Đại lượng vật lý phổ biến nhất được sử dụng để đo âm thanh là cường độ âm. Độ lớn của cường độ âm thường được mô tả bằng Mức cường độ âm (SPL). Nó cho chúng ta biết sóng âm mạnh đến mức nào — hay nói đơn giản là âm thanh lớn đến mức nào đối với tai chúng ta.
SPL được tính bằng cách lấy tỷ lệ giữa cường độ âm hiệu dụng và cường độ âm tham chiếu (2×10⁻⁵ Pa), sử dụng logarit cơ số 10, sau đó nhân với 20. Đơn vị là decibel (dB). Phạm vi cường độ âm mà tai người có thể nghe được là từ 2×10⁻⁵ Pa đến 20 Pa, tương đương với 0 đến 120 dB SPL. Nhưng việc tính toán decibel có thể khá phức tạp, vì một sự tăng nhỏ về dB có nghĩa là sự tăng lớn về độ lớn. Ví dụ, âm thanh 60 dB không chỉ lớn gấp đôi âm thanh 30 dB — mà nó lớn hơn rất nhiều.
Tại sao SPL lại quan trọng?
SPL là một giá trị quan trọng để đo độ lớn của âm thanh. Nó được sử dụng trong giám sát tiếng ồn môi trường, kỹ thuật âm thanh và thử nghiệm sản phẩm. Trong ngành công nghiệp âm thanh, các nhà thiết kế loa sử dụng SPL để đo độ lớn của sản phẩm. SPL càng cao nghĩa là loa có thể tạo ra âm thanh lớn hơn với công suất thấp hơn. Trong trường học và văn phòng, SPL giúp thiết kế hệ thống âm thanh sao cho thông điệp vẫn có thể được nghe rõ ràng, ngay cả ở những nơi ồn ào. Trong lĩnh vực an toàn và công nghiệp, tiếng ồn quá lớn (SPL cao) có thể gây hại cho thính giác. Máy đo SPL được sử dụng để kiểm tra xem nơi làm việc có an toàn hay không. Đối với mục đích cá nhân, việc biết mức SPL an toàn giúp mọi người tránh bị mất thính lực do nghe nhạc hoặc tai nghe quá lớn.
SPL được đo như thế nào?
SPL thường được đo bằng một công cụ đặc biệt gọi là Máy đo mức âm thanh (SLM). Thiết bị này có thể phát hiện sự thay đổi áp suất trong không khí do âm thanh gây ra và hiển thị kết quả bằng decibel (dB SPL). Trong các thử nghiệm thực tế, âm thanh có thể thay đổi rất nhanh. Đó là lý do tại sao cài đặt Trọng số thời gian rất quan trọng. Các thiết lập khác nhau được sử dụng cho các tình huống khác nhau để phản ánh sự thay đổi của âm thanh theo thời gian:
Trọng số chậm được sử dụng trong nơi làm việc hoặc nhà máy. Nó hiển thị mức độ trung bình của âm thanh ổn định, tương tự như cách tai người phản ứng với tiếng ồn liên tục.
Trọng số nhanh được sử dụng để giám sát tiếng ồn nói chung. Nó phản ứng nhanh và hiển thị những thay đổi ngắn trong âm thanh.
Trọng số xung được sử dụng để bắt những âm thanh lớn đột ngột như tiếng nổ máy móc, tiếng nổ hoặc tiếng súng. Nó hiển thị các đỉnh nhọn rõ ràng hơn.
Ngoài trọng số thời gian, phép đo SPL cũng sử dụng Trọng số Tần số để phù hợp với cách con người nghe các âm thanh khác nhau. Các loại phổ biến nhất là:
Trọng số A: Đây là thiết lập được sử dụng nhiều nhất. Nó giảm tần số thấp và cao và tập trung hơn vào tần số trung bình (khoảng 500 Hz đến 10 kHz), mà tai người nghe tốt nhất. Nó được sử dụng để đo tiếng ồn môi trường và nơi làm việc.
Trọng số C: Thiết lập này gần như phẳng. Nó giữ lại hầu hết các tần số và chỉ giảm một chút các tần số rất thấp và rất cao. Nó được sử dụng cho các âm thanh lớn như buổi hòa nhạc, công trường xây dựng hoặc sân bay.
Phương pháp trọng số Z: Còn được gọi là trọng số “tuyến tính” hoặc “không”. Phương pháp này xử lý tất cả các tần số như nhau, không tăng hoặc giảm. Nó được sử dụng cho các thử nghiệm khoa học và hiệu chuẩn thiết bị.
Để đo SPL chính xác, hãy đặt máy đo mức âm thanh cách nguồn âm 1 mét và ở cùng độ cao với tai người. Micrô tích hợp sẽ thu âm thanh và chuyển đổi nó thành mức cường độ âm thanh, được hiển thị dưới dạng dB SPL trên màn hình. Trong thử nghiệm loa, một quy tắc phổ biến là đo trong điều kiện “1W/1m”. Điều đó có nghĩa là sử dụng công suất đầu vào 1 watt và đo từ khoảng cách 1 mét. Điều này giúp kiểm tra hiệu suất hoặc độ nhạy của loa và giúp dễ dàng so sánh các mẫu loa khác nhau.
Ngày nay, nhiều ứng dụng trên điện thoại thông minh cũng có thể đo SPL (áp suất âm thanh). Mặc dù micro và tốc độ lấy mẫu của chúng không chính xác bằng các thiết bị đo chuyên dụng, nhưng chúng vẫn có thể cung cấp một ước lượng sơ bộ về mức độ tiếng ồn khi sử dụng không chuyên nghiệp. Hãy xem một biểu đồ đơn giản. Đường màu xanh lam hiển thị mức áp suất âm thanh tức thời, có nghĩa là áp suất được micro thu nhận trong thời gian thực. Giá trị này thay đổi rất nhanh và thường dao động mạnh. Vì vậy, rất khó để hiểu được mức độ âm thanh chỉ bằng cách nhìn vào các giá trị tức thời.
Trong nhiều trường hợp, chúng ta sử dụng giá trị gọi là Leq, có nghĩa là mức áp suất âm thanh tương đương liên tục trong suốt thời gian thử nghiệm. Giá trị này khá phù hợp với cảm nhận âm thanh của con người. Ví dụ, sau một sự kiện, nếu mọi người nói rằng âm thanh nghe vừa phải, đường cong Leq thường sẽ mượt mà. Nhưng nếu giá trị Leq rất cao, điều đó có nghĩa là sự kiện đó rất lớn tiếng. Vì Leq rất phù hợp với thính giác của con người, nên nó là một trong những giá trị quan trọng nhất trong thử nghiệm âm thanh. Để tính toán SPL, chúng ta phải sử dụng giá trị hiệu quả tổng thể trên tất cả các tần số, chứ không chỉ tại một thời điểm. Tín hiệu tiếng ồn được đo bởi cảm biến là một dạng sóng trong miền thời gian, có nghĩa là áp suất âm thanh thay đổi theo thời gian — với cả giá trị dương và âm. Nhưng trong toán học, logarit (được sử dụng trong tính toán SPL) phải sử dụng các giá trị đầu vào dương. Vì vậy, chúng ta không thể sử dụng trực tiếp các giá trị áp suất âm thanh tức thời. Thay vào đó, chúng ta sử dụng giá trị trung bình bình phương (RMS), luôn dương và biểu thị tổng năng lượng của âm thanh. Đó là lý do tại sao tất cả các phép tính SPL đều dựa trên giá trị RMS trên toàn bộ dải tần số, còn được gọi là Mức tổng thể.
