Äänenpaine

Äänenpaine (myös äänipaine; tunnus p) on akustiikan suure, jolla mitataan äänen voimakkuutta. Äänenpaine on ääniaallon aiheuttama hetkellinen paineen vaihtelu staattisen paineen suhteen. Äänenpaineen yksikkö on pascal (tunnus Pa). Äänenpaine on tavallisesti hyvin pieni verrattuna väliaineen staattiseen paineeseen.

Äänenpainetaso

Äänenpainetaso (äänen painetaso, äänipainetaso; tunnus LP; SPL, engl. sound pressure level) on äänenpaineen tehollisarvon ja vertailupaineen tehollisarvon  suhde logaritmisella asteikolla esitettynä. Äänenpainetason yksikkö on desibeli (tunnus dB).

Äänenpainetaso desibeleinä on määritelty paineen  ja tehon vertailuarvon  suhteen kymmenkantaisen logaritmin avulla seuraavasti:

Ilmaäänen vertailupaine on tavallisesti 20 μPa, joka vastaa likimain kuulokynnystä eli hiljaisinta kuultavissa olevaa ääntä 1 000 hertsin taajuudella. Äänenpainetasossa 20 dB:n nousu tarkoittaa paineen kymmenkertaistumista. Siten esimerkiksi 60 dB:n nousu merkitsee paineen tuhatkertaistumista.

Pistemäisen lähteen synnyttämä äänenpaine on vapaassa eli heijastuksettomassa kentässä kääntäen verrannollinen mittauspisteen ja äänilähteen etäisyyteen. Etäisyyden kaksinkertaistuessa äänenpaine pienenee 6 dB. Äänenpaine on aina lähteen, ympäristön ja paikan ominaisuus. Jos äänilähteen aiheuttamaa äänen voimakkuutta kuvataan ilmoittamalla äänenpaine, tulisi siksi myös samalla ilmoittaa miten äänenpaine on mitattu. Jos äänenpaine on esimerkiksi mitattu yhden metrin etäisyydellä lähteestä, käytetään usein merkintää 98 dB/1 m. Monesti on helpompaa vertailla äänilähteen äänitehoa, joka riippuu vain äänilähteen ympäristöstä ja itse lähteestä.

Ihmisen kuuloaistimuksen tyyliin taajuuspainotettu äänenpainetaso on äänitaso

Melu ja ihmisen kuulo 

Suuri äänenpaine saattaa vaurioittaa kuuloa. Yleinen turvallisuusraja on 85 dB, jolloin pitää käyttää kuulosuojaimia, mutta kuulovaurion kehittyminen riippuu äänenpaineesta ja altistuksen kestosta. Jo selvästi alle 85 desibelin äänenpaine saattaa altistuksen pitkittyessä alkaa tuntua epämiellyttävältä. Tykinlaukaus (180 dB) aiheuttaa lähes aina välittömän kuulovaurion ja tärykalvon repeytymisen.

Ihmisen kuuloaisti on herkimmillään 1–2 kHz:n taajuudella. Alle 20 hertsin taajuuksia ei yleensä havaita äänenä vaan tuntoaistimuksena. Kuuloaistin herkkyys pienenee nopeasti taajuuden pienentyessä alle 50 hertsin. Samoin taajuuden kasvaessa yli 16–18 kilohertsin herkkyys pienenee nopeasti. Tästä syystä on kehitetty taajuuspainotussuotimia, jotka pyrkivät jäljittelemään kuuloaistin toimintaa ja kuvaamaan äänekkyysaistimusta. Taajuuspainotussuotimet on määritelty IEC 61672 -standardissa. Yleisimmin käytetään C-painotusta, joka kuvaa melutasoa ilman bassopuolen kuulokynnyksen korjausta, sekä A-painotusta, joka kuvaa ihmisen keskimääräisesti kuuleman taajuusvasteen. Muistisääntönä voidaan pitää, että äänenpaineen kasvaessa 10 dB äänekkyys kaksinkertaistuu. Tarkkaan ottaen äänekkyysaistimus riippuu ainakin taajuudesta, äänenpaineesta ja äänen spektristä.

 Terveen nuoren ihmisen kuulokynnyksenä 1 000 Hz taajuudella pidetään yleisesti 20 µPa = 2·10−5 pascalin (Pa) äänenpaineen tasoa, joka vastaa 0 dB logaritmiasteikolla.
 Häiritsevä taustamelu yöaikaan on noin 28–31 dB.
 Normaali puhe 60–70 dB.
 Huuto 90–105 dB.
 Kipukynnys on noin 125 dB, mutta se on voimakkaasti taajuussidonnainen. Kipukynnys 20 Hz:ssä on jo yli 140 dB.
 Lentokoneiden suihkumoottorit tuottavat "turvallisen matkan päästä" noin 130–140 dB:n melun.
 Teoreettinen säröytymätön maksimiäänenpaine yhden ilmakehän paineessa voi olla korkeintaan 101 325 Pa, joka on ilmanpaine merenpinnan tasolla. Tämä on äänenpainetasona 191 dB.

Lähteet

Viitteet

Aiheesta muualla 

 Pulkki, Ville: Kommunikaatioakustiikan perusteet. Espoo: Aalto-yliopisto, Signaalinkäsittelyn ja Akustiikan laitos, 2016.
Äänen voimakkuus. Internetix.
Melukäsitteitä.  Työterveyslaitos.
Conversion of sound pressure to sound pressure level and vice versa.
Table of Sound Levels – Corresponding Sound Pressure and Sound Intensity
 Hamby, William: Ultimate Sound Pressure Level Decibel Table (2004).
Ohm's law as acoustic equivalent– calculations.
Definition of sound pressure level.
A table of SPL values.
Relationships of acoustic quantities associated with a plane progressive acoustic sound wave. (PDF)
Sound pressure and sound power – two commonly confused characteristics of sound.
How many decibels is twice as loud? Sound level change and the respective factor of sound pressure or sound intensity.

Akustiikka
Suureet