Pressió sonora

La pressió sonora o pressió acústica és producte de la mateixa propagació del so. L'energia provocada per les ones sonores genera un moviment ondulatori de les partícules de l'aire, provocant la variació alterna en la pressió estàtica de l'aire (petites variacions en la pressió atmosfèrica. La pressió atmosfèrica és la pressió de l'aire sobre la superfície terrestre). En conseqüència d'aquestes variacions de pressió atmosfèrica es produeixen àrees on es concentren aquestes partícules (zones de concentració) i altres àrees queden menys saturades (zones de rarefacció). Les zones amb major concentració de molècules tenen major densitat i les zones de menor concentració tenen menor densitat. Quan aquestes ones es troben en el seu camí amb l'oïda la pressió que exerceixen sobre el mateix no és igual per a tota la longitud d'ona.

La pressió acústica es defineix com la diferència de pressió instantània i la pressió atmosfèrica estàtica.

La pressió atmosfèrica es mesura en pascals (Pa). Al Sistema Internacional d'Unitats, SI, 1 pascal (1 Pa) és igual a una força d'un newton (1 N) actuant sobre una superfície d'un metre quadrat (1 m²). La pressió atmosfèrica se situa entorn dels 100 000 Pa (establint-se com valor normalitzat els 101.325 Pa).

Com en pascals les xifres obtingudes són molt grans, normalment, la pressió atmosfèrica, s'expressa en hectopascals hPa (igual dimensió que els mil·libars, que queden en desús ) i s'estableixen 1.013,25 hPa com a pressió atmosfèrica normalitzada a nivell del mar.

La pressió sonora també es pot mesurar en pascals, però, el seu valor és molt inferior al de l'atmosfèrica. El llindar de dolor se situa en els 20 Pa, [ 1 ] mentre que el llindar d'audició se situa en els 20 micropascals (20 μPa ).

A més del pascal, per mesurar la pressió sonora s'utilitza el microbar ( μbar ), que és la milionèsima part del bar (1 Pa = 1 N / m² = 10 μbar i 1 μbar = 10-6 bar).

La principal diferència entre pressió atmosfèrica i pressió sonora és que, mentre que la pressió atmosfèrica canvia molt lentament, la pressió sonora, alterna molt ràpidament entre valors negatius (menors que la pressió atmosfèrica) i positius (majors). El nombre de vegades que es repeteix un fenomen per unitat de temps és el que en física s'anomena freqüència. L'ésser humà no té sensibilitat davant totes les freqüències. El marge de freqüències que poden produir la sensació de so quan impressiona l'oïda humana és el que es coneix com a audiofreqüències i va dels 20 als 20 000 Hz Cal no confondre pressió acústica amb potència acústica. La confusió ve pel fet que la pressió sonora és la responsable directa de l'amplitud de l'ona i l'amplitud determinarà la quantitat d'energia (potència acústica) que conté un senyal sonor.

Per diferenciar entre sons més intensos (l'oïda suporta major quantitat de pressió sonora), de sons febles, s'utilitza l'anomenat nivell de pressió sonora.

Nivell de pressió sonora

El nivell determina la intensitat del so que genera una pressió sonora (és a dir, del so que aconsegueix a una persona en un moment donat), es mesura en decibels (dB) i varia entre 0 dB llindar d'audició i 120 dB llindar de dolor. En acústica, l'amplitud és la quantitat de pressió sonora que exerceix la vibració en el medi elàstic (aire). Així, l'amplitud determinarà la quantitat d'energia que conté un senyal acústic. No s'ha de confondre amplitud amb volum o potència acústica, malgrat que és cert que com més fort se sent un so, major amplitud té, perquè s'exerceix una pressió major sobre el medi.

El valor màxim positiu que pren l'amplitud d'una ona sinusoidal rep el nom de "pic o cresta". El valor màxim negatiu, "ventre o vall". El punt on el valor de l'ona s'anul·la al passar del valor positiu al negatiu, o a l'inrevés es coneix com a “node”, “zero” o “punt d'equilibri”. Quan es propaga una ona sonora per l'aire, s'origina una variació de pressió respecte a la pressió atmosfèrica existent. Aquesta variació de pressió és fàcilment mesurable, i, el seu valor es pot representar per una funció d'ona. L'oïda humana és capaç de detectar variacions de pressió acústica que van dels 2·10-5 Pa als 200 Pa.

Escala logarítmica

Una escala de pressions que l'origen s'iniciï en 2·10-5 Pa i finalitzi en 200 Pa conté un rang tan elevat de valors que resulta totalment inadequada a nivells pràctics. Per això, es fa ser una eina matemàtica, anomenada decibel (dècima part del beli) L'expressió matemàtica genèrica dels decibels és fórmula següent:

$L_{P}=20\times \log {\frac {P_{1}}{P_{0}}}\,\!$.

on

• P₁ és la mitjana quadràtica de la pressió sonora instantània.
• P₀ és la pressió de referència i es pren com a referència 20 μPa.

De l'expressió de decibels es pot deduir que els decibels no són un valor absolut, sinó que es relaciona sempre amb un valor de referència, en el cas de la pressió sonora els 0 dB corresponen a una pressió de 2·10-5 Pa.

El treballar en decibels té els seus inconvenients: No es poden sumar aritmèticament dos o més nivells sonors, s'ha de fer de forma logarítmica. Un altre dels inconvenients és que una petita diferència en el valor de decibels correspon a una diferència important d'energia sonora, ja que estem treballant amb valors exponencials (invers del logaritme). De fet, un augment de 3 dB en el nivell de soroll implica el doble de l'energia que porta l'ona.

L'ús d'escales logarítmiques també té avantatges pràctiques, sobretot perquè evita les operacions de multiplicar i dividir magnituds físiques, ja que si les magnituds estan expressades en decibels, només cal sumar-les o restar-les, segons el cas.

De vegades és necessari saber el valor de pressió sonora màxim en un entorn laboral. Per a saber aquest valor es va definir el nivell pic com el valor de pressió sonora instantani en un ambient concret.

Per a saber el valor pic, no s'ha d'integrar els valors de pressió sonora entre dos temps,si no que l'aparell simplement dona el valor de pressió sonora més elevat dins el període de mesura que tu li diguis.

El valor pic de pressió sonora també es pot expressar en decibels si s'aplica la fórmula matemàtica de decibels. En aquest cas, en el numerador es posa el valor de pressió sonora més elevat i en el denominador, el valor de pressió de referència, és a dir, 2 · 10^-5 Pa.

La diferència entre el nivell sonor i el nivell de pic s'anomena cresta del soroll i també s'expressa en dB.