Звуковое давление и его уровни (spl)

Уровни звукового давления от различных источников

• 0 дБ SPL — специальная измерительная камера;
• 5 дБ SPL — почти ничего не слышно;
• 10 дБ SPL — почти не слышно — шёпот, тиканье часов, тихий шелест листьев;
• 15 дБ SPL — едва слышно — шелест листьев;
• 20 дБ SPL — едва слышно — уровень естественного фона на открытой местности при отсутствии ветра, норма шума в жилых помещениях;
• 25 дБ SPL — тихо — сельская местность вдали от дорог;
• 30 дБ SPL — тихо — настенные часы;
• 35 дБ SPL — хорошо слышно — приглушённый разговор;
• 40 дБ SPL — хорошо слышно — тихий разговор, учреждение (офис) без источников шума, уровень звукового фона днём в городском помещении с закрытыми окнами выходящими во двор;
• 50 дБ SPL — отчётливо слышно — разговор средней громкости, тихая улица, стиральная машина;
• 60 дБ SPL — шумно — обычный разговор, норма для контор;
• 65 дБ SPL — шумно — громкий разговор на расстоянии 1 м;
• 70 дБ SPL — шумно — громкие разговоры на расстоянии 1 м, шум пишущей машинки, шумная улица, пылесос на расстоянии 3 м;
• 75 дБ SPL — шумно — крик, смех с расстояния 1м; шум в железнодорожном вагоне;
• 80 дБ SPL — очень шумно — громкий будильник на расстоянии 1 м; крик; мотоцикл с глушителем; шум работающего двигателя грузового автомобиля;
• 85 дБ SPL — очень шумно — громкий крик, мотоцикл с глушителем;
• 90 дБ SPL — очень шумно — громкие крики, пневматический отбойный молоток, тяжёлый дизельный грузовик на расстоянии 7 м, грузовой вагон на расстоянии 7 м;
• 95 дБ SPL — очень шумно — вагон метро на расстоянии 7 м;
• 100 дБ SPL — крайне шумно — громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5—7 м, кузнечный цех, очень шумный завод;
• 110 дБ SPL — крайне шумно — шум работающего трактора на расстоянии 1 м, громкая музыка, вертолёт;
• 115 дБ SPL — крайне шумно — пескоструйный аппарат на расстоянии 1 м, мощный автомобильный сабвуфер;
• 120 дБ SPL — почти невыносимо — болевой порог, гром (иногда до 120 дБ), отбойный молоток, вувузела на расстоянии 1 м;
• 130 дБ SPL — боль — сирена, шум клёпки котлов;
• 140 дБ SPL — травма внутреннего уха — взлёт реактивного самолёта на расстоянии 25 м, максимальная громкость на рок-концерте;
• 150 дБ SPL — контузия, травмы — взлёт ракеты на Луну с экипажем, на расстоянии 100 м, реактивный двигатель на расстоянии 30 м, соревнования по автомобильным звуковым системам;
• 160 дБ SPL — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из ружья близко от уха; ударная волна от сверхзвукового самолёта или взрыва давлением 0,002 МПа;
• 168 дБ SPL — шок, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки — выстрел из винтовки M1 Garand на расстоянии 1 м;
• 170 дБ SPL — светошумовая граната, воздушная ударная волна давлением 0,0063 МПа;
• 180 дБ SPL — светошумовая граната, воздушная ударная волна давлением 0,02 МПа, длительный звук с таким давлением вызывает смерть;
• 190 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,063 МПа;
• 194 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,1 МПа, равным атмосферному давлению, возможен разрыв лёгких;
• 200 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,2 МПа, возможна смерть;
• 210 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 0,63 МПа;
• 220 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 2 МПа;
• 230 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 6,3 МПа;
• 240 дБ SPL — воздушная ударная волна давлением 20 МПа;
• 249,7 дБ SPL — максимальное давление 61 МПа воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола. Давление ударных волн при обычном взрыве может быть больше (максимальное — давление детонации), но это будет ещё не воздушная, а начальная взрывная ударная волна, образованная разлётом продуктов детонации;
• 260 дБ SPL — ударная волна давлением 200 МПа;
• 270 дБ SPL — ударная волна давлением 632 МПа;
• 280 дБ SPL — ударная волна давлением 2000 МПа;
• 282 дБ SPL — 2500 МПа — максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве. Максимальное давление продуктов реакции в момент ядерного взрыва гораздо больше — до 100 млн. МПа.
• 300 дБ SPL — 20 000 МПа — среднее давление детонации обычных взрывчатых веществ;
• 374 дБ SPL — 100 млн МПа — давление в ядерном заряде в момент ядерного взрыва;
• 467 дБ SPL — 4,63309 × 10113 Па — планковское давление

