Heliintensiivsus

Heliintensiivsus I on füüsikaline suurus, mis kirjeldab helienergia voogu, mis läbib heli levimissuunaga risti oleva ühikulist pinda (m2) ajaühikus (s). Et energia ühik on džaul (J) ja J/s = W (vatt), siis on heliintensiivsuse mõõtühik W/m2. Heliintensiivsus I on vektorsuurus, mis on defineeritud, kui helirõhu p ja heliosakese kiiruse u korrutis. I = p u {\displaystyle \mathbf {I} =p\mathbf {u} } Heliintensiivsus I on tasalaine korral võrdeline helivõimsusega Pak: I = P ak A , {\displaystyle I={\dfrac {P_{\text{ak}}}{A}},} kus A on pindala m2. Antud seosest järeldub, et allika korral, mis asuks hüpoteetilises lõpmatus kadudeta keskkonnas on pindalaühikut läbiva heli intensiivsus pöördvõrdeline heliallika kauguse r ruuduga: I ~ 1/r2. Näiteks kauguse kahekordistamisel väheneb helienergia neljakordselt (6 dB), kümnekordistamisel sajakordselt (20 dB). Võrdtasalaine heliintensiivsus on helirõhu ruutude keskmise p 2 ¯ {\displaystyle {\overline {p^{2}}}} jagatis häirimata voolise tiheduse ρ {\displaystyle \rho } ja helikiiruse c {\displaystyle c} korrutisega. Valemina I e q = p 2 ¯ ρ c {\displaystyle I_{eq}={\frac {\overline {p^{2}}}{\rho c}}} Heliintensiivsuse taset LI mõõdetakse detsibellides lähteintensiivsuse I0 suhtes, milleks on 10−12 W/m2 = 1 pW/m2. See 0-dB-tase vastab helirõhu lähtetasemele 2∙10–5 Pa. Nimelt on heliintensiivsus I ja helirõhk p seotud valemiga (analoogne Ohmi seadust väljendava seosega) I = p 2 Z 0 , {\displaystyle I={\dfrac {p^{2}}{Z_{0}}},} kus Z0 = 400 N·s/m3 on akustiline impedants (takistus); see on kokkuleppeline väärtus, sest tegelikult pole akustiline impedants püsiv, vaid sõltub teataval määral õhu tihedusest, see aga omakorda temperatuurist, õhurõhust ja õhuniiskusest (kuiva õhu akustiline takistus normaalrõhul ja 20 °C juures on 410 N·s/m3). Nii valitud Z0 väärtuse alusel arvutades saamegi, et rõhule 2∙10–5 = 0,00002 Pa vastab intensiivsus I = 0 , 00002 2 400 = 1 ⋅ 10 − 12 W m 2 . {\displaystyle I={\dfrac {0,00002^{2}}{400}}=1\cdot 10^{-12}\,{\frac {\text{W}}{{\text{m}}^{2}}}.} Sellest seosest tulenevalt väljendab mingit helirõhu taset ja vastavat heliintensiivsuse taset ühesuurune detsibellide arv. Seetõttu võib lühidalt kõnelda helitasemest või helinivoost, lühend SPL (ingl k sõnadest sound pressure level). Heliintensiivsuse I tase LI detsibellides lähteintensiivsuse I0 suhtes arvutatakse valemiga L I = 10 log ( I I 0 )   d B . {\displaystyle L_{\text{I}}=10\log \!\left({\frac {I}{I_{0}}}\right)\!~\mathrm {dB} .} Näiteks kui heliintensiivsus I on 0,01 W/m2, siis heliintensiivsuse tase L I = 10 log ( 10 − 2 10 − 12 )   d B = 10 ⋅ 10 = 100 dB . {\displaystyle L_{\text{I}}=10\log \!\left({\frac {10^{-2}}{10^{-12}}}\right)\!~\mathrm {dB} =10\cdot 10=100\;{\text{dB}}.} Heliintensiivsuse taset võib väljendada ka helirõhkude suhte kaudu. Lähtudes tasalaine lähendist I = | P | 2 / 2 ρ 0 c 0 {\displaystyle I=|P|^{2}/2\rho _{0}c_{0}} on heliintensiivsus I {\displaystyle I} võrdeline helirõhu ruuduga (I ~ p2). Tulenevalt logaritmi omadusest lg a2 = 2 lg a: L I = 20 ⋅ log ⁡ ( p p 0 ) ( p 0 = 0 , 00002 Pa ) {\displaystyle L_{\text{I}}=20\cdot \operatorname {log} \left({\frac {p}{p_{0}}}\right)\qquad (p_{0}=0,00002\;{\text{Pa}})} . Schallgrößen und ihre Pegel ISO/IEC 80000-8:2007. International Organization for Standardization ISO 18405 Conversion of sound units (levels) Ilmar Eiskop, Aleksander Sillart. Akustika ja helitehnika. Tallinn, Valgus, 1988