Come si misura il livello di pressione sonora

Deviazione della pressione locale causata da un'onda sonora

Da non confondere con la densità di energia sonora.

La

pressione sonora o pressione acustica è la deviazione della pressione locale dalla pressione atmosferica ambiente (media o di equilibrio), causata da un'onda sonora. Nell'aria, la pressione sonora può essere misurata utilizzando un microfono e in acqua con un idrofono. L'unità SI della pressione sonora è il pascal (Pa). ^[1]

Definizione

matematica

Un'onda sonora in un mezzo di trasmissione provoca una deviazione (pressione sonora, una pressione dinamica) nella pressione ambiente locale, una pressione statica.

La pressione sonora, indicata con p , è definita da dove

• p _totale è la pressione totale,
• p _stat è la pressione statica.

Articolo

principale: Intensità sonora

In un'onda sonora, la variabile complementare alla pressione sonora è la velocità delle particelle. Insieme, determinano l'intensità sonora dell'onda.

L'intensità del suono , indicata con I e misurata in W·m ⁻² in unità SI, è definita da dove

• p è la pressione sonora,
• v è la velocità delle particelle.

Articolo

principale: Impedenza acustica

L'impedenza acustica , indicata con Z e misurata in Pa·m ⁻³ ·s in unità SI, è definita da ^[2] dove

• è la trasformata di Laplace della pressione sonora, ^{[ citazione necessaria ]}
• è la trasformata di Laplace della portata del volume sonoro.

Impedenza acustica specifica , indicato con z e misurato in Pa·m ⁻¹ ·s in unità SI, è definito da ^[2] dove

• è la trasformata di Laplace della pressione sonora,
• è la trasformata di Laplace della velocità delle particelle.

Articolo

principale: Spostamento delle particelle

Lo spostamento delle particelle di un'onda sinusoidale progressiva è dato da dove

Ne consegue che la velocità delle particelle e la pressione sonora lungo la direzione di propagazione dell'onda sonora x sono date da dove

• v _m è l'ampiezza della velocità delle particelle,
• è lo sfasamento della velocità delle particelle,
• p _m è l'ampiezza della pressione acustica,
• è lo sfasamento della pressione acustica.

Prendendo le trasformate di Laplace di v e p per quanto riguarda Il tempo produce

Poiché , l'ampiezza dell'impedenza acustica specifica è data da

Di conseguenza, l'ampiezza dello spostamento delle particelle è correlata a quella della velocità acustica e della pressione sonora secondo

la legge dell'inverso proporzionale

Ulteriori informazioni: Legge dell'inverso del quadrato

Quando si misura la pressione sonora creata da una sorgente sonora, è importante misurare anche la distanza dall'oggetto, Poiché la pressione sonora di un'onda sonora sferica diminuisce a partire da 1/r dal centro della sfera (e non da 1/r ² , come l'intensità del suono): ^[3]

Questa relazione è una legge inversamente proporzionale .

Se la pressione sonora p ₁ è misurata a una distanza r ₁ dal centro della sfera, La pressione sonora P ₂ in un'altra posizione r ₂ può essere calcolato:

La legge inversamente proporzionale per la pressione sonora deriva dalla legge dell'inverso del quadrato per l'intensità del suono: Infatti, dove

da qui la legge inversamente proporzionale:

Livello di pressione sonora

Per altri usi, vedere Livello sonoro.

Il livello di pressione sonora ( SPL ) o livello di pressione acustica ( APL ) è una misura logaritmica della pressione efficace di un suono rispetto a un valore di riferimento.

