Pressione sonora

La pressione sonora è una misura dell'ambiente sonoro in un punto, indipendente dalla direzione del segnale. Dati chiave

Unità SI	pascal (Pa)
Dimensione	M · L -1 · T -2 $\,$ $\,$
Natura	Taglia scalare intensiva
Simbolo usuale	${\ displaystyle P, p}$
Collegamento ad altre dimensioni	${\ displaystyle {\ overrightarrow {I}}}$ = . $p$ ${\ displaystyle {\ overrightarrow {vb}}}$

La pressione sonora è il valore effettivo in un dato intervallo di tempo, l' ampiezza della rapida variazione della pressione atmosferica che provoca un suono di stampa. L' unità SI per la pressione è il pascal (equivalente a N / m², simbolo: Pa); questa unità si applica alla pressione sonora.

Le variazioni della pressione atmosferica in grado di provocare una sensazione uditiva possono essere analizzate in frequenze che vanno da pochi hertz (unità che rappresenta il numero di cicli al secondo, abbreviazione Hz) a diverse migliaia di hertz. Le vibrazioni dell'aria seguono le stesse leggi fisiche, siano esse udibili o meno ( ultrasuoni ), inoltre l' acustica fa lo studio della meccanica della trasmissione delle vibrazioni e lo studio dell'impressione uditiva. Che queste provocano due domini distinti , rispettivamente, l'acustica fisica e la psicoacustica .

La variazione di pressione corrispondente alle onde sonore è solitamente molto piccola rispetto alla pressione atmosferica (statica). Una persona che parla normalmente produce una pressione acustica dell'ordine di 0,1 pascal (Pa) a una distanza di un metro, un milione di volte inferiore alla pressione atmosferica media a livello del mare ( 101.300 Pa ) .

Tuttavia, la pressione sonora sviluppa al contatto con una parete una potenza che consente di realizzare trasduttori , in cui la forza prodotta dalla pressione sonora deforma una membrana appositamente progettata per questo scopo, esposta su una delle sue facce allo spazio sonoro. , mentre l'altra faccia dà su uno spazio isolato di rapide variazioni che preserva la pressione atmosferica media. I primi fonografi e sonagrafi utilizzavano direttamente questa energia meccanica per incidere un supporto di cera o per spostare un tracciante su una carta. I microfoni lo convertono in elettricità . Nel orecchio , un'assemblea delicata di membrane, piccole ossa e cellule ciliate trasforma questa stessa potenza in impulsi nervosi, la base della percezione del suono.

Uso

La pressione sonora è la grandezza fisica più semplice che è correlata alla sensazione di potenza o volume del suono ( loudness ): i suoni considerati forti corrispondono a pressioni sonore elevate e se, a parità di tutte le altre valutazioni (bassa o alta, percussiva o continua , ecc. ), un suono diventa più forte , significa che la pressione sonora corrispondente aumenta, e viceversa, se il suono si indebolisce mentre le sue altre qualità rimangono le stesse, significa che la sua pressione sonora diminuisce.

Quantificazione della sensazione sonora

Le discipline che devono quantificare il suono, cioè far corrispondere a un luogo un numero che rappresenta la forza della percezione del suono in questo luogo, si basano sulla valutazione della pressione sonora.

Gli studi di acustica architettonica, così come le tecniche relative al rinforzo sonoro , riguardano i mezzi necessari per utilizzare il suono come mezzo di comunicazione. La quantificazione del suono è necessaria per confrontare le varie situazioni e i mezzi necessari per raggiungere i loro obiettivi.

Gli studi sull'acustica ambientale hanno origine nei reclami di persone che credono che il suono che li raggiunge sia un fastidio o addirittura un attacco alla loro salute. Queste denunce danno luogo a contenzioso. Per garantire la correttezza, queste devono essere regolate sulla base di misure che consentano di confrontare le situazioni tra loro. Questi provvedimenti intervengono piuttosto tardi nella costituzione delle controversie e limitano il moltiplicarsi delle controversie.

Tuttavia, il rapporto tra pressione sonora e sensazione sonora è tutt'altro che semplice e diretto, ed è oggetto di un intero campo di studi che rispondono ai diversi modi di apprendere il suono, sia come strumento di piacere e di comunicazione, sia come un elemento di imbarazzo.

Campo di pressione acustica

La pressione acustica variando da un luogo all'altro, in base alla propagazione delle onde sonore, possiamo associare un valore ad ogni punto nello spazio. Questa proprietà rende lo spazio sonoro un campo .

La fisica dei campi e il formalismo matematico ad essa associato hanno prodotto una quantità di risultati che hanno permesso la modellazione di questi spazi.

