聲音聽覺理論

聲音聽覺理論

由于人耳聽覺系統(tǒng)非常復(fù)雜，迄今為止人類對(duì)它的生理結(jié)構(gòu)和聽覺特性還不能從生理解剖角度完全解釋清楚。所以，對(duì)人耳聽覺特性的研究目前僅限于在心理聲學(xué)和語言聲學(xué)。

　人耳對(duì)不同強(qiáng)度、不同頻率聲音的聽覺范圍稱為聲域。在人耳的聲域范圍內(nèi)，聲音聽覺心理的主觀感受主要有響度、音高、音色等特征和掩蔽效應(yīng)、高頻定位等特性。其中響度、音高、音色可以在主觀上用來描述具有振幅、頻率和相位三個(gè)物理量的任何復(fù)雜的聲音，故又稱為聲音“三要素”；而在多種音源場(chǎng)合，人耳掩蔽效應(yīng)等特性更重要，它是心理聲學(xué)的基礎(chǔ)。下面簡(jiǎn)單介紹一下以上問題。

一、聲音三要素

1．響度

　響度，又稱聲強(qiáng)或音量，它表示的是聲音能量的強(qiáng)弱程度，主要取決于聲波振幅的大小。聲音的響度一般用聲壓(達(dá)因／平方厘米)或聲強(qiáng)(瓦特／平方厘米)來計(jì)量，聲壓的單位為帕(Pa)，它與基準(zhǔn)聲壓比值的對(duì)數(shù)值稱為聲壓級(jí)，單位是分貝(dB)。對(duì)于響度的心理感受，一般用單位宋(Sone)來度量，并定義lkHz、40dB的純音的響度為1宋。響度的相對(duì)量稱為響度級(jí)，它表示的是某響度與基準(zhǔn)響度比值的對(duì)數(shù)值，單位為口方(phon)，即當(dāng)人耳感到某聲音與1kHz單一頻率的純音同樣響時(shí)，該聲音聲壓級(jí)的分貝數(shù)即為其響度級(jí)。可見，無論在客觀和主觀上，這　兩個(gè)單位的概念是完全不同的，除1kHz純音外，聲壓級(jí)的值一般不等于響度級(jí)的值，使用中要注意。

響度是聽覺的基礎(chǔ)。正常人聽覺的強(qiáng)度范圍為0dB—140dB(也有人認(rèn)為是-5dB—130dB)。固然，超出人耳的可聽頻率范圍(即頻域)的聲音，即使響度再大，人耳也聽不出來(即響度為零)。但在人耳的可聽頻域內(nèi)，若聲音弱到或強(qiáng)到一定程度，人耳同樣是聽不到的。當(dāng)聲音減弱到人耳剛剛可以聽見時(shí)，此時(shí)的聲音強(qiáng)度稱為“聽閾”。一般以1kHz純音為準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，人耳剛能聽到的聲壓為0dB(通常大于0．3dB即有感受)、聲強(qiáng)為10-16W/cm2時(shí)的響度級(jí)定為0口方。而當(dāng)聲音增強(qiáng)到使人耳感到疼痛時(shí)，這個(gè)閾值稱為“痛閾”。仍以1kHz純音為準(zhǔn)來進(jìn)行測(cè)量，使　人耳感到疼痛時(shí)的聲壓級(jí)約達(dá)到140dB左右。

　實(shí)驗(yàn)表明，聞閾和痛閾是隨聲壓、頻率變化的。聞閾和痛閾隨頻率變化的等響度曲線(弗萊徹—芒森曲線)之間的區(qū)域就是人耳的聽覺范圍。通常認(rèn)為，對(duì)于1kHz純音，0dB—20dB為寧靜聲，30dB--40dB為微弱聲，50dB—70dB為正常聲，80dB—100dB為響音聲，110dB—130dB為極響聲。而對(duì)于1kHz以外的可聽聲，在同一級(jí)等響度曲線上有無數(shù)個(gè)等效的聲壓—頻率值，例如，200Hz的30dB的聲音和1kHz的10dB的聲音在人耳聽起來具有相同的響度，這就是所謂的“等響”。小于0dB聞閾和大于140dB痛閾時(shí)為不可聽聲，即使是人耳最敏感頻率范圍的聲音，人耳也覺察不到。人耳對(duì)不同頻率的聲音聞閾和痛閾不一樣，靈敏度也不一樣。人耳的痛閾受頻率的影響不大，而聞閾隨頻率變化相當(dāng)劇烈。人耳對(duì)3kHz—5kHz聲音最敏感，幅度很小的聲音信號(hào)都能被人耳聽到，而在低頻區(qū)(如小于800Hz)和高頻區(qū)(如大于5kHz)人耳對(duì)聲音的靈敏度要低得多。響度級(jí)較小時(shí)，高、低頻聲音靈敏度降低較明顯，而低頻段比高頻段靈敏度降低更加劇烈，一般應(yīng)特別重視加強(qiáng)低頻音量。通常200Hz--3kHz語音聲壓級(jí)以60dB—70dB為宜，頻率范圍較寬的音樂聲壓以80dB—90dB最佳。

