Lydtryksniveau

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Lydmængder

Lydtrykniveauet ( engelsk lydtrykniveau og ofte forkortet som SPL) er den titalslogaritme af den kvadratiske forhold mellem effektive værdi af den målte lydtryk og dens referenceværdi på 20 mikropascal, som er almindeligt anvendt i akustik . Lydtryksniveauet er et mål for lydeffekten, der er proportional med kvadratet af lydtrykket.

Det tilhører lydfeltmængderne . Ofte er lydtryksniveauet, selvom det derefter er fysisk tvetydigt, simpelthen lyd kaldet.

definition

Lydtrykniveauet Lp (symbol L for niveau, niveau '.. Med indeks p for tryk, tryk ") Beskriver logaritmen af den kvadrerede forholdet mellem den effektive værdi af lydtrykket (symbol med enheden Pa for Pascal ) af en lydhændelse til kvadratet af referenceværdien p 0 . Resultatet er markeret med den ekstra måleenhed decibel .

.
Lydtryksmåler med numerisk display; foran målemikrofonen

Referenceværdien for luftbåren støj blev sat i begyndelsen af ​​det 20. århundrede til p 0 = 20 µPa = 2 · 10 −5 Pa . Dette lydtryk blev antaget at være høretærsklen for menneskelig hørelse med en frekvens på 1 kHz . Selvom det senere viste sig, at denne værdi blev sat lidt for lavt til 1 kHz, blev den alligevel brugt som referenceværdi vedligeholdes. En referenceværdi på 1 µPa er specificeret til angivelse af et lydtryksniveau i vand og andre medier. Som en niveauvariabel kan lydtryksniveauet antage både positive (lydtryk er større end referenceværdien) og negative (lydtryk er mindre end referenceværdien) værdier.

Det maksimale lydtryk [Pa] kan dog ikke bestemmes ud fra lydtryksniveauet [dB], fordi: Lydtryksniveauet beregnes ud fra trykvariationernes effektive værdi (standardafvigelse, RMS). Og signalets amplitude kan ikke længere bestemmes ud fra en standardafvigelse uden yderligere forudsætninger.

Måling

Lydtryksniveau måles med mikrofoner . Det målbare niveauområde begynder ikke signifikant under 0 dB og ender ved omkring 150 til 160 dB.

Den øvre grænse er baseret på, at lovene for lineær akustik kun er gældende, hvis lufttryksudsvingene er betydeligt mindre end atmosfæretrykket. De adiabatiske tilstandsændringer genereret af tryksvingninger i luften og dermed forholdet mellem de lyd felt størrelser først derefter opføre sig lineært.

Strengt taget er det dog ikke lydniveauet, der måles af mikrofonen, men rms -værdien af ​​lydtrykket. Ud fra dette beregnes lydniveauet i måleenheden derefter i dB.

Målemikrofonernes retningskarakteristik til bestemmelse af lydtryk er generelt sfærisk. Kunstige hoveder bruges til såkaldte binaural lydoptagelser . Man taler om et binaural lydtryksniveau, når der dannes et totalt niveau fra de to lydtryksniveauer i venstre og højre øre. For denne størrelse betegnelsen bspl (b inaural s ound P ressure l evel) har etableret sig på psykoakustik. Dannelsen af ​​BSPL udføres i henhold til den såkaldte 6 dB loudness law [1] ved hjælp af følgende formel:

I denne formel, som kun er gyldig i det diffuse felt, står mængderne L l og L r for det lydtryksniveau, der måles på venstre og højre kunstige hovedøre.

Menneskelig opfattelse

Lydtryksniveauet er et teknisk og ikke et psykoakustisk parameter. Konklusioner fra lydtryksniveauet til den opfattede lydstyrkefornemmelse er kun mulige i meget begrænset omfang. Generelt kan det siges, at en stigning eller et fald i lydtrykniveauet også har en tendens til at frembringe en højere eller mere støjsvag opfattet lydhændelse. Over et lydstyrkeniveau på 40 telefoner (med en 1 kHz sinustone svarer dette til et lydtryksniveau på 40 dB), opfattelsen af ​​lydstyrke følger Stevens 'power law, og en forskel på 10 telefoner opfattes som en fordobling af lydstyrken. Under 40 telefoner fører selv en lille ændring i lydstyrken til følelsen af ​​at fordoble lydstyrken.

