現(xiàn)代音響工地進(jìn)程設(shè)計(jì)手冊(cè)第三章

1、第三章 聽覺生理學(xué)和心理聲學(xué)擴(kuò)聲系統(tǒng)的音質(zhì)效果最終還得由耳朵鑒別。聽覺感受與生理聲學(xué)和心理聲學(xué)直接相關(guān)。因此必須對(duì)它們有所了解，并根據(jù)人耳的聽覺特征，采取相應(yīng)技術(shù)措施，才能獲得最佳的系統(tǒng)效果。聽覺生理學(xué)主要是研究聲音響度與聲壓級(jí)關(guān)系的科學(xué)。心理聲學(xué)是研究耳朵和人腦結(jié)合對(duì)聽覺激勵(lì)的反應(yīng)。心理聲學(xué)在了解音樂家對(duì)環(huán)繞他們的聲音世界的反應(yīng)是重要的。本章討論的主題包括等響度曲線,聲級(jí)計(jì)的計(jì)權(quán)曲線,聲音的持續(xù)時(shí)間與響度的關(guān)系、響度計(jì)算、聲音的掩蔽和哈斯效應(yīng)以及音調(diào)和音色的主觀感受等。3.1聽覺生理學(xué)聽覺生理學(xué)是研究耳朵聽覺特性的科學(xué)。與專業(yè)音響直接有關(guān)的是聲壓級(jí)和聲音的響度。1、聲壓級(jí)單位面積上接收到的聲

2、壓大小，可用聲級(jí)計(jì)測(cè)定。它與頻率無關(guān)，是一種客觀測(cè)量的結(jié)果。人耳聽覺的聽聞閥值（感覺有無聲音存在的最低聲壓級(jí)）為2010-6N/m2（牛頓/平方米），并把它作為聲壓級(jí)的最小基準(zhǔn)0dB。人耳聽覺的最大聲壓級(jí)（痛閥）為20N/m2，等于120dB。因此人耳聽覺的最大動(dòng)態(tài)范圍為120dB（106倍）。聲壓級(jí)的單位為dB，可用儀表測(cè)量。2、響度級(jí)人耳的響度感覺不僅與聲壓級(jí)有關(guān)，還與聲音的頻率有關(guān)。即相同聲壓級(jí)的聲音在不同頻率時(shí)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(shí)際聽覺的需要，制定了一個(gè)新單位響度級(jí)。響度級(jí)的單

3、位為phon（方），與頻率有關(guān)。只在1KHZ時(shí)，響度級(jí)（方）與聲壓級(jí)（dB）相等。3、響度圖3-1 響度級(jí)phon與響度Sone的對(duì)應(yīng)關(guān)系再進(jìn)一步研究，人耳對(duì)響度的感覺與響度級(jí)并非成正比，如響度級(jí)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(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)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(jí)，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(jí)為40dB（或響度級(jí)為4

4、0方）的一個(gè)純音所產(chǎn)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(jí)收聽立體聲播放的經(jīng)驗(yàn)。適當(dāng)?shù)娜l段聲音,減小音量時(shí),即使頻譜沒有改變,會(huì)感到聲音單薄,缺少低音。這個(gè)情況說明了耳朵在低頻時(shí)的靈敏度低于較高頻率的靈敏度。1933年Fletcher和Munson研究了這個(gè)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(chǎng)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(jí)與聲壓級(jí)的dB數(shù)相等。也就是說決定等響度

5、曲線的參考頻率是1000HZ。從等響度曲線中可以看到：人耳對(duì)不同頻率純音的響度感覺是不同的，并且還和聲音的強(qiáng)度（聲壓級(jí)或響度級(jí)）有關(guān)。人耳對(duì)響度的感覺與聲壓級(jí)或響度級(jí)不成正比。通常聲壓級(jí)增加10 dB（或響度級(jí)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(duì)于揚(yáng)聲器來說，輸入電功率增加1倍時(shí)，人耳感受到的聲壓級(jí)只增加3dB。輸入功率從10W增加到100W時(shí)，響度級(jí)大約增加10方，而響度僅增加一倍。等響度曲線是由實(shí)驗(yàn)給定的標(biāo)準(zhǔn)值。對(duì)給定的聲壓級(jí)和不同頻率的純音（

