人耳的聽覺特性

人耳的聽覺特性第1頁/共113頁第一節(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(shí)域特征七、人耳聽覺的非線性掩蔽效應(yīng)八、人耳聽覺的延時(shí)效應(yīng)與雙耳效應(yīng)第2頁/共113頁一、聽覺生理系統(tǒng)1.人耳的結(jié)構(gòu)2.人耳結(jié)構(gòu)示意圖3.人耳的結(jié)構(gòu)的類比第3頁/共113頁1.人耳的結(jié)構(gòu)

第4頁/共113頁2.人耳結(jié)構(gòu)示意圖第5頁/共113頁3、人耳的結(jié)構(gòu)的類比第6頁/共113頁二、響度1.概述2.人耳的聽覺范圍3.聲級(jí)計(jì)第7頁/共113頁1.概述1）定義2）聲壓級(jí)3）平面波聲強(qiáng)級(jí)4）響度級(jí)第8頁/共113頁1)定義：

人耳對(duì)聲音強(qiáng)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，聽覺響度的感覺是非線性的.一般具有指數(shù)特性.即:第9頁/共113頁2）聲壓級(jí)

用對(duì)數(shù)來計(jì)算和劃分聲音強(qiáng)弱等級(jí)的一種表示方法。具體如下：式中：p0基準(zhǔn)聲壓(=2*10-5Pa/1kHz)

prms某點(diǎn)聲壓的有效值第10頁/共113頁3)平面波聲強(qiáng)級(jí)定義：某點(diǎn)聲強(qiáng)值與零聲級(jí)的參考聲強(qiáng)值之比的對(duì)數(shù)值。如下式所示：

式中:I某點(diǎn)聲強(qiáng)

I0基準(zhǔn)聲強(qiáng)(=10-12W/m2)平面波聲強(qiáng)級(jí)與聲壓級(jí)的關(guān)系第11頁/共113頁平面波聲強(qiáng)級(jí)與聲壓級(jí)的關(guān)系第12頁/共113頁4）響度級(jí)測(cè)試條件測(cè)試方法響度級(jí)第13頁/共113頁測(cè)試條件聲源在被測(cè)試者的上方聲源為自由平面波測(cè)量聲壓級(jí)時(shí)測(cè)試者不在場(chǎng)用雙耳聽聲音年齡在18—25歲之間第14頁/共113頁測(cè)試方法第15頁/共113頁響度級(jí)

將某一頻率的聲音與1KZ的聲音進(jìn)行比較，當(dāng)感覺兩者的響度一致時(shí)，1KZ聲音的聲壓級(jí)就是該聲音的響度。一般用S表示（單位為宋）。或用響度級(jí)P表示（單位為方）二者的關(guān)系如下：該式適用與20—129PHON也可用圖表示第16頁/共113頁2.人耳的聽覺范圍1）不同聲壓級(jí)時(shí)的頻率響應(yīng)2）人耳的聽覺范圍3）等響曲線第17頁/共113頁1）不同聲壓級(jí)時(shí)的頻率響應(yīng)第18頁/共113頁

3）等響曲線第19頁/共113頁2)人耳的聽覺范圍第20頁/共113頁b、記權(quán)的依據(jù)A計(jì)權(quán)：模擬人耳對(duì)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(cè)55dB以下的噪聲。B計(jì)權(quán)：模擬人耳對(duì)70方的純音的響度指示。用來測(cè)55dB--85dBC計(jì)權(quán)：模擬人耳對(duì)100方的純音的響度指示。用來測(cè)85dB--130dBLin計(jì)權(quán)：不修正，用來測(cè)聲壓級(jí)Lp。D計(jì)權(quán)：用來測(cè)量飛機(jī)噪聲第21頁/共113頁5.聲級(jí)計(jì)a.原理框圖b.記權(quán)的依據(jù)c.記權(quán)曲線第22頁/共113頁a.原理框圖傳聲器記權(quán)網(wǎng)絡(luò)變換處理顯示第23頁/共113頁c.記權(quán)曲線第24頁/共113頁三、音高1.定義2.音高的規(guī)定3.音律4.向度對(duì)音高的影響第25頁/共113頁1.定義