Давление свыше 140 дБ SPL может вызвать разрыв барабанной перепонки, баротравмы и даже смерть.

Сравнительные шкалы для расчёта уровня цифрового звука

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, — с активным воздействием на вещество и — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости и от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов .

Пьезоматериалы
Преобразователи
Проектирование

Й.Крауткремер, Г.Крауткремер. Справочник. Ультразвуковой контроль материалов.-Москва.: Металлургия, 1991.
Голямина И.П. Ультразвук.-Москва.: из-во «Советская энциклопедия», 1979
General Electric Sensing. Ultrasonic transducers technical notes.- Panametrics, ltd
Под редакцией И.С.Григорьева, Е.3.Мейлихова. Справочник. Физические величины.-Москва.:1991.
Б.А.Агранат, В.И.Башкиров, Ю.И.Китайгородский, Н.Н.Хавский. Ультразвуковая технология.-Москва.:Металлургия, 1974.
Балдев Радж, В.Раджендран, П.Паланичами. Применения ультразвука.-Москва.:Техносфера, 2006.

Опорный эталонный уровень, виды

Децибел величина относительная. Ведь уровень электрического сигнала измеряется в разных единицах: dBm (дБмВт); dBu; dBV (дБВ); dBfs.

Не бойтесь, при сведении проекта эти непривычные единицы вам вряд ли понадобятся и необходимости разбираться в их различиях нет. Эти единицы встречаются в характеристиках аудиооборудования и представляют интерес, в первую очередь, для инженеров, которым эти данные нужны для согласования аппаратуры.

Если столько вариантов измерения, то как нам правильно измерить реальные физические величины вольты, ватты и др. Вот для этого и нужен опорный (эталонный) уровень.

Приведём пример. Так исторически сложилось, что за опорный уровень была принята величина мощности в 1 милливатт на нагрузке 600 Ом. А величина напряжения составляет:

В практике измерений используют следующие опорные (эталонные) уровни:

• dBu — опорное напряжение 0,775 В, соответствующее мощности 1 мВт на нагрузке 600 Ом. Например стандартизованный уровень сигнала для профессионального аудиооборудования составляет +4 dBu, т. е. 1,23 В;
• dBV (русское обозначение дБВ; встречается и обозначение dBm (дБм) — опорное напряжение 1 В на номинальной нагрузке (для бытовой техники обычно 47 кОм). Например стандартизированный уровень сигнала для бытового аудиооборудования составляет –10 dBV;
• dBfs — опорное напряжение соответствует полной шкале прибора. Например: «уровень записи составляет –6dBfs»; при аналого-цифровом преобразовании для линейного цифрового кода каждый разряд соответствует 6 дБ и максимальный возможный уровень записи равен 0 dBfs;
• dBA, dBB, dBC, dBD — опорные уровни выбраны на основе частотных характеристик «весовых фильтров» в соответствии с «кривыми равной громкости».

Наиболее распространённые уровни электрических сигналов:

• Стандартный «нулевой» уровень 0dB=0,775V;
• Ещё один часто встречаемый уровень +4dB=1,23V;
• В профессиональной аппаратуре +6dB=1,55V;
• В бытовой аппаратуре -10dB=0,25V (250 милливольт)

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля .

Рисунок 3 – Звуковое поле круглого излучателя

Положение последнего максимума N на акустической оси в свою очередь зависит от диаметра и длины волны и для дискового круглого излучателя выражается формулой

,

• где N – длина ближней зоны, м,
• D – диаметр излучателя, м,
• λ – длина волны, м

Однако поскольку D обычно значительно больше λ, уравнение можно упростить и привести к виду

,

Рисунок 4 – Ближняя и дальняя зоны звукового поля

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука — устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т.п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости .

Бел и децибел

Единица измерения бел была названа в честь Александра Грэхема Белла (Alexander Graham Bell). Однако, в практике акустики и звуковой технике применяется более удобная единица децибел (дБ, dB). Почему?

Дело в том, что бел – единица крупная и поэтому неудобная, так как она равна десятикратному изменению интенсивности звука. Но минимальный перепад уровня, который способно воспринять наше ухо, равен одному децибелу. И это одна из главных причин введения такой системы измерения уровня. Вот поэтому для измерений повсюду применяется десятая часть бела – децибел (0,1 Б — децибел, дБ, dB).

Изучение сложных звуковых сред

Ориентация

Если стена создает помехи или находится рядом с источником звука, давление и скорость не изменяются вместе. Предположение о линейности позволяет разложить, согласно теореме Фурье, звуковую волну на элементарные волны синусоидальной формы , эффекты которых будут добавлены применением принципа суперпозиции . Для каждой из этих элементарных волн мы можем снова применить тот же принцип и разложить их на волну, в которой скорость и давление изменяются вместе, и волну, в которой скорость и давление изменяются в квадратуре фаз, то есть при нулевой скорости звуковое давление максимальное. Первый идентичен волне в свободном поле. Для случая, когда скорость и давление находятся в квадратуре фаз, среднее значение за полный период равно нулю.

Акустическая интенсивность представляет собой только фазовые изменения давления и скорости. Они соответствуют передаче энергии в направлении распространения. Другая часть соответствует стоячим волнам , в которых энергия, передаваемая в одном направлении, равна энергии, передаваемой в другом направлении.

Разложение звуковых волн на сумму синусоид различных частот и фаз также позволяет изучать реакцию систем на сигналы, предположительно непрерывные, переменной частоты. Таким образом, мы определяем сложную акустическую интенсивность как функцию частоты. Действительной частью этой комплексной величины является акустическая интенсивность, определенная выше; мнимая часть — это реактивная составляющая , скорость и давление которой находятся в квадратуре фаз.

Акустическое давление и интенсивность

Для плоской звуковой волны, как можно увидеть в трубе, диаметр которой меньше половины длины волны звуковой вибрации, звуковое давление и скорость изменяются вместе. Давление — это сила на единицу площади, которая действует на массу соседнего элемента и придает ему ускорение , то есть изменение скорости в соответствии с законами механики. Таким образом, акустическое давление и акустическая скорость связаны дифференциальными уравнениями , и в этих условиях интенсивность звука I связана с акустическим давлением в точке соотношением:

• р является звуковым давлением (Па), в кг ⋅ м -1 ⋅ с -2  ;
• ρ{\ displaystyle \ rho _ {0}}плотность воздуха в кг ⋅ м -3  ( 1,2  кг · м -3 до нормальных условий температуры, влажности и атмосферного давления );
• c — скорость звука в м ⋅ с −1  : 340 м / с при тех же условиях ;.

В этих условиях, интенсивность (в кг ⋅ с -3 ) примерно равны, за исключением этого условия, при р ² / 400.

В свободном поле волны не плоские, а сферические, а давление и скорость не меняются точно вместе. Однако чем больше сфера, тем волна больше похожа на плоскую волну. Расчеты с синусоидальными волнами показывают, что когда расстояние до источника больше или равно длине волны, сферическую волну можно сравнить с плоской волной ( , стр.  27).

Пример уподобления сферической волны плоской волне:

Мы рассматриваем источник, издающий звуки с частотой более 100  Гц .

1. Длина волны рассчитывается путем деления скорости звука (в м / с) на частоту ( Гц = 1 / с);
2. Частоты выше 100  Гц имеют длины волн короче, чем у этой частоты, поэтому длина волны 100  Гц является пределом, от которого мы можем уподобить сферическую волну плоской волне;
3. Длина волны на частоте 100  Гц составляет 340/100 3,4  м .