Detekterbarheden af ​​ændringer i lydtryksniveauet afhænger af udgangsniveauet. ”Når lydtrykket stiger, bliver hørelsen mere og mere følsom over for ændringer i amplituden af ​​sinusformede toner. Ved et lavt niveau på 20 dB er den lige mærkbare grad af graduering omkring 10%. Ved et niveau på 100 dB når den cirka 1%. " [2]

Høje lydtryksniveauer forårsager ubehag og smerte . Ubehagstærsklen afhænger stærkt af støjens eller støjens type og oprindelse; smertetærsklen er mellem 120 dB og 140 dB afhængigt af støjens frekvenssammensætning. Hvis hørelsen udsættes for lydtryk i området for smertetærsklen, kan der forventes permanent høreskade selv med kun en kort eksponeringstid.

Opfattelse: kurver med samme volumen i henhold til den gældende ISO 226 (2003) (rød) og 40-phon kurve i den originale standard (blå)

Scoret måling

Afhængigheden af ​​det opfattede volumen og lydtryksniveau er stærkt afhængig af frekvens. Denne frekvensafhængighed er i sig selv afhængig af lydtryksniveauet, hvilket betyder, at der er forskellige frekvensafhængigheder for forskellige niveauer. Hvis der skal fremsættes erklæringer om opfattelsen af ​​en lydhændelse, skal lydtrykets frekvensspektrum derfor overvejes - der foretages en frekvensevaluering ved hjælp af filtre markeret med bogstaverne A til G, som tager dette niveau og frekvensafhængig opfattelse taget i betragtning.

Derudover har forløbet over tid en indflydelse på opfattelsen. Dette tages i betragtning ved evalueringen af ​​topværdierne.

For at kunne kvantificere den opfattede lydstyrke er der mængderne af det vægtede lydtrykniveau , volumeniveau og lydstyrke . Loudness -niveau (måleenhed: phon ) og loudness (måleenhed: sone ) er psykoakustiske størrelser, dvs. de beskriver opfattelsen af ​​lyd, ikke dens fysiske egenskaber. Definitionen af ​​sådanne mængder er kun mulig gennem psykoakustiske eksperimenter (lyttetest). Det vægtede lydtryksniveau er til gengæld en forenklet fremstilling, der er afledt af disse fund: Det vægtede lydtryksniveau bestemmes ved at nedbryde et målt spektrum i frekvensområdet til smalbåndsdele og vægtning ("vægtning") af dem i henhold til opfattelsens frekvensafhængighed. Det vægtede samlede niveau skyldes derefter den energiske summering af disse vægtede delniveauer. For at identificere dette tilføjes det anvendte frekvensfilter som et indeks til formelsymbolet og ofte også efter dB -specifikationen i parentes, f.eks. B. L pA = 35 dB (A) ved brug af A -filteret. På en groft forenklet måde antager frekvensfiltrene den samme og konstante lydstyrke for hver frekvensgruppe, der er indeholdt i lyden. Derudover bruges isofonerne (kurver med samme volumen) bestemt for denne lydstyrke for sinusformede individuelle toner til de smalle bånd. Det evaluerede lydtryksniveau giver således en psykoakustisk fejlbehæftet, men stadig brugbar og standardiseret overvejelse af frekvensafhængigheden af ​​menneskelig volumenopfattelse og er afgørende for akustiske grænseværdier i næsten alle lovbestemmelser og enhver standard. Hvilket frekvensfilter (A, B, C eller D) der bruges bedst, afhænger af niveauet for den samlede støj, da hvert af disse filtre er baseret på en anden isofon. Uanset det nuværende overordnede niveau har A -niveauet imidlertid overvejende sejret; der er imidlertid også nationale forskelle på dette område.

Digitale lydniveaumålere kan normalt også vise de psykoakustiske variableres lydstyrke og lydstyrkeniveau. Disse to værdier beregnes løbende ud fra det målte spektrum.

Kontinuerligt lydniveau

Som et tilsvarende kontinuerligt lydniveau betegner det gennemsnitlige lydtryksniveau over målingstiden. Det ækvivalente kontinuerlige lydniveau bruges normalt til at bestemme det vægtede lydtryksniveau .

Der skelnes mellem følgende gennemsnit:

  • Energiækvivalent gennemsnit i henhold til DIN 45 641 ( )
  • Gennemsnit i henhold til DIN 45 643 i overensstemmelse med flystøjloven ( ). Denne gennemsnit tager højde for frekvensen, varigheden og styrken af ​​de enkelte flystøjhændelser.

