声学基础知识：声压与声压级

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声压相关基本概念
解释声压的基本概念之前，首先要明白压强的定义。压强的定义为单位面积上所受的压力，压强的单位是Pa（帕），1Pa=1N/m2，即1帕斯卡=1平方米面积上受到1牛顿的压力，1Pa=103mPa=106μPa。

声压的定义是，设体积元受声扰动后压强由P0改变为P1，则由声扰动产生的逾量压强（简称为逾压）P=P1-P0 就称为声压，声压的大小反映了声波的强弱。声音通过空气的振动所产生的压强叫做声压强，简称声压。声压是一标量而不是矢量，它的相位按下列原则区分正负，当声压使总声压增加时，声压相位规定为正，反之为负。

声压的单位为Pa（帕），有时也用bar（巴）作单位，1bar=100KPa。人的耳朵能感受到的最小声压是20μPa，低于此声压人们就感觉不到声音。正常人耳对1KHz声音刚刚能觉察其存在的声压值 (20μPa) 被称为1KHz的可听阈声压。一般情况下，人耳不能察觉到低于这一声压值的声音的存在。

声场中某一瞬时的声压值称为瞬时声压，在一定时间间隔中最大的瞬间声压值称为峰值声压或者巅值声压。如果声压随时间变化是按简谐规律，那么峰值声压也就是声压的振幅。在一定时间间隔中，瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压。

式中，e 代表有效值，T 代表取平均的时间间隔，它可以是一个周期或比周期大得多的时间间隔，我们日常所说的声压和一般电子仪表所测得声压都是有效声压。

下图为某声压测试的时域数据，某一时刻的声压值即为瞬时声压，图中最大的峰值即为峰值声压，这段时间的有效声压为3.49e-3帕。

声压级相关基本概念
1. 声压级与噪声评估

把声压的有效值取对数来表示声音的强弱，这种表示声音强弱的数值叫声压级，声压级以符号SPL表示，单位为分贝 (dB)。

式中，Pe为待测声压的有效值，Pref为参考声压，由于人的耳朵所感受到的最小声压为20μPa，因此在空气中参考声压一般取20μPa，有效声压20μPa的声音声压级为0dB，因此声学上把20μPa定位为听阈，即听觉的阈门。只有高于此值，阈门才能打开，听到声音，人耳可听的声压的幅值波动区间只有20μPa~20Pa，人们常处的声压环境和感受如下图所示。

根据上式可计算，1Pa声压对应的声压级：

这就是平时我们所说的1Pa的声压相当94dB声压级 (SPL)，类似可以计算出：

可知声压增加10倍，声压级在原来基础上增加20dB；声压增加2倍，声压级在原来基础上增加6dB；另外当声压增加到20Pa时，即声压级为120dB，人们的耳朵会感觉到疼痛。因此，声学把120dB定位为痛阈，长时间在此环境下工作会造成听觉系统损坏。噪声污染已经成为当今非常严重的一种污染，声压级是评价噪声污染的重要指标，我国民用建筑室内允许噪声声压级如下表所示。

表 我国民用建筑室内允许噪声级

另外，某些噪声即便相同的声压级，人的主观感受也是不同的，下表为通过抽样调查相同声压级人们的烦恼程度。

表 主观烦恼度统计结果

可以看出，虽然声压级相同，流行歌曲带来的烦恼程度最低，而公交站和金属加工噪声最容易引起烦恼。

2. 1/3倍频程分析

在噪声测量中，采用1/3倍频程频谱分析能更详细地反映出噪声源的频谱特性，便于较全面地了解声源产生机理和提出最佳的降噪对策。而倍频程测量结果简单实用，在吸声、隔声、消声等基本噪声控制元件的性能测量分析中，普遍应用。

倍频程，即倍频程功率谱，是将离散频谱分为一个个的频段，然后分别计算每个频段内的功率谱后汇总得到。其中，n倍倍频程是指以oc=((2)^1/n)为系数，在基准频率f0的前后各取L=f0*oc，然后分段计算功率谱后合并，称为n倍倍频程 。n倍频程是指频率上限和下限之间的频率带为n倍下限频率值。以n=2为例进行说明，每个倍频程带都有一个中心频率与上限和下限频率，如下图所示，每个框代表一个倍频程带，框的左右边界代表上下限频率，中心竖线代表该倍频程带的中心频率。上限与下限频率也称为这个倍频程带的最大与最小频率，且二者之比为2:1。

一个倍频程带可以再划分为三个等比宽度的频带，也就是我们常说的1/3倍频程，如下图所示。

下图为某声压测试倍频程图和1/3倍频程图。

3. A计权

为了模拟人耳听觉在不同频率有不同的灵敏性，在声级计内设计有一种能够模拟人耳的听觉特性，把电信号修正为听感近似值的网络，这种网络叫作计权网络。通过计权网络得到的声级计，已不再是客观物理量的声压级（叫作线性声压级），而是经过听感修正的声压级，叫作计权声级或噪声级。计权网络一般有A、B、C、D四种，A 计权得到的结果与人耳感觉十分接近，因此应用十分广泛；C 计权则比较接近于线性不计权的结果；D 计权用于评价1-10KH频率范围内的单个飞机噪声和脉冲噪声；B 计权一般较少使用。四种频率计权特性如下图所示。

对同一个信号采用不同的计权方式，最后得到的各个频带的声压级是不一样的。对一个随机信号计算线性计权和A计权下的1/3倍频程曲线，从下图中，左图为线性倍频程声压图，右图为A计权后曲线，可见二者差异明显。因此，当计权不同时，结果也是不同的。

声压传声器
传声器 (Miccrophone)，简称MIC，又称话筒、微音器，北方俗称“麦克风”，南方俗称咪头，是一种将声音信号转换为电信号的音响设备。

传声器的结构和外形如下图所示，由非常薄的振动膜片和紧靠膜片的背板组成一个电容器。振膜可以是绷紧的金属膜片或涂有金属的塑料膜片。当膜片受到声波作用时，其电容量发生变化从而产生交变电压，形成变化着的电信号输出。

为了提高传声器的灵敏度，应该减少杂散电容，因此，传声器极头常和第一级前置放大器靠得非常近。一个完整的传声器由极头和前置放大器组成，如下图所示。由于电容传声器的电容量很小，故需要一个高阻抗负载以保证具有低的下限截止频率。

声压传声器容易受到环境影响造成灵敏度变化，因此在声压测试之前，要对声压传声器进行计量，如下图所示，BK4231声级校准器对传声器进行计量。

来源：声振测试微信公众号（ID：gh_21d5ab08b079），作者：于长帅。