Уровень звукового давления
Звуково́е давле́ние — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения — паскаль (Па).
Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, связанное с интенсивностью звука:
где 
— интенсивность звука, 
— звуковое давление, 
— удельное акустическое сопротивление среды, t — усреднение по времени.
При рассмотрении периодических колебаний иногда используют амплитуду звукового давления; так, для синусоидальной волны
где 
— амплитуда звукового давления.
Уровень звукового давления (англ. SPL, Sound Pressure Level ) — измеренное по относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению 
= 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц:
дБ.
Уровни звукового давления от различных источников
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Уровень звукового давления» в других словарях:
УРОВЕНЬ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ — логарифмический уровень эффективного звукового давления или среднеквадратического значения отклонений давления от атмосферного давления, вызванных прохождением звуковой волны … Российская энциклопедия по охране труда
уровень звукового давления — (МСЭ Т K.49). [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные понятия EN sound pressure levelSPL … Справочник технического переводчика
уровень звукового давления — 3.3 уровень звукового давления (sound pressure level) Lp, дБ: Величина, рассчитываемая как десять десятичных логарифмов отношения среднего квадрата данного звукового давления к квадрату опорного звукового давления. Примечание Опорное звуковое… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
уровень звукового давления Lp, дБ — 3.4 уровень звукового давления Lp, дБ (sound pressure level): Десятикратный десятичный логарифм отношения квадрата звукового давления к квадрату опорного звукового давления. Примечания 1 Обычно указывают частотную характеристику или полосу частот … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
уровень звукового давления Lp — 3.2 уровень звукового давления Lp (sound pressure level), дБ: Величина, равная десяти десятичным логарифмам квадрата отношения данного среднеквадратического звукового давления к опорному звуковому давлению. Примечания 1 Опорное звуковое давление… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Уровень звукового давления, — 3.1 Уровень звукового давления, Lр логарифм отношения данного звукового давления к опорному звуковому давлению. Уровень звукового давления в децибелах равен двадцати логарифмам этого отношения при основании, равном десяти. Опорное звуковое… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
уровень звукового давления L, дБ — 3.2.1 уровень звукового давления L, дБ (sound pressure level): Величина, равная десяти десятичным логарифмам квадрата отношения среднеквадратичного звукового давления, измеренного при стандартных временной и частотной характеристиках… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
уровень звукового давления — garso slėgio lygis statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Apibrėžtį žr. priede. priedas( ai) Grafinis formatas atitikmenys: angl. sound pressure level vok. Schalldruckpegel, m rus. уровень звукового давления, m pranc. niveau… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
Звуковое давление и его уровни (spl)
В настоящее статье поговорим о том, что такое звуковое давление, рассмотрим понятие (импеданс) — удельное акустическое сопротивление среды. Также поговорим об уровнях звукового давления и интенсивности звука.
Чтобы лучше понимать о чём сегодня пойдёт речь, советую прочитать предыдущую статью по этой теме ( звуковые волны, виды, длина волны и скорость звука ).
Звуковое давление
Звуковая волна, как мы уже рассматривали в прошлой статье, распространяется в среде в виде волн сжатия и разряжения плотности.
В газах (в том числе и воздухе) плотность и давление связаны между собой:
p = RTp
А поскольку у волны имеются области сжатия и разряжения, то в первой области давление будут выше статического атмосферного. А в случае разряжения – ниже.
Вот как это выглядит:
Разность между мгновенным значением давления в данной точке среды и атмосферным давлением называется звуковым давлением.
Звуковое давление измеряется в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м².
Наша слуховая система может определять очень большой диапазон разностей между мгновенным значением звукового давления и атмосферным.
На рисунке ниже представлено, различное звуковое давление от звуковых источников в децибелах (про децибелы подробнее читай далее):
Импеданс
Рассматривая звук, в прошлой статье ( читать ) мы выяснили, что звуковая волна зависит от частоты и амплитуды звукового давления. Если тело оказывает большое сопротивление приложенному звуковому давлению, то частицы приобретают малую скорость.
