在物理學 中,聲壓 (英文:acoustic pressure)是指聲波 通過媒質時,由振動所產生的壓力 改變量,符號為 p 。聲波作為一種縱波 ,在空氣中傳播時,空氣粒子的疏密程度會隨聲波而改變。因此,該處壓強也會隨之改變,此改變量即為聲壓。在國際單位制 中,聲壓的單位是帕斯卡 (帕,Pa)。
如圖所見,在聲波傳播時,不同位置的疏密程度也有所不同,壓強也因而不同。量度一個聲波的聲壓,常以均方根 p rms 作為平均值計算。
聲壓級 (英文:sound pressure level)是指以對數尺 衡量的「有效聲壓」,相對於一個基準值的大小,符號為 SPL ,用分貝 (dB)作為單位。對於人類的聽覺,於最敏感的頻率 範圍 2 000 Hz 到 5 000 Hz 中,聽閾 約為 2 × 10-5 Pa,因此通常以此作為聲壓級的基準值。
在空氣中,聲壓能以傳聲器 度量;在水中則可使用水聽器 度量。
聲壓
聲壓示意圖:①無聲 ②可聞音 ③大氣壓 ④瞬時聲壓
聲壓 p 是聲波 通過媒質時,由振動所產生的壓強 改變量。以空氣作為媒質的例子,無聲時的壓強應為標準大氣壓力 1 atm (101.325 kPa)。當聲音傳播時,會造成粒子的擾動,引起壓強的改變。這個改變量,就是聲壓。
由於粒子的擾動有疏有密,在每點的瞬時聲壓也有所不同,因此我們常以均方根 p rms 作為平均值計算。對於一個正弦 波的純音 ,聲壓峰值 p peak 和均方根值 p rms 有以下關係:
p
r
m
s
=
p
p
e
a
k
2
{\displaystyle p_{\mathrm {rms} }={\frac {p_{\mathrm {peak} }}{\sqrt {2}}}}
。
在空氣中,對於人類的聽覺,於最敏感的頻率 範圍 2 000 Hz 到 5 000 Hz 中,聽閾 約為 2 × 10-5 Pa,記作 p 0 :
p
0
=
2
× × -->
10
− − -->
5
P
a
{\displaystyle p_{0}=2\times 10^{-5}\,\mathrm {Pa} }
。
聲壓和距離的關係,符合反比律,即某點的聲壓 p ,與該點和聲源的距離 r 成反比 :
p
∝ ∝ -->
1
r
{\displaystyle p\propto {\frac {1}{r}}}
。
聲壓級
聲壓級 SPL 是另一個量度聲壓大小的常用物理量,指相對於一個基準值,以對數尺 衡量的聲壓,定義如下:
S
P
L
=
10
log
-->
(
p
p
0
)
2
d
B
{\displaystyle \mathrm {SPL} =10\log \left({\frac {p}{p_{0}}}\right)^{2}\,\mathrm {dB} }
,
其中 p 0 是聽閾 聲壓,在空氣中常取 2 × 10-5 Pa;在水中則常取 10-6 Pa。
由於聲壓級是對數級數,本身是無因次量 。為表示它是以基數為 10 的對數級數,常加上貝爾 (B)作為單位,分貝 (dB)就是十分之一個貝爾。有需要時,會寫成 dB SPL 或 dB re 20 μPa ,以強調是聲壓級的對數級數。
聲壓級 SPL 上升 10 dB ,代表聲壓平方 p 2 上升 10 倍。聲壓級 SPL 上升 x dB ,則代表代表聲壓平方 p 2 上升 10x/10 倍。由此可見,聲壓級是漸強標度,其數值和聲壓並非線性關係 。
與其他聲學物理量的關係
聲壓 p 和聲強 I 是關係密切的物理量。它們符合以下關係:
I
=
p
v
{\displaystyle I=pv}
I
=
p
2
z
{\displaystyle I={\frac {p^{2}}{z}}}
其中:
v 是粒子速度,單位是米每秒(m s-1 )。
z 是媒質的特徵聲阻 ,單位為瑞利 (rayl)。
以空氣中的聽閾聲壓 2 × 10-5 Pa 作換算,取空氣聲阻 400 rayl ,可得聽閾聲強 I 0 :
I
0
=
(
2
× × -->
10
− − -->
5
)
2
400
=
10
− − -->
12
W
m
− − -->
2
{\displaystyle I_{0}={\frac {(2\times 10^{-5})^{2}}{400}}=10^{-12}\,\mathrm {W\,m^{-2}} }
聲強級 SIL 作為對數級數,就是以此值作為基準。因此,給定在空氣聲阻的 400 rayl 的環境下,聲壓級和聲強級的數值相等:
S
I
L
=
S
P
L