人耳對(duì)聲音調(diào)子的高低的主觀感覺稱為音高或稱音調(diào)（音準(zhǔn)）。第26頁/共113頁2.音高的規(guī)定人耳對(duì)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(gè)倍頻程對(duì)應(yīng)純八度）：第27頁/共113頁3.音律定義音律的規(guī)定音律與唱名第28頁/共113頁

定義在音樂中反映音高的某種規(guī)定稱作音律。我國(guó)古代規(guī)定為：

宮（1）商（2）角（3）徵（5）羽（6）唇音、舌音、齒音、牙音、喉音第29頁/共113頁

音律的規(guī)定12平均律：在一個(gè)倍頻程內(nèi)（8度）通常按對(duì)數(shù)刻度分成十二等份劃分音階,兩個(gè)相鄰的音為半音關(guān)系。兩個(gè)半音組成一個(gè)全音。如圖示：第30頁/共113頁3.音律與唱名十二個(gè)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(gè)半音的頻率比：人對(duì)音高的區(qū)別：1000Hz,Lp=40dB時(shí)，一般人±3Hz有覺察,調(diào)音師±1Hz有覺察第31頁/共113頁4、響度對(duì)音高的影響

當(dāng)聲音的響度過大時(shí)，由于耳膜產(chǎn)生超常形變將會(huì)對(duì)音高的判別產(chǎn)生影響。（且和頻率成反比）第32頁/共113頁四、音色1、定義2、線狀譜3、連續(xù)譜第33頁/共113頁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(dòng)：人耳對(duì)相位變化不敏感——相聾第34頁/共113頁如圖示第35頁/共113頁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(diǎn)：頻率分布是離散的不同頻率的振幅不同第36頁/共113頁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：第37頁/共113頁五、可聞聲的頻域特征1.共振峰2.頻譜分布第38頁/共113頁1.共振峰

線狀譜的峰包共振峰的高度、位置和數(shù)量決定著每種樂器的特色。第39頁/共113頁2.頻譜分布語音音樂第40頁/共113頁語音通過對(duì)人發(fā)出的聲音的統(tǒng)計(jì)可得到它的譜級(jí)分布曲線。如圖所示：特點(diǎn)：1、男聲與女聲在200Hz以下有較大差異70Hz達(dá)18dB2、語音的能量分布主要集中在100Hz--5kHz左右。3、電話：主要集中在300Hz--3.4kHz左右。第41頁/共113頁

音樂

通過對(duì)各種樂器發(fā)出的聲音節(jié)目進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)可得到它的譜級(jí)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(gè)峰值，較明亮第42頁/共113頁七、可聞聲的時(shí)域特征

起振段穩(wěn)定段衰減段各點(diǎn)特性如下：起振段：鋼琴10ms、風(fēng)琴：100ms、語言：80—50ms穩(wěn)定段:弦樂~數(shù)秒、打擊樂幾乎沒有。衰減段:高頻音衰減時(shí)間短、低頻音較長(zhǎng).時(shí)域特征與頻域特征（頻譜）共同決定了聲音的音色(音品)。t第43頁/共113頁六、人耳聽覺的非線性掩蔽效應(yīng)1.聲音信號(hào)在人聽覺系統(tǒng)中會(huì)被非線性加工2.掩蔽效應(yīng)第44頁/共113頁1.聲音信號(hào)在人聽覺系統(tǒng)中會(huì)被非線性加工當(dāng)信號(hào)非常強(qiáng)烈時(shí)，人耳產(chǎn)生保護(hù)性聽覺反應(yīng)（聽感不再增強(qiáng)）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和音，反之為不和諧音。雞尾酒會(huì)效應(yīng)：人耳具有智能補(bǔ)缺功能。第45頁/共113頁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：

第46頁/共113頁掩蔽效應(yīng)什么是掩蔽效應(yīng)是掩蔽效應(yīng)的類型掩蔽效應(yīng)的一般特點(diǎn)例題第47頁/共113頁什么是掩蔽效應(yīng)

