Pressão sonora

A pressão do som é uma medida do ambiente sonoro em um ponto, independente da direção do sinal. Data chave

Unidades SI	pascal (Pa)
Dimensão	M · L -1 · T -2 $\,$ $\,$
Natureza	Tamanho escalar intensivo
Símbolo usual	${\ displaystyle P, p}$
Link para outros tamanhos	${\ displaystyle {\ overrightarrow {I}}}$ = . $p$ ${\ displaystyle {\ overrightarrow {v}}}$

A pressão do som é o valor efetivo durante um determinado intervalo de tempo, a amplitude da variação rápida da pressão atmosférica que causa um som de impressão. A unidade SI para pressão é o pascal (equivalente a N / m², símbolo: Pa); esta unidade se aplica à pressão sonora.

As variações na pressão atmosférica capazes de causar uma sensação auditiva podem ser analisadas em frequências que variam de alguns hertz (unidade que representa o número de ciclos por segundo, abreviatura Hz) a vários milhares de hertz. As vibrações do ar seguem as mesmas leis físicas, sejam elas audíveis ou não ( ultrassom ), também a acústica faz o estudo da mecânica da transmissão das vibrações e o estudo da impressão auditiva. Que estas causam dois domínios distintos , respectivamente, acústica física e psicoacústica .

A variação de pressão correspondente às ondas sonoras é geralmente muito pequena em comparação com a pressão atmosférica (estática). Uma pessoa que fala normalmente produz uma pressão acústica da ordem de 0,1 pascal (Pa) a uma distância de um metro, um milhão de vezes menos que a pressão atmosférica média ao nível do mar ( 101.300 Pa ) .

Porém, a pressão sonora desenvolve em contato com uma parede uma potência que possibilita a fabricação de transdutores , nos quais a força produzida pela pressão sonora deforma uma membrana especialmente desenhada para esse fim, exposta em uma de suas faces ao espaço sonoro. , enquanto a outra face dá um espaço isolado de rápidas variações que preserva a pressão atmosférica média. Os primeiros fonógrafos e sonógrafos usaram diretamente essa energia mecânica para gravar um suporte de cera ou para mover um marcador em um papel. Os microfones o convertem em eletricidade . No ouvido , um delicado conjunto de membranas, pequenos ossos e células ciliadas transforma essa mesma força em impulsos nervosos, base da percepção do som.

Usar

A pressão sonora é a grandeza física mais simples que se correlaciona com a sensação de potência ou volume do som ( loudness ): os sons considerados altos correspondem a pressões sonoras altas, e se, todas as outras avaliações sendo iguais (baixa ou alta, percussiva ou contínua , etc ), um som torna-se mais alto , ele significa que os correspondentes aumentos de pressão de som, e por outro lado, se o som enfraquece enquanto as suas outras qualidades permanecem as mesmas, isso significa que a sua pressão sonora diminui.

Quantificação da sensação sonora

As disciplinas que devem quantificar o som, ou seja, para corresponder a um local um número que representa a força da percepção do som neste local, baseiam-se na avaliação da pressão sonora.

Os estudos de acústica arquitetônica, assim como as técnicas relacionadas ao reforço sonoro , preocupam-se com os meios necessários para utilizar o som como meio de comunicação. A quantificação do som é necessária para que eles possam comparar várias situações e os meios necessários para atingir seus objetivos.

Os estudos de acústica ambiental têm origem nas queixas de pessoas que acreditam que o som que chega até elas é um incômodo , ou mesmo um atentado à saúde. Essas reclamações geram litígios. Para garantir a equidade, estes devem ser resolvidos com base em medidas que permitam a comparação entre as situações. Estas medidas intervêm bastante tardiamente na constituição dos litígios e limitam a multiplicação dos litígios.

No entanto, a relação entre pressão sonora e sensação sonora está longe de ser simples e direta, sendo objeto de todo um campo de estudos que respondem às diferentes formas de apreensão do som, seja como instrumento de prazer e de comunicação, seja como um elemento de constrangimento.

Campo de pressão acústica

Como a pressão acústica varia de um lugar para outro, dependendo da propagação das ondas sonoras, podemos associar um valor a cada ponto no espaço. Esta propriedade transforma o espaço sonoro em um campo .

