現(xiàn)代音響工程設計手冊 第三章.doc

第三章 聽覺生理學和心理聲學擴聲系統(tǒng)的音質效果最終還得由耳朵鑒別。聽覺感受與生理聲學和心理聲學直接相關。因此必須對它們有所了解，并根據人耳的聽覺特征，采取相應技術措施，才能獲得最佳的系統(tǒng)效果。聽覺生理學主要是研究聲音響度與聲壓級關系的科學。心理聲學是研究耳朵和人腦結合對聽覺激勵的反應。心理聲學在了解音樂家對環(huán)繞他們的聲音世界的反應是重要的。本章討論的主題包括等響度曲線,聲級計的計權曲線,聲音的持續(xù)時間與響度的關系、響度計算、聲音的掩蔽和哈斯效應以及音調和音色的主觀感受等。3.1聽覺生理學聽覺生理學是研究耳朵聽覺特性的科學。與專業(yè)音響直接有關的是聲壓級和聲音的響度。1、聲壓級單位面積上接收到的聲壓大小，可用聲級計測定。它與頻率無關，是一種客觀測量的結果。人耳聽覺的聽聞閥值（感覺有無聲音存在的最低聲壓級）為2010-6N/m2（牛頓/平方米），并把它作為聲壓級的最小基準0dB。人耳聽覺的最大聲壓級（痛閥）為20N/m2，等于120dB。因此人耳聽覺的最大動態(tài)范圍為120dB（106倍）。聲壓級的單位為dB，可用儀表測量。2、響度級人耳的響度感覺不僅與聲壓級有關，還與聲音的頻率有關。即相同聲壓級的聲音在不同頻率時的響度感覺不完全相同。1KHZ的聽覺靈敏度最高，低頻的聽覺靈敏度越來越低；超過1KHZ的高音，聽覺靈敏度也有所降低。于是為了符合實際聽覺的需要，制定了一個新單位響度級。響度級的單位為phon（方），與頻率有關。只在1KHZ時，響度級（方）與聲壓級（dB）相等。3、響度圖3-1 響度級phon與響度Sone的對應關系再進一步研究，人耳對響度的感覺與響度級并非成正比，如響度級增加10方，響度感覺才提高1倍。為符合人耳的響度感覺，又制定了一個響度單位Sone（宋）。40方等于1宋，2宋比1宋的響度提高一倍，依次類推。Sone和phon的對應關系如圖3-1所示。并可用下式表示：響度N= （宋） (3-1）式中：N響度，單位為宋； LN響度級，單位為方。（3-1）式也可改寫為：logN=0.03LN-1.2 (3-2)響度的定義為：頻率為1KHZ、聲壓級為40dB（或響度級為40方）的一個純音所產生的響度為1宋。聲音的響度如果被判斷為1宋純音的n倍，則此聲音的響度為n宋。4、等響度曲線大家都有以一般聲壓級收聽立體聲播放的經驗。適當?shù)娜l段聲音,減小音量時,即使頻譜沒有改變,會感到聲音單薄,缺少低音。這個情況說明了耳朵在低頻時的靈敏度低于較高頻率的靈敏度。1933年Fletcher和Munson研究了這個現(xiàn)象并提出了著名的等響度問題。Robinson和Dadson在80年代初研制成圖3-2所示的等響度曲線，它比前者更為正確可信。圖3-2 自由聲場中的等響度曲線考察這些曲線,我們可以看到以方(phon)為單位的1KHZ純音的響度級與聲壓級的dB數(shù)相等。也就是說決定等響度曲線的參考頻率是1000HZ。從等響度曲線中可以看到：人耳對不同頻率純音的響度感覺是不同的，并且還和聲音的強度（聲壓級或響度級）有關。人耳對響度的感覺與聲壓級或響度級不成正比。通常聲壓級增加10 dB（或響度級10方）可使響度加倍。例如70方的聲音比60方的聲音響一倍,40方的聲音比30方的聲音也響一倍。相差20方的聲音響度相差4倍。（2*2倍）。90dB的聲音比70 dB的聲音也響4倍。對于揚聲器來說，輸入電功率增加1倍時，人耳感受到的聲壓級只增加3dB。輸入功率從10W增加到100W時，響度級大約增加10方，而響度僅增加一倍。等響度曲線是由實驗給定的標準值。對給定的聲壓級和不同頻率的純音（即正弦波）可直接從曲線上查出它的響度級。例如曲線上1000HZ、70dB聲壓級的聲音與30HZ、95 dB聲壓級的聲音或3.5KHZ、61dB聲壓級的聲音都在70方的等響曲線上，它們具有相同的響度級。