Đơn vị logarit đo mức áp suất âm thanh

dB SPL (Mức áp suất âm thanh) đo áp suất âm thanh so với 20 µPa, ngưỡng nghe của con người. Thang đo logarit có nghĩa là +10 dB = tăng áp suất 10 lần, +20 dB = tăng áp suất 100 lần, nhưng chỉ tăng 2 lần độ lớn cảm nhận được do tính phi tuyến của thính giác con người.

Ví dụ: Cuộc trò chuyện ở 60 dB có áp suất lớn hơn 1000 lần so với ngưỡng nghe ở 0 dB, nhưng chỉ nghe to hơn 16 lần một cách chủ quan.

Lực vật lý trên một đơn vị diện tích do sóng âm gây ra

Áp suất âm thanh là sự thay đổi áp suất tức thời do sóng âm gây ra, được đo bằng pascal (Pa). Nó thay đổi từ 20 µPa (hầu như không nghe thấy) đến 200 Pa (to đến mức gây đau đớn). Áp suất RMS (căn bậc hai của trung bình bình phương) thường được báo cáo cho các âm thanh liên tục.

Ví dụ: Lời nói bình thường tạo ra 0,02 Pa (63 dB). Một buổi hòa nhạc rock đạt 2 Pa (100 dB)—áp suất cao hơn 100 lần nhưng chỉ cảm nhận được to hơn 6 lần.

Công suất âm thanh trên một đơn vị diện tích

Cường độ âm thanh đo lường dòng năng lượng âm thanh qua một bề mặt, tính bằng watt trên mét vuông. Nó liên quan đến áp suất² và là cơ sở để tính toán công suất âm thanh. Ngưỡng nghe là 10⁻¹² W/m², trong khi một động cơ phản lực tạo ra 1 W/m² ở cự ly gần.

Ví dụ: Một tiếng thì thầm có cường độ 10⁻¹⁰ W/m² (20 dB). Ngưỡng đau là 1 W/m² (120 dB)—mạnh hơn một nghìn tỷ lần.

Phát minh máy hát

Thomas Edison phát minh ra máy hát, cho phép ghi âm và phát lại âm thanh lần đầu tiên, khơi dậy sự quan tâm đến việc định lượng mức âm thanh.

Decibel được giới thiệu

Phòng thí nghiệm Bell Telephone giới thiệu decibel để đo lường tổn thất truyền dẫn trong cáp điện thoại. Được đặt theo tên của Alexander Graham Bell, nó nhanh chóng trở thành tiêu chuẩn cho việc đo lường âm thanh.

Đường cong Fletcher-Munson

Harvey Fletcher và Wilden A. Munson công bố các đường đồng mức âm lượng cho thấy độ nhạy của thính giác phụ thuộc vào tần số, đặt nền móng cho trọng số A và thang đo phon.

Máy đo mức âm thanh

Máy đo mức âm thanh thương mại đầu tiên được phát triển, chuẩn hóa việc đo lường tiếng ồn cho các ứng dụng công nghiệp và môi trường.

Thang đo Sone được tiêu chuẩn hóa

Stanley Smith Stevens chính thức hóa thang đo sone (ISO 532), cung cấp một thước đo tuyến tính về độ lớn cảm nhận được, trong đó việc nhân đôi sone = nhân đôi độ lớn cảm nhận được.

Tiêu chuẩn OSHA

Cơ quan An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp Hoa Kỳ (OSHA) thiết lập giới hạn phơi nhiễm tiếng ồn (85-90 dB TWA), làm cho việc đo lường âm thanh trở nên quan trọng đối với an toàn tại nơi làm việc.

Sửa đổi ISO 226

Cập nhật các đường đồng mức âm lượng dựa trên nghiên cứu hiện đại, tinh chỉnh các phép đo phon và độ chính xác của trọng số A trên các tần số.

Tiêu chuẩn âm thanh kỹ thuật số

LUFS (Đơn vị độ lớn tương đối so với toàn thang đo) được tiêu chuẩn hóa cho phát thanh và phát trực tuyến, thay thế các phép đo chỉ dựa trên đỉnh bằng phép đo độ lớn dựa trên cảm nhận.

