2019年2月9日 星期六

音壓等級 Sound Pressure Level (SPL)

Sound pressure level (SPL) 音壓/聲壓的等級或水準(level)是以分貝(dB)為單位,習慣上簡稱為音壓/聲壓,但和sound pressure不同,前者是一個比值(dB),後者則是壓力的大小(N/m2)。

Sound Pressure

音壓(sound pressure)的單位是每單位面積所受到的力(force,單位為牛頓Newton, N),由於力量並不大,所以前面加上10-6的μ符號,常用的單位為μN/m2,而N/m2等於帕斯卡(Pascal),即:

1 Pa (Pascal) = 1 N/m2

Sound Pressure Level (SPL)
音壓等級/聲壓度(sound pressure level, SPL)是一種計算聲音的單位,它表示了聲音的壓力大小,相對於一個選定的參考音壓大小Pref或Po。它的計算很簡單,只要將量測到的壓力除以參考音壓Pref或Po,取log後乘以20,即為單位為分貝(dB)的SPL值:

SPL = 20 log(P/Pref) where 參考音壓 Pref = Po = 20 μN/m2 = 20μPa = 2×10-5 Pa

而1 dB = JND (Just Noticeable Difference)最小可覺差 in SPL

當音壓等於參考音壓時,即P = Pref = 20 μN/m2 = 20μPa時,取對數後log(P/Pref) = log(1) = 0,故SPL為0 dB。

理想聽力的SPL閾值
由於參考音壓Pref = 20μPa在數十年前即已選定,當時是以聽見1 kHz的音壓為基準,隨著隔音技術的進步,後來研究發現正常聽力者在2-3 kHz,甚至4kHz可聽見較1 kHz更小的聲音(threshold),此時的音壓P < Pref 參考音壓,取log後會得到負值,如下圖最下方的閾值(threshold)曲線。此外,在此曲線上也可見到在1 kHz時的音壓SPL其實並不如最初設計時的理想而等於0,其實是有稍微大於0一點點的。

Lindos1.svg
Diagram from Wikipedia by Lindosland - http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Lindos1.svg, Public Domain, Link

聽力檢查時,聽力圖所採用的單位則是聽力等級(Hearing Level, HL)。

dB SPL及 dB HL的比較圖可參考英國劍橋大學Prof. Brian Moore的演講影片(8:25處)

Reference:

Sound pressure (Wikipedia) / 聲壓 (維基百科)
14. Sound: External, middle and inner ears (MIT OpenCourseWare), 19'-21'
鄭靜宜, (2011). 語音聲學: 說話聲音的科學. 心理. p.19

Professor Brian C.J. Moore's lecture "Benefits and limitations of hearing aids" (YouTube)