Поэтому импеданс – это удельное акустическое сопротивление среды. Представляет из себя отношение звукового давления к скорости колебаний частиц среды:
Z = p/v
Измеряется в (Па · с)/м или кг/(с · м²).
Удельное акустическое сопротивление для воздуха составляет (при температуре 20 С°) 413 кг/(с · м²). В металле, к примеру, оно составляет 47,7 × 10 кг/(с · м²). Так как в воздухе импеданс достаточно мал, то и излучаемая полезная энергия также мала.
Если рассматривать КПД (коэффициент полезного действия) музыкальных инструментов, голосового аппарата, громкоговорителей и т. п., то оно в воздухе находится в пределах 0,2-1%.
Энергетические параметры
Звуковая волна переносит энергию механических колебаний, значит она имеет энергетические параметры. Среди которых: акустическая энергия P (Дж); мощность W – энергия, переносимая в единицу времени (Вт); интенсивность I – количество энергии, проходящее в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны (Вт/м²); плотность – количество звуковой энергии в единице объёма (Дж/м²).
Уровни звукового давления (анг. SPL, sound pressure level)
Восприятие громкости человеком происходит не по линейному закону, пропорционально амплитуде колебаний, а по логарифмическому. Поэтому для определения параметров звука применяют логарифмические шкалы.
Человек различает огромный диапазон изменения звукового давления от тихого 2 × 10 ⁻⁵ Па до очень громкого 20 Па. Разница составляет 10⁶.
Использовать такую школу очень неудобно. Поэтому в измерительных приборах пользуются логарифмическими единицами – децибелами (дБ). Эта единица происходит от другой – бел, который равен десятикратному изменению интенсивности звука. Однако бел – единица крупная и неудобная для измерений. Поэтому применяется её десятая часть – децибел.
Уровень звукового давления определяется как:
L = 20 lg p/p₀
Например, если звуковое давление p = 2 Па, то уровень звукового давления равен: L = 20 lg (2 Па/(2 × 10 ⁻⁵) Па) = 20 lg (1 × 10⁺⁵) = 20 × 5 = 100 дБ.
Один децибел – примерно та наименьшая разница в громкости, которую человеческое ухо может почувствовать.
Полезно запомнить следующее. Изменение громкости в 3 дБ равно отношению 2:1. Поэтому если мы берем два одинаковых источника звука, т. е. удваиваем мощность, то громкость увеличиться на 3 дБ. Например, если к голосу присоединяется ещё один, равный по громкости, то уровень звука увеличится на 3 дБ. Если нужно ещё увеличить на 3 дБ, потребуется вдвое увеличить имеющийся состав.
Также можно обратиться к следующей таблице (в ней показано на сколько дБ нужно убавить, чтобы получить звучание в 2 раза тише, в 3 и т. д.):
| 1% | 10% | 25% | 33% | 50% | 100% |
| 1/100 (в 100 раз тише) | 1/10 (в 2 раза тише) | 1/1 | |||
| -40дБ | -20дБ | -12 дБ | -10 дБ | — 6 дБ | 0 дБ |
Для определения суммарного уровня давления нескольких инструментов их никогда не складывают. Вначале необходимо рассчитать значение звукового давления каждого инструмента. Допустим играют две скрипки. Одна с уровнем 80 дБ, другая 86 дБ. У первой звуковое давление равно — 0,2 Па, второй — 0,4 Па.
Рассчитывается так: L = 20 lg p/p₀, значит 80 дБ = 20 lg p / (2 × 10 ⁻⁵), далее lg p / (2 × 10 ⁻⁵) = 4. Следовательно 10⁴ = p / (2 × 10 ⁻⁵), отсюда значение звукового давления будет p = 0,2 Па.