• **+3 dB = tăng gấp đôi công suất** (hầu như không đáng chú ý đối với hầu hết mọi người)
• **+6 dB = tăng gấp đôi áp suất** (luật nghịch đảo bình phương, giảm một nửa khoảng cách)
• **+10 dB ≈ 2 lần to hơn** (độ lớn cảm nhận được tăng gấp đôi)
• **+20 dB = 10 lần áp suất** (hai thập kỷ trên thang logarit)
• **60 dB SPL ≈ cuộc trò chuyện bình thường** (ở khoảng cách 1 mét)
• **85 dB = giới hạn 8 giờ của OSHA** (ngưỡng bảo vệ thính giác)
• **120 dB = ngưỡng đau** (khó chịu ngay lập tức)

• **Nguồn bằng nhau:** 80 dB + 80 dB = 83 dB (không phải 160!)
• **Cách nhau 10 dB:** 90 dB + 80 dB ≈ 90,4 dB (nguồn yên tĩnh hơn hầu như không quan trọng)
• **Cách nhau 20 dB:** 90 dB + 70 dB ≈ 90,04 dB (đóng góp không đáng kể)
• **Nhân đôi nguồn:** N nguồn bằng nhau = gốc + 10×log₁₀(N) dB
• **10 nguồn bằng nhau 80 dB = 90 dB tổng cộng** (không phải 800 dB!)

• **0 dB SPL** = 20 µPa = ngưỡng nghe
• **20 dB** = tiếng thì thầm, thư viện yên tĩnh
• **60 dB** = cuộc trò chuyện bình thường, văn phòng
• **85 dB** = giao thông đông đúc, nguy cơ cho thính giác
• **100 dB** = câu lạc bộ đêm, cưa máy
• **120 dB** = buổi hòa nhạc rock, sấm sét
• **140 dB** = tiếng súng, động cơ phản lực gần đó
• **194 dB** = mức tối đa lý thuyết trong khí quyển

• **Không bao giờ cộng dB theo cách số học** — sử dụng công thức cộng logarit
• **dBA ≠ dB SPL** — Trọng số A làm giảm âm trầm, không thể chuyển đổi trực tiếp
• **Khoảng cách tăng gấp đôi** ≠ một nửa mức (đó là -6 dB, không phải -50%)
• **3 dB hầu như không đáng chú ý,** không phải to hơn 3 lần — nhận thức là logarit
• **0 dB ≠ im lặng** — đó là điểm tham chiếu (20 µPa), có thể là số âm
• **phon ≠ dB** trừ ở 1 kHz — độ lớn bằng nhau phụ thuộc vào tần số

Ba lý do làm cho phép đo logarit trở nên cần thiết:

• Nhận thức của con người: Tai phản ứng theo logarit—tăng áp suất gấp đôi nghe giống như +6 dB, không phải 2 lần
• Nén dải tần số: 0-140 dB so với 20 µPa - 200 Pa (không thực tế cho sử dụng hàng ngày)
• Phép nhân trở thành phép cộng: Kết hợp các nguồn âm thanh sử dụng phép cộng đơn giản
• Thang đo tự nhiên: Các hệ số 10 trở thành các bước bằng nhau (20 dB, 30 dB, 40 dB...)

Thang đo logarit không trực quan. Tránh những lỗi này:

• 60 dB + 60 dB = 63 dB (không phải 120 dB!) — phép cộng logarit
• 90 dB - 80 dB ≠ 10 dB khác biệt—trừ các giá trị, sau đó lấy antilog
• Tăng khoảng cách gấp đôi làm giảm mức độ 6 dB (không phải 50%)
• Giảm một nửa công suất = -3 dB (không phải -50%)
• Tăng 3 dB = 2 lần công suất (hầu như không đáng chú ý), 10 dB = 2 lần độ lớn (nghe rõ ràng)

Các phương trình cốt lõi để tính toán mức âm thanh:

• Áp suất: dB SPL = 20 × log₁₀(P / 20µPa)
• Cường độ: dB IL = 10 × log₁₀(I / 10⁻¹²W/m²)
• Công suất: dB SWL = 10 × log₁₀(W / 10⁻¹²W)
• Kết hợp các nguồn bằng nhau: L_total = L + 10×log₁₀(n), trong đó n = số nguồn
• Luật khoảng cách: L₂ = L₁ - 20×log₁₀(r₂/r₁) cho các nguồn điểm

Bạn không thể cộng decibel theo cách số học. Sử dụng phép cộng logarit:

• Hai nguồn bằng nhau: L_total = L_single + 3 dB (ví dụ: 80 dB + 80 dB = 83 dB)
• Mười nguồn bằng nhau: L_total = L_single + 10 dB
• Các mức khác nhau: Chuyển đổi sang tuyến tính, cộng, chuyển đổi lại (phức tạp)
• Quy tắc chung: Thêm các nguồn cách nhau 10+ dB hầu như không làm tăng tổng (<0,5 dB)
• Ví dụ: máy 90 dB + nền 70 dB = 90,04 dB (hầu như không đáng chú ý)

Đơn vị mức độ lớn được tham chiếu đến 1 kHz

Các giá trị phon tuân theo các đường đồng mức âm lượng (ISO 226:2003). Một âm thanh ở N phon có cùng độ lớn cảm nhận được như N dB SPL ở 1 kHz. Ở 1 kHz, phon = dB SPL chính xác. Ở các tần số khác, chúng khác nhau đáng kể do độ nhạy của tai.

