مقدمه
نوسانها یا افت و خیزهای فشار هوا پایه‌ای سنتی برای ارزیابی سطوح سر و صدای ناموزون شد. متداولترین واحد سنجش ، دسی بل رده (A (dB - A است. در اینجا پاسخ انسان به صدا بیشتر لگاریتمی در نظر گرفته می‌شود تا خطی و بطور یکسان به همه بسامدهای محدوده شنوایی ، حساسیت نیست. برای مثال ، مقررات کشورهای اروپایی که در سال 1990 عرضه شد، ار کار فرماها می‌خواهد تا سطوح سر و صدای ناموزون را در جاهایی که احتمال دارد کارگران در معرض 85 دسی بل رده A یا بیتر (به عنوان مرجع) باشند، تعیین کنند. از سازندگان ماشین آلات خواسته شده است تا برای تجهیزاتی که احتمال دارد بیشر از 85 دسی بل (A) تولید کنند، به رده بندی صداها بپردازند. اما این دیدگاه کاملا رضایت بخش نیست.
سطح فشار صوتی یک منبع سر و صدای ناموزون ، یا موفقیت پیرامون منبع ، فاصله از منبع و یا مشخصه‌های صوتی (آکوستیکی) محیط تغییر می‌کند. در فضای باز ، هنگامی که فاصله از منبع سر و صدا (
بلندگو یا ماشین چمن زنی) دو برابر شود، فشار صوتی تا 6 دسی بل (A) ، کاهش می‌یابد. برای منابع گسترده ، مثل خط لوله یا جریان آمد و شد، وقتی که فاصله از منبع دو برابر شود، فشار تا 4 الی 5 دسی بل (A) کاهش می‌یابد. از محیهای بسته‌ای مثل کارخانه‌ها ، فشار صوتی به توانایی محیط برای جذب صدا نیز بستگی دارد. اثر انعکاسی دیوارهای خانه یا جدا کننده‌های حمام کاملا مشخص است. حضور عوامل دیگری علاوه بر منبع صدا نیز بر سطح و توزیع فشار صوتی تأثیر می‌گذارد.
در حالی که فشار صوتی می‌تواند ساده‌ترین کمیت برای اندازه گیری باشد، ولی برای تشخیص دقیق منبع صدا یا برای استقرار مناطق عمده سر و صدا در منابع پیچیده‌ای مل ماشین آلات صنعتی ، زیاد مفید نیست، چون فشار مثل دما کمیتی عددی است، یعنی مقدار دارد اما جهت ندارد. یک منبع سر و صدای ناموزون تأثیری مشابه با تأثیر
مغناطیس یا
جریان برق بر پیرامون خود می‌گذارند. در هر نقطه از فضای پیرامون ماشین پر سر و صدا ، میدان فشار صدا از اشتراک عمل منابع متعدد بدست آمده است و برآیند آن به قدرت نسبی هر یک از منابع بستگی دارد. یک منبع دور ولی با قدرت گسیل قوی می‌تواند سر و صدایی معادل سر و صدای یک منبع ضعیف و نزدیک تولید کند. حضور سطوح انعکاس صدا ، مثل کفها و دیوارها ، آشفتگی را زیادتر می‌کند، همانطور که در بازدید از یک خط تولید صنعتی ، انعکاس چند گانه صداها تشخیص هر یک از منابع صدا را غیر ممکن می‌سازد.
اگر چه هنوز در صنعت از سطوح فشار صوتی (دسی بل) برای سنجش پر سر و صدا بودن تجهیزات استفاده می‌شود، اما معیار بهتری که حساسیت کمتری به محیط صدایی دارد، آهنگ تولید انرژی صوتی یا "توان صوتی" منبع است. مانند همه توانهای مکانیکی ، این واحد نیز با "وات" اندازه گیری می‌شود. برای مثال ، جاروهای برقی بین 100 تا 1000 میکرو وات سر و صدای ناموزون ایجاد می‌کنند، در حالی که سر و صدا در مکالمه مردانه چیزی در حدود 50 میکرو وات است.