6、即正弦波）可直接從曲線上查出它的響度級(jí)。例如曲線上1000HZ、70dB聲壓級(jí)的聲音與30HZ、95 dB聲壓級(jí)的聲音或3.5KHZ、61dB聲壓級(jí)的聲音都在70方的等響曲線上，它們具有相同的響度級(jí)。盡管30HZ與3.5K HZ兩個(gè)頻率的聲壓級(jí)相差34dB，但耳朵聽到的響度感覺卻是相同的。這就是人耳對(duì)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(dòng)的感覺。在中頻和高頻段只需較小的聲壓級(jí)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(lǐng)域里，聲壓級(jí)、響度級(jí)、響度和等響度曲線是十分重要得聲學(xué)概念，它對(duì)聲音的聲壓級(jí)和頻率分析有很大的實(shí)用價(jià)值。在擴(kuò)聲

7、工程的設(shè)計(jì)和音響系統(tǒng)的調(diào)音中有很好的指導(dǎo)意義。5、聲級(jí)計(jì)的計(jì)權(quán)曲線大量測(cè)試結(jié)果表明，人耳對(duì)20004000HZ的聲音最敏感。低于1000 HZ時(shí)，人耳的聽覺靈敏度隨頻率降低而降低；4000HZ以上時(shí)，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(jí)的聲音，人耳聽起來是不一樣響的。為使聲壓級(jí)的測(cè)試結(jié)果更接近于人耳的響應(yīng)曲線。聲級(jí)計(jì)設(shè)有A，B，C三個(gè)計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)（有的還有D計(jì)權(quán)），它們是以等響度曲線為參考制定出來的。A計(jì)權(quán)是參考40方等響曲線繪制出來的，對(duì)500 HZ以下的聲音有較大的衰減。C計(jì)權(quán)接近線性，比較平直。B計(jì)權(quán)介于兩者之間。40dB以下的聲壓級(jí)測(cè)量一般都用A計(jì)權(quán)刻度,測(cè)量結(jié)果記為d

8、B(A)。70dB范圍的測(cè)量可用B計(jì)權(quán)；100dB以上的測(cè)量一般都用C計(jì)權(quán)。這些測(cè)量結(jié)果將與我們主觀判斷的響度級(jí)大多是一致的。各種計(jì)權(quán)特性如圖3-3所示。圖3-3 聲級(jí)計(jì)的計(jì)權(quán)特性圖3-4 聲級(jí)計(jì)及dB(A)聲壓級(jí)人耳的可聞聲壓級(jí)從SPL 0dB到120dB，其范圍達(dá)到一百萬倍。超出120dB會(huì)使耳朵感到疼痛，130dB以上會(huì)引起內(nèi)耳出血。長(zhǎng)期從事?lián)u滾樂擴(kuò)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(jí)中可招致永久性的聽力損失。如果有足夠長(zhǎng)時(shí)間暴露在足夠強(qiáng)烈的噪聲聲壓級(jí)中，幾乎每個(gè)人都會(huì)受到聽力損傷。美國(guó)政府和健康管理部門（OSHA）規(guī)定了下列允許的最大聲壓級(jí)限制：表3-1 聲壓級(jí)與收聽