A física dos campos e o formalismo matemático que lhe está associado produziram uma série de resultados que permitiram a modelação destes espaços.

Fisica

Pressão sonora instantânea

O valor da variação da pressão é denominado pressão sonora instantânea . É freqüentemente observado , em oposição a , o que representa a pressão absoluta instantânea. $p '$ $p$

A pressão sonora oscila em torno da pressão ambiente ( pressão atmosférica no caso do ar). A noção de pressão sonora instantânea inclui uma noção de diferenciação implícita. Consideramos as variações em torno de uma pressão estável; a variação da pressão atmosférica, é a integração das pressões ao longo de um determinado período . Em um determinado ponto, escrevemos: ${\ displaystyle \ textstyle P_ {a}}$ $t_i$

{\ 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 \;.}

É necessário escolher para determinar uma frequência abaixo da qual a variação da pressão não faça parte da pressão acústica. Em geral, o transdutor utilizado para fazer a medição realiza a diferenciação: microfones não são barômetros, mesmo que ambos transformem a pressão em outra grandeza. $\ tau$

Potência acústica

Em uma superfície perpendicular à direção de propagação, uma onda sonora desenvolve uma potência proporcional à área e ao quadrado da pressão sonora:

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

ou :

$S$ é a área da parede;
$p$ é a pressão do som;
$\ rho _ {0}$ é a densidade do ar , igual a 1,2 kg / m 3 em condições normais de temperatura, umidade e pressão atmosférica ;
$vs$ é a velocidade do som , igual a 343 m / s nas mesmas condições.

Em contato com uma parede, a pressão exerce uma força que deforma a parede. O produto dessa tensão por pressão e área é a potência transmitida à matéria do objeto, enquanto o restante da potência do som é refletido.

Exemplo: potência acústica em uma membrana de microfone:

ou uma membrana de microfone de 25 mm de diâmetro alcançada por uma onda sonora perpendicular com uma pressão sonora efetiva de 1 Pa . A área da parede é de 5 × 10 −4 m 2 , a potência do som na área da membrana é de 1,2 µW .

Toda a potência transmitida por microfones dinâmicos vem da vibração do som. Se o fabricante anunciar, para este microfone, uma eficiência de 2 mV sem carga para 1 Pa com impedância de 200 ohms, este pode fornecer uma potência máxima de 0,005 µW na forma de um sinal elétrico que descreve a onda sonora.

Nesta aplicação, estamos mais interessados em uma transferência correta da onda acústica em um sinal elétrico do que na eficiência da conversão.

Pressão sonora efetiva (RMS)

Para medições de nível de som, estamos menos interessados nos valores da pressão sonora instantânea do que na potência que as ondas sonoras podem mobilizar, da qual dependem os efeitos do som, em particular no ouvido. É, portanto, essa potência, proporcional ao quadrado da pressão sonora, que é utilizada para avaliar o nível sonoro.

O valor efetivo da pressão sonora é calculado ao longo de um período de integração : ${\ displaystyle p _ {\ textrm {eff}} (t)}$ ${\ displaystyle t_ {i}}$

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

Essa integração do quadrado da pressão instantânea é mais frequentemente realizada por um circuito integrador eletrônico simples . O tempo de integração deve ser suficientemente longo: várias vezes o período da frequência mais baixa considerada para a pressão sonora instantânea.

Percepção

Em aplicações de comunicação humana (telefone, música, audiovisual), as frequências de 20 Hz a 20.000 Hz são levadas em consideração , as quais cobrem a sensibilidade do ouvido humano de forma bastante ampla.

O valor efetivo da pressão sonora dos sons mais fracos que o ouvido humano é capaz de perceber é de algumas dezenas de micropascais para uma faixa de frequência em torno de 1.500 Hz .
Os sons mais altos, como sirenes, tiros ou explosões, atingem várias dezenas de Pa, com danos irreversíveis à audição.

Em vez de uma pressão sonora bruta em pascais , é prática comum comunicar o nível de pressão sonora em relação a uma pressão sonora de referência em decibéis , na maioria das vezes com uma ponderação de frequência.