قدرت شدت صوت
همچنین آهنگ و جهت انتشار انرژی صوتی ، معیاری آشکار و مشخص برای توزیع و شدت منابع صداست. این کمیت ، یعنی شدت صوت ، به صورت وات بر متر مربع اندازه گیری می‌شود. برای مثال ، شدت مکالمه مردانه در یک متری دهان گوینده ، در حدود 4 میکرو وات بر متر مربع است و این شدت برای هواپیمای در حال برخاستن از زمین ، در فاصله 100 متری یک وات بر متر مربع است. شدت صوت کمیتی برداری است که هم مقدار و هم جهت دارد. مانند
هواشناسان که باد را روی نقشه آب و هوایی با بردارهای مختلف نشان می‌دهند، مهندسان نیز برای شناسایی منابع اصلی سر و صدای ناموزون ، توزیع بردارهای شدت صوت را در یک میدان صدا ترسیم کنند. همین که موقعیت منبع را پیدا کردند، می‌توانند قدرت آن را نیز تعیین کنند و به ارزیابی چگونگی تأثیرهای اصلاحات انجام شده طراحی بر کاهش صدا بپردازند.
محاسبه قدرت صوتی یک منبع ، شامل اندازه گیری شدت صوت در مقدار زیادی از نقاط پیرامون آن منبع است. با ضرب کردن شدتها در سطحی که بر آن اثر می‌کنند و جمع کردن کلیه حاصل ضربها ، نتیجه بدست می‌آید. در این حاصل جمع ، قدرت صوتی منبع درون منطقه اندازه گیری شده دخیل است و شدت سنج انرژیهای سایر منابع را نیز ضبط می‌کند، اما همین که شدت سنج پیرامون منبع مورد بررسی حرکت کند، اثر جمع شدگی سایر انرژیها صفر می‌شود.
در گذشته چنین اندازه گیریهایی فقط در آزمایشگاههایی که بطور کامل از سایر منابع صوتی جدا شده بود، انجام می‌شد، صدا از هزینه‌های مربوط ، بسیاری از تجهیزات صنعتی را می‌شد به این طریق آزمایش کرد. چون بسیار بزرگ ، خطرناک ، یا سنگین بودند و حمل آنها به آزمایشگاه مشکل بود. همچنین ، جداسازی این تجهیزات از وسایل کمکی همراه آنها که لازمه بهره برداری از دستگاه هستند، اغلب امکان پذیر نبود. مزیت عمده روش نوین اندازه گیری آن است که ارزیابی منابع سر و صداهای ناموزون در محل کار خودشان انجام می‌شود و به اتاقهای آزمایش نیازی نیست. اما مهندسان به چه نوع ابزاری برای اندازه گیری شدت صوت نیاز دارند؟ این کمیتی کلیدی در تعیین موقعیت منبع سر و صدای ناموزون و انرژی آن است. شدت صوت در نقطه‌ای در فضا ، حاصل ضرب فشار صتی و سرعت ذرات هوای نوسانگر در آن نقطه است، که سرعت هوا بطور نمونه وار در حد کسری از میلیمتر بر ثانیه است.
ابداع شدت سنج
تلاش برای ابداع یک شدت سنج مطمئن و علمی در اوایل دهه 1930 آغاز شد، یعنی زمانی که هاری السون مهندس صوتی شرکت رادیویی آمریکا اولین شدت سنج را ابداع کرد. ابزار السون شامل دو میکروفون بود: یکی میکروفون فشاری بود که در آن بلوری "بارابرق" (پیزو الکتریک) ، فشار صوتی را به ولتاژهای نوسانی قابل سنجش تبدیل می‌کرد. دومی ، میکروفون نواری یا میکروفون "سرعت ذره صوت" بود که در آن فشار صوتی ، یک ورق فلزی نازک را در
میدان مغناطیسی مرتعش می‌کرد. با اینکار ولتاژی نوسانی تولید می‌شد که متناسب با اختلاف فشار ، یا شیب فشار و سرعت ذرات بود.
السون امیدوار بود بتواند با اندازه گیری فشار و سرعت ذره، شدت میدان صوتی را بدست آورد. ابزار او در گستره وسیعی از بسامد ، دما و رطوبت جو قابل اطمینان نبود و در سطح تجاری پیشرفت نکرد. مسئله دیگر این بود که پاسخهای دو میکروفون دقیقا هم فاز نبودند. این اختلاف فاز ساختگی حاکی از عدم امکان دستیابی به اختلاف فاز حقیقی بین این دو سنجش بود. چنین اختلافی ، مثلا وقتی اتفاق می‌افتاد که حداکثر فشار با حداکثر سرعت ذره منطبق نمی‌شد. هنگامی که اختلاف فاز ساختگی ناچیز باشد، شدت صوتی به سادگی از حاصل ضرب فشار و سرعت ذره بدست می‌آید.