После этого определяется суммарное звуковое давление
В нашем случае суммарное давление равно p = 0, 447 Па. Затем определяется суммарный уровень звукового давления. Который равен 86,98 дБ.
Уровень интенсивности звука
Уровень интенсивности звука также измеряется в децибелах по формуле:
L₁ = 10 lg I/I₀
I₀ – нулевой уровень, равный 10⁻¹² Вт/м².
Мощность, напряжение, ток
Перечисленные электрические характеристики также часто приводятся в децибелах и имеют свои специальные обозначения. Приведём несколько примеров:
L dBm = 10 lg WВт/ 1мВт – уровень мощности отнесённый к 1 мВт
L dBv = 20 lg UB/1B – уровень напряжения, отнесённый к 1 В (Америка)
L dBv = 20 lg UB/0,775 B – уровень напряжения, отнесённый к 0,775 В (Европа)
Спасибо, что читаете New Style Sound ( подписаться на новости )
Вход в систему
Материалы
Свежий номер МО
Статья «Микрофоны, часть 2»
Параметры. Методы измерения.
Как уже было отмечено в предыдущей статье, микрофоны являются первичным и важнейшим звеном звукозаписывающих трактов, поэтому к ним предъявляются очень жесткие требования:
— по техническим параметрам (динамический диапазон до 130-140 дБ, частотный диапазон не менее 20-20000 Гц, нелинейные искажения меньше 1% и др.),
— по эстетическим критериям (так как микрофон постоянно виден зрителям на сцене, на экране и т. д. — примером современного дизайна может служить модель Perception 420 фирмы AKG, рис. 1),
— по надежности (поскольку микрофон подвергается различным климатическим и механическим воздействиям: ветер, влажность, температура, тряска, удары и др.),
— по качеству звучания (для сохранения естественного тембра при передаче музыки различных жанров, пения, речи и др.).
Требования к параметрам микрофонов и методам их измерений изложены в международных и отечественных стандартах IEC 60268 ч. 1, 4, IEC 60268 ч. 15, IEC 60581 ч. 5, IEC 61094 ч. 1-4, IEC 61842, ГОСТ 16123-88, ГОСТ 6495-88, DIN 45500 ч. 5, ANSI S1.12-97, AES-X85 и др.
Основные параметры микрофонов, обычно представляемые в современных каталогах и технической документации, приведены на примере модели TLM193 фирмы Neumann.
Далее будет дано подробное объяснение значений этих параметров.
Номинальный диапазон частот (frequency range) — частотный диапазон, в котором определяются параметры микрофона (задается производителем). Для современных конденсаторных микрофонов он обычно задается равным 20-20000 Гц. Для измерительных микрофонов (например, фирмы B&K) диапазон составляет 20-50000 Гц. Развитие цифровой звукотехники привело к появлению микрофонов с диапазоном частот до 50 кГц, предназначенных для студийной звукозаписи (например, модель MKH800 фирмы Sennheiser и др.).
Чувствительность (sensitivity) определяет способность микрофона преобразовывать акустическое давление в электрическое напряжение. Как всякая передаточная функция она определяется отношением сигнала на выходе микрофона, то есть напряжения U(В), к сигналу на входе микрофона, то есть звуковому давлению p(Па). Учитывая, что напряжение на выходе капсюля микрофона мало, чувствительность обычно задается в единицах мВ/Па (милливольт на паскаль): S = U/p (мВ/Па).
В зависимости от способа измерения различаются следующие виды чувствительности: чувствительность по свободному полю, чувствительность по давлению, чувствительность по диффузному полю, чувствительность на холостом ходу, чувствительность на номинальной нагрузке. Они все имеют несколько разные значения, поэтому при выборе микрофона следует обращать внимание, о какой чувствительности идет речь.