На расстоянии более трех с половиной метров можно считать, что волна ведет себя как плоская волна.

Мы выбрали здесь удобство этих приближений в ущерб точности расчетов.

Эти расчеты относятся к одной прогрессивной звуковой волне. В диффузном поле, как и в случае реверберированного звука в комнате, соотношение между звуковым давлением и интенсивностью звука совершенно иное. В этой ситуации некоторое количество волн, идущих во всех направлениях, накладывается на основные волны. Эти волны, кроме того, способствуют звуковому давлению, но они передают энергию во всех направлениях, так что в среднем их мгновенные интенсивности звука компенсируют друг друга. В случаях, когда есть стоячие волны , что соответствует ситуациям в архитектурной акустике , когда мы обнаруживаем модальные колебания в комнате, мы обнаруживаем акустическое давление, которое не соответствует какой-либо акустической интенсивности.

Таблица значений в децибелах и отношений амплитуд и мощностей

Звуковая аппаратура. Студия CityTV мпании Роджерс (англ. Rogers). Торонто, Онтарио, Канада.

Эта таблица показывает как логарифмическая шкала позволяет описать очень большие и очень маленькие числа, представляющие отношения мощностей, энергий или амплитуд.

Ухо человека обладает очень высокой чувствительностью и способно услышать звуки от шепота на расстоянии 10 метров до шума реактивных двигателей. Мощность звука петарды может быть в 100 000 000 000 000 раз больше, чем самый слабый звук, который способно услышать человеческое ухо (20 микропаскалей). Это очень большая разница! Поскольку человеческое ухо способно различать такой большой диапазон громкостей звуков, для измерения силы звука используется логарифмическая шкала. На шкале в децибелах самый слабый звук, называемый порогом слышимости, имеет уровень 0 децибел. Звук, который громче порога слышимости в 10 раз, имеет уровень 20 децибел. Если звук в 30 раз громче порога слышимости, его уровень будет равен 30 децибелам. Ниже приведены примеры громкости различных звуков:

• Порог слышимости — 0 дБ
• Шепот — 20 дБ
• Спокойный разговор на расстоянии 1 м — 50 дБ
• Мощный пылесос на расстоянии 1 м — 80 дБ
• Звук, при длительном воздействии которого возможно ухудшение слуха — 85 дБ
• Портативный мультимедийный проигрыватель при полной громкости — 100 дБ
• Болевой порог — 130 дБ
• Турбореактивный двигатель истребителя на расстоянии 30 м — 150 дБ
• Светозвуковая ручная граната M84 на расстоянии 1,5 м — 170 дБ

Единицы измерения громкости

Существуют различные способы количественного описания звуковых колебаний, использующиеся в разных областях.

Обычно используются следующие основные единицы измерения:

• Интенсивность звука — скалярная физическая величина, характеризующая мощность, переносимую звуковой волной в направлении распространения. Единица измерения — ватт на квадратный метр (Вт/м2).
• Звуковое давление — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения — паскаль (Па).
• Громкость звука (Уровень звукового давления, SPL или sound pressure level) — субъективное восприятие силы звука. Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.

Интенсивность звука и Звуковое давление находятся в квадратичной зависимости, точнее:

где I — интенсивность звука, Вт/м2; p — звуковое давление, Па; Z_s — удельное акустическое сопротивление среды; <>t — усреднение по времени.

Громкость звука является относительной величиной и определяется как измеренное по относительной шкале значение звукового давления, отнесённое к опорному давлению P_SPL = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц.

Единицей измерения громкости является децибел (дБ, dB) — относительная единица, подобная кратности («трёхкратное отличие») или, например, процентам.

Величина, выраженная в децибелах, равна десятичному логарифму отношения физической величины к одноимённой физической величине, принимаемой за исходную, умноженному на десять (умножение на 10 переводит белы в децибелы):

где A_dB — величина в децибелах, A — измеренная физическая величина, A — величина, принятая за точку отсчета.

В приведенной формуле дБ используется для оценки отношения интенсивности звука, однако, чаще для этого используется звуковое давление.