• Tham chiếu 1 kHz: 60 phon = 60 dB SPL ở 1 kHz (theo định nghĩa)
• 100 Hz: 60 phon ≈ 70 dB SPL (+10 dB cần thiết để có cùng độ lớn)
• 50 Hz: 60 phon ≈ 80 dB SPL (+20 dB cần thiết—âm trầm nghe yên tĩnh hơn)
• 4 kHz: 60 phon ≈ 55 dB SPL (-5 dB—đỉnh độ nhạy của tai)
• Ứng dụng: Cân bằng âm thanh, hiệu chuẩn máy trợ thính, đánh giá chất lượng âm thanh
• Hạn chế: Phụ thuộc vào tần số; yêu cầu âm thanh tinh khiết hoặc phân tích phổ

Đơn vị tuyến tính của độ lớn chủ quan

Sone định lượng độ lớn cảm nhận được một cách tuyến tính: 2 sone nghe to gấp đôi 1 sone. Được xác định bởi định luật lũy thừa của Stevens, 1 sone = 40 phon. Nhân đôi sone = +10 phon = +10 dB ở 1 kHz.

• 1 sone = 40 phon = 40 dB SPL ở 1 kHz (định nghĩa)
• Nhân đôi: 2 sone = 50 phon, 4 sone = 60 phon, 8 sone = 70 phon
• Định luật của Stevens: Độ lớn cảm nhận được ∝ (cường độ)^0.3 cho các âm thanh ở mức trung bình
• Thế giới thực: Cuộc trò chuyện (1 sone), máy hút bụi (4 sone), cưa máy (64 sone)
• Ứng dụng: Đánh giá tiếng ồn sản phẩm, so sánh thiết bị, đánh giá chủ quan
• Ưu điểm: Trực quan—4 sone thực sự nghe to gấp 4 lần 1 sone

Âm thanh chuyên nghiệp sử dụng rộng rãi dB cho các mức tín hiệu, trộn và mastering:

• 0 dBFS (Toàn thang đo): Mức kỹ thuật số tối đa trước khi bị cắt
• Trộn: Mục tiêu đỉnh từ -6 đến -3 dBFS, RMS từ -12 đến -9 dBFS cho khoảng trống
• Mastering: -14 LUFS (đơn vị độ lớn) cho streaming, -9 LUFS cho radio
• Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu: >90 dB cho thiết bị chuyên nghiệp, >100 dB cho người đam mê âm thanh
• Dải động: Nhạc cổ điển 60+ dB, nhạc pop 6-12 dB (cuộc chiến độ lớn)
• Âm học phòng: Thời gian vang RT60, điểm cắt -3 dB so với -6 dB

Các giới hạn phơi nhiễm tiếng ồn tại nơi làm việc ngăn ngừa mất thính giác:

• OSHA: 85 dB = mức hành động TWA 8 giờ (trung bình có trọng số thời gian)
• 90 dB: 8 giờ phơi nhiễm tối đa không có bảo vệ
• 95 dB: 4 giờ tối đa, 100 dB: 2 giờ, 105 dB: 1 giờ (quy tắc giảm một nửa)
• 115 dB: 15 phút tối đa không có bảo vệ
• 140 dB: Nguy hiểm ngay lập tức—bảo vệ thính giác là bắt buộc
• Đo liều lượng: Theo dõi phơi nhiễm tích lũy bằng máy đo liều lượng tiếng ồn

Các quy định về môi trường bảo vệ sức khỏe cộng đồng và chất lượng cuộc sống:

• Hướng dẫn của WHO: <55 dB ban ngày, <40 dB ban đêm ngoài trời
• EPA: Ldn (trung bình ngày-đêm) <70 dB để ngăn ngừa mất thính giác
• Máy bay: FAA yêu cầu các đường đồng mức tiếng ồn cho sân bay (giới hạn 65 dB DNL)
• Xây dựng: Các giới hạn địa phương thường là 80-90 dB tại ranh giới tài sản
• Giao thông: Các rào cản tiếng ồn trên đường cao tốc nhắm đến việc giảm 10-15 dB
• Đo lường: trọng số dBA xấp xỉ phản ứng khó chịu của con người