盡管30HZ與3.5K HZ兩個頻率的聲壓級相差34dB，但耳朵聽到的響度感覺卻是相同的。這就是人耳對低頻（超低頻）的聲音感到不夠響的原因，但人體在80HZ以下的超低頻有振動的感覺。在中頻和高頻段只需較小的聲壓級就能讓人感覺到很響，幾瓦的中、高音喇叭就可使幾十或上百人聽得很好。在專業(yè)音響領域里，聲壓級、響度級、響度和等響度曲線是十分重要得聲學概念，它對聲音的聲壓級和頻率分析有很大的實用價值。在擴聲工程的設計和音響系統(tǒng)的調音中有很好的指導意義。5、聲級計的計權曲線大量測試結果表明，人耳對20004000HZ的聲音最敏感。低于1000 HZ時，人耳的聽覺靈敏度隨頻率降低而降低；4000HZ以上時，人耳的聽覺靈敏度也逐漸下降。這就是說，不同頻率相同聲壓級的聲音，人耳聽起來是不一樣響的。為使聲壓級的測試結果更接近于人耳的響應曲線。聲級計設有A，B，C三個計權網絡（有的還有D計權），它們是以等響度曲線為參考制定出來的。A計權是參考40方等響曲線繪制出來的，對500 HZ以下的聲音有較大的衰減。C計權接近線性，比較平直。B計權介于兩者之間。40dB以下的聲壓級測量一般都用A計權刻度,測量結果記為dB(A)。70dB范圍的測量可用B計權；100dB以上的測量一般都用C計權。這些測量結果將與我們主觀判斷的響度級大多是一致的。各種計權特性如圖3-3所示。圖3-3 聲級計的計權特性圖3-4 聲級計及dB(A)聲壓級人耳的可聞聲壓級從SPL 0dB到120dB，其范圍達到一百萬倍。超出120dB會使耳朵感到疼痛，130dB以上會引起內耳出血。長期從事?lián)u滾樂擴聲的人，一般都患有職業(yè)性耳聾。暴露在極端高的噪聲聲壓級中可招致永久性的聽力損失。如果有足夠長時間暴露在足夠強烈的噪聲聲壓級中，幾乎每個人都會受到聽力損傷。美國政府和健康管理部門（OSHA）規(guī)定了下列允許的最大聲壓級限制：表3-1 聲壓級與收聽時間的限制標準（美國OSHA標準）聲壓級dB(A)(慢響應)90929597100102105110115持續(xù)時間 （小時）864321.510.50.25按照美國OSHA機構的規(guī)定，超過表3-1限定的聲壓級及其相對應持續(xù)時間的將會導致聽力損失。為防止永久性聽力的損傷，在超過規(guī)定的環(huán)境中工作的人員，必須在耳道內插入防護耳塞。耳朵對持續(xù)時間很短的聲音（如音樂節(jié)目中非常短的瞬態(tài)信號）的靈敏度低于持續(xù)時間長的聲音。圖3-5表明1KHZ 純音在60方響度級時的聲壓級與聲音持續(xù)時間的關系。例如持續(xù)時間為100ms的聲音比持續(xù)時間為2ms的聲壓級要大12dB。圖3-5 聲音的持續(xù)時間與響度的關系6、音調和音色人耳對聲波頻率的感覺簡稱為音調。在樂聲中它是指音階的變化。樂隊演出前都要對音,這個音使用的是440HZ 標準音,這是一種國際標準,如表3-2所示。表中的a是440HZ 標準音；低于a的A1和高于a的a1在音樂上稱為低八度和高八度音，其對應的頻率關系是倍頻程的關系。表3-2 音階與頻率的關系音階A4A3A2A1aa1a2a3頻率（HZ）27.55511022044088017603520圖3-6所示的是在不同音階內個基音頻率對應的倍頻程關系。8個a分布在鋼琴的88個鍵內，從低到高按倍頻程的關系排列。圖3-6 音調與倍頻程的關系象響度一樣，音調也是一種聽覺的主觀心理量。它是聽覺判斷聲音高低的屬性，主要依賴于聲音的頻率，但也和聲壓級及波形有關。圖3-7是聲壓級對音調主觀感覺的改變。1KHZ 以上的頻率，音調隨聲壓級的增加而提高。1KHZ 以下的頻率，音調隨聲壓級的增加而降低。音調的單位為“美”（Mel）。