9、時(shí)間的限制標(biāo)準(zhǔn)（美國(guó)OSHA標(biāo)準(zhǔn)）聲壓級(jí)dB(A)(慢響應(yīng))90929597100102105110115持續(xù)時(shí)間 （小時(shí)）864321.510.50.25按照美國(guó)OSHA機(jī)構(gòu)的規(guī)定，超過表3-1限定的聲壓級(jí)及其相對(duì)應(yīng)持續(xù)時(shí)間的將會(huì)導(dǎo)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(nèi)插入防護(hù)耳塞。耳朵對(duì)持續(xù)時(shí)間很短的聲音（如音樂節(jié)目中非常短的瞬態(tài)信號(hào)）的靈敏度低于持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的聲音。圖3-5表明1KHZ 純音在60方響度級(jí)時(shí)的聲壓級(jí)與聲音持續(xù)時(shí)間的關(guān)系。例如持續(xù)時(shí)間為100ms的聲音比持續(xù)時(shí)間為2ms的聲壓級(jí)要大12dB。圖3-5 聲音的持續(xù)時(shí)間與響度的關(guān)系6、音調(diào)和

10、音色人耳對(duì)聲波頻率的感覺簡(jiǎn)稱為音調(diào)。在樂聲中它是指音階的變化。樂隊(duì)演出前都要對(duì)音,這個(gè)音使用的是440HZ 標(biāo)準(zhǔn)音,這是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),如表3-2所示。表中的a是440HZ 標(biāo)準(zhǔn)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(duì)應(yīng)的頻率關(guān)系是倍頻程的關(guān)系。表3-2 音階與頻率的關(guān)系音階A4A3A2A1aa1a2a3頻率（HZ）27.55511022044088017603520圖3-6所示的是在不同音階內(nèi)個(gè)基音頻率對(duì)應(yīng)的倍頻程關(guān)系。8個(gè)a分布在鋼琴的88個(gè)鍵內(nèi)，從低到高按倍頻程的關(guān)系排列。圖3-6 音調(diào)與倍頻程的關(guān)系象響度一樣，音調(diào)也是一種聽覺的主觀心理量。它是聽覺判斷聲音高低的屬

11、性，主要依賴于聲音的頻率，但也和聲壓級(jí)及波形有關(guān)。圖3-7是聲壓級(jí)對(duì)音調(diào)主觀感覺的改變。1KHZ 以上的頻率，音調(diào)隨聲壓級(jí)的增加而提高。1KHZ 以下的頻率，音調(diào)隨聲壓級(jí)的增加而降低。音調(diào)的單位為“美”（Mel）。響度40方，頻率1000HZ 的純音音調(diào)規(guī)定為1000“美”。如果某個(gè)頻率的聲音聽起來比40方、1000HZ 純音的音調(diào)高2倍，那么它的音調(diào)就是2000“美”。圖3-8是音調(diào)與頻率的關(guān)系。圖3-7 聲壓級(jí)與主觀音調(diào)變化的關(guān)系圖3-8 音調(diào)與頻率的關(guān)系音調(diào)概念對(duì)調(diào)音師和音質(zhì)主觀評(píng)價(jià)特別有用。音色是聽覺上區(qū)別兩個(gè)具有同樣響度和音調(diào)聲音的屬性。各種樂器的定音頻率都是440HZ ，但是發(fā)出來

12、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(xué)上稱之為諧波）。不同數(shù)量和不同強(qiáng)度的諧波結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的數(shù)目、強(qiáng)度、分布和它們之間的相位關(guān)系來描述。3.2心理聲學(xué)聲音的掩蔽和哈斯效應(yīng)聲音的掩蔽是心理聲學(xué)中很重要的效應(yīng)。在很多方面都可產(chǎn)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(jí)的高頻失真容易被低頻掩蔽等等。人們?cè)诒尘耙魳返沫h(huán)境中談話時(shí)，如果背景音樂的聲壓級(jí)超過談話聲壓級(jí)6 dB時(shí)，那么兩個(gè)人的談話內(nèi)容

