理清描述声音大小的参数

在介绍等响曲线的文章中,我们提到了响度级和声压级的概念,很多朋友表示这些参数容易混淆。今天我们就尝试梳理几组用来描述声音大小的声学参数,巩固一下基础知识。

“级”

首先需要注意的是“级(Level)”这个字不能随便用,比如声压和声压级,响度和响度级等,表达的是完全不同的意思,单位也不同。一般带“级”的是对数单位,它可以更好的表述数据并使其和人耳听感匹配。

比如两个人窃窃私语时的声压大约是 0.00064 Pa,正常说话的声压大约是 0.02 Pa,这些数据不仅看上去复杂,而且很难让人有直观感受。如果换成声压级表示,这两个数据就分别是 30 dB 和 60 dB,看上去是不是好多了?

铺垫结束,接下来就正式开始吧。首先是最重要的:

声压和声压级

声压(sound pressure)指声波通过介质传播时,由振动带来的压强变化,符号为 p,单位为 Pa(帕)或 N/m2(牛/平方米);声压级(sound pressure level)则是以对数衡量的“有效声压”,一般简写为 SPL 或 Lp,单位 dB(分贝)

声压级必须基于一个参考声压转换,这个参考声压也被称为听阈,即小于这个声压的声音人一般就听不到了:

参考声压 p0 = 2 x 10-5 Pa

由声压计算声压级的公式为:

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其中:

  • p:实际声压
  • p0:参考声压

比如,从听阈声压可以计算出声压级为 0 dB;而当声压为 20 Pa 时,声压级是 120 dB,这个声压级被称为疼痛阈值,它的意义也很好理解。

如果声压比听阈还小,计算出的声压级就是负数,但这并不代表“声音不存在”。

和声压关系密切的参数是声强。

声强和声强级

声强(sound intensity)指单位时间内,声波通过垂直于其传播方向单位面积上的声能量,用符号 I 表示,单位为 W/m2 (瓦/平方米)

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来源:coursehero

与声压级类似,声强级(sound intensity level)也可以通过一个参考声强计算出来,它一般简写为 SIL 或 LI,单位也是 dB。在很多情况下,声强级和声压级是一致的。

考虑到阅读体验,这里就不再介绍具体公式。

由此,也可以引出另一个重要的参数:

声功率和声功率级

非常多的文章甚至百科中将声强和声功率混为一谈,根本原因还是很多人没有理解它们各自的定义。

声功率(sound power)指的是声源在单位时间内向空间辐射声的总能量,单位为 W(瓦)。从单位也能看出,声强其实是单位面积的声功率。

假设将声源视为一个点,那么距离声源中心 r(m,米)处的球面声功率为:

W = I4πr2

同样的,基于一个参考声功率就可以计算出声功率级(sound power level),SWL 或 Lw。

基准声功率 W0 = 10-12 W

声功率测量

声功率是评价一个声源或机械噪声水平的重要参数。因为虽然声压级常用来评价声音大小,但它和距离有直接联系。声功率则可以直接衡量声源的能力。

不过在声学测量中,声压级测量仍是是最直接方便的,因为从原理上说,测量声压的变化比较简单。通过声压级,又可以进一步计算出上面的各个参数。声压级测量的缺点也很明显,就是易受环境影响,很多时候必须在消声室才能进行精确测量。

以上三组参数反映的都是声音的客观情况,而主观描述声音,则需要心理声学登场 – 它研究的就是声音的主观感受和客观参数之间的关系。心理声学中常用的指标有:

响度
尖锐度
抖动度
粗糙度
音调
清晰度指数

通过这些指标,人们又能相对客观地对声音品质做出“好”或“坏”的评价。这里我们紧扣主题,只介绍一组:

响度和响度级

响度(loudness)反映的是人耳对声音强弱的主观感受,即便声强相同,人们对不同频率的声音依然会感知到不同的响度,这也是等响曲线存在的原因。

响度不仅和声压级有关,也和声音的频率,振幅,甚至存在的时长相关。我们平时说的音量,其实就是响度。

响度在对数尺度下就是响度级(loudness level),符号为 LL。在 1000 Hz 下,响度级和声压级的值相同。

响度的单位是 sone(宋),响度级的单位是 phon(方)。宋和方都不属于国际单位制。

至此,我们大致介绍了四组常见又容易混淆的声学参数,希望对大家有所帮助。如有错漏,欢迎指正。

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