聽覺特性和機理研究

1、聽覺特性和機理研究第一節(jié) 人耳的聽覺特性第二節(jié) 立體聲的聽覺機理第三節(jié) 聽覺特性對電聲技術的要求第一節(jié) 人耳的聽覺特性一、聽覺生理系統(tǒng)二、響 度三、音 高四、音 色五、可聞聲的頻域特征六、可聞聲的時域特征七、人耳聽覺的非線性掩蔽效應八、人耳聽覺的延時效應與雙耳效應一、聽覺生理系統(tǒng)1.人耳的結構2.人耳結構示意圖3.人耳的結構的類比1.人耳的結構2.人耳結構示意圖3、人耳的結構的類比二、響 度1.概 述 2.人耳的聽覺范圍3.聲級計1.概 述 1）定 義2）聲壓級3）平面波聲強級 4）響度級1)定義：人耳對聲音強弱主觀感覺到的響亮程度聽覺范圍 ： 相差100多萬倍。 振 幅： 人耳靈敏度很高，聽

2、覺響度的感覺是非線性的.一般具有指數特性.即:2）聲壓級 用對數來計算和劃分聲音強弱等級的一種表示方法。具體如下：式中：p0基準聲壓(=2*10-5Pa/1kHz) prms某點聲壓的有效值3)平面波聲強級 定義： 某點聲強值與零聲級的參考聲強值之比的對數值。如下式所示： 式中: I某點聲強 I0基準聲強(=10-12W/m2)平面波聲強級與聲壓級的關系平面波聲強級與聲壓級的關系4）響度級測試條件測試方法響度級測試條件聲源在被測試者的上方聲源為自由平面波測量聲壓級時測試者不在場用雙耳聽聲音年齡在1825歲之間測試方法響度級 將某一頻率的聲音與1KZ的聲音進行比較，當感覺兩者的響度一致時，1KZ

3、聲音的聲壓級就是該聲音的響度。一般用S表示（單位為宋）。或用響度級P表示（單位為方）二者的關系如下：該式適用與20129PHON也可用圖表示2.人耳的聽覺范圍1）不同聲壓級時的頻率響應 2）人耳的聽覺范圍3）等響曲線1）不同聲壓級時的頻率響應 3）等響曲線2)人耳的聽覺范圍b、記權的依據A計權：模擬人耳對40方純音的響度指示。（低頻衰減，3k-5k提升，高頻也稍稍衰減。）用來測55dB 以下的噪聲。B計權：模擬人耳對70方的純音的響度指示 。用來測55dB-85dBC計權：模擬人耳對100方的純音的響度指示。用來測85dB-130dB Lin計權：不修正，用來測聲壓級Lp。D計權：用來測量飛機

4、噪聲 5.聲級計a.原理框圖b.記權的依據c.記權曲線a.原理框圖傳聲器記權網絡變換處理顯示c.記權曲線三、音 高1.定義2.音高的規(guī)定 3.音律4.向度對音高的影響1.定 義 人耳對聲音調子的高低的主觀感覺稱為音高或稱音調（音準）。2.音高的規(guī)定人耳對音高的變化感覺如下：通常用倍頻程來描述音高的變化（一個倍頻程對應純八度）：3.音 律定 義音律的規(guī)定音律與唱名 定 義在音樂中反映音高的某種規(guī)定稱作音律。我國古代規(guī)定為： 宮（1）商（2）角（3）徵（5）羽（6） 唇音、舌音、齒音、牙音、喉音 音律的規(guī)定 12平均律：在一個倍頻程內（8度）通常按對數刻度分成十二等份劃分音階,兩個相鄰的音為半音關

5、系。兩個半音組成一個全音。如圖示：3.音律與唱名十二個音名字： C、 D、 E 、F 、G、 A 、B其余以#和b半音命名。唱名：1、2、3、4、5、6、7、i相鄰兩個半音的頻率比：人對音高的區(qū)別：1000Hz,Lp=40dB時，一般人3Hz有覺察,調音師1Hz有覺察4、響度對音高的影響 當聲音的響度過大時，由于耳膜產生超常形變將會對音高的判別產生影響。（且和頻率成反比）四、音 色1、定義2、線狀譜3、連續(xù)譜1、定義人耳區(qū)別相同響度和音高的兩類不同聲音的主觀聽覺特性稱音色。(如圖示)樂音除了基頻f0外還有nf0的諧波，音高由fo 決定而各次諧波決定了音樂的音色(諧波即泛音)例：弦的振動：人耳對