Чувствительность по свободному полю определяется по стандарту IEC 60268-4 (ГОСТ 16123-88) как «отношение напряжения на выходе микрофона к звуковому давлению в свободном звуковом поле в рабочей точке, занимаемой микрофоном, на данной частоте. Если угол приема не указан, то имеется в виду, что угол приема (между осью микрофона и направлением падения звуковой волны) 0 град».
Измерение чувствительности по свободному полю производится в заглушенной камере (специальном помещении, в котором обеспечено отсутствие отражений за счет размещения на стенках большого количества звукопоглощающего материала) следующим образом: на измерительный громкоговоритель подается синусоидальный сигнал, напряжение которого выбирается так, чтобы обеспечить постоянный уровень звукового давления (обычно 94 дБ) в заданной точке поля (обычно на расстоянии 1 м). Уровень давления измеряется специальным измерительным микрофоном малого размера (IEC 61094-4), чтобы не вносить искажений в структуру звукового поля.
Затем на это место устанавливается измеряемый микрофон и определяется его выходное напряжение. Чувствительность определяется как Sm=U/p f K, где K — коэффициент усиления микрофонного усилителя, p f — звуковое давление в точке размещения испытуемого микрофона (измеренное измерительным микрофоном), U — напряжение холостого хода на выходе микрофона. Это называется метод замещения. При измерениях может быть использован метод сравнения, когда измерительный и испытуемый микрофон сразу устанавливаются в одну точку поля. При этом если развиваемое микрофоном напряжение относится к давлению, действующему на диафрагму этого же микрофона, то эта величина называется чувствительностью по давлению (она отличается от чувствительности по свободному полю, так как микрофон сам вносит определенные искажения в структуру звукового поля и значения звукового давления за счет этого могут отличаться).
Измеренная таким образом чувствительность называется чувствительностью на холостом ходу. Если измерения напряжения проводятся на номинальном выходном сопротивлении микрофона (номинальном импедансе), которое должно указываться в технической документации, то получается значение чувствительности на номинальной нагрузке. Измерения могут быть выполнены на синусоидальном и на шумовом сигнале.
Если измерения звукового давления выполняются в условиях диффузного поля (то есть в специальных реверберационных камерах, обеспечивающих равномерное и изотропное звуковое поле за счет большого количества отражений) в рабочей точке, занимаемой микрофоном (также с предварительным использованием измерительного микрофона), на шумовом сигнале, то полученная величина отношения выходного напряжения к значению звукового давления называется чувствительностью по диффузному полю.
Существуют различные приближенные методы для измерения чувствительности микрофонов, например, с помощью пистонфона для очень низких частот, с помощью специального актюатора (создающего сильное электростатическое поле для возбуждения диафрагмы) для ненаправленных конденсаторных микрофонов, или с помощью метода взаимности.
В международных стандартах на микрофоны, например, IEC 60268-4, чувствительность (sensitivity) определяется как «среднеквадратичное (RMS) значение напряжения на выходе микрофона на нагрузочном сопротивлении 1 кОм на частоте 1 кГц, когда на него действует давление 1 Па (94 дБ) в условиях свободного поля (угол приема 0 град)».
Связь между значением чувствительности и уровнем чувствительности приведена в таблице.
Частотная характеристика чувствительности микрофона (Frequency Response) — зависимость чувствительности или уровня чувствительности от частоты в номинальном диапазоне частот. Измерения проводятся по указанной выше методике определения чувствительности на различных частотах внутри номинального диапазона (на синусоидальных или шумовых сигналах), рис. 2.
В настоящее время активно развиваются цифровые методы измерений микрофонов в незаглушенных помещениях (рис. 3).