O SPL ( nível de pressão sonora - SPL) ) detecta o valor efetivo da pressão sonora em relação a um valor de referência igual a 20 μPa . Em vez da proporção bruta, usamos o decibel , que é dez vezes seu logaritmo decimal. Esta representação simples usa números inteiros. Um decibel (uma variação de 12%) é aproximadamente a menor variação na pressão sonora que os humanos podem distinguir; o nível de referência corresponde à pressão sonora de uma onda sonora com intensidade acústica de 1 pW / m 2 , som um pouco mais tênue do que o mais fraco que o ouvido humano pode perceber. Assim, obtemos um benchmark prático onde todos os níveis são números positivos e não têm decimais. Por convenção, o nível de pressão sonora é denotado por e é igual a ${\ displaystyle L_ {p}}$

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

onde é a referência de pressão sonora e é o valor efetivo ( pressão sonora RMS ) medido. ${\ displaystyle p _ {\ mathrm {\ text {ref}}} = 20 \; \ mu {\ text {Pa}}}$ ${\ displaystyle p _ {\ mathrm {eff}}}$

Exemplo:

Uma pressão sonora efetiva de 1 Pa é mais comumente conhecida como 94 dB SPL. Se aumentar para 1,12 Pa , diremos que aumentou para 95 dB NPS;
Uma pressão sonora efetiva de 0,02 Pa é expressa em 60 dB NPS, e se aumentar 12%, como a anterior, para se encontrar em 0,022 4 Pa , diremos que aumentou em 1 dB até 61 dB NPS.

Outras aplicações, como hidrofônica , exploração de ultrassom, estudo das vibrações de materiais, têm outras referências. Em meio líquido, um nível de referência de 1 µPa é usado com mais frequência. Essas referências são definidas pelo padrão ANSI S1.1-1994.

Pressão acústica e impressão de som ou volume

O ouvido humano é mais sensível a certos tipos de som do que a outros. A impressão do volume do som depende muito da frequência. Muitos pesquisadores estabeleceram curvas de sensibilidade de tom puro. Essas curvas determinam a frequência ponderada da pressão acústica para obter fones , uma unidade de som perceptivo ( volume ou ruído ). Para este fim, são combinados os seguintes:

sensibilidade da banda, ou seja, quando um som é composto por várias bandas de frequência, aquela com a pressão sonora mais alta contribui mais do que as outras para a impressão sonora;
o efeito máscara, que significa que um som que realmente representa a pressão acústica não participa da impressão de volume, pois outro, mais alto e localizado na mesma faixa de frequência, impede que seja percebido;
efeitos temporais, que fazem um som parecer menos forte quando sua duração não atinge um determinado limiar;
a acústica da sala de audição influencia o nível de som percebido; não se sente com a mesma força um som difuso e outro idêntico no timbre e na pressão acústica, vindo de uma fonte definida.

O estabelecimento de uma medida psicoacústica de som é uma questão de estudos especializados.

Veja também

Bibliografia

Patrice Bourcet e Pierre Liénard , “Fundamental acoustics” , em O livro de técnicas de som, volume 1 - Conceitos fundamentais , Paris, Eyrolles,1987, p. 13-43

Antonio Fischetti , Iniciação à acústica: Escolas de cinema - Audiovisual BTS , Paris, Belin ,2001, 287 p.
Mario Rossi , Audio , Lausanne, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes,2007

Vincent Martin , Elementos de acústica geral , Lausanne, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes,2007

links externos

Notas e referências

AFNOR. NF S30-101, setembro de 1973, Vocabulário de acústica - Definições gerais ; Comissão Eletrotécnica Internacional : Electropedia 801-21-20 .
Consulte Gravação de som .
Agência regional de saúde da Ile de France, " Guia para lidar com reclamações de ruído na vizinhança para prefeitos e serviços municipais de higiene e saúde " ,Julho de 2013(acessado em 19 de janeiro de 2021 ) .
(em) WH Martin , " The Transmission Unit and Telephone Transmission Reference Systems " , Bell Systems Technical Journal , vol. 3, n o 3,Julho de 1924, p. 400-408 ( ler online , acessado em 25 de maio de 2012 ).
(in) Bies e David A. Hansen, Colin (2003), Engineering Noise Control .
(in) como: Acústica subaquática ; CL Morfey, Dicionário de Acústica , Academic Press, San Diego, 2001.