2．音高

　音高也稱音調(diào)，表示人耳對(duì)聲音調(diào)子高低的主觀感受�？陀^上音高大小主要取決于聲波基頻的高低，頻率高則音調(diào)高，反之則低，單位用赫茲(Hz)表示。主觀感覺的音高單位是“美”，通常定義響度為40方的1kHz純音的音高為1000美。赫茲與“美”同樣是表示音高的兩個(gè)不同概念而又有聯(lián)系的單位。

人耳對(duì)響度的感覺有一個(gè)從聞閾到痛閾的范圍。人耳對(duì)頻率的感覺同樣有一個(gè)從最低可聽頻率20Hz到最高可聽頻率別20kHz的范圍。響度的測(cè)量是以1kHz純音為基準(zhǔn)，同樣，音高的測(cè)量是以40dB聲強(qiáng)的純音為基準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)證明，音高與頻率之間的變化并非線性關(guān)系，除了頻率之外，音高還與聲音的響度及波形有關(guān)。音高的變化與兩個(gè)頻率相對(duì)變化的對(duì)數(shù)成正比。不管原來頻率多少，只要兩個(gè)40dB的純音頻率都增加1個(gè)倍頻程(即1倍)，人耳感受到的音高變化則相同。在音樂聲學(xué)中，音高的連續(xù)變化稱為滑音，1個(gè)倍頻程相當(dāng)于樂音提高了一個(gè)八度音階。根據(jù)人耳對(duì)音高的實(shí)際感受，人的語音頻率范圍可放寬到80Hz--12kHz，樂音較寬，效果音則更寬。

3．音色

　音色又稱音品，由聲音波形的諧波頻譜和包絡(luò)決定。聲音波形的基頻所產(chǎn)生的聽得最清楚的音稱為基音，各次諧波的微小振動(dòng)所產(chǎn)生的聲音稱泛音。單一頻率的音稱為純音，具有諧波的音稱為復(fù)音。每個(gè)基音都有固有的頻率和不同響度的泛音，借此可以區(qū)別其它具有相同響度和音調(diào)的聲音。聲音波形各次諧波的比例和隨時(shí)間的衰減大小決定了各種聲源的音色特征，其包絡(luò)是每個(gè)周期波峰間的連線，包絡(luò)的陡緩影響聲音強(qiáng)度的瞬態(tài)特性。聲音的音色色彩紛呈，變化萬千，高保真(Hi—Fi)音響的目標(biāo)就是要盡可能準(zhǔn)確地傳輸、還原重建原始聲場(chǎng)的一切特征，使人們其實(shí)地感受到諸如聲源定位感、空間包圍感、層次厚度感等各種臨場(chǎng)聽感的立體環(huán)繞聲效果。

　另外，表征聲音的其它物理特性還有：音值，又稱音長(zhǎng)，是由振動(dòng)持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短決定的。持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)，音則長(zhǎng)；反之則短。從以上主觀描述聲音的三個(gè)主要特征看，人耳的聽覺特性并非完全線性。聲音傳到人的耳內(nèi)經(jīng)處理后，除了基音外，還會(huì)產(chǎn)生各種諧音及它們的和音和差音，并不是所有這些成分都能被感覺。人耳對(duì)聲音具有接收、選擇、分析、判斷響度、音高和音品的功能，例如，人耳對(duì)高頻聲音信號(hào)只能感受到對(duì)聲音定位有決定性影響的時(shí)域波形的包絡(luò)(特別是變化快的包絡(luò)在內(nèi)耳的延時(shí))，而感覺不出單個(gè)周期的波形和判斷不出頻率非常接近的高頻信號(hào)的方向；以及對(duì)聲音幅度分辨率低，對(duì)相位失真不敏感等。這些涉及心理聲學(xué)和生理聲學(xué)方面的復(fù)雜問題。

二、人耳的掩蔽效應(yīng)

　一個(gè)較弱的聲音(被掩蔽音)的聽覺感受被另一個(gè)較強(qiáng)的聲音(掩蔽音)影響的現(xiàn)象稱為人耳的“掩蔽效應(yīng)”。被掩蔽音單獨(dú)存在時(shí)的聽閾分貝值，或者說在安靜環(huán)境中能被人耳聽到的純音的最小值稱為絕對(duì)聞閾。實(shí)驗(yàn)表明，3kHz—5kHz絕對(duì)聞閾值最小，即人耳對(duì)它的微弱聲音最敏感；而在低頻和高頻區(qū)絕對(duì)聞閾值要大得多。在800Hz--1500Hz范圍內(nèi)聞閾隨頻率變化最不顯著，即在這個(gè)范圍內(nèi)語言可儲(chǔ)度最高。在掩蔽情況下，提高被掩蔽弱音的強(qiáng)度，使人耳能夠聽見時(shí)的聞閾稱為掩蔽聞閾(或稱掩蔽門限)，被掩蔽弱音必須提高的分貝值稱為掩蔽量(或稱閾移)。

