Măsurarea intensității acustice este o tehnică care ne permite să măsurăm fluxul de energie sonoră ca o cantitate vectorială medie în timp. Aceste proprietăți ale intensității sunetului ne permit să separăm sursele de sunet și să distingem sunetul direct de sunetul reflectat într-o încăpere. Acest ghid prezintă subiectul măsurării intensității sunetului, inclusiv teoria de bază, modul în care este măsurată în practică și aplicațiile comune.

 

Variațiile de presiune a aerului pe care le percepem ca sunet pot fi măsurate pur și simplu cu ajutorul unui sonometru. Aceste măsurători ale nivelului de presiune acustică oferă o imagine precisă a nivelurilor de sunet în punctul de măsurare, dar nu sunt întotdeauna suficiente pentru a răspunde la întrebări legate de sursele de sunet.

Așadar, înainte de a înțelege ce este intensitatea sunetului și cum să o măsurăm, trebuie să înțelegem cum se leagă aceasta de presiunea și puterea sunetului.

 

1. Presiunea acustică și puterea sunetului

O sursă de sunet radiază energie, iar acest lucru are ca rezultat presiunea sonoră într-un anumit punct din spațiu. Puterea sunetului este cauza, presiunea sonoră este efectul.

Luați în considerare următoarea analogie: Un calorifer electric radiază căldură (puterea) într-o cameră, iar temperatura este efectul (presiunea). Temperatura este, de asemenea, cantitatea fizică care ne face să simțim cald sau rece. Temperatura din încăpere depinde, în mod evident, de încăperea în sine, de izolație și de prezența sau nu a altor surse de căldură. Dar, pentru aceeași putere electrică de intrare, caloriferul radiază aceeași putere, practic independent de mediul înconjurător.

Relația dintre puterea acustică și presiunea acustică este similară. Ceea ce auzim este presiunea sonoră, dar aceasta este cauzată de puterea sonoră emisă de sursă.

Presiunea acustică pe care o auzim sau o măsurăm cu un microfon depinde de distanța față de sursă și de mediul acustic (sau câmpul sonor) în care sunt prezente undele sonore. La rândul său, acesta depinde de dimensiunea încăperii și de absorbția acustică a suprafețelor. Așadar, prin măsurarea presiunii sonore nu putem cuantifica neapărat cât de mult zgomot face o mașină.

Trebuie să determinam puterea acustică, deoarece această mărime este independentă de mediu și este descriptorul unic al zgomotului unei surse de sunet.

 

2. Ce este intensitatea sunetului?

Orice piesă de mașină care vibrează radiază energie acustică. Puterea acustică reprezintă rata la care energia este radiată (energie pe unitate de timp). Intensitatea sunetului descrie rata de curgere a energiei printr-o unitate de suprafață. În sistemul de unități SI, unitatea de suprafață este 1 m². Și, prin urmare, unitățile de măsură pentru intensitatea sunetului sunt wați pe metru pătrat.

Intensitatea sunetului oferă, de asemenea, o măsură a direcției, deoarece va exista un flux de energie în anumite direcții, dar nu și în altele. Prin urmare, intensitatea sunetului este o mărime vectorială, deoarece are atât magnitudine, cât și direcție. Pe de altă parte, presiunea este o mărime scalară, deoarece are doar magnitudine. De obicei, măsurăm intensitatea pe o direcție normală (la 90°) la o anumită suprafață unitară prin care trece energia sonoră.

De asemenea, trebuie să precizăm că intensitatea sunetului este rata medie în timp a fluxului de energie pe unitatea de suprafață. În unele cazuri, energia poate să se deplaseze înainte și înapoi. Acest lucru nu va fi măsurat; dacă nu există un flux net de energie, nu va exista o intensitate netă.

În diagrama de mai jos, sursa de sunet radiază energie. Toată această energie trebuie să treacă printr-o zonă care înconjoară sursa. Deoarece intensitatea este puterea pe suprafață, putem măsura cu ușurință intensitatea normală medie spațială pe o suprafață care înconjoară sursa și apoi o putem înmulți cu suprafața pentru a afla puterea sunetului. Rețineți că intensitatea (și presiunea) urmează legea pătratului invers pentru propagarea în câmp liber.

Acest lucru se poate observa în diagramă, la o distanță de 2r de la sursă, suprafața care înconjoară sursa este de 4 ori mai mare decât cea de la distanța r. Cu toate acestea, puterea radiată trebuie să fie aceeași indiferent de distanță și, prin urmare, intensitatea, adică puterea pe suprafață, trebuie să scadă.

 

3. De ce se măsoară intensitatea sunetului?

Putem determina puterea acustică a unui obiect din măsurători ale presiunii sonore, dar există provocări practice. În timp ce puterea acustică poate fi legată de presiunea acustică, acest lucru se întâmplă numai în condiții atent controlate, în care se fac ipoteze speciale cu privire la câmpul acustic. Încăperi special construite, cum ar fi camerele anecoice sau reverberante, îndeplinesc aceste cerințe. În mod tradițional, pentru a măsura puterea acustică, sursa de zgomot trebuie să fie plasată în acest tip de camere.

Cu toate acestea, intensitatea sunetului poate fi măsurată necondiționat în orice câmp sonor. Această proprietate permite ca toate măsurătorile să fie efectuate direct in situ. Iar măsurătorile pe mașini individuale sau pe componente individuale pot fi efectuate chiar și atunci când toate celelalte radiază zgomot, deoarece zgomotul de fond constant nu contribuie la puterea acustică determinată la măsurarea intensității.