Il livello di pressione sonora, indicato con L _p e misurato in dB, ^[4] è definito da: ^[5] dove

La pressione sonora di riferimento comunemente usata nell'aria è ^[7]

p ₀ = 20 μPa,

che è spesso considerata come la soglia dell'udito umano (all'incirca il suono di una zanzara che vola a 3 m di distanza). Le notazioni corrette per la pressione sonora che utilizzano questo riferimento sono L _{p /(20 μPa)} o L _p (re 20 μPa), ma le notazioni suffissive dB SPL, dB(SPL), dBSPL o dB _SPL sono molto comuni, anche se non sono accettate dal SI. ^[8]

La maggior parte delle misurazioni del livello sonoro verrà effettuata in relazione a questo riferimento, il che significa che 1 Pa equivarrà a un SPL di . In altri mezzi, come quelli subacquei, viene utilizzato un livello di riferimento di 1 μPa. ^[9] Questi riferimenti sono definiti in ANSIS1.1-2013. ^[10]

Lo strumento principale per la misurazione dei livelli sonori nell'ambiente è il fonometro. La maggior parte dei fonometri fornisce letture in decibel ponderati A, C e Z e deve soddisfare gli standard internazionali come IEC 61672-2013.

Esempi

Il limite inferiore di udibilità è definito come SPL di 0 dB, ma il limite superiore non è così chiaramente definito. Mentre 1 atm (194 dB di picco o 191 dB SPL) ^{[11] [12]} è la più grande variazione di pressione che un'onda sonora non distorta può avere nell'atmosfera terrestre (cioè, se le proprietà termodinamiche dell'aria vengono ignorate; in realtà, le onde sonore diventano progressivamente non lineari a partire da oltre 150 dB), onde sonore più grandi possono essere presenti in altre atmosfere o altri mezzi, come sott'acqua o attraverso la Terra. ^[13]

Le orecchie rilevano i cambiamenti nella pressione sonora. L'udito umano non ha una sensibilità spettrale piatta (risposta in frequenza) rispetto alla frequenza rispetto all'ampiezza. Gli esseri umani non percepiscono i suoni a bassa e alta frequenza così come percepiscono i suoni tra 3.000 e 4.000 Hz, come mostrato nel contorno di uguale volume. Poiché la risposta in frequenza dell'udito umano cambia con l'ampiezza, sono state stabilite tre ponderazioni per misurare la pressione sonora: A, B e C.

Per distinguere le diverse misure sonore, viene utilizzato un suffisso: il livello di pressione sonora ponderato A è scritto come dB _A o L _A . Il livello di pressione sonora ponderato B è scritto come dB _B o L _B , mentre il livello di pressione sonora ponderato C è scritto come dB _C o L _C . Il livello di pressione sonora non ponderato è chiamato "livello di pressione sonora lineare" ed è spesso scritto come dB _L o solo L. Alcuni strumenti di misura del suono utilizzano la lettera "Z" come indicazione di SPL lineare. ^[13]

Distanza

La distanza del microfono di misura da una sorgente sonora viene spesso omessa quando vengono citate le misurazioni SPL, rendendo i dati inutili, a causa dell'effetto intrinseco della legge proporzionale inversa. Nel caso delle misurazioni ambientali del rumore di "fondo", non è necessario citare la distanza, in quanto non È presente un'unica fonte, ma quando si misura il livello di rumore di un'apparecchiatura specifica, la distanza deve essere sempre indicata. Una distanza di un metro (1 m) dalla sorgente è una distanza standard utilizzata di frequente. A causa degli effetti del rumore riflesso all'interno di una stanza chiusa, l'uso di una camera anecoica consente di paragonare il suono alle misurazioni effettuate in un ambiente di campo libero. ^[13]

Secondo la legge proporzionale inversa, quando il livello sonoro L _{p 1} è misurato a una distanza r ₁ , il livello sonoro L _{p 2} alla distanza r ₂ è

Sorgenti multiple

La formula per la somma dei livelli di pressione sonora di n sorgenti radianti incoerenti è

Inserendo le formule nella formula per la somma dei livelli di pressione sonora si ottiene