1．掩蔽效應(yīng)

　已有實(shí)驗(yàn)表明，純音對(duì)純音、噪音對(duì)純音的掩蔽效應(yīng)結(jié)論如下：

A.純音間的掩蔽

①對(duì)處于中等強(qiáng)度時(shí)的純音最有效的掩蔽是出現(xiàn)在它的頻率附近。

②低頻的純音可以有效地掩蔽高頻的純音，而反過來則作用很小。

B.噪音對(duì)純音的掩蔽噪音是由多種純音組成，具有無限寬的頻譜

　若掩蔽聲為寬帶噪聲，被掩蔽聲為純音，則它產(chǎn)生的掩蔽門限在低頻段一般高于噪聲功率譜密度17dB，且較平坦；超過500Hz時(shí)大約每十倍頻程增大10dB。若掩蔽聲為窄帶噪聲，被掩蔽聲為純音，則情況較復(fù)雜。其中位于被掩蔽音附近的由純音分量組成的窄帶噪聲即臨界頻帶的掩蔽作用最明顯。所謂臨界頻帶是指當(dāng)某個(gè)純音被以它為中心頻率，且具有一定帶寬的連續(xù)噪聲所掩蔽時(shí)，如果該純音剛好能被聽到時(shí)的功率等于這一頻帶內(nèi)噪聲的功率，那么這一帶寬稱為臨界頻帶寬度。臨界頻帶的單位叫巴克(Bark)，1Bark＝一個(gè)臨界頻帶寬度。頻率小于500Hz時(shí)，1Bark約等于freq／100；頻率大于500Hz時(shí)，1Bark約等于9+41og(freq／1000)，即約為某個(gè)純音中心頻率的20％。通常認(rèn)為，20Hz--16kHz范圍內(nèi)有24個(gè)子臨界頻帶。而當(dāng)某個(gè)純音位于掩蔽聲的臨界頻帶之外時(shí)，掩蔽效應(yīng)仍然存在。

2．掩蔽類型

(1)頻域掩蔽

　所謂頻域掩蔽是指掩蔽聲與被掩蔽聲同時(shí)作用時(shí)發(fā)生掩蔽效應(yīng)，又稱同時(shí)掩蔽。這時(shí)，掩蔽聲在掩蔽效應(yīng)發(fā)生期間一直起作用，是一種較強(qiáng)的掩蔽效應(yīng)。通常，頻域中的一個(gè)強(qiáng)音會(huì)掩蔽與之同時(shí)發(fā)聲的附近的弱音，弱音離強(qiáng)音越近，一般越容易被掩蔽；反之，離強(qiáng)音較遠(yuǎn)的弱音不容易被掩蔽。例如，—個(gè)1000Hz的音比另一個(gè)900Hz的音高18dB，則900Hz的音將被1000Hz的音掩蔽。而若1000Hz的音比離它較遠(yuǎn)的另一個(gè)1800Hz的音高18dB，則這兩個(gè)音將同時(shí)被人耳聽到。若要讓1800Hz的音聽不到，則1000Hz的音要比1800Hz的音高45dB。一般來說，低頻的音容易掩蔽高頻的音；在距離強(qiáng)音較遠(yuǎn)處，絕對(duì)聞閾比該強(qiáng)音所引起的掩蔽閾值高，這時(shí)，噪聲的掩蔽閾值應(yīng)取絕對(duì)聞閾。

(2)時(shí)域掩蔽

　所謂時(shí)域掩蔽是指掩蔽效應(yīng)發(fā)生在掩蔽聲與被掩蔽聲不同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，又稱異時(shí)掩蔽。異時(shí)掩蔽又分為導(dǎo)前掩蔽和滯后掩蔽。若掩蔽聲音出現(xiàn)之前的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生掩蔽效應(yīng)，則稱為導(dǎo)前掩蔽；否則稱為滯后掩蔽。產(chǎn)生時(shí)域掩蔽的主要原因是人的大腦處理信息需要花費(fèi)一定的時(shí)間，異時(shí)掩蔽也隨著時(shí)間的推移很快會(huì)衰減，是一種弱掩蔽效應(yīng)。一般情況下，導(dǎo)前掩蔽只有3ms—20ms，而滯后掩蔽卻可以持續(xù)50ms—100ms。