На первом этапе характеристика измерительного громкоговорителя в данной точке помещения линеаризуется с помощью измерительного микрофона, затем короткий импульс подается на измерительный громкоговоритель, а сигнал, полученный с испытуемого микрофона, вводится в компьютерную измерительную станцию и с помощью преобразования Фурье вычисляются частотная характеристика чувствительности, фазовая характеристика и трехмерный спектр, что позволяет определить изменение формы частотной характеристики во времени. На рис. 4 представлены импульсные характеристики конденсаторного и динамического микрофонов, из которых видно насколько точнее конденсаторный микрофон воспроизводит временную форму сигнала.
Из записанной частотной характеристики определяется неравномерность.
Неравномерность частотной характеристики — разность максимального и минимального значения уровня чувствительности в номинальном диапазоне частот. Например, для микрофона DPA 4006 неравномерность в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц равна +/-2 дБ.
Обычно частотные характеристики высококачественных микрофонов обладает минимальной неравномерностью, это является одним из главных индикаторов качества микрофонов, поскольку определяет степень неискаженной передачи тембра источника, однако в некоторых случаях, например, для записи речи и вокала, делается подьем в области 2-8 кГц с целью увеличения разборчивости (presence peak), рис. 5. Кроме того, в большинстве современных микрофонов предусмотрена возможность коррекции частотной характеристики на низких частотах для записи в условиях шумов или для компенсации ее подъема за счет «эффекта близости» (proximity effect) у направленных микрофонов (подробнее дальше).
Направленные свойства микрофонов, то есть зависимость уровня чувствительности микрофона от угла падения звуковой волны, определяются с помощью следующих параметров.
Характеристика направленности (Directional pattern) — зависимость чувствительности микрофона на заданной частоте в свободном поле от угла падения звуковой волны. Частотные характеристики направленности определяются как семейство частотных характеристик чувствительности, измеренных при разных углах падения звуковой волны в свободном поле. Эти же характеристики могут быть записаны в полярных координатах, показывающих зависимость уровня чувствительности (дБ) от угла падения волны. На рис. 5 окружности соответствуют различному уровню чувствительности в дБ (обычно выбирается шаг 5 дБ), а диаметры — углу падения звуковой волны по отношению к оси в град. Полярные диаграммы (polar pattern) также записываются в заглушенной камере, но микрофон при этом вращается вокруг оси относительно излучателя.
Коэффициент направленности — отношение чувствительности микрофона на данной частоте при падении звуковой волны под углом α к чувствительности при угле падения звуковой волны 0 град (то есть по оси): Г(α)=S M (α)/S M (0).
Индекс направленности равен двадцати десятичным логарифмам от коэффициента направленности: D=20lg Г(α).
Коэффициент осевой концентрации определяет отношение звуковой энергии, падающей на микрофон вдоль оси, к энергии со всех остальных направлений. Он определяется как отношение квадратов чувствительности, измеренной по свободному полю и по диффузному полю (при использовании третьоктавного шумового сигнала с центральной частотой f Гц):
Ω = S M (0) 2 /S M 2 диф.
Индекс осевой концентрации — десятикратный логарифм коэффициента осевой концентрации: Q=10lgΩ.
Выбор микрофонов с различными характеристиками направленности определяется условиями записи: расположением источников (например, инструментов в оркестре), шириной звуковой панорамы, уровнем шумов в окружающем пространстве, стремлением получить специальные звуковые эффекты и др. Именно поэтому в настоящее время выпускаются микрофоны с различными видами характеристик направленности (часто с возможностью переключения).
Уровень максимального звукового давления (max SPL) — уровень звукового давления, при котором коэффициент гармонических искажений не превосходит заданного значения. В современных студийных микрофонах этот уровень составляет 140-150 дБ при величине коэффициента гармонических искажений 0,5% на частоте 1000 Гц.
