شدة الصوت

قياسات الصوت
مميزة	الرموز
ضغط الصوت	ص ، س ب ل، ب س
سرعة الجسيم	v ، SVL
إزاحة الجسيمات	δ
شدة الصوت	أنا ، سيل
قوة الصوت	P ، SWL، L WA
طاقة الصوت	و
كثافة الطاقة الصوتية	و
التعرض للصوت	هـ ، س ل
المعاوقة الصوتية	ز
تردد الصوت	أف
فقدان الإرسال	تي ال
ف ت هـ

شدة الصوت ، والمعروفة أيضًا بالشدة الصوتية ، تُعرف بأنها القوة التي تحملها الموجات الصوتية لكل وحدة مساحة في اتجاه عمودي على تلك المساحة. وحدة شدة الصوت في النظام الدولي للوحدات، والتي تشمل شدة الصوت، هي الواط لكل متر مربع (وات/م ² ). أحد التطبيقات هو قياس الضوضاء لشدة الصوت في الهواء في موقع المستمع ككمية طاقة صوتية. ^[1]

لا تساوي شدة الصوت الكمية الفيزيائية نفسها التي تساوي ضغط الصوت . فالسمع البشري حساس لضغط الصوت الذي يرتبط بشدة الصوت. وفي الإلكترونيات الصوتية الاستهلاكية، تسمى فروق المستوى "اختلافات الشدة"، ولكن شدة الصوت هي كمية محددة على وجه التحديد ولا يمكن استشعارها بواسطة ميكروفون بسيط.

مستوى شدة الصوت هو تعبير لوغاريتمي لشدة الصوت نسبة إلى شدة مرجعية.

يتم تعريف شدة الصوت، والتي يرمز لها بـ I ، من خلال حيث $${\displaystyle \mathbf {I} =p\mathbf {v} }$$

• p هو ضغط الصوت ؛
• v هي سرعة الجسيم .

كل من I و v عبارة عن متجهات ، مما يعني أن كليهما لهما اتجاه وكذلك مقدار. اتجاه شدة الصوت هو الاتجاه المتوسط ​​الذي تتدفق فيه الطاقة.

يتم إعطاء متوسط ​​شدة الصوت خلال الزمن T بواسطة بالنسبة للموجة المستوية ^{[ بحاجة لمصدر ]} ، حيث، $${\displaystyle \langle \mathbf {I} \rangle ={\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}p(t)\mathbf {v} (t)\mathrm {d} t.}$$$${\displaystyle \mathrm {I} =2\pi ^{2}\nu ^{2}\delta ^{2}\rho c}$$

• ${\displaystyle \nu }$هو تردد الصوت
• ${\displaystyle \delta }$هي سعة إزاحة جسيم الموجة الصوتية ،
• ${\displaystyle \rho }$هي كثافة الوسط الذي ينتقل فيه الصوت، و
• ${\displaystyle c}$هي سرعة الصوت.

بالنسبة لموجة صوتية كروية ، فإن الشدة في الاتجاه الشعاعي كدالة للمسافة r من مركز الكرة تُعطى بواسطة حيث $${\displaystyle I(r)={\frac {P}{A(r)}}={\frac {P}{4\pi r^{2}}},}$$

• P هي قوة الصوت ؛
• A ( r ) هي مساحة سطح كرة نصف قطرها r .

وبالتالي تقل شدة الصوت بمقدار 1/ r ² من مركز الكرة: $${\displaystyle I(r)\propto {\frac {1}{r^{2}}}.}$$

هذه العلاقة هي قانون التربيع العكسي .

مستوى شدة الصوت (SIL) أو مستوى الشدة الصوتية هو مستوى ( كمية لوغاريتمية ) لشدة الصوت بالنسبة لقيمة مرجعية.

يتم الإشارة إليه بالرمز L _I ، معبرًا عنه بالنيبر أو البل أو الديسيبل ، ويتم تعريفه بواسطة ^[2] حيث $${\displaystyle L_{I}={\frac {1}{2}}\ln \left({\frac {I}{I_{0}}}\right)\mathrm {Np} =\log _{10}\left({\frac {I}{I_{0}}}\right)\mathrm {B} =10\log _{10}\left({\frac {I}{I_{0}}}\right)\mathrm {dB} ,}$$

• أنا شدة الصوت؛
• I ₀ هي شدة الصوت المرجعية ؛
  • 1 Np = 1 هو النيبر ؛
  • 1 ب = ⁠1/2⁠ ln(10) هو bel ؛
  • 1 ديسيبل =1/20⁠ ln(10) هو الديسيبل .

شدة الصوت المرجعية المستخدمة بشكل شائع في الهواء هي ^[3] $${\displaystyle I_{0}=1~\mathrm {pW/m^{2}} .}$$

كونها تقريبًا أدنى شدة صوت يمكن سماعها بواسطة أذن بشرية غير تالفة في ظل ظروف الغرفة. التدوينات المناسبة لمستوى شدة الصوت باستخدام هذا المرجع هي L _{I /(1 pW/m ² )} أو L _I (re 1 pW/m ² ) ، ولكن التدوينات dB SIL أو dB(SIL) أو dBSIL أو dB _SIL شائعة جدًا، حتى لو لم يتم قبولها من قبل النظام الدولي للوحدات. ^[4]

يتم تعريف شدة الصوت المرجعية I ₀ بحيث يكون للموجة المستوية التقدمية نفس قيمة مستوى شدة الصوت (SIL) ومستوى ضغط الصوت (SPL)، حيث $${\displaystyle I\propto p^{2}.}$$

تتطلب المساواة بين SIL وSPL أن يكون p ₀ = 20 μPa هو ضغط الصوت المرجعي. $${\displaystyle {\frac {I}{I_{0}}}={\frac {p^{2}}{p_{0}^{2}}},}$$

