聲音聽(tīng)覺(jué)理論

由于人耳聽(tīng)覺(jué)系統非常復雜，迄今為止人類(lèi)對它的生理結構和聽(tīng)覺(jué)特性還不能從生理解剖角度完全解釋清楚。所以，對人耳聽(tīng)覺(jué)特性的研究目前僅限于在心理聲學(xué)和語(yǔ)言聲學(xué)。

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

一、聲音三要素

1．響度

　響度，又稱(chēng)聲強或音量，它表示的是聲音能量的強弱程度，主要取決于聲波振幅的大小。聲音的響度一般用聲壓(達因／平方厘米)或聲強(瓦特／平方厘米)來(lái)計量，聲壓的單位為帕(Pa)，它與基準聲壓比值的對數值稱(chēng)為聲壓級，單位是分貝(dB)。對于響度的心理感受，一般用單位宋(Sone)來(lái)度量，并定義lkHz、40dB的純音的響度為1宋。響度的相對量稱(chēng)為響度級，它表示的是某響度與基準響度比值的對數值，單位為口方(phon)，即當人耳感到某聲音與1kHz單一頻率的純音同樣響時(shí)，該聲音聲壓級的分貝數即為其響度級�？梢�(jiàn)，無(wú)論在客觀(guān)和主觀(guān)上，這　兩個(gè)單位的概念是完全不同的，除1kHz純音外，聲壓級的值一般不等于響度級的值，使用中要注意。

響度是聽(tīng)覺(jué)的基礎。正常人聽(tīng)覺(jué)的強度范圍為0dB—140dB(也有人認為是-5dB—130dB)。固然，超出人耳的可聽(tīng)頻率范圍(即頻域)的聲音，即使響度再大，人耳也聽(tīng)不出來(lái)(即響度為零)。但在人耳的可聽(tīng)頻域內，若聲音弱到或強到一定程度，人耳同樣是聽(tīng)不到的。當聲音減弱到人耳剛剛可以聽(tīng)見(jiàn)時(shí)，此時(shí)的聲音強度稱(chēng)為“聽(tīng)閾”。一般以1kHz純音為準進(jìn)行測量，人耳剛能聽(tīng)到的聲壓為0dB(通常大于0．3dB即有感受)、聲強為10-16W/cm2時(shí)的響度級定為0口方。而當聲音增強到使人耳感到疼痛時(shí)，這個(gè)閾值稱(chēng)為“痛閾”。仍以1kHz純音為準來(lái)進(jìn)行測量，使　人耳感到疼痛時(shí)的聲壓級約達到140dB左右。

　實(shí)驗表明，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(xiàn)(弗萊徹—芒森曲線(xiàn))之間的區域就是人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍。通常認為，對于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。而對于1kHz以外的可聽(tīng)聲，在同一級等響度曲線(xiàn)上有無(wú)數個(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(tīng)起來(lái)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(tīng)聲，即使是人耳最敏感頻率范圍的聲音，人耳也覺(jué)察不到。人耳對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劇烈。人耳對3kHz—5kHz聲音最敏感，幅度很小的聲音信號都能被人耳聽(tīng)到，而在低頻區(如小于800Hz)和高頻區(如大于5kHz)人耳對聲音的靈敏度要低得多。響度級較小時(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，一般應特別重視加強低頻音量。通常200Hz--3kHz語(yǔ)音聲壓級以60dB—70dB為宜，頻率范圍較寬的音樂(lè )聲壓以80dB—90dB最佳。

2．音高

　音高也稱(chēng)音調，表示人耳對聲音調子高低的主觀(guān)感受�？陀^(guān)上音高大小主要取決于聲波基頻的高低，頻率高則音調高，反之則低，單位用赫茲(Hz)表示。主觀(guān)感覺(jué)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。

人耳對響度的感覺(jué)有一個(gè)從聞閾到痛閾的范圍。人耳對頻率的感覺(jué)同樣有一個(gè)從最低可聽(tīng)頻率20Hz到最高可聽(tīng)頻率別20kHz的范圍。響度的測量是以1kHz純音為基準，同樣，音高的測量是以40dB聲強的純音為基準。實(shí)驗證明，音高與頻率之間的變化并非線(xiàn)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)頻率相對變化的對數成正比。不管原來(lái)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(lè )聲學(xué)中，音高的連續變化稱(chēng)為滑音，1個(gè)倍頻程相當于樂(lè )音提高了一個(gè)八度音階。根據人耳對音高的實(shí)際感受，人的語(yǔ)音頻率范圍可放寬到80Hz--12kHz，樂(lè )音較寬，效果音則更寬。

