平面的縱波示意圖。


物理學中,聲壓(英文:acoustic pressure)是指聲波通過媒質時,由振動所產生的壓強改變量,符號為 p。聲波作為一種縱波,在空氣中傳播時,空氣粒子的疏密程度會隨聲波而改變。因此,該處壓強也會隨之改變,此改變量即為聲壓。在國際單位制中,聲壓的單位是帕斯卡(帕,Pa)。

如圖所見,在聲波傳播時,不同位置的疏密程度也有所不同,壓強也因而不同。量度一個聲波的聲壓,常以均方根 prms 作為平均值計算。

聲壓級(英文:sound pressure level)是指以對數尺衡量的「有效聲壓」,相對於一個基準值的大小,符號為 SPL,用分貝(dB)作為單位。對於人類的聽覺,於最敏感的頻率範圍 2 000 Hz 到 5 000 Hz 中,聽閾約為 2 × 10-5 Pa,因此通常以此作為聲壓級的基準值。

在空氣中,聲壓能以傳聲器度量;在水中則可使用水聽器度量。

聲壓编辑

 
聲壓示意圖:①無聲 ②可聞音 ③大氣壓 ④瞬時聲壓

聲壓 p聲波通過媒質時,由振動所產生的壓強改變量。以空氣作為媒質的例子,無聲時的壓強應為標準大氣壓力 1 atm (101.325 kPa)。當聲音傳播時,會造成粒子的擾動,引起壓強的改變。這個改變量,就是聲壓。

由於粒子的擾動有疏有密,在每點的瞬時聲壓也有所不同,因此我們常以均方根 prms 作為平均值計算。對於一個正弦波的純音,聲壓峰值 ppeak 和均方根值 prms 有以下關係:

 

在空氣中,對於人類的聽覺,於最敏感的頻率範圍 2 000 Hz 到 5 000 Hz 中,聽閾約為 2 × 10-5 Pa,記作 p0

 

聲壓和距離的關係,符合反比律,即某點的聲壓 p,與該點和聲源的距離 r反比

 

聲壓級编辑

聲壓級 SPL 是另一個量度聲壓大小的常用物理量,指相對於一個基準值,以對數尺衡量的聲壓,定義如下:

 

其中 p0聽閾聲壓,在空氣中常取 2 × 10-5 Pa;在水中則常取 10-6 Pa。

由於聲壓級是對數級數,本身是無因次量。為表示它是以基數為 10 的對數級數,常加上貝爾(B)作為單位,分貝(dB)就是十分之一個貝爾。有需要時,會寫成 dB SPL 或 dB re 20 μPa ,以強調是聲壓級的對數級數。

聲壓級 SPL 上升 10 dB ,代表聲壓平方 p2 上升 10 倍。聲壓級 SPL 上升 x dB ,則代表代表聲壓平方 p2 上升 10 log x 倍。由此可見,聲壓級是漸強標度,其數值和聲壓並非線性關係

與其他聲學物理量的關係编辑

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

聲壓 p聲強 I 是關係密切的物理量。它們符合以下關係:

 
 

其中:

  • v 是粒子速度,單位是米每秒(m s-1)。
  • z 是媒質的特徵聲阻,單位為瑞利(rayl)。


以空氣中的聽閾聲壓 2 × 10-5 Pa 作換算,取空氣聲阻 400 rayl ,可得聽閾聲強 I0:

 

聲強級 SIL 作為對數級數,就是以此值作為基準。因此,給定在空氣聲阻的 400 rayl 的環境下,聲壓級和聲強級的數值相等:

 


一些聲壓和聲壓級的例子编辑

空氣中的聲源 聲壓 p
(Pa)
聲壓級 SPL
(dB)
激波 (distorted sound waves > 1 atm; waveform valleys are clipped at zero pressure) >101,325 Pa >194 dB
正常環境氣壓中非失真聲音的理論極限 101,325 Pa ~194.094 dB
閃光彈 6,000–20,000 Pa 170–180 dB
火箭發射 ~4000 Pa ~165 dB
Simple open-ended thermoacoustic device[1] 12,619 Pa 176 dB
離.30-06 Springfield開火點一米的位置 7,265 Pa 171 dB(peak)
M1加蘭德步槍開火點一米的位置 5,023 Pa 168 dB
30米外的客機引擎 632 Pa 150 dB
Threshold of pain 63.2 Pa 130 dB
嗚嗚祖拉號角一米的位置 20 Pa 120 dB(A)[2]
Hearing damage(possible) 20 Pa approx. 120 dB
100米外的客機引擎 6.32 – 200 Pa 110 – 140 dB
一米外的手提鑽 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米外的汽車 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
一米外的電視 2×10−2 Pa approx. 60 dB
洗衣機、洗碗機 50-53 dB
正常的談話 2×10−3 – 2×10−2 Pa 40 – 60 dB
非常安靜的房間 2×10−4 – 6.32×10−4 Pa 20 – 30 dB
樹葉聲、安靜的呼吸聲 6.32×10−5 Pa 10 dB
在1 kHz時的聽覺極限 2×10−5 Pa 0 dB[3]

參考資料编辑

  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]