Deoarece intensitatea sunetului oferă o măsură a direcției, precum și a magnitudinii, este, de asemenea, foarte utilă pentru localizarea surselor de sunet. Prin urmare, modelele de radiație ale mașinilor complexe care vibrează pot fi studiate in situ.

 

4. Câmpuri sonore

Un câmp sonor este o regiune în care există sunet. Acesta este clasificat în funcție de modul și de mediul în care se deplasează undele sonore. În continuare vor fi descrise câteva exemple și se va discuta relația dintre presiune și intensitate. Această relație este cunoscută cu precizie numai în primele două cazuri speciale descrise mai jos.

 

4.1. Câmpul liber

Acest termen descrie propagarea sunetului într-un spațiu liber ideal în care nu există reflexii. Aceste condiții sunt valabile în aer liber (suficient de departe de sol) sau într-o cameră anecoică, unde tot sunetul care lovește pereții absorbanți. Propagarea în câmp liber este caracterizată de o scădere de 6 dB a nivelului de presiune acustică și a nivelului de intensitate (în direcția de propagare a sunetului) de fiecare dată când distanța față de sursă este dublată. Aceasta este pur și simplu o confirmare a legii pătratului invers. Relația dintre presiunea acustică și intensitatea sunetului (doar magnitudinea) este, de asemenea, cunoscută. Aceasta oferă o modalitate de a afla puterea sunetului, care este descrisă în standardele internaționale ISO 3744, 3745 și 3746.

4.2. Câmpul difuz

Într-un câmp difuz, sunetul este reflectat de atât de multe ori încât se propagă în toate direcțiile cu aceeași magnitudine și probabilitate. Acest câmp este aproximat într-o cameră reverberantă. Deși intensitatea netă este zero, există o relație teoretică care leagă presiunea din încăpere de intensitatea unilaterală, I_x. Aceasta este intensitatea într-o direcție, ignorând componenta egală și opusă. Intensitatea unilaterală nu poate fi măsurată de un analizor de intensitate sonoră, dar este totuși o mărime utilă: prin măsurarea presiunii, putem folosi relația dintre presiune și intensitatea unilaterală pentru a afla puterea sonoră. Acest lucru este descris în ISO 3741, 3743 și 3747.

4.3. Câmpuri sonore active și reactive

Propagarea sunetului implică un flux de energie, dar poate exista totuși o presiune sonoră chiar și atunci când nu există propagare. Un câmp activ este un câmp în care există un flux de energie. Într-un câmp pur reactiv, nu există flux de energie. În orice moment, energia poate călători spre exterior, dar se va întoarce întotdeauna la un moment ulterior. Energia este stocată ca într-un resort. Prin urmare, intensitatea netă este zero. În general, un câmp sonor va avea atât componente active, cât și reactive. Măsurătorile de presiune pentru puterea sunetului în câmpuri, care nu sunt bine definite, pot fi nesigure, deoarece partea reactivă nu are legătură cu puterea radiată. Cu toate acestea, putem măsura intensitatea sunetului. Deoarece intensitatea sunetului descrie fluxul de energie, nu va exista nicio contribuție din partea componentei reactive a câmpului. Urmează două exemple de câmpuri reactive.

 

4.4. Undele staționare într-o țeavă

Luați în considerare un piston care mișcă aerul la un capăt al unui tub. La celălalt capăt, există o suprafață care face ca undele sonore să fie reflectate. Combinația dintre undele care se deplasează înainte și cele reflectate produce modele de maxime și minime de presiune, care apar la distanțe fixe de-a lungul tubului. Dacă capătul este complet rigid, toată energia este reflectată, iar intensitatea netă este zero. În cazul unui capăt absorbant, se va măsura o anumită intensitate. Undele staționare sunt, de asemenea, prezente în încăperi la frecvențe joase.

4.5. Câmpul apropiat al unei surse

Energia circulă fără să se propage, iar regiunea în care circulă se numește câmp apropiat. Aici se pot face numai măsurători ale intensității sonore pentru determinarea puterii sonore. Și pentru că este posibil să se apropie de sursă, raportul semnal-zgomot este îmbunătățit.

 

5. Presiunea și viteza particulelor

Atunci când o particulă de aer este deplasată din poziția sa medie, se produce o creștere temporară a presiunii. Creșterea presiunii acționează în două moduri: readuce particula în poziția sa inițială și transmite perturbarea particulei următoare. Ciclul de creșteri (comprimări) și scăderi (rarefacții) ale presiunii se propagă prin mediu sub forma unei unde sonore.

Există doi parametri importanți în acest proces: Presiunea (presiunea locală crește și scade în raport cu cea ambiantă) și viteza particulelor de aer care oscilează în jurul unei poziții fixe. Intensitatea sunetului este produsul dintre viteza particulelor și presiune. Și, după cum se poate observa din transformarea de mai jos, este echivalentă cu definiția puterii pe unitatea de suprafață dată anterior.

Într-un câmp activ, presiunea și viteza particulelor variază simultan. Un vârf în semnalul de presiune apare în același timp cu un vârf în semnalul de viteză a particulelor. Prin urmare, se spune că acestea sunt în fază, iar produsul celor două semnale dă o intensitate netă. Într-un câmp reactiv, presiunea și viteza particulelor sunt defazate cu 90°. Una dintre ele este deplasată cu un sfert de lungime de undă față de cealaltă. Înmulțind cele două semnale, se obține un semnal de intensitate instantanee care variază sinusoidal în jurul valorii zero. Prin urmare, intensitatea medie în timp este zero. Într-un câmp difuz, presiunea și faza de viteză a particulelor variază aleatoriu și, prin urmare, intensitatea netă este zero.