3．音色

　音色又稱(chēng)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(tīng)得最清楚的音稱(chēng)為基音，各次諧波的微小振動(dòng)所產(chǎn)生的聲音稱(chēng)泛音。單一頻率的音稱(chēng)為純音，具有諧波的音稱(chēng)為復音。每個(gè)基音都有固有的頻率和不同響度的泛音，借此可以區別其它具有相同響度和音調的聲音。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(xiàn)，包絡(luò )的陡緩影響聲音強度的瞬態(tài)特性。聲音的音色色彩紛呈，變化萬(wàn)千，高保真(Hi—Fi)音響的目標就是要盡可能準確地傳輸、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(tīng)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(chēng)音長(cháng)，是由振動(dòng)持續時(shí)間的長(cháng)短決定的。持續的時(shí)間長(cháng)，音則長(cháng)；反之則短。從以上主觀(guān)描述聲音的三個(gè)主要特征看，人耳的聽(tīng)覺(jué)特性并非完全線(xiàn)性。聲音傳到人的耳內經(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(jué)。人耳對聲音具有接收、選擇、分析、判斷響度、音高和音品的功能，例如，人耳對高頻聲音信號只能感受到對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 )在內耳的延時(shí))，而感覺(jué)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的方向；以及對聲音幅度分辨率低，對相位失真不敏感等。這些涉及心理聲學(xué)和生理聲學(xué)方面的復雜問(wèn)題。

二、人耳的掩蔽效應

　一個(gè)較弱的聲音(被掩蔽音)的聽(tīng)覺(jué)感受被另一個(gè)較強的聲音(掩蔽音)影響的現象稱(chēng)為人耳的“掩蔽效應”。被掩蔽音單獨存在時(shí)的聽(tīng)閾分貝值，或者說(shuō)在安靜環(huán)境中能被人耳聽(tīng)到的純音的最小值稱(chēng)為絕對聞閾。實(shí)驗表明，3kHz—5kHz絕對聞閾值最小，即人耳對它的微弱聲音最敏感；而在低頻和高頻區絕對聞閾值要大得多。在800Hz--1500Hz范圍內聞閾隨頻率變化最不顯著(zhù)，即在這個(gè)范圍內語(yǔ)言可儲度最高。在掩蔽情況下，提高被掩蔽弱音的強度，使人耳能夠聽(tīng)見(jiàn)時(shí)的聞閾稱(chēng)為掩蔽聞閾(或稱(chēng)掩蔽門(mén)限)，被掩蔽弱音必須提高的分貝值稱(chēng)為掩蔽量(或稱(chēng)閾移)。

1．掩蔽效應

　已有實(shí)驗表明，純音對純音、噪音對純音的掩蔽效應結論如下：

A.純音間的掩蔽

①對處于中等強度時(shí)的純音最有效的掩蔽是出現在它的頻率附近。

②低頻的純音可以有效地掩蔽高頻的純音，而反過(guò)來(lái)則作用很小。

B.噪音對純音的掩蔽噪音是由多種純音組成，具有無(wú)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(mén)限在低頻段一般高于噪聲功率譜密度17dB，且較平坦；超過(guò)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某個(gè)純音被以它為中心頻率，且具有一定帶寬的連續噪聲所掩蔽時(shí)，如果該純音剛好能被聽(tīng)到時(shí)的功率等于這一頻帶內噪聲的功率，那么這一帶寬稱(chēng)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％。通常認為，20Hz--16kHz范圍內有24個(gè)子臨界頻帶。而當某個(gè)純音位于掩蔽聲的臨界頻帶之外時(shí)，掩蔽效應仍然存在。

2．掩蔽類(lèi)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，又稱(chēng)同時(shí)掩蔽。這時(shí)，掩蔽聲在掩蔽效應發(fā)生期間一直起作用，是一種較強的掩蔽效應。通常，頻域中的一個(gè)強音會(huì )掩蔽與之同時(shí)發(fā)聲的附近的弱音，弱音離強音越近，一般越容易被掩蔽；反之，離強音較遠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的音比離它較遠的另一個(gè)1800Hz的音高18dB，則這兩個(gè)音將同時(shí)被人耳聽(tīng)到。若要讓1800Hz的音聽(tīng)不到，則1000Hz的音要比1800Hz的音高45dB。一般來(lái)說(shuō)，低頻的音容易掩蔽高頻的音；在距離強音較遠處，絕對聞閾比該強音所引起的掩蔽閾值高，這時(shí)，噪聲的掩蔽閾值應取絕對聞閾。

(2)時(shí)域掩蔽

　所謂時(shí)域掩蔽是指掩蔽效應發(fā)生在掩蔽聲與被掩蔽聲不同時(shí)出現時(shí)，又稱(chēng)異時(shí)掩蔽。異時(shí)掩蔽又分為導前掩蔽和滯后掩蔽。若掩蔽聲音出現之前的一段時(shí)間內發(fā)生掩蔽效應，則稱(chēng)為導前掩蔽；否則稱(chēng)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一定的時(shí)間，異時(shí)掩蔽也隨著(zhù)時(shí)間的推移很快會(huì )衰減，是一種弱掩蔽效應。一般情況下，導前掩蔽只有3ms—20ms，而滯后掩蔽卻可以持續50ms—100ms。