Fisico

Pressione sonora istantanea

Il valore della variazione di pressione è chiamato pressione sonora istantanea . È spesso notato , al contrario di , che rappresenta la pressione assoluta istantanea. $p '$ $p$

La pressione sonora oscilla intorno alla pressione ambiente ( pressione atmosferica nel caso dell'aria). La nozione di pressione sonora istantanea include una nozione di differenziazione implicita. Consideriamo le variazioni intorno a una pressione stabile; la pressione atmosferica variando, si tratta dell'integrazione delle pressioni in un certo periodo . Ad un certo punto scriviamo: ${\ displaystyle \ textstyle P_ {a}}$ $t_i$

{\ displaystyle p \, '(t_ {0}) = p (t_ {0}) - P_ {a} = p (t_ {0}) - \ int _ {t = 0} ^ {\ infty} e ^ {- {\ frac {t} {\ tau}}} p (t_ {0} -t) \, \ mathrm {d} t \;.}

È necessario scegliere in modo da determinare una frequenza al di sotto della quale la variazione di pressione non fa parte della pressione acustica. In generale, il trasduttore utilizzato per effettuare la misura effettua la differenziazione: i microfoni non sono barometri, anche se entrambi trasformano la pressione in un'altra grandezza. $\ tau$

Potenza acustica

Su una superficie perpendicolare alla direzione di propagazione, un'onda sonora sviluppa una potenza proporzionale all'area e al quadrato della pressione sonora:

{\ displaystyle P = S {\ frac {p ^ {2}} {\ rho _ {0} \ c}} \;,}

o :

$S$ è l'area del muro;
$p$ è la pressione sonora;
$\ rho _ {0}$ è la densità dell'aria , pari a 1,2 kg / m 3 alle normali condizioni di temperatura, umidità e pressione atmosferica ;
$vs$ è la velocità del suono , pari a 343 m / s nelle stesse condizioni.

A contatto con una parete, la pressione esercita una forza che deforma la parete. Il prodotto di questo sforzo per pressione e area è la potenza trasmessa alla materia dell'oggetto, mentre il resto della potenza sonora viene riflessa.

Esempio: potenza acustica su una membrana del microfono:

oppure una membrana microfonica di 25 mm di diametro raggiunta da un'onda sonora perpendicolare con una pressione sonora effettiva di 1 Pa . L'area della parete è 5 × 10 −4 m 2 , la potenza sonora sull'area della membrana è di 1,2 µW .

Tutta la potenza trasmessa dai microfoni dinamici proviene dalla vibrazione del suono. Se il produttore annuncia, per questo microfono, un'efficienza di 2 mV senza carico per 1 Pa con un'impedenza di 200 ohm, questo può fornire una potenza massima di 0,005 µW sotto forma di un segnale elettrico che descrive l'onda sonora.

In questa applicazione siamo più interessati a un corretto trasferimento dell'onda acustica in un segnale elettrico che all'efficienza della conversione.

Pressione sonora effettiva (RMS)

Per le misure di livello sonoro siamo meno interessati ai valori della pressione sonora istantanea che alla potenza che le onde sonore possono mobilitare, da cui dipendono gli effetti del suono, in particolare sull'orecchio. È quindi questa potenza, proporzionale al quadrato della pressione sonora, che viene utilizzata per valutare il livello sonoro.

Il valore effettivo della pressione sonora viene calcolato su un periodo di integrazione : ${\ displaystyle p _ {\ textrm {eff}} (t)}$ ${\ displaystyle t_ {i}}$

{\ displaystyle p _ {\ textrm {eff}} (t) = {\ sqrt {{\ frac {1} {t_ {i}}} \ cdot \ int _ {t-t_ {i}} ^ {t} p '^ {2} (t) \, \ mathrm {d} t}} \;.}

Questa integrazione del quadrato della pressione istantanea è molto spesso realizzata da un semplice circuito integratore elettronico . Il tempo di integrazione deve essere sufficientemente lungo: più volte il periodo della frequenza più bassa considerato per la pressione sonora istantanea.

Percezione

Nelle applicazioni di comunicazione umana (telefono, musica, audiovisivo), vengono prese in considerazione le frequenze da 20 Hz a 20.000 Hz , che coprono abbastanza ampiamente la sensibilità dell'orecchio umano.

Il valore effettivo della pressione sonora dei suoni più deboli che l'orecchio umano è in grado di percepire è di poche decine di micropascal per una gamma di frequenze intorno ai 1500 Hz .
I suoni più forti, come sirene, spari o esplosioni, raggiungono diverse decine di Pa, con danni irreversibili all'udito.

Piuttosto che una pressione sonora grezza in pascal , è pratica comune comunicare il livello di pressione sonora relativo a una pressione sonora di riferimento in decibel , il più delle volte con una ponderazione in frequenza.