Таким образом, когда мы говорим о громкости звука в децибелах, мы имеем в виду отношение значения его звукового давления к «нулевой» или «опорной» величине (условный 0 дБ), которая составляет 20 мкПа и соответствует стандартному порогу слышимости (порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц).
В этом случае используется формула:

В основном формула аналогична приведенной выше, только в качества точки отсчета указано 20 мкПа, а вместо 10 логарифм умножен на 20 (т.е. на 10 и на 2). Это отражает уже упомянутую выше квадратичную зависимость силы звука и звукового давления.

Приведем некоторые соответствия значений в децибелах увеличению звукового давления относительно порога слышимости:

6 дБ → в 2 раза (lg(2) = 0,30102999566),
9,5 дБ → в 3 раза (lg(3)= 0,47712125472),
12 дБ → в 4 раза (lg(4)= 0,60205999132),
20 дБ → в 10 раз (lg(10)= 1).

Любое удвоение величины звукового давления выражается в увеличении его уровня на 6 дБ, как видно из следующей таблицы:

См. также: Сравнительные шкалы для расчёта уровня цифрового звука

Следует иметь в виду, что в децибелах может выражаться не только SPL, но и, например, напряжение, а также, что могут использоваться различные опорные уровни или «точки отсчета», на что указывает соответствующая аббревиатура после dB: dBSPL, dBFS и т.д. Так например, часто используются:

•  dBFS (от англ. Full Scale — «полная шкала») — опорное напряжение соответствует полной шкале прибора; например, «уровень записи составляет −6 dBFS». При этом максимально возможный уровень записи равен 0 dBFS.
• dBSPL (от англ. Sound Pressure Level — «уровень звукового давления») — опорное звуковое давление 20 мкПа, соответствующее порогу слышимости; например, «громкость 100 dBSPL».
• dBPa — опорное звуковое давление 1 Па, или 94 дБ звуковой шкалы громкости dBSPL; например, «для громкости 6 dBPa микшером установили +4 dBu, а регулятором записи −3 dBFS, искажения при этом составили −70 dBc»
  и т.д.

Дополнения

Библиография

• Patrice Bourcet и Пьер Льенара , «Основополагающие акустики» , в книге звуковых методов, объем 1 — Фундаментальные концепции , Париж, Eyrolles,1987 г.
• Антонио Фишетти , Посвящение в акустику: киношколы — аудиовизуальные BTS , Париж, Белин,2001 г., 287  с.
• Марио Росси , Аудио , Лозанна, Press Polytechniques et Universitaires Romandes,2007 г., 782  с.
• Винсент Мартин , Элементы общей акустики: От некоторых распространенных акустических систем до первого освоения звуковых полей , Лозанна, Press Polytechniques et Universitaires Romandes,2007 г., 411  с.
• (о) С. Гэйд , «  Интенсивность звука (теория)  » , Технический обзор , Naerum, Дания, Брюли & Кьяер, п о  3,1982 г., стр.  3-43
• (о) С. Гэйд , «  Интенсивность звука (приборы и приложение)  » , Технический обзор , Naerum, Дания, Брюли & Кьяер, п о  4,1982 г., стр.  3-32
• (ru) Фрэнк Дж. Фэхи , Sound Intensity , Лондон, Spon Press,1995 г., 2- е  изд. ( 1- е  изд. 1989 г.), 320  с.
• (en) Рэй А. Рейберн , Книга «Микрофоны Эрла: от моно к стерео и объемному звучанию — руководство по дизайну и применению микрофона» , Focal Press,2012 г., 3 е  изд. , 466  с.

