关于声压、声功率和声强之间的,那些让人困惑的声学知识

这三个术语都是对声音进行不同方面的测量,均可用分贝dB表示,如下图所示。此处的分贝并不是度量单位,与声压相似,dB不是一个直接的度量单位,而是通过测得的值与基准值相比再取对数得到的。

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上述三者均可能会用dB表示,所以会产生混淆。接下来,通过类比的方式,解释这三者之间区别与联系。

声压、声功率和声强三者的区别

声压,声功率和声强:用热类比。


在温度较低的室内加热器与安静的房间中发声物体之间的类比可以用来说明压力,功率和强度之间的差异。如下图所示,热量和声音之间有一些相似之处。

加热器产生热量在房间内扩散,同样的,声源在房间内发声传向四周,则可以有以下类比:


  • 声压和温度:在房间的每个位置,都有特定的温度 (℃)。同样,在房间中每个位置,都有一个特定的声压 (Pa)。随着热量的产生,靠近加热器的温度更高。同样地,靠近声源的声压通常更大。声压和温度均取决于与源的相对位置和距离。


  • 声功率和热功率:加热器每小时产生一定的热量。无论室内温度如何,产生这种热量所需的功率都是相同的。加热器功率以W为单位。类似的,声功率仅是声源的属性,并且与房间中的声压级无关。声功率是单位时间发出声能的速率,声功率也以W为单位。


  • 声强和热流:热量在整个房间传播和流动。热流具有温度和方向。声强则是声音“流动”的度量方式,并具有声音水平和方向。它是在特定区域内观察该流动,因此其单位为W/m²。


在上述类比中需要做两个假定:


  • 假定加热器和声源输出恒定;


  • 假定该房间没有反射和其他源。

声压、声功率和声强三者的联系

1. 声压和声强的关系


在自由场中,声强和声压的关系可以由以下公式表示:

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质子的运动速度是指空气分子在传递声音的同时进行往复振动的速度,它是一个矢量,而声压只是一个标量,因此两者相乘的结果,声强是矢量。如下图所示,在离声源处(电机)的任何位置,均可以测量声压或者声强。

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声强(左侧)包括振幅大小(通过颜色)和方向(带有矢量箭头)。声压(右侧)仅显示带有颜色的振幅大小,从上图中可以观察到两者的关系:


  • 振幅相同:在相同的位置处,声压和声强的颜色分布是一样的。


  • 方向不同:左测图中的声强清楚地标明了声流的方向,从而更容易确定声源,解决噪声问题;而右侧的声压值不指示流向,也没有任何与声源相关的信息。


因此,声压可以使用单个麦克风进行测量,而声强的测量则相对复杂。声强需要两个或多个麦克风进行特定的位置排布后进行测量。


2. 声强和声功率的关系


声强和声功率可以很容易进行换算,因为声强的单位是W/m²,而声功率的单位是W。所以,将声强的值乘以声功率测试中相应的覆盖面积,就能计算得到声功率的值。


应用上述关系,在自由场中,如果已知声源的声功率,则可以计算声场中任意已知位置的声强。假如说有一个声功率为0.02W的打印机,如下图所示,然后需要知道在半径为2m的半球上的声强,则可以通过下述步骤,计算得到声强的值:


  • 声源声功率为0.02W;


  • 半球的面积约为25m²


  • 则此处的声强为0.02W/25m²=0.0008W/m²。

根据下述公式可将其转换为dB形式:

  • 参考的基准值为1e-12W/m²


  • 声强为0.0008W/m²


  • 则最后计算得到的声强级为89dB。

总结

声压、声功率和声强描述了声音的不同方面,均可用分贝表示,但各自的分贝值代表各自的测量值,三者之间的分贝值不能直接比较。


声压,表示空间中特定位置的声音振幅的级别,是一个标量。在自由场中,声压大小取决于观测点相对于声源的位置和距离,单位是帕斯卡 (Pa)。


声功率,从物体发出声音的速率,与观察声音的位置或距离无关,是声源本身的属性。建筑设备到计算机打印机等产品的噪声法规中,经常使用,其以W 为单位。


声强,是单位面积的声功率。它表征声场内某位置的声流,声强以W/m²为单位。

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