6、相位變化不敏感相聾如圖示2.線狀譜線狀譜 ：一種不連續(xù)排列分布的 頻譜。 如圖所示:特點：頻率分布是離散 的不同頻率的振 幅不同3.連續(xù)譜 連續(xù)譜：在頻譜軸上沒有斷續(xù)的頻譜分布稱為連續(xù)譜。如右圖示：五、可聞聲的頻域特征1.共振峰2.頻譜分布1.共振峰 線狀譜的峰包 共振峰的高度、位置和數量決定著每種樂器的特色。2.頻譜分布語 音音 樂語音通過對人發(fā)出的聲音的統(tǒng)計可得到它的譜級分布曲線。如圖所示：特點：1、男聲與女聲在200Hz以下有較大差異70Hz達18dB 2、語音的能量分布主要集中在100Hz-5kHz左右。3、 ：主要集中在左右。 音 樂 通過對各種樂器發(fā)出的聲音節(jié)目進行長時間的統(tǒng)計可得

7、到它的譜級分布曲線。如圖所示：西洋音樂：中低頻平坦、高頻按輕音樂：3KHz尚有若干個峰值，較明亮七、可聞聲的時域特征 起振段 穩(wěn)定段 衰減段各點特性如下：起振段：鋼琴10ms 、風琴：100ms、語言：8050ms 穩(wěn)定段:弦樂數秒、 打擊樂幾乎沒有。衰減段:高頻音衰減時間短、低頻音較長. 時域特征與頻域特征（頻譜）共同決定了聲音的音色(音品)。t六、人耳聽覺的非線性掩蔽效應1.聲音信號在人聽覺系統(tǒng)中會被非線性加工2.掩蔽效應1.聲音信號在人聽覺系統(tǒng)中會被非線性加工當信號非常強烈時，人耳產生保護性聽覺反應 （聽感不再增強）不同樂音組合f1與f2，人感到還有 ， 有的組合引起人的悅感的音樂稱為諧

8、和音，反之 為不和諧音。雞尾酒會效應 ：人耳具有智能補缺功能。諧和音與不和諧音半諧合： 不諧和音： （聽覺：聲音發(fā)顫）諧和音： 掩蔽效應什么是掩蔽效應是掩蔽效應的類型掩蔽效應的一般特點例 題什么是掩蔽效應 當兩個或兩個以上的聲音號同時存在時，其中一個聲音在聽覺是會掩蓋另一個聲音。（影響人對另一個聲音的聽覺能力）掩蔽效應的類型純音的掩蔽效應復音的掩蔽效應噪聲掩蔽非同時掩蔽中樞掩蔽掩蔽效應的一般特點低音容易掩蔽高音頻率相近的聲音易產生掩蔽聲壓級越大掩蔽效應越強兩個聲音的時間越接近掩蔽效應越強例題例：200Hz的聲音聞域Lp=23dB，現同時存在著Lp=80dB 400Hz的干擾,200Hz的聲音L

9、p=23dB聽不到了，必須將聲壓級提升到34dB才能聽到. 則:掩蔽量為34-23=11dB 如圖3-12所示： 八、人耳聽覺的延時效應與雙耳效應 人耳對不同時間到達的聲音的分辨能力稱之為延時效應。下面是實驗所得數字； 對聲源方位角的定位能力叫做雙耳效應。第二節(jié) 立體聲的聽覺機理一、立體聲的特點二、聽覺定位機理三、聲象及聲象定位 四、立體聲拾聲方式五、立體聲系統(tǒng)一、立體聲的特點1.聽歌2.立體聲的特點1、聽 歌之一之二2、立體聲的特點具有聲象感具有臨場感具有較高的清晰度具有較高的信噪比 二、聽覺定位機理一）雙耳效應二）耳殼效應一）雙耳效應.聲級差.時間差.位相差.音色差1.聲級差 對于不同的聲