{\displaystyle \mathrm {SIL} =\mathrm {SPL} }
一些聲壓和聲壓級的例子
空氣中的聲源
聲壓 p (Pa)
聲壓級 SPL (dB)
激波 (distorted sound waves > 1 atm ; waveform valleys are clipped at zero pressure)
>101,325 Pa
>194 dB
正常環境氣壓 中非失真聲音的理論極限
101,325 Pa
~194.094 dB
閃光彈
6,000–20,000 Pa
170–180 dB
火箭發射
~4000 Pa
~165 dB
Simple open-ended thermoacoustic device[ 1]
12,619 Pa
176 dB
離.30-06 Springfield開火點一米的位置
7,265 Pa
171 dB(peak)
離M1加蘭德步槍 開火點一米的位置
5,023 Pa
168 dB
30米外的客機引擎
632 Pa
150 dB
Threshold of pain
63.2 Pa
130 dB
離嗚嗚祖拉 號角一米的位置
20 Pa
120 dB(A)[ 2]
Hearing damage (possible)
20 Pa
approx. 120 dB
100米外的客機引擎
6.32 – 200 Pa
110 – 140 dB
一米外的手提鑽
2 Pa
approx. 100 dB
10米外的公路
2×10−1 – 6.32×10−1 Pa
80 – 90 dB
Hearing damage (over long-term exposure, need not be continuous)
0.356 Pa
85 dB[ 3]
10米外的汽車
2×10−2 – 2×10−1 Pa
60 – 80 dB
EPA -identified maximum to protect against hearing loss and other disruptive effects from noise, such as sleep disturbance, stress, learning detriment, etc.
70 dB[ 4]
Handheld electric mixer
65 dB
一米外的電視
2×10−2 Pa
approx. 60 dB
洗衣機、洗碗機
50-53 dB
正常的談話
2×10−3 – 2×10−2 Pa
40 – 60 dB
非常安靜的房間
2×10−4 – 6.32×10−4 Pa
20 – 30 dB
樹葉聲、安靜的呼吸聲
6.32×10−5 Pa
10 dB
在1 kHz時的聽覺極限
2×10−5 Pa
0 dB[ 3]
參考資料
^ Hatazawa, M., Sugita, H., Ogawa, T. & Seo, Y.(Jan. 2004),‘Performance of a thermoacoustic sound wave generator driven with waste heat of automobile gasoline engine,’ Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (Part B) Vol. 16, No. 1, 292–299.
存檔副本 . [2012-01-30 ] . (原始内容 存档于2012-02-23).
^ Swanepoel, De Wet; Hall III, James W; Koekemoer, Dirk. Vuvuzela – good for your team, bad for your ears (PDF) . South African Medical Journal. February 2010, 100 (4): 99–100 [2012-01-30 ] . PMID 20459912 . (原始内容 (PDF) 存档于2021-02-27).
^ 3.0 3.1 William Hamby. Ultimate Sound Pressure Level Decibel Table . (原始内容 存档于2010-07-27).
^ EPA Identifies Noise Levels Affecting Health and Welfare , 1974-04-02 [2010-11-01 ] , (原始内容 存档于2012-11-02)