\omega }}=c{\sqrt {\rho E}}={\sqrt {\frac {P_{ac}Z}{A}}}\,}$,

thông thường đơn vị N/m² = Pa.

ở đây:

Ký hiệu	Đơn vị SI	Ý nghĩa
p	pascal	áp suất âm
f	hertz	tần số
ρ	kg/m³	mật độ không khí
c	m/s	tốc độ âm thanh
v	m/s	vận tốc hạt
${\displaystyle \omega }$ = 2 · ${\displaystyle \pi }$ · f	Radian/s	tần số góc
ξ	Mét	dịch chuyển hạt
Z = c • ρ	N·s/m³	trở kháng âm thanh
a	m/s²	gia tốc hạt
I	W/m²	cường độ âm thanh
E	W·s/m³	mật độ năng lượng âm thanh
Pac	Watt	công suất âm
A	m²	Diện tích

Quy luật khoảng cách

Khi đo âm thanh được tạo ra bởi một đối tượng, điều quan trọng là đo được khoảng cách tới đối tượng, vì áp lực âm thanh giảm dần theo khoảng cách từ một nguồn điểm với 1/r (chứ không phải 1/r^{2, như cường độ âm thanh). Quy luật khoảng cách này đối với áp suất âm p trong 3D is inverse-proportional to the distance r of a punctual sound source.}

${\displaystyle p\propto {\dfrac {1}{r}}\,}$

Nếu áp suất âm ${\displaystyle p_{1}\,}$, được đo tại một khoảng cách ${\displaystyle r_{1}\,}$, one can calculate the sound pressure ${\displaystyle p_{2}\,}$ at another position ${\displaystyle r_{2}\,}$,

${\displaystyle {\frac {p_{2}}{p_{1}}}={\frac {r_{1}}{r_{2}}}\,}$

${\displaystyle p_{2}=p_{1}\cdot {\dfrac {r_{1}}{r_{2}}}\,}$

Mức độ áp suất âm thanh

Mức độ công suất âm thanh là một đo đạc loga của công suất của một âm thanh so với một giá trị tham chiếu.
Mức độ công suất âm thanh, ký hiệu là L_W và đo theo dB, được định nghĩa bằng^[2]:

${\displaystyle L_{W}={\frac {1}{2}}\ln \!\left({\frac {P}{P_{0}}}\right)\!~\mathrm {Np} =\log _{10}\!\left({\frac {P}{P_{0}}}\right)\!~\mathrm {B} =10\log _{10}\!\left({\frac {P}{P_{0}}}\right)\!~\mathrm {dB} ,}$

trong đó

• p áp suất âm thanh giá trị hiệu dụng;^[3]
• p₀ là áp suất âm thanh tham chiếu;
• 1 Np = 1 là neper;
• 1 B = 1/2 ln 10 là bel;
• 1 dB = 1/20 ln 10 là decibel.

Công suất âm thanh tham chiếu thường được sử dụng trong không khí là^[4]

${\displaystyle p_{0}=20~\mathrm {\mu Pa} ,}$

Xem thêm

• Định luật Vê-be – Phresnen, đặc biệt Định luật Weber–Fechner law#Trường hợp âm thanh

Tham khảo

1. “What is acoustic impedance and why is it important?”. Truy cập ngày 11 tháng 8 năm 2011.
2. "Letter symbols to be used in electrical technology – Part 3: Logarithmic and related quantities, and their units", IEC 60027-3 Ed. 3.0, International Electrotechnical Commission, 19 July 2002.
3. Bies, David A., and Hansen, Colin. (2003). Engineering Noise Control.
4. Ross Roeser, Michael Valente, Audiology: Diagnosis (Thieme 2007), p. 240.

• Beranek, Leo L, "Acoustics" (1993) Acoustical Society of America. ISBN 0-88318-494-X
• Morfey, Christopher L, "Dictionary of Acoustics" (2001) Academic Press, San Diego.

Liên kết ngoài

• Sound pressure and Sound power – Effect and Cause
• Conversion of sound pressure to sound pressure level and vice versa
• Table of Sound Levels - Corresponding Sound Pressure and Sound Intensity
• Ohm's law as acoustic equivalent - calculations
• Definition of sound pressure level Lưu trữ 2007-07-14 tại Wayback Machine
• A table of SPL values Lưu trữ 2007-07-07 tại Wayback Machine
• Relationships of acoustic quantities associated with a plane progressive acoustic sound wave - pdf
• Sound pressure and sound power - two commonly confused characteristics of sound Lưu trữ 2011-09-29 tại Wayback Machine
• How many decibels is twice as loud? Sound level change and the respective factor of sound pressure or sound intensity
• Biểu đồ so sánh độ ồn ào bằng đề-xi-ben