10、源由于頭顱的遮蔽效應，雙耳將產生聲級差。如圖示： 1kHz 10kHz 距離不太遠時，聽覺定位主要決定于聲級差。小于300Hz：雙耳聽到的聲音無聲級差 1kHz 10kHz 2.時間差由于雙耳到聲源的距離不同而產生。 設:d=20cm、s=、c0=340m/s、由圖可計算出時間差為: 人耳可鑒別的最小角度為： 瞬態(tài)聲（語言，打擊樂等）判斷方位主要決定于時間差。3.位相差 正比于時間差。一般用下式表示： 一般來說高頻 易產生混亂相差，無法判斷超前落后。所以低頻聲判斷方位的主要依據是相位差。2k-3k聲級差小又易產生混亂相差，所以聲音定位反映較差。4.音色差 由于人頭的遮蔽效應，頻率越高衰減的越多

11、,雙耳接收的聲音信號存在著音色差.二）耳殼效應豎直方向重復聲：水平方向重復聲： 人耳如何根據這么小的差別判斷方位？原因至今不明。三、聲象及聲象定位立1.哈斯效應2.德波埃效應（）1.哈斯效應哈斯效應：（延遲效應）人耳對相同聲源的兩個聲波先后到達人耳時的聲音的區(qū)分能力.2.德波埃效應a、實 驗b、幾種情況c、說 明a、實驗界外聲象b、幾種情況A、 LI=0 t=0B、C、D、t=0 LI=0正弦定理：)當:)當:)當 : 聲象向聲級強的方向偏轉聲象在中間聲象固定在強聲級的揚聲器的位置上. 聲象向超前發(fā)聲的揚聲器的方向偏移 隨 增加而增加，時:聲象固定在超前發(fā)聲的揚聲器上。當: 此時聲象由 Lf與

12、 t 共同決定，可互相補償也可互相校正。（當Lf15dBt13ms時)1ms的時間差相當于5dB的聲級差。 當兩個揚聲器信號相位相反，又有聲級差可形成界外立體聲。 上式為聲象定位公式,它是立體聲聲象展寬的理論基礎。 c.說 明 聲象前后位置、深度層次決定于混響聲與直達聲的比例。需要說明以下幾點：t與 Lp是兩聲源到人的距離所產生的差別不是雙耳效應。當聽者偏離中軸線,正弦定理不成立,聲象會模糊或者分裂。t 與 Lp都能成聲象,但t聲象稍差,且兼容性不好,很少用,故大多數是強度型立體聲。四、立體聲拾聲方式1.傳聲器的指向性2.XY制3.MS制(無間距式)4.AB制(間距式) (古典式) 5.模擬人

13、頭制(間距式)6.多傳聲器制1.傳聲器的指向性制 兩個8字形的傳聲器正交放在一處拾音,放聲時用兩個揚聲器放音.特點:t=0,Lp0當s=450,y600聲源的方位角與聲象的對應關系近似為線性.優(yōu)點:兼容性好.缺點:聲像的分布向中心靠攏.制(無間距式)心形傳聲器與8字形傳聲器正交放在一處.由圖有:經和差運算有: 左聲道信號右聲道信號單聲道放音UL+UR=2UM優(yōu)點:兼容性好,拾聲范圍寬.缺點:會產生附加的時間差和強度差,聲像不如XY制,聲像也向中間靠攏.制(間距式)(古典式) 兩個完全相同的傳聲器(心型或全指向型)分別放置在左前方右前方特點:t0Lp0優(yōu)點:方便,可靠.缺點:成像不自然, 有 中