響度40方，頻率1000HZ 的純音音調規(guī)定為1000“美”。如果某個頻率的聲音聽起來比40方、1000HZ 純音的音調高2倍，那么它的音調就是2000“美”。圖3-8是音調與頻率的關系。圖3-7 聲壓級與主觀音調變化的關系圖3-8 音調與頻率的關系音調概念對調音師和音質主觀評價特別有用。音色是聽覺上區(qū)別兩個具有同樣響度和音調聲音的屬性。各種樂器的定音頻率都是440HZ ，但是發(fā)出來的聲音為什么還有差別，還能分辨出提琴、木管、銅管和鋼琴呢？主要是每件樂器奏出的聲音除了基頻之外，還包含了各種頻率的泛音（在電子學上稱之為諧波）。不同數(shù)量和不同強度的諧波結構以及頻譜分布決定了不同的音色。音色難以定量表示，通常以諧波結構的數(shù)目、強度、分布和它們之間的相位關系來描述。3.2心理聲學聲音的掩蔽和哈斯效應聲音的掩蔽是心理聲學中很重要的效應。在很多方面都可產生掩蔽現(xiàn)象。大的聲音掩蔽柔和的聲音；頻率較低的聲音掩蔽頻率較高的聲音，但不能顛倒過來。寬頻帶音樂中的高聲壓級的高頻失真容易被低頻掩蔽等等。人們在背景音樂的環(huán)境中談話時，如果背景音樂的聲壓級超過談話聲壓級6 dB時，那么兩個人的談話內容就不易被附近的旁人聽到。這也是聲音掩蔽作用的一種應用。被掩蔽的聲音聽閥值因為掩蔽聲的出現(xiàn)而必須提高的聽閥值稱為掩蔽量。掩蔽量隨被掩蔽聲的聲壓級提高而增加，并且還與頻率有關。最大的掩蔽出現(xiàn)在掩蔽聲頻率的附近。如果兩個聲壓級相同的聲音不同時到達耳朵，那么先到達的聲音可掩蔽后到達的聲音。這個現(xiàn)象由德國科學家哈斯（Hass）首先發(fā)現(xiàn)，后來被人們簡稱為哈斯效應（Hass EFX）。我國有句成語叫做“先入為主”恰好用來形容哈斯效應。所以哈斯效應也稱“領先效應”。哈斯效應的聽覺效果不僅與兩個聲源的聲壓級差有關，還與兩個聲源到達聽眾的時間差有關。圖3-9（a）是兩個聲源聲壓級的不平衡與延遲時間的關系。（b）是兩個聲源到達聽眾處的聲壓級相同,時間差為零(同時到達),聽眾的感覺(聲像位置)是聲源在中間。（c）是在一個聲源（右邊）中插入一個可調延時器，延遲時間T=5ms，此時聽眾的感覺聲源已偏到左邊去了。（d）是在左聲源中插入一個-10dB的固定衰減器，此時左聲源的聲壓級比右聲源小10dB，右聲源中插入的延遲時間不變，仍為5ms，聽眾的感覺是聲源又回到了中間位置。（e）是把延遲時間增加到25-30ms，甚至更大，聽眾開始會聽到失真的兩個聲音，延遲時間越長，兩個聲音之間的間隔也越長。圖3-9 哈斯效應(a)兩個聲源之間不平衡的聲壓級與延遲時間的關系 (b)兩個聲源的聲壓級相等，時間差為0(c)兩個聲源的聲壓級相等，右聲源比左聲源晚到5ms (d)左聲源比右聲源的聲壓級低10dB，右聲源晚到5ms(e)左聲源比右聲源的聲壓級低10dB，增加延時在劇場擴聲工程中，通常利用哈斯效應來解決聲像一致的問題。例如劇場中為均勻全場觀眾區(qū)的聲壓級，都將主揚聲器安裝在舞臺臺口正上方較高的“音橋“中。這種布局會使舞臺前面幾排座位的觀眾聽到的聲音像似從頭頂上下來的，聲像嚴重不一致。為此在舞臺臺口兩側再安排兩組聲壓級較小的輔助揚聲器，使前幾排座位的觀眾先聽到輔助揚聲器的聲音（因為比主揚聲器的聲音先到達）。這樣使觀眾就會感到聲音是從舞臺方向來的了。圖3-10 優(yōu)先效應在擴聲系統(tǒng)中的應用圖3-10是優(yōu)先效應在擴聲系統(tǒng)中的一種應用。聽眾位于離講話者某個距離，不用擴聲系統(tǒng)時，由于聲壓級太低聽不清講話的內容。如果使用一個小揚聲器提高聲壓級，并且在擴聲系統(tǒng)中按照聽眾離講話者的距離適當增加816ms的延時，此時不但提高了聲音的清晰度，而且揚聲器如同不存在那樣，聲音仍然是從講話者位置發(fā)出的感覺。擴聲系統(tǒng)中哈斯效應使