اولین ابزار عملی بوسیله ب. گ. وان سیل فارغ التحصیل جوانی از آزمایشگاه ملی پژوهش فیزیکی انجمن پژوهشهای علمی و صنعتی در پرتوریای افریقای جنوبی در سال 1975 ساخته شد. با
توسعه الکترونیک حالت جامد و تکنولوژی ساخت قطعات الکترونیکی ، ابزار وان سیبل در گستره وسیعی از بسامدها بکار برده شد. این ابزار گستره کار وسیع داشت، می‌توانست صداهای آرام و بلند را اندازه گیری کند، در شرایط مختلف جوی پایدار بماند، و بنابراین در خارج از آزمایشگاه قابل استفاده باشد. این ابزار شامل دو میکروفون معمولی بوده در آنها
امواج صوتی ، یک پرده فلزی به ضخامت چند میکرون را مرتعش می‌کنند. همین که پرده حرکت می‌کند،
خازن الکتریکی بین پرده و یک ورق فلزی ثابت تغییر می‌کند و ولتاژی نوسانی تولید می‌شود. وانسیل توانست با دو بار خواندن فشار صوتی ، و دانستن فاصله و اختلاف فاز بین خوانده‌ها شدت صوتی را محاسبه کند.
بین سالهای 1975 و 1980 دستگاههای حساس و جمع و جورتری در کشوریهای مختلف از جمله سوئیس ، فرانسه ، آمریکا و انگلیس ساخته شدند. مثلا پژوهشگران دانشگاه "ساوت همپتن" دستگاه قابل حملی بر اساس خازنهای کلیدی قابل تغییر ، یا انتقال بار ، موجود در بازار آن روزگار ساختند. به جای آرایه‌ای از خازنها و
مقاومتها در مدار صافی الکتریکی ، یک نوسانگر و یک ریزتراشه گذاشته شدند که گستره بسامد عملی را انتخاب می‌کنند. این پیشرفتها به ابداع شدت سنجی ارزان ، دقیق ، و پایدار منجر شدند، ولی در آن زمان صنایع انگلیس به توانایی عملی و تجاری این شدت سنجها ارج نگذاشتند و این دستگاهها هرگز وارد عرصه تولید نشدند.
ابزارهای تجاری
موفقترین ابزار تجاری در اوایل دهه 1980 توسط یک شرکت سازنده دانمارکی ساخته شد. اگر چه این دستگاه سنگین بود، ولی در آن به جای مدار قیاسی (آنالوگ) قبلی ، از مدار رقمی بر اساس ریز تراشه استفاده شده بود. با این دستگاه مهندسان می‌توانستند صدا را در بسامدهایی تا 8 کیلو هرتز اندازه گیری کنند. حد قبلی اندازه گیری 5 کیلو هرتز بود. این دستگاه از دو
میکروفون خازنی تشکیل شده بوده با یکدیگر 12 میلیمتر فاصله داشتند. این میکروفونها بطور اسمی یکسان بودند، اختلاف فاز ساختگی آنها ناچیز بود. مثل دستگاه وان سیل ، در این دستگاه نیز مهندسان شدت صوت را از روی دو بار ثبت کردن فشار صوت اندازه گیری می‌کردند.
در 1982 ، شرکت الکترونیک نروژ شدت سنجی را به بازار عرضه کرد که بر اساسی کاملا متفاوت کار می‌کرد. این دستگاه سرعت ذرات صوتی را با ثبت اختلالهایی اندازه گیری می‌کند که سر و صدای ناموزون در باریکه فراصوتی (تولید شده توسط دستگاه) ایجاد می‌کند. ابزار سنجش شامل دو بلور بارابرقی (پیزو الکتریک) است. یکی از آنها یک باریکه پر بسامد صوتی را در دیگری شلیک می‌کند. عبور این باریکه صوتی باعث نوسان هوا در مسیر حرکتش می‌شود. این نوسان به علامتی تبدیل می‌شود که متناسب با سرعت ذره صوتی است، مهندسان برای اندازه گیری فشار صوتی ، از
میکروفون فشاری معموی استفاده می‌کنند.
پیشرفتهای بیشتر در علم مواد و در تکنولوژی ساخت ، همراه با پیشرفتهای انجام گرفته در مدارهای الکترونیکی ، نیاز به استانداردهای بین المللی برای کارآیی وسایل و روشهای اندازه گیری را تشدید کرده است. به تدریج ، وسایل قابل حملی که قادر به دریافت و اندازه گیری شدت صدای یک منبع سر و صدای ناموزون در یک مجتمع صنعتی هستند، متداول می‌شوند.
مباحث مرتبط با عنوان