14、央空洞現象、兼容性差、單聲道放音有干涉現象、音質模糊.中央空洞現象的克服5.模擬人頭制(間距式) 把兩微型傳聲器放置于仿真人的耳部進行錄音;并用耳機重放的一種方式.如圖示:優(yōu)點:臨場感效果好、立 體聲象分割清楚。缺點:不方便5.多傳聲器制1)主傳聲器式.(錄大型節(jié)目) 以一個立體聲傳聲器拾取主信號(整體聲),再加多支特寫傳聲器. 優(yōu)點:節(jié)目整體效果好,較融洽平衡. 缺點: 各聲部細致性稍欠.2)單傳聲器式(多聲道式) 各聲部都用單傳聲器中距或近距拾聲(分別錄音)再用調音臺調節(jié)各聲部的的方位,再加入適當的混響. 優(yōu)點:各聲部聲音明晰,可方便調節(jié)聲像位置層次. 缺點:整體性不足.五、立體聲系統(tǒng)1.

15、雙聲道立體聲原理2.3D立體聲原理3.環(huán)繞立體聲原理4.杜比環(huán)繞聲原理(CP55)5.數字虛擬環(huán)繞立體聲技術6.立體聲系統(tǒng)特殊要求1.雙聲道立體聲原理最佳聽音區(qū)單、雙聲道原理立體聲原理 3D立體聲原理如圖示：它能有效克服中空效應,減少低頻噪音,提高功放級的利用率.3.環(huán)繞立體聲原理什么是環(huán)繞立體聲四方聲系統(tǒng)(4-4-4分離四通道系統(tǒng))NHK的錄音系統(tǒng)編碼式四通道系統(tǒng)(4-2-4)四方聲系統(tǒng)(4-4-4分離四通道系統(tǒng))4-4-4環(huán)繞聲原理什么是環(huán)繞立體聲NHK的錄音系統(tǒng)編碼式四通道系統(tǒng)(4-2-4)解 4.杜比環(huán)繞聲原理(CP55) 環(huán)繞聲 S通常還要延時20-50ms,并且通過一個低通濾器(7

16、KHz),影院不同位置可有多個環(huán)繞聲道,家庭環(huán)繞聲有兩個或一個即可,如果廳小C不要也行.5.數字虛擬環(huán)繞立體聲技術 用兩聲道立體聲獲得三維環(huán)繞立體聲效果的方法較多.比較有名的如： 美國休斯公司:SRS 3D技術. 加拿大Qsound實驗室:Qsound專 利技術. 美國音頻實驗室:Spatializer空間均衡技術. 6、立體聲系統(tǒng)特殊要求相移問題串聲問題(分離度問題)演播室的要求第三節(jié) 聽覺特性對電聲技術的要求一、對電聲設備的要求二、電聲設備的主要技術指標一、對電聲設備的要求1.頻率域的要求2.時間域的要求3.非線性失真的要求1.頻率域的要求具有良好的幅頻特性具有良好的相頻特性具有良好的幅頻

17、特性 電路的幅頻特性不好時，會引起信號的非線性失真。不同聲源的頻率范圍不同頻率損失對聽覺的影響頻響要求語言：150Hz6kHz 3dB 音樂： 80Hz12kHz 2dB（一般） 20Hz20kHz 1dB（高級）頻 響不同聲源的頻率范圍不同頻率損失對聽覺的影響具有良好的相頻特性聲像的位移電路的相頻特性不好會引起信號的線性失真2.時間域的要求瞬態(tài)要好穩(wěn)態(tài)也要好輸入方波觀察3.非線性失真的要求a、聽覺的非線性b、設備系統(tǒng)的非線性c、動態(tài)范圍（閾）a.設備系統(tǒng)的非線性由相頻特性引起的線性畸變由幅頻特性引起的非線性畸變由電路動態(tài)引起的非線性失真由相頻特性引起的線性畸變 線性畸變可由設備的相頻特性失真所引起。原理如圖示：由幅頻特性引起的非線性畸變 非線性畸變可由設備的幅頻特性失真所引起。如圖示： 波形失真情況由電路動態(tài)引起的非線性失真 非線性失真一般由電路動態(tài)過小引起的。如圖示： 通常用諧波失真系數和互調失真系數來描述：諧波失真系數互調失真系數b.聽覺的非線性引起的原因有二：人耳聽覺的動態(tài)的