Lydtryksniveau og lydtryk fra forskellige lydkilder

Situation eller lydkilde afstand fra
Lydkilde
eller måleplacering
Lydtryk
(Effektiv værdi)

uklassificeret
Lydtryksniveau
L s
Højest mulig lyd Omgivende lufttryk 101 325 Pa 194 dB
Jet 30 m 630 Pa 150 dB
Riffel skudt 1 m 200 Pa 140 dB
Smertegrænse ved øret 100 Pa 134 dB
Høreskader
kortvarig eksponering
ved øret fra 20 Pa 120 dB
Jagerfly 100 m 6,3-200 Pa 110-140 dB
Pneumatisk hammer / diskotek 1 m 2 Pa 100 dB
Høreskader
langvarig eksponering
ved øret fra 360 mPa 85 dB
Hovedvej 10 m 200-630 mPa 80-90 dB
Bil 10 m 20-200 mPa 60-80 dB
TV
Rumvolumen
1 m 20 mPa 60 dB
Taler menneske
(normal samtale)
1 m 2-20 mPa 40-60 dB
Meget stille værelse ved øret 200-630 µPa 20-30 dB
Raslende blade,
rolig vejrtrækning
ved øret 63,2 µPa 10 dB
Høretærskel ved 2 kHz ved øret 20 µPa 0 dB

Ved højere lydtrykniveauer opstår der forvrængninger, fordi medietemperaturen bliver trykafhængig på grund af adiabatisk komprimering. Trykmaxima spredes derefter hurtigere end trykminima, hvorfor sinusformede modulationer i stigende grad forvrænges i en savtandform ved højere lydtrykniveauer. Ved særligt høje lydtryk taler man om stødbølger.

Afhængig af måleafstanden

Emissionsmålinger undersøger, hvilken lyd en bestemt lydkilde forårsager (f.eks. Måling af støj fra et fly af en bestemt type). Da lydtrykniveauet altid afhænger af afstanden til lydkilden, ud over angivelsen af ​​det målte niveau, er afstanden r, ved hvilken målingen blev udført, absolut nødvendig for emissionsmålinger.

Ved immissionsmålinger derimod måles lydtryksniveauet på det sted, hvor det påvirker mennesker. Et eksempel er måling af lydtryksniveauet i et hus, der er i tilgang til en lufthavn. Ved immissionsmålinger er antallet af eksisterende lydkilder og deres afstand fra målepunktet uden betydning.

Som et alternativ, når man måler emissioner ved forstyrrelseskilden, er lydeffektniveauet ofte specificeret, hvilket er uafhængigt af afstanden og rummet, da det udtrykker hele lydeffekten fra den pågældende kilde, som udstråles i alle retninger. Det lydtryksniveau, der genereres i en bestemt afstand fra den lydemitterende interferenskilde, kan beregnes direkte ud fra lydeffektniveauet. I denne beregning skal der dog tages hensyn til de lokale forhold på scenen, som beregningen skal gælde for.

Med punktlydkilder (og generelt med kilder, der stråler ensartet i alle rumlige retninger), falder lydtrykniveauet med omkring 6 dB pr. Fordobling af afstanden, dvs. til det halve af lydtrykket. Dette skyldes, at lydtrykket er omvendt proportionalt med afstanden r fra lydkilden i henhold til den såkaldte afstandslov ( 1 / r lov ). Matematisk kan dette forhold let forstås ud fra beregningsformlen for lydtrykket:

Hvis følgende ifølge 1 / r -loven gælder: p 2 / p 1 = r 1 / r 2 , så for en fordobling af afstanden (dvs. r 2 = 2 r 1 ):

Det siges undertiden, at lydtrykket falder med 1 / r 2 . Dette gælder dog kun kvadratstørrelser, såsom lydintensitet eller lydenergi . Også her resulterer fordobling af afstanden i en niveauforskel på 6 dB, da disse energimængder, i modsætning til lydtryk, ikke kvadreres igen i niveauberegningsformlen.

Tilføjelse af lydtryksniveauer for flere lydkilder

Usammenhængende lydkilder

Når man tilføjer usammenhængende lydkilder, skyldes det korrekte samlede niveau den energiske tilføjelse af de involverede lydkilder. Niveauværdier i decibel kan ikke blot lægges sammen. Hvis der kun er tilgængelige lydtrykniveauer for de enkelte lydkilder, der skal tilføjes, skal de kvadratiske lydtryk (som er proportionale med energien) først beregnes ud fra dem. Denne proces kaldes "de-logaritmisering" (analog med "at tage logaritmen" ved beregning af et niveau).

