声压、声压级、声功率、声强和电平

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所属分类:音响技术

大气压受到声波扰动后产生的变化,称为声压(sound pressure)。简单来说,就是有声波存在时,在单位面积上大气压的变化部分。声压(p)以Pa,即帕(斯卡)为单位(1Pa=1N/m^2,即牛顿/平方米)。有时也用ubar,即微巴作单位,1Pa=10μbar。我们听到的最弱的声音声压为2x10-5 Pa,即0.00002Pa,最强的声音的声压为20Pa。

声功率(W)是指声源在单位时间内向外辐射出的总声能,它表示声源发声能力的大小,以W(瓦)、mW(毫瓦)或uW(微瓦)为单位(1W=1000mW=1000000μW)。

声强(I)是指在单位面积上通过多少瓦的声能,单位是W/m2(瓦/平方米)。

声功率与声强的关系为 I=W/S

式中,S——声波垂直通过的面积,m2

声功率与声压的关系为 W=(P2S)/(ρc), P2=Iρc

式中,S——声波垂直通过的面积,m2;ρc——媒质的特性抗阻,单位为瑞利,即帕秒/米(Pas/m)。

声强和声功率通常不易直接测量,往往要根据测出的声压通过换算来求得。声强和声压都是表示声音大小的量,但两者是有区别的,声强是能量关系,而声压是压强关系。为了计算上的方便,同时也符合人耳听觉分辨能力的灵敏度要求,所以人们将最弱的声音(2x10-5 Pa)到最强的声音(20Pa)按对数方式分成等级,以此作为衡量声音大小的常用单位,这就是声压级,其单位称为dB(分贝)。声压p的声压级为

Lp = 20 lg p/p0 (dB)

式中,p0=2x10-5 Pa,为基准声压。

声信号和电信号的相对强弱,例如声压和电压、声功率和电功率的放大(增益)或减小(衰减)的量都可用dB为单位来表示。分贝的概念在音响技术录音上是很重要的。在音响调音技术中,在调音台和传声器的匹配、传声器的选择应用、声源的处理等方面都常用到它。

在计算给定电压、电流或电功率等电学量和声压、声强、声功率等声学量的分贝值时,通常都要指定该量的一个数值作为基准值,再将给定量数值与基准值相比,比值取常用对数后乘以10(电功率、声功率、声强时),或乘以20(声压、电压、电流时),即得到相应的分贝值,它们分别称为电压电平(Bu)、电流电平(Bi) 功率电平(Bp)和声压级(Lp) 声强级(LI)声功率级(LP),计算公式如下:

声压、声压级、声功率、声强和电平

注:声压级(Lp)和声功率级(LP)的下标不同,前者是p后者是P。

电压电平通常简称为电平。计算电学量(功率、电压、电流)或者声学量(声功率、声强、声压)的分贝值(增大或减小)时,计算方法如下:

功率比、电压比、电流比与分贝值的关系(增大或减小)

以功率计算(或以声功率或声强计算)P1/P2 (倍)10 lg P1/P2 (dB)
以电压计算(或以声压计算)U1/U2 (倍)20 lg U1/U2 (dB)
以电流计算I1/I2 (倍)20 lg I1/I2 (dB)

举例:

例1:电压放大为100倍(即电压比为100:1),改用分贝表示,就等于20 lg100 = 20 x 2= 40dB。

例2:功率放大为1000倍(即功率比为1000:1),改用分贝表示,就等于10 lg1000 = 10 x 3= 30dB。

如果需要表示的量小于与其相比的量时(即比值小于1时),则分贝值为负。

例3:电压比为1:10(即衰减到原来的1/10),改用分表示,就等于 20 lg 1/10 = 20x(-1) = -20dB。

国际上统一规定了下列基准值:基准声压 = 2 x 10-5 Pa,基准声强 = 10-12 W/m2,基准电功率 = 1mW,基准电压=0.775V,基准声功率=10-12 W,基准电流 = 1.29 mA。

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