在“声学基础知识(二)”一文中,对声压、声强、声功率与倍频程几个概念进行过简单介绍,本文将重新对这几个参数进行较为详细的阐述。
一、声压、声强、声功率
描述声音高低的物理量是频率,而描述声音强弱的物理量则是声压、声强与声功率。本节主要对这三个物理量进行介绍。
1、 声压
声源的振动以声波的形式在介质中传播,所涉及的区域称为声场。当声波在空气中传播时,声场中某一点的空气分子在其平衡位置沿着声波前进的方向前后振动,使平衡位置处空气的密度时疏时密,从而引起此处的空气压力相对于没有声音传播时的静压发生变化。声压(Sound Pressure)就是该点的空气压强相对于静压强的差值,常用字母“p”表示,单位为Pa。在连续介质中,声场中任一点的运动状态和压强变化都可用声压表示。
声压是用来度量声音强弱的物理量。声音通过空气传入人耳后,引起耳膜振动,从而刺激听觉神经,产生声音的感觉。声压越大,耳膜受到的压力越大,感觉到的声音就越强。因为声波作用会引起声场中某点介质的压缩或膨胀,所以声压有正有负。
声压可用瞬时声压和均方根声压(即有效声压)表示,前者是指声场介质中某点在某瞬时相对于静压强的单位面积上的声压变化;后者是指瞬时声压在某一时间周期内的均方根值。通常说的声压指的是均方根声压。
2、 声强
声音在介质中传播时,介质本身并不会随着声波传播出去,而只是在其平衡位置附近来回振动。因此,声音的传播本质上是振动的传播,传递的是物质的能量,而非物质本身。
声强(Sound Intensity)定义为垂直于声波传播方向在单位时间、单位面积上通过声波的平均声能,常用字母“I”表示,单位为W/m2。
声强以能量的方式来度量声音的强弱,声强越大表示单位时间内接受的声能越多,声音就越强。在自由声场中,任一方向上的声强可用下式计算:
I=p2/ρc
其中,p为声压(Pa);ρ为介质密度(kg/m2);c为声音在介质中的速度(m/s)。
声波在弹性介质中传播的速度称为声速。声速随弹性介质温度的上升而增加,在温度为0℃空气中的声速为331.4m/s,20℃时则为343m/s。此外,不同介质中的声速也是不同的,如水中的声速约为1450m/s,钢铁中的声速约为5000m/s,砖墙中的声速约为2000m/s。
3、声功率
我们知道,功是指物体位移的距离与作用在位移方向上力的乘积。因此,把声波沿着其传播方向传送的能量、即做功的速率称为声功率(Sound Power),也就是声源在单位时间内向外辐射的声能,常用字母“W”表示,单位为瓦(W)。
声强I与声功率W之间的关系如下:
I=W/S
其中,S为垂直于声波传播方向的面积。
声功率是一个测试声源能力的物理量,和测试点的位置及距离无关,而声压和声强与测量距离有关。
二、倍频程
倍频程定义为两个基频相比为2的声音间的距离,亦可称为1/1倍频程。倍频程的频率范围中,两个基频指的是这个频率范围的最高频率(上限频率)和最低频率(下限频率)。
我们已经提到,人耳可听声的频率范围为20~20kHz,但在进行声音信号的频谱分析时,为了方便起见,常把这个声频范围分为几个段落,每个频带就称为一个频程。
频程的划分采用恒定带宽比的方式,即保持频带的上、下限之比为一常数。因此,若每一频带的上限频率与下限频率比值为2,则这样划分的频程称为1倍频程,简称倍频程。如果在一个倍频程的上、下限频率之间再插入两个频率,使4个频率之间的比值相同(相邻两频率比值为1.26),这样就将一个倍频程划分为3个频程,即为1/3倍频程。
试验证明,当声音的声压级不变而频率提高一倍时,听起来音调也提高一倍,即频率每增加一倍,音高增加一个倍频程。
倍频程中还会涉及到中心频率的概念,指的是上限频率与下限频率的乘积的开方。如125Hz倍频程或250Hz倍频程,是指以125Hz或250Hz为中心频率的一个倍频程范围。
在噪音测量中,通常用倍频程和1/3倍频程,其对应的中心频率如图1~图2所示。
图1 两个倍频程的中心频率与带宽1
图2 两个倍频程的中心频率与带宽2
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