Примечания и ссылки

1. Вкратце, интенсивность звука — это поверхностная плотность акустического потока в заданном направлении ( ).
2. Расчеты акустики предполагают, что детали и малы по сравнению с длиной волны, и достаточно велики, чтобы можно было говорить о давлении, в котором участвует большое количество молекул. Например, в кубическом микроне воздуха содержится около 25 миллионов молекул; в то время как самая короткая длина волны звуков, которые слышит человек, составляет несколько миллиметров.
3. Акустика иногда интересуется другими средами, и ее расчеты проводятся для любой сжимаемой линейной изотропной и однородной среды.
4. Это вектор , то есть соединение трех размеров. В текучей среде, такой как воздух, скорость звука только продольная. Поперечного смещения нет. Мы можем выбрать ось x в направлении распространения волны, а оси y и z , согласно которым значения равны нулю, оставим в стороне .
5. Поскольку пространство имеет три измерения, мгновенный вектор интенсивности звука имеет три компонента, которые представляют его проекцию на каждую из трех осей. Интенсивность звука для данного направления получается скалярным произведением единичного вектора, который выражает это направление на вектор интенсивности звука. Если мы знаем угол в пространстве между направлением и вектором акустической интенсивности, мы можем сказать, что акустическая интенсивность в этом направлении равна модулю вектора акустической интенсивности, умноженному на косинус этого угла.
6. же, как и для мгновенной акустической интенсивности, можно определить вектор акустической интенсивности , три компонента которого являются значениями акустической интенсивности для каждой из трех осей пространства.
7. Джозеф Фурье (1768–1830) показал, как можно разложить любую периодическую функцию на серию синусоид с частотами, кратными частоте исходной функции (см. Ряд Фурье ).
8. , стр.  30
9. , p.  38, 41
10. (in) Джон Уильям Струтт Рэлей , «Об инструменте, способном измерять интенсивность воздушных колебаний: Philosophical Magazine, XIV, стр. 186-187, 1882 » , в John William Strutt Rayleigh, Scientific Papers, vol. II 1881-1887 , Кембридж, Кембриджский университет, стр.  133
11. (in) Р. А. Скотт , «  Исследование характеристик диска Рэлея  » , Труды Лондонского королевского общества. Серия A, Математические и физические науки , т.  183, п о  994,22 февраля 1945 г., стр.  296-316 со ссылкой на König 1891.
12. Например, З. Каррьер , «  Электроакустические кривые Лиссажу  », Journal de Physique ,1932 г., стр.  355-374 (hal.inria.fr/docs/00/23/31/09/PDF/ajp-jphysrad_1932_3_8_355_0.pdf), среди множества лабораторных манипуляций.
13. (in) WR Druyvesteyn и HE De Bree , «  Новое сравнение датчика интенсивности звука с парой датчиков измерения интенсивности микрофонов давления  » , Журнал Общества инженеров аудио , т.  48, № ост.  1/2,Январь-февраль 2000 г., стр.  49-56
14. (in) EG Williams , «  Volumetric Acoustic Intensity Probe  » , NRL Review , Вашингтон, округ Колумбия, США, Военно-морская исследовательская лаборатория,2006 г..

Физический портал

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

,

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука — отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м2.

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Математическое определение

Звуковая мощность, обозначаемая P , определяется как

пзнак равнож⋅vзнак равноАпты⋅vзнак равноАпv{\ Displaystyle P = \ mathbf {f} \ cdot \ mathbf {v} = Ap \, \ mathbf {u} \ cdot \ mathbf {v} = Apv}

где

• f — звуковая сила единичного вектора u ;
• v — скорость проекции частицы v вдоль u ;
• А — площадь;
• p — звуковое давление .

В среде звуковая мощность определяется выражением

пзнак равноАп2ρcпотому что⁡θ,{\ displaystyle P = {\ frac {Ap ^ {2}} {\ rho c}} \ cos \ theta,}

где

• А — площадь поверхности;
• ρ — массовая плотность ;
• c — скорость звука ;
• θ — угол между направлением распространения звука и нормалью к поверхности.
• p — звуковое давление .

Например, звук при SPL = 85 дБ или p = 0,356 Па в воздухе ( ρ =1,2 кг⋅м −3 и c =343 м⋅с −1 ) через поверхность площадью A =1 м 2, перпендикулярный направлению распространения ( θ = 0 °), имеет поток звуковой энергии P =0,3 мВт .

Это параметр, который может заинтересовать при преобразовании шума обратно в полезную энергию, наряду с любыми потерями в устройстве захвата.

Похожие записи:

Как выбрать камень для близнецов? Огромная птица Что дал науке челябинский метеорит? Что такое комета и чем отличается от астероида? Мужчина К чему снится ананас?