Thiết kế âm học đòi hỏi sự kiểm soát chính xác mức âm thanh:

• Độ rõ của lời nói: Mục tiêu 65-70 dB tại người nghe, <35 dB nền
• Phòng hòa nhạc: đỉnh 80-95 dB, thời gian vang 2-2,5 giây
• Phòng thu âm: NC 15-20 (đường cong tiêu chí tiếng ồn), <25 dB môi trường xung quanh
• Lớp học: <35 dB nền, tỷ lệ lời nói trên nhiễu 15+ dB
• Xếp hạng STC: Lớp truyền âm thanh (hiệu suất cách âm của tường)
• NRC: Hệ số giảm tiếng ồn cho vật liệu hấp thụ

• Sử dụng máy đo mức âm thanh Lớp 1 hoặc Lớp 2 đã được hiệu chuẩn (IEC 61672)
• Hiệu chuẩn trước mỗi buổi đo bằng máy hiệu chuẩn âm thanh (94 hoặc 114 dB)
• Đặt micro cách xa các bề mặt phản xạ (chiều cao điển hình 1,2-1,5m)
• Sử dụng phản ứng chậm (1s) cho các âm thanh ổn định, nhanh (125ms) cho các âm thanh biến động
• Sử dụng kính chắn gió ngoài trời (tiếng ồn gió bắt đầu từ 12 mph / 5 m/s)
• Ghi âm trong hơn 15 phút để nắm bắt các biến động theo thời gian

• Trọng số A (dBA): Mục đích chung, tiếng ồn môi trường, nghề nghiệp
• Trọng số C (dBC): Đo lường đỉnh, đánh giá tần số thấp
• Trọng số Z (dBZ): Phản ứng phẳng để phân tích toàn phổ
• Không bao giờ chuyển đổi dBA ↔ dBC—phụ thuộc vào nội dung tần số
• Trọng số A xấp xỉ đường đồng mức 40 phon (độ lớn vừa phải)
• Sử dụng phân tích dải quãng tám để có thông tin tần số chi tiết

• Luôn ghi rõ: dB SPL, dBA, dBC, dBZ (không bao giờ chỉ ghi 'dB')
• Báo cáo trọng số thời gian: Nhanh, Chậm, Xung
• Bao gồm khoảng cách, chiều cao đo và hướng
• Ghi chú riêng mức tiếng ồn nền
• Báo cáo Leq (mức liên tục tương đương) cho các âm thanh thay đổi
• Bao gồm độ không chắc chắn của phép đo (thường là ±1-2 dB)

• 85 dB: Cân nhắc bảo vệ khi tiếp xúc kéo dài (>8 giờ)
• 90 dB: Bắt buộc bảo vệ sau 8 giờ (OSHA)
• 100 dB: Sử dụng bảo vệ sau 2 giờ
• 110 dB: Bảo vệ sau 30 phút, bảo vệ kép trên 115 dB
• Nút tai: giảm 15-30 dB, bịt tai: 20-35 dB
• Không bao giờ vượt quá 140 dB ngay cả khi có bảo vệ—nguy cơ chấn thương vật lý

Cá voi xanh tạo ra tiếng kêu lên đến 188 dB SPL dưới nước—âm thanh sinh học lớn nhất trên Trái đất. Những tiếng kêu tần số thấp này (15-20 Hz) có thể di chuyển hàng trăm dặm qua đại dương, cho phép cá voi giao tiếp qua những khoảng cách rộng lớn.

Căn phòng yên tĩnh nhất thế giới (Microsoft, Redmond) đo được -20,6 dB SPL—yên tĩnh hơn cả ngưỡng nghe. Mọi người có thể nghe thấy nhịp tim của chính mình, tuần hoàn máu và thậm chí cả tiếng bụng sôi. Không ai ở lại được quá 45 phút do mất phương hướng.

Âm thanh lớn nhất trong lịch sử được ghi nhận: 310 dB SPL tại nguồn, được nghe thấy cách xa 3.000 dặm. Sóng áp suất đã đi vòng quanh Trái đất 4 lần. Các thủy thủ cách đó 40 dặm bị thủng màng nhĩ. Cường độ như vậy không thể tồn tại trong khí quyển bình thường—nó tạo ra sóng xung kích.

194 dB SPL là mức tối đa lý thuyết trong khí quyển Trái đất ở mực nước biển—vượt qua mức này, bạn tạo ra một sóng xung kích (vụ nổ), không phải là sóng âm. Ở 194 dB, sự loãng bằng chân không (0 Pa), vì vậy âm thanh trở nên không liên tục.

