聲學基礎知識:聲壓的基本概念

2021-02-24 聲振之家

來源:吉興汽車聲學部件科技有限公司微信公眾號,作者:陳曉君。

對於剛剛接觸噪聲和振動領域的工程師,那麼所謂聲壓,聲功率和聲強這些術語很容易令人混淆,這其中是因為它們都比較常用且相互關聯的,更不用說它們都經常用分貝表示。但是,它們在聲音傳播和體驗方式中,又分別代表聲音的不同而重要的方面。

聲壓是大多數聲學工作的基礎,不僅因為它的客觀數字與我們的聽覺類似,而且實際上,聲壓是人們真正可以進行的唯一測量之一!同時,聲壓的測量是聲功率和聲強計算的基礎。

當物體發出聲音時,它會前後振動,這也會導致物體附近的空氣分子也振動。這種振動鏈反應以波的形式向外(以聲速)繼續傳播。這些波類似於石頭掉入池塘時在水中形成的波。

顧名思義,我們使用壓力單位(帕斯卡,N/m²)來量化聲壓,該值表示構成聲音的所有不同正弦波的總振幅(也稱為「總聲壓級 (Overall Level)」)。

但是,這裡需要注意的是,這個壓力實際上只是我們的耳朵(和麥克風)承受的壓力的交變部分。由於地球的重力,我們也承受著巨大的「靜態」壓力。這就是「大氣壓」。海平面的大氣壓約為101.3kPa,即194dB!

但是,由於大氣壓在大多數情況下是恆定的,並且由於我們實際上僅對壓力信號的交變部分感興趣,因此通常減去大氣壓並將聲壓級歸一化,觀察其在0值上下浮動。

正如我們在下圖中所示,歸一化的聲波產生的壓力有正有負,分別對應於紅色和藍色陰影區域。即使歸一化的聲壓既為正也為負,我們僅將壓力波的振幅定為正值。可以使用峰值,峰到峰 (Peak to Peak) 或RMS來描述該振幅。當我們聽到聲音時,我們的大腦充當這些正負振動的積分器,並且感知到穩定的正振幅,而未感知到各個正弦波的實際波動。

在下圖 (A) 中,我們看到較小振幅的聲波撞擊駐極體麥克風,導致麥克風膜片以較小的振幅來回振動。膜和帶電荷的圓盤之間的這種相對運動稱為「背板」,從而導致電容差。此差異會從麥克風產生與膜位移成比例的電壓輸出。在下圖 (B) 中,我們看到相同的聲源輸出更高振幅的聲波,這導致麥克風膜以更高振幅振動,從而輸出更大的電壓。

就像池塘中的波浪一樣,聲波在各個方向上都從聲源向四周傳播,振幅隨距離變大而下降。這是因為我們用石頭把一定的能量注入水中,為了使轉移到水中的能量保持恆定,隨著波向四周,波的振幅必須減小,這也是為什麼越靠近聲源,聲波的振幅就越大。隨著我們離聲源越遠,等量的能量就會散布在更大的區域上,因此振幅變小。


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