بالنسبة للموجة الكروية التقدمية ، حيث z ₀ هي المعاوقة الصوتية النوعية المميزة . وبالتالي، $${\displaystyle {\frac {p}{c}}=z_{0},}$$$${\displaystyle I_{0}={\frac {p_{0}^{2}I}{p^{2}}}={\frac {p_{0}^{2}pc}{p^{2}}}={\frac {p_{0}^{2}}{z_{0}}}.}$$

في الهواء عند درجة حرارة الغرفة، z ₀ = 410 Pa·s/m ، وبالتالي فإن القيمة المرجعية I ₀ = 1 pW/m ^{2. [5} ]

في غرفة خالية من الصدى تقترب من مجال حر (بدون انعكاس) بمصدر واحد، يمكن اعتبار القياسات في المجال البعيد في مستوى الصوت مساوية للقياسات في مستوى الصوت. يتم استغلال هذه الحقيقة لقياس قوة الصوت في ظروف خالية من الصدى.

يتم تعريف شدة الصوت على أنها حاصل ضرب متوسط ​​ضغط الصوت وسرعة الجسيمات الصوتية مع مرور الوقت. ^[6] يمكن قياس كلتا الكميتين بشكل مباشر باستخدام مسبار كثافة الصوت pu الذي يتألف من ميكروفون ومستشعر سرعة الجسيمات ، أو تقديرها بشكل غير مباشر باستخدام مسبار pp الذي يقارب سرعة الجسيمات من خلال دمج تدرج الضغط بين ميكروفونين متقاربين. ^[7]

تُستخدم طرق القياس القائمة على الضغط على نطاق واسع في الظروف الخالية من الصدى لأغراض تحديد كمية الضوضاء. يمكن تقريب خطأ التحيز الذي أدخله مسبار pp بواسطة ^[8] حيث هي الكثافة "الحقيقية" (غير المتأثرة بأخطاء المعايرة)، هي التقدير المتحيز الذي تم الحصول عليه باستخدام مسبار pp ، هي قيمة الجذر التربيعي المتوسط ​​لضغط الصوت، هي رقم الموجة، هي كثافة الهواء، هي سرعة الصوت وهي المسافة بين الميكروفونين. يوضح هذا التعبير أن أخطاء معايرة الطور تتناسب عكسياً مع التردد وتباعد الميكروفون وتتناسب بشكل مباشر مع نسبة متوسط ​​مربع ضغط الصوت إلى شدة الصوت. إذا كانت نسبة الضغط إلى الشدة كبيرة، فإن عدم تطابق الطور الصغير سيؤدي حتى إلى أخطاء تحيز كبيرة. في الممارسة العملية، لا يمكن إجراء قياسات شدة الصوت بدقة عندما يكون مؤشر شدة الضغط مرتفعًا، مما يحد من استخدام مجسات شدة pp في البيئات ذات المستويات العالية من الضوضاء الخلفية أو الانعكاسات. $${\displaystyle {\widehat {I}}_{n}^{pp}\simeq I_{n}-{\frac {\varphi _{\text{pe}}\,p_{\text{rms}}^{2}}{k\Delta r\rho c}}=I_{n}\left(1-{\frac {\varphi _{\text{pe}}}{k\Delta r}}{\frac {p_{\text{rms}}^{2}/\rho c}{I_{r}}}\right),}$$${\displaystyle I_{n}}$${\displaystyle {\hat {I}}_{n}^{pp}}$${\displaystyle p_{\text{rms}}}$${\displaystyle k}$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle c}$${\displaystyle \دلتا r}$

من ناحية أخرى، يمكن تقريب خطأ التحيز الذي أدخله مسبار pu بواسطة ^[8] حيث هو التقدير المتحيز الذي تم الحصول عليه باستخدام مسبار pu ، و هما تحويل فورييه لضغط الصوت وسرعة الجسيمات، هو شدة التفاعل و هو عدم تطابق طور pu الناتج عن أخطاء المعايرة. لذلك، فإن معايرة الطور أمر بالغ الأهمية عندما يتم إجراء القياسات في ظل ظروف المجال القريب، ولكنها ليست ذات صلة كبيرة إذا تم إجراء القياسات في المجال البعيد. ^[8] يشير "التفاعلية" (نسبة الشدة التفاعلية إلى الشدة النشطة) إلى ما إذا كان مصدر الخطأ هذا مثيرًا للقلق أم لا. بالمقارنة مع المجسات القائمة على الضغط، فإن مجسات شدة pu لا تتأثر بمؤشر الضغط إلى الشدة، مما يتيح تقدير الطاقة الصوتية المنتشرة في بيئات الاختبار غير المواتية بشرط أن تكون المسافة إلى مصدر الصوت كافية. $${\displaystyle {\hat {I}}_{n}^{pu}={\frac {1}{2}}\operatorname {Re} \left\{{P{\hat {V}}_{n}^{*}}\right\}={\frac {1}{2}}\operatorname {Re} \left\{{PV_{n}^{*}e^{-j\varphi _{\text{ue}}}\right\}\simeq I_{n}+\varphi _{\text{ue}}J_{n}\,,}$$${\displaystyle {\hat {I}}_{n}^{pu}}$${\displaystyle P}$${\displaystyle V_{n}}$${\displaystyle J_{n}}$${\displaystyle \varphi _{\text{ue}}}$

• العلاقات بين الكميات الصوتية المرتبطة بموجة صوتية تقدمية مستوية
• جدول مستويات الصوت وشدتها وضغطها الصوتي
• ما هو قياس شدة الصوت وتحليلها؟