Chó nghe được 67-45.000 Hz (so với con người 20-20.000 Hz) và phát hiện âm thanh xa hơn 4 lần. Độ nhạy thính giác của chúng đạt đỉnh vào khoảng 8 kHz—nhạy hơn 10 dB so với con người. Đây là lý do tại sao còi chó hoạt động: 23-54 kHz, con người không nghe được.

Các rạp chiếu phim nhắm đến mức trung bình 85 dB SPL (Leq) với các đỉnh 105 dB (thông số kỹ thuật của Dolby). Mức này to hơn 20 dB so với xem tại nhà. Phản ứng tần số thấp mở rộng: loa siêu trầm 20 Hz cho phép tạo ra các vụ nổ và va chạm thực tế—các hệ thống tại nhà thường cắt ở 40-50 Hz.

dBA áp dụng trọng số phụ thuộc vào tần số làm suy giảm các tần số thấp. Một âm 100 Hz ở 80 dB SPL đo được ~70 dBA (-10 dB trọng số), trong khi 1 kHz ở 80 dB SPL đo được 80 dBA (không có trọng số). Nếu không biết phổ tần số, việc chuyển đổi là không thể. Bạn sẽ cần phân tích FFT và áp dụng đường cong trọng số A ngược.

+3 dB = nhân đôi công suất hoặc cường độ, nhưng chỉ tăng 1,4 lần áp suất. Nhận thức của con người tuân theo một phản ứng logarit: tăng 10 dB nghe to hơn khoảng 2 lần. 3 dB là sự thay đổi nhỏ nhất mà hầu hết mọi người phát hiện được trong điều kiện được kiểm soát; trong môi trường thực tế, cần 5+ dB.

Bạn không thể cộng decibel theo cách số học. Đối với các mức bằng nhau: L_total = L + 3 dB. Đối với các mức khác nhau: Chuyển đổi sang tuyến tính (10^(dB/10)), cộng, chuyển đổi lại (10×log₁₀). Ví dụ: 80 dB + 80 dB = 83 dB (không phải 160 dB!). Quy tắc chung: nguồn yên tĩnh hơn 10+ dB đóng góp <0,5 dB vào tổng số.

dB SPL: Mức áp suất âm thanh không có trọng số. dBA: Có trọng số A (xấp xỉ thính giác của con người, làm suy giảm âm trầm). dBC: Có trọng số C (gần như phẳng, lọc tối thiểu). Sử dụng dBA cho tiếng ồn chung, môi trường, nghề nghiệp. Sử dụng dBC cho các phép đo đỉnh và đánh giá tần số thấp. Chúng đo cùng một âm thanh theo cách khác nhau—không có chuyển đổi trực tiếp.

Âm thanh tuân theo định luật nghịch đảo bình phương: nhân đôi khoảng cách làm giảm cường độ đi ¼ (không phải ½). Trong dB: mỗi lần nhân đôi khoảng cách = -6 dB. Ví dụ: 90 dB ở 1m trở thành 84 dB ở 2m, 78 dB ở 4m, 72 dB ở 8m. Điều này giả định một nguồn điểm trong trường tự do—các phòng có sự phản xạ làm phức tạp điều này.

Có! 0 dB SPL là điểm tham chiếu (20 µPa), không phải im lặng. dB âm có nghĩa là yên tĩnh hơn mức tham chiếu. Ví dụ: -10 dB SPL = 6,3 µPa. Các phòng không có tiếng vang đo được xuống đến -20 dB. Tuy nhiên, tiếng ồn nhiệt (chuyển động phân tử) đặt ra một giới hạn tuyệt đối khoảng -23 dB ở nhiệt độ phòng.

Độ chính xác và hiệu chuẩn. Các máy đo Lớp 1 đáp ứng tiêu chuẩn IEC 61672 (±0,7 dB, 10 Hz-20 kHz). Các máy đo giá rẻ: sai số ±2-5 dB, phản ứng tần số thấp/cao kém, không có hiệu chuẩn. Việc sử dụng chuyên nghiệp đòi hỏi hiệu chuẩn có thể truy xuất được, ghi nhật ký, phân tích quãng tám và độ bền. Việc tuân thủ pháp luật/OSHA đòi hỏi thiết bị được chứng nhận.

Ở 1 kHz: phon = dB SPL chính xác (theo định nghĩa). Ở các tần số khác: chúng khác nhau do độ nhạy của tai. Ví dụ: 60 phon yêu cầu 60 dB ở 1 kHz, nhưng 70 dB ở 100 Hz (+10 dB) và 55 dB ở 4 kHz (-5 dB). Phon tính đến các đường đồng mức âm lượng, dB thì không.