Esempi di pressione

sonora

		[a]
		(Pa)	(dB SPL )
Onda d'urto (onde sonore distorte > 1 atm; le valli della forma d'onda vengono tagliate a pressione zero) [11] [12]	>1.01×10 5	>191
Semplice dispositivo termoacustico aperto [14]	[ chiarimento necessario ]	1.26×10 4	176
1883 eruzione del Krakatoa [15] [16]	165 km	172
.30-06 fucile sparato	1 m dal lato del tiratore	7.09×10 3	171
Petardo [17]	0,5 m	7,09×10 3	171
Granata stordente [18]	Ambiente	1,60×10 3 ... 8.00×10 3	158–172
Palloncino da festa da 9 pollici (23 cm) gonfiato fino alla rottura [19]	All'orecchio	4.92×10 3	168
Palloncino da 9 pollici (23 cm) di diametro schiacciato fino alla rottura [19]	All'orecchio	1.79×10 3	159
Palloncino da festa da 9 pollici (23 cm) gonfiato fino alla rottura [19]	0.5 m	1.42×10 3	157
Palloncino da 9 pollici (23 cm) di diametro scoppiato con uno spillo [19]	All'orecchio	1.13×10 3	155
LRAD 1000Xi Dispositivo acustico a lungo raggio [20]	1 m	8,93×10 2	153
Palloncino da 9 pollici (23 cm) gonfiato per rompersi [19]	1 m	731	151
Motore a reazione [13]	1 m	632	150
Pallone da 9 pollici (23 cm) di diametro schiacciato per rompersi [19]	0,95 m	448	147
Palloncino da 9 pollici (23 cm) di diametro scoppiato con uno spillo [19]	1 m	282,5	143
Voce umana più forte [21]	1 pollice	110	135
Tromba [22]	0,5 m	63,2	130
Tromba di Vuvuzela [23]	1 m	20,0	120
Soglia del dolore [24] [25] [21] All'orecchio		20–200	120–140
Rischio di perdita dell'udito istantanea indotta dal rumore	All'orecchio	20,0	120
Motore a reazione	100–30 m	6,32–200	110–140
Motosega a due tempi [26]	1 m	6,32	110
Martello pneumatico	1 m	2,00	100
Traffico su una strada trafficata (motori a combustione)	10 m	0,20–0,63	80–90
Danni all'udito (esposizione a lungo termine, non deve essere continua) [27] All'orecchio		0,36	85
Autovettura (motore a combustione)	10 m	0,02–0,20	60–80
Traffico su una strada trafficata (veicoli elettrici) [28]	10 m	0,20–0,63	65-75
Massimo identificato dall'EPA per proteggere dalla perdita dell'udito e da altri effetti di disturbo causati dal rumore, come disturbi del sonno, stress, disturbi dell'apprendimento, ecc. [29]	Ambiente	0,06	70
TV (impostato a livello domestico)	1 m	0,02	60
Conversazione normale	1 m	2×10 −3 –0,02	40–60
Autovettura (elettrica) [30]	10 m	0,02–0,20	38-48
Stanza molto tranquilla	Ambiente	2,00×10 −4 ... 6.32×10 −4	20–30
Leggero fruscio delle foglie, respiro calmo [13]	Ambiente	6,32×10 −5	10
Soglia uditiva a 1 kHz [27]	All'orecchio	2,00×10 −5	0
Camera anecoica, Orfield Labs, ponderata A [31] [32]	Ambiente	6,80×10 −6	−9.4
Camera anecoica, Università di Salford, ponderata A [33]	Ambiente	4.80×10 −6	−12.4
Camera anecoica, Microsoft, ponderata A [34] [35]	Ambiente	1.90×10 −6	−20.35

Vedi anche

• Acustica - Branca della fisica che coinvolge le onde meccaniche
• Phon - Unità logaritmica del livello di intensità acustica
• Intensità acustica - Percezione soggettiva della pressione sonora
• Sone - Unità di intensità acustica percepita
• Fonometro - Dispositivo per misure acustiche
• Legge di potenza di Stevens - Relazione empirica tra intensità variabile effettiva e percepita dello stimolo
• Legge di Weber-Fechner - Leggi correlate nel campo della psicofisica

Riferimenti

General

• Beranek, Leo L., Acustica (1993), Acoustical Society of America, ISBN 0-88318-494-X.
• Daniel R. Raichel, La scienza e le applicazioni dell'acustica (2006), Springer New York, ISBN 1441920803.

Collegamenti esterni