как связана громкость звука с атмосферным давлением?

В то время как интенсивность звука обычно измеряется в децибелах (дБ), физический эффект звука можно измерить как амплитуду давления в среде, в которой он распространяется (в данном случае в атмосфере Земли ). Помните, что децибелы — это логарифмическая шкала, а давление измеряется в единицах СИ как паскалях (Па).

Принятый научный стандарт порога человеческого слуха определяется как$\text{0 dB}$уровень звукового давления (SPL) по логарифмической шкале децибел, а эквивалентное давление равно$\textrm{20 }\mu \text{Pa}$.

Стандартное атмосферное давление на уровне моря равно$\text{101325 Pa}$, и это преобразуется в$\text{194.1 dB}$SPL.

ВНИМАНИЕ : НЕ пытайтесь воспроизвести, а тем более слушать звуки такой интенсивности. Звуки выше$\text{120 dB}$SPL может необратимо повредить ваш слух, а также привести к телесным повреждениям. Интересно,$\text{120 dB}$SPL "только"$\text{20 Pa}$.

По мере того, как вы поднимаетесь выше в атмосфере, давление действительно уменьшается, и при$\text{8000 ft}$стандартное давление$\text{75263 Pa}$. Преобразование этого в дБ дает$\text{191.5 dB}$. Интересная корреляция заключается в том, что разница в теоретическом максимальном уровне звукового давления между двумя высотами также указывает на затухание звукового давления обычных звуков между двумя высотами (некоторые примеры перечислены ниже).

Быть просто$\text{2.6 dB}$"мягче", чем на уровне моря, разницы, думаю, никто не заметит.

Вот некоторые максимальные SPL (и затухание относительно уровня моря), рассчитанные на основе давления на различных высотах ISA :

• В$\text{8848 m} / \text{29029 ft}$( Гора Эверест ):$183.9 \text{ dB}$максимальное звуковое давление,$10.2\text{ dB}$затухание. Просто заметно тише, чем на малых высотах.
• В$\text{30000 m} / \text{98400 ft}: 155.4 \text{ dB}$максимальное звуковое давление,$38.7\text{ dB}$затухание. Примерно такие же, как у большинства средств защиты органов слуха промышленного класса.
• В$\text{50000 m} / \text{164000 ft}: 131.6 \text{ dB}$максимальное звуковое давление,$62.5\text{ dB}$затухание. Человеческий голос в нескольких футах не будет слышен.
• В$\text{100000 m} / \text{62.1 mi}$( Линия Кармана ):$62.2 \text{ dB}$максимальное звуковое давление,$131.9\text{ dB}$затухание. Звуки достаточно громкие, чтобы необратимо повредить слух и привести к травмам на уровне моря, на такой высоте не слышны.
• В$\text{400000 ft}$(« Интерфейс входа » НАСА для входа пилотируемых космических кораблей):$33.7 \text{ dB}$максимальное звуковое давление,$160.4 \text{ dB}$затухание. Представьте себе громкость звука, стоящего прямо рядом с космическим челноком при запуске — даже его было бы не слышно на такой высоте.
• В$\text{200 km}: 3.69 \text{ dB}$максимальное звуковое давление. Максимально громкий шум, теоретически возможный на такой высоте, будет едва слышен. Давление, рассчитанное на этой высоте, чисто теоретическое; фактическое давление будет сильно варьироваться.

ПРИМЕЧАНИЕ . Я не учитывал максимальную частоту , слышимую на высоте — максимальная частота уменьшается с увеличением высоты из-за увеличения средней длины свободного пробега .

РЕДАКТИРОВАТЬ Исправлены мелкие математические ошибки в значениях затухания. Добавлена ​​пуля «Гора Эверест».

ДОПОЛНЕНИЕ В качестве практического примера того, как «происходит» затухание звука при увеличении высоты, посмотрите это видео запуска STS-115 с камеры внешнего бака (ET). Обратите внимание, что «гул» SRB и SSME имеет тенденцию уменьшаться до почти неслышимого (камера ET также записывает звук) по мере того, как транспортное средство поднимается выше.

Общего ответа на ваш вопрос не будет.

Предположим, я бросаю книгу на пол, и книга ударяется об пол с кинетической энергией в 1 джоуль. Давайте предположим, что внутреннее трение в книге или полу очень мало, так что никакая энергия не может быть рассеяна в тепло, и что пол очень жесткий, так что никакая энергия не может передаваться в виде вибраций пола. Тогда по закону сохранения энергии количество звуковой энергии будет ровно 1 джоуль. Этот аргумент не зависит от того, является ли это полом моего дома, уровнем моря или палубой самолета. Это зависит только от предположения, что механизмы рассеивания энергии в виде тепла и вибрации гораздо менее эффективны, чем механизмы рассеивания ее в виде звуковых волн в воздухе.

С другой стороны, скажем ради аргумента, что при хлопке в ладоши на уровне моря 1/3 энергии идет на звук, 1/3 на вибрации, передаваемые вниз по рукам, и 1/3 на нагрев в ладони. В самолете эти пропорции 1:1:1 будут изменены, потому что преобразование энергии в звуковые волны в воздухе будет менее эффективным. Поскольку конкуренция между тремя диссипативными процессами примерно одинакова, при низком давлении громкость сильно снижается.

Так что ответ в том, что это полностью зависит от деталей процесса производства звуковых волн.

В крайнем случае предположим, что вы проводите эти эксперименты в открытом космосе. Космическое пространство не является идеальным вакуумом, поэтому оно может поддерживать звуковые волны. Однако эффективность связи со звуковыми волнами чрезвычайно низка, поэтому почти любой другой механизм рассеяния энергии будет на много порядков эффективнее.