Følgende gælder derfor for det samlede lydtryksniveau for n usammenhængende udstrålende kilder:

Af formlen til beregning af lydtryksniveauet følger det umiddelbart, at:

eller

Indsættelse af dette i ligningen til beregning af det samlede lydniveau resulterer i den tilføjelsesformel, vi leder efter:

Særligt tilfælde af lige så stærke usammenhængende lydkilder

På et bestemt sted genererer to lige så stærke lydkilder hver det samme lydtryk, dvs. også det samme lydtryksniveau. Ved tilføjelse af sådanne usammenhængende kilder forenkles ovenstående ligning til beregning af det samlede lydtrykniveau som følger:

For n = 2 lige stærke, usammenhængende lydkilder, z. B. en niveauforøgelse på 10 · log 10 (2) dB = 3,01 dB i forhold til, at der kun er én kilde tilgængelig. For n = 10 er der en stigning på 10 dB.

Sammenhængende lydkilder

Tilføjelsen af ​​lydtryksniveauerne for sammenhængende lydkilder kan ikke opnås ved simpel energisk tilføjelse. Der forekommer snarere interferens mellem lydsignalerne fra de forskellige kilder. Beregningen af ​​lydtryksniveauet på et bestemt sted er muligt ved at anvende overlejringsprincippet :

Afhængigt af hvordan faseforskellene mellem de forskellige lyde er på det pågældende punkt, forstærkes eller svækkes den samlede lyd. Maksimal forstærkning z. B. opstår, når afstanden dækket af de forskellige lyde er et helt multiplum af bølgelængden. I tilfælde af lige så stærke, sammenhængende lydkilder øges niveauet på disse punkter med maksimal forstærkning ved at fordoble antallet af kilder med 6 dB.

På punkter, hvis afstand til de to kilder adskiller sig med en halv bølgelængde eller et ulige multiplum, annulleres lyden delvist. I særlige tilfælde af lige så stærke kilder er udryddelsen fuldstændig, dvs. niveauet går imod . På alle andre punkter i rummet antager niveauet værdier, der ligger mellem maksimum og minimum.

For punkttype lydkilder i det frie felt er en let beregning af niveauet afhængigt af målestedet let at udføre. I lukkede rum skaber reflekserne derimod et komplekst lydfelt, der kun kan beregnes numerisk under forudsætning af forenklinger.

En fremgangsmåde til aktiv støjreduktion er dannelsen af såkaldte anti- støj. Den interferenseffekt, der opstår mellem sammenhængende lydsignaler, udnyttes rentabelt: Et lydsignal med samme tidskurve og samme størrelsesspektrum som interferenslyden, men med et fasespektrum forskudt med 180 ° i forhold til interferenslyden, slukker det bare. For at annullere den forstyrrende lyd på hvert punkt i rummet, skal antifasesignalet sendes til en højttaler placeret på stedet for interferenskilden. Så ville der overhovedet ikke blive udsendt nogen lyd. Da der i praksis aldrig kan være forskellige lydkilder på præcis det samme sted, er det enten muligt at udsende "antistøj" på en sådan måde, at det annullerer baggrundsstøjen på et bestemt tidspunkt. Men hvis lytteren bevæger sig væk fra dette punkt, fungerer annulleringen værre eller slet ikke, fordi transittidens forskelle mellem forstyrrende og støjdæmpende og som følge heraf ændrer faseforskydningerne. En anden mulighed er at fodre hovedtelefoner med det forstærkede, antifasesignal fra en mikrofon tilsluttet dem [3] . I begge tilfælde er problemet i praksis, at høje frekvenser kun delvist eller ikke kan slukkes: På grund af deres korte bølgelængde kan selv minimale afvigelser i transittidsforskellene føre til betydelige faseskift. Disse kan skyldes unøjagtigheder i de geometriske positioner (lydkilde, anti-lydkilde, lytter), behandlingstider for den anvendte signalprocessor eller temperatursvingninger i luften.

svulme

  1. DW Robinson og LS Whittle, Acustica, Vol. 10 (1960), s. 74-80
  2. E. Zwicker, R. Feldtkeller: Øret som beskedmodtager. S. Hirzel, Stuttgart 1967.
  3. Betegnelse f.eks. B. Støjvagt

Weblinks

Commons : Lydniveaumålere - samling af billeder, videoer og lydfiler