L' SPL ( livello di pressione sonora - SPL) ) rileva il valore effettivo della pressione sonora rispetto ad un valore di riferimento pari a 20 μPa . Invece del rapporto grezzo, usiamo il decibel , che è dieci volte il suo logaritmo decimale. Questa semplice rappresentazione utilizza numeri interi. Un decibel (una variazione del 12%) è all'incirca la più piccola variazione della pressione sonora che gli esseri umani possono distinguere; il livello di riferimento corrisponde alla pressione acustica di un'onda sonora con un'intensità acustica di 1 pW / m 2 , suono un po 'più tenue del più debole che l'orecchio umano può percepire. Otteniamo così un benchmark pratico in cui tutti i livelli sono numeri positivi e fanno a meno dei decimali. Per convenzione, il livello di pressione sonora è indicato da ed è uguale a ${\ displaystyle L_ {p}}$

${\ displaystyle L_ {p} = 10 \ cdot \ log _ {10} \ left ({\ frac {{p _ {\ mathrm {eff}}} ^ {2}} {{p _ {\ mathrm {\ text {ref}}}} ^ {2}}} \ right) = 20 \ cdot \ log _ {10} \ left ({\ frac {p _ {\ mathrm {eff}}} {p _ {\ mathrm {\ testo {ref}}}}} \ right)}$ [in ], ${\ displaystyle {\ mbox {dB}}}$

dove è il riferimento della pressione sonora ed è il valore effettivo ( pressione sonora RMS ) misurato. ${\ displaystyle p _ {\ mathrm {\ text {ref}}} = 20 \; \ mu {\ text {Pa}}}$ ${\ displaystyle p _ {\ mathrm {eff}}}$

Esempio:

Una pressione sonora effettiva di 1 Pa è più comunemente indicata come 94 dB SPL. Se aumenta a 1,12 Pa , diremo che è aumentato a 95 dB SPL;
Una pressione sonora effettiva di 0,02 Pa viene espressa come 60 dB SPL, e se aumenta del 12%, come la precedente, per trovarsi a 0,022 4 Pa , diremo che è aumentata di 1 dB fino a 61 dB SPL.

Altre applicazioni, come l' idrofonica , l'esplorazione ecografica, lo studio delle vibrazioni dei materiali, hanno altri riferimenti. Nei mezzi liquidi, viene utilizzato più spesso un livello di riferimento di 1 µPa . Questi riferimenti sono definiti dallo standard ANSI S1.1-1994.

Pressione acustica e impressione sonora o volume

L'orecchio umano è più sensibile a certi tipi di suono che ad altri. L'impressione del volume del suono dipende in gran parte dalla frequenza. Molti ricercatori hanno stabilito curve di sensibilità al tono puro. Queste curve determinano la ponderazione in frequenza della pressione acustica per ottenere i telefoni , un'unità di suono percettivo ( volume o rumorosità ). A tal fine, vengono combinati:

sensibilità della banda, il che significa che quando un suono è composto da più bande di frequenza, quella con la pressione sonora più alta contribuisce più delle altre all'impressione sonora;
l'effetto maschera, che significa che un suono che rappresenta effettivamente una pressione acustica non partecipa all'impressione di volume, perché un altro, più forte e situato nella stessa banda di frequenza, ne impedisce la percezione;
effetti temporali, che fanno sembrare un suono meno forte quando la sua durata non raggiunge una certa soglia;
l'acustica della stanza d'ascolto influenza il livello sonoro percepito; non si sente con la stessa forza un suono diffuso e un altro, identico nel timbro e nella pressione acustica, proveniente da una sorgente definita.

L'istituzione di una misura psicoacustica del suono è compito di studi specializzati.

Vedi anche

Bibliografia

Patrice Bourcet e Pierre Liénard , "Fundamental acoustics" , in Il libro delle tecniche del suono, volume 1 - Concetti fondamentali , Parigi, Eyrolles,1987, p. 13-43

Antonio Fischetti , Iniziazione all'acustica: Scuole di cinema - Audiovisivi BTS , Parigi, Belin ,2001, 287 p.
Mario Rossi , Audio , Lausanne, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes,2007

Vincent Martin , Elementi di acustica generale , Losanna, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes,2007

link esterno

Note e riferimenti

AFNOR. NF S30-101, settembre 1973, Vocabolario di acustica - Definizioni generali ; Commissione elettrotecnica internazionale : Electropedia 801-21-20 .
Vedi registrazione audio .
Agenzia sanitaria regionale Ile de France, " Guida alla gestione dei reclami sul rumore di quartiere per sindaci e servizi sanitari e igienici comunali " ,luglio 2013(accesso 19 gennaio 2021 ) .
(in) WH Martin , " The Transmission Unit and Telephone Transmission Reference Systems " , Bell Systems Technical Journal , vol. 3, n o 3,Luglio 1924, p. 400-408 ( letto online , accesso 25 maggio 2012 ).
(a) Bies, e David A. Hansen, Colin (2003), Engineering Noise Control .
(in) come: Acustica subacquea ; CL Morfey, Dictionary of Acoustics , Academic Press, San Diego, 2001.