13、就不易被附近的旁人聽到。這也是聲音掩蔽作用的一種應(yīng)用。被掩蔽的聲音聽閥值因?yàn)檠诒温暤某霈F(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(jí)提高而增加，并且還與頻率有關(guān)。最大的掩蔽出現(xiàn)在掩蔽聲頻率的附近。如果兩個(gè)聲壓級(jí)相同的聲音不同時(shí)到達(dá)耳朵，那么先到達(dá)的聲音可掩蔽后到達(dá)的聲音。這個(gè)現(xiàn)象由德國(guó)科學(xué)家哈斯（Hass）首先發(fā)現(xiàn)，后來被人們簡(jiǎn)稱為哈斯效應(yīng)（Hass EFX）。我國(guó)有句成語(yǔ)叫做“先入為主”恰好用來形容哈斯效應(yīng)。所以哈斯效應(yīng)也稱“領(lǐng)先效應(yīng)”。哈斯效應(yīng)的聽覺效果不僅與兩個(gè)聲源的聲壓級(jí)差有關(guān)，還與兩個(gè)聲源到達(dá)聽眾的時(shí)間差有關(guān)。圖3-9（a）是兩個(gè)聲源聲壓級(jí)的不平衡與延遲時(shí)間的關(guān)系。（b）是

14、兩個(gè)聲源到達(dá)聽眾處的聲壓級(jí)相同,時(shí)間差為零(同時(shí)到達(dá)),聽眾的感覺(聲像位置)是聲源在中間。（c）是在一個(gè)聲源（右邊）中插入一個(gè)可調(diào)延時(shí)器，延遲時(shí)間T=5ms，此時(shí)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(gè)-10dB的固定衰減器，此時(shí)左聲源的聲壓級(jí)比右聲源小10dB，右聲源中插入的延遲時(shí)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(shí)間增加到25-30ms，甚至更大，聽眾開始會(huì)聽到失真的兩個(gè)聲音，延遲時(shí)間越長(zhǎng)，兩個(gè)聲音之間的間隔也越長(zhǎng)。圖3-9 哈斯效應(yīng)(a)兩個(gè)聲源之間不平衡的聲壓級(jí)與延遲時(shí)間的關(guān)系 (b)兩個(gè)聲源的聲壓級(jí)相等，時(shí)間差為0(c)兩個(gè)聲源的聲

15、壓級(jí)相等，右聲源比左聲源晚到5ms (d)左聲源比右聲源的聲壓級(jí)低10dB，右聲源晚到5ms(e)左聲源比右聲源的聲壓級(jí)低10dB，增加延時(shí)在劇場(chǎng)擴(kuò)聲工程中，通常利用哈斯效應(yīng)來解決聲像一致的問題。例如劇場(chǎng)中為均勻全場(chǎng)觀眾區(qū)的聲壓級(jí)，都將主揚(yáng)聲器安裝在舞臺(tái)臺(tái)口正上方較高的“音橋“中。這種布局會(huì)使舞臺(tái)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(yán)重不一致。為此在舞臺(tái)臺(tái)口兩側(cè)再安排兩組聲壓級(jí)較小的輔助揚(yáng)聲器，使前幾排座位的觀眾先聽到輔助揚(yáng)聲器的聲音（因?yàn)楸戎鲹P(yáng)聲器的聲音先到達(dá)）。這樣使觀眾就會(huì)感到聲音是從舞臺(tái)方向來的了。圖3-10 優(yōu)先效應(yīng)在擴(kuò)聲系統(tǒng)中的應(yīng)用圖3-10是優(yōu)先效應(yīng)在擴(kuò)聲系統(tǒng)中的一種應(yīng)用。聽眾位于離講話者某個(gè)距離，不用擴(kuò)聲系統(tǒng)時(shí)，由于聲壓級(jí)太低聽不清講話的內(nèi)容。如果使用一個(gè)小揚(yáng)聲器提高聲壓級(jí)，并且在擴(kuò)聲系統(tǒng)中按照聽眾離講話者的距離適當(dāng)增加816ms的延時(shí)，此時(shí)不但提高了聲音的清晰度，而且揚(yáng)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(kuò)聲系統(tǒng)中