Полный коэффициент гармонических искажений (THD) определяется по методике, используемой для определения чувствительности, но при этом с помощью анализатора спектра измеряется напряжение на выходе микрофона, соответствующее первой гармонике (U1), второй гармонике (U2) и т. д. Коэффициент рассчитывается по формуле:
Способы измерения этого параметра несколько отличаются в разных стандартах, поэтому обычно в современных каталогах приводятся два значения эквивалентного уровня шумов: по стандарту DIN 45 412 (IEC 60268-1) и по стандарту DIN 45 405 (CCIR 468-3). В первом случае при измерениях используется взвешивающая стандартная кривая А (рис. 6). Во втором случае используется другая форма взвешивающей кривой (так называемая психометрическая кривая), также показанная на рис. 6 (имеются и некоторые другие отличия в методике), обычно она применяется для измерительных микрофонов.
Для студийных конденсаторных микрофонов, эквивалентный уровень шума находится в пределах 10-20 дБ(А) (IEC179) и 20-30 дБ (CCIR 468-3). Например, для конденсаторного микрофона MKH80 фирмы Sennheiser эквивалентный уровень шумов по стандарту IEC-179 (DIN45-634) составляет 10 дБ(А), а по стандарту CCIR468-3 (DIN45-405) — 20 дБ. При выборе микрофона необходимо хорошо разбираться в таких тонких отличиях.
В ламповых микрофонах эквивалентный уровень шума выше и находится в пределах 17-23 дБ(А). В динамических микрофонах уровень собственных шумов существенно ниже, примерно на 10 дБ. Поэтому в цепи микрофон-усилитель-пульт уровень шумов определяется, в основном, последними двумя звеньями, в то же время при использовании конденсаторных микрофонов их уровень микрофонных шумов является определяющим.
В международных каталогах на микрофоны обычно указывается отношение сигнал/шум (Signal/Noise ratio), которое также рассчитывается двумя способами:
1) S/N ratio IEC 60268-1 — отношение сигнал/шум, измеренное как разница между опорным уровнем звукового давления 94 дБ (1 Па) и уровнем эквивалентного звукового давления, измеренного с взвешиванием по кривой А;
2) S/N ratio CCIR 468-3 — отношение сигнал/шум, измеренное как разница между опорным уровнем звукового давления 94 дБ (1 Па) и уровнем напряжения, соответствующего собственному шуму, измеренному с фильтром по CCIR 468-3.
Для студийных конденсаторных микрофонов эти величины находятся в пределах 74-64 дБ (CCIR468-3) и 84-74 дБ(А) (IEC-179). Например, для того же микрофона MKH80 эти отношения составляют 84 дБ и 74 дБ.
Динамический диапазон (dynamic range) — разность между максимальным уровнем звукового давления (max SPL), при котором нелинейные искажения на выходе микрофона не превышают заданную величину, и эквивалентным уровнем шумов. Например, для микрофона MKH80 он равен 126 дБ-А.
Для конденсаторных микрофонов в стандарте ГОСТ 16123-88 предусмотрен также несколько другой метод, при котором микрофон замещается конденсатором равной емкости.
Величина выходного электрического импеданса (output electrical impedance), то есть модуля полного электрического сопротивления, в большинстве современных конденсаторных микрофонов находится в диапазоне 50-200 Ом, у динамических микрофонов до 600 Ом. При этом входное сопротивление предусилителей (input recommended load impedance) должно быть больше выходного сопротивления микрофона в 5-10 раз и составляет обычно 1000-2000 Ом. При таком соотношении сопротивлений обеспечиваются меньшие потери в кабеле.
В международных стандартах нормируются только методы измерений, параметры устанавливает фирма-производитель. В условиях жесткой конкуренции эти параметры постоянно улучшаются, примером могут служить параметры микрофона AKG C4000B (рис. 8).
Субъективная экспертиза является необходимой процедурой при выпуске новых моделей микрофонов на производстве, а также при сравнительном выборе микрофонов для звукозаписи, поскольку качество звучания микрофона, как и других видов электроакустической аппаратуры, не может быть полностью предсказано только с помощью измерения объективных параметров (в связи с тем, что проблема расшифровки слухового образа не является окончательно решенной).