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的聲音號(hào)同時(shí)存在時(shí)，其中一個(gè)聲音在聽覺是會(huì)掩蓋另一個(gè)聲音。（影響人對(duì)另一個(gè)聲音的聽覺能力）第48頁/共113頁掩蔽效應(yīng)的類型純音的掩蔽效應(yīng)復(fù)音的掩蔽效應(yīng)噪聲掩蔽非同時(shí)掩蔽中樞掩蔽第49頁/共113頁掩蔽效應(yīng)的一般特點(diǎn)低音容易掩蔽高音頻率相近的聲音易產(chǎn)生掩蔽聲壓級(jí)越大掩蔽效應(yīng)越強(qiáng)兩個(gè)聲音的時(shí)間越接近掩蔽效應(yīng)越強(qiáng)第50頁/共113頁例題例：200Hz的聲音聞?dòng)騆p=23dB，現(xiàn)同時(shí)存在著Lp=80dB400Hz的干擾,200Hz的聲音Lp=23dB聽不到了，必須將聲壓級(jí)提升到34dB才能聽到.則:掩蔽量為34-23=11dB如圖3-12所示：

第51頁/共113頁八、人耳聽覺的延時(shí)效應(yīng)與雙耳效應(yīng)

人耳對(duì)不同時(shí)間到達(dá)的聲音的分辨能力稱之為延時(shí)效應(yīng)。下面是實(shí)驗(yàn)所得數(shù)字；

對(duì)聲源方位角的定位能力叫做雙耳效應(yīng)。第52頁/共113頁第二節(jié)立體聲的聽覺機(jī)理一、立體聲的特點(diǎn)二、聽覺定位機(jī)理三、聲象及聲象定位

四、立體聲拾聲方式五、立體聲系統(tǒng)第53頁/共113頁一、立體聲的特點(diǎn)1.聽歌2.立體聲的特點(diǎn)第54頁/共113頁1、聽歌之一之二第55頁/共113頁2、立體聲的特點(diǎn)具有聲象感具有臨場(chǎng)感具有較高的清晰度具有較高的信噪比第56頁/共113頁二、聽覺定位機(jī)理一）雙耳效應(yīng)二）耳殼效應(yīng)第57頁/共113頁一）雙耳效應(yīng)１.

聲級(jí)差２.

時(shí)間差３.

位相差４.

音色差第58頁/共113頁1.聲級(jí)差對(duì)于不同的聲源由于頭顱的遮蔽效應(yīng)，雙耳將產(chǎn)生聲級(jí)差。如圖示：1kHz10kHz

距離不太遠(yuǎn)時(shí)，聽覺定位主要決定于聲級(jí)差。小于300Hz：雙耳聽到的聲音無聲級(jí)差

1kHz10kHz第59頁/共113頁2.時(shí)間差由于雙耳到聲源的距離不同而產(chǎn)生。

設(shè):d=20cm、θs=θ、c0=340m/s、Δd=0.2sinθ由圖可計(jì)算出時(shí)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(shí)間差。第60頁/共113頁3.位相差正比于時(shí)間差。一般用下式表示：

一般來說高頻易產(chǎn)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(jù)是相位差。2k--3k聲級(jí)差小又易產(chǎn)生混亂相差，所以聲音定位反映較差。第61頁/共113頁4.音色差

由于人頭的遮蔽效應(yīng)，頻率越高衰減的越多,雙耳接收的聲音信號(hào)存在著音色差.第62頁/共113頁二）耳殼效應(yīng)豎直方向重復(fù)聲：水平方向重復(fù)聲：

人耳如何根據(jù)這么小的差別判斷方位？原因至今不明。第63頁/共113頁三、聲象及聲象定位立1.哈斯效應(yīng)2.德·波埃效應(yīng)（DE.bye）第64頁/共113頁1.哈斯效應(yīng)哈斯效應(yīng)：（延遲效應(yīng)）人耳對(duì)相同聲源的兩個(gè)聲波先后到達(dá)人耳時(shí)的聲音的區(qū)分能力.第65頁/共113頁2.德·波埃效應(yīng)a、實(shí)驗(yàn)b、幾種情況c、說明第66頁/共113頁a、實(shí)驗(yàn)界外聲象第67頁/共113頁b、幾種情況A、

ΔLI=0

Δt=0B、C、D、第68頁/共113頁Δt=0ΔLI=0正弦定理：ⅰ)當(dāng):ⅱ)當(dāng):ⅲ)當(dāng)

:

聲象向聲級(jí)強(qiáng)的方向偏轉(zhuǎn)聲象在中間聲象固定在強(qiáng)聲級(jí)的揚(yáng)聲器的位置上.第69頁/共113頁

聲象向超前發(fā)聲的揚(yáng)聲器的方向偏移隨增加而增加，時(shí):聲象固定在超前發(fā)聲的揚(yáng)聲器上。當(dāng):第70頁/共113頁

此時(shí)聲象由ΔLf與Δt

共同決定，可互相補(bǔ)償也可互相校正。（當(dāng)ΔLf<15dBΔt<13ms時(shí))1ms的時(shí)間差相當(dāng)于5dB的聲級(jí)差。

第71頁/共113頁

當(dāng)兩個(gè)揚(yáng)聲器信號(hào)相位相反，又有聲級(jí)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(chǔ)。第72頁/共113頁c.說明

聲象前后位置、深度層次決定于混響聲與直達(dá)聲的比例。需要說明以下幾點(diǎn)：Δt與ΔLp是兩聲源到人的距離所產(chǎn)生的差別不是雙耳效應(yīng)。當(dāng)聽者偏離中軸線,正弦定理不成立,聲象會(huì)模糊或者分裂。Δt與ΔLp都能成聲象,但Δt聲象稍差,且兼容性不好,很少用,故大多數(shù)是強(qiáng)度型立體聲。第73頁/共113頁四、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.模擬人頭制(間距式)6.多傳聲器制第74頁/共113頁1.傳聲器的指向性第75頁/共113頁2.XY制

兩個(gè)8字形的傳聲器正交放在一處拾音,放聲時(shí)用兩個(gè)揚(yáng)聲器放音.特點(diǎn):Δt=0,ΔLp≠0當(dāng)θs=450,θy≤600聲源的方位角與聲象的對(duì)應(yīng)關(guān)系近似為線性.優(yōu)點(diǎn):兼容性好.缺點(diǎn):聲像的分布向中心靠攏.第76頁/共113頁3.MS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(jīng)和差運(yùn)算有:

左聲道信號(hào)右聲道信號(hào)單聲道放音[UL]+[UR]=2UM優(yōu)點(diǎn):兼容性好,拾聲范圍寬.缺點(diǎn):會(huì)產(chǎn)生附加的時(shí)間差和強(qiáng)度差,聲像不如XY制,聲像也向中間靠攏.第77頁/共113頁4.AB制(間距式)(古典式)

兩個(gè)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(diǎn):Δt≠0ΔLp≠0優(yōu)點(diǎn):方便,可靠.缺點(diǎn):成像不自然,有

中央空洞現(xiàn)象、兼容性差、單聲道放音有干涉現(xiàn)象、音質(zhì)模糊.第78頁/共113頁中央空洞現(xiàn)象的克服第79頁/共113頁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(jìn)行錄音;并用耳機(jī)重放的一種方式.如圖示:優(yōu)點(diǎn):臨場(chǎng)感效果好、立體聲象分割清楚。缺點(diǎn):不方便第80頁/共113頁5.多傳聲器制1)主傳聲器式.(錄大型節(jié)目)

以一個(gè)立體聲傳聲器拾取主信號(hào)(整體聲),再加多支特寫傳聲器.

優(yōu)點(diǎn):節(jié)目整體效果好,較融洽平衡.

缺點(diǎn):各聲部細(xì)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(diào)音臺(tái)調(diào)節(jié)各聲部的的方位,再加入適當(dāng)?shù)幕祉?

優(yōu)點(diǎn):各聲部聲音明晰,可方便調(diào)節(jié)聲像位置層次.

缺點(diǎn):整體性不足.第81頁/共113頁五、立體聲系統(tǒng)1.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(CP―55)5.數(shù)字虛擬環(huán)繞立體聲技術(shù)6.立體聲系統(tǒng)特殊要求第82頁/共113頁1.雙聲道立體聲原理最佳聽音區(qū)單、雙聲道原理第83頁/共113頁2.3D立體聲原理

3D立體聲原理如圖示：它能有效克服中空效應(yīng),減少低頻噪音,提高功放級(jí)的利用率.第84頁/共113頁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)第85頁/共113頁四方聲系統(tǒng)(4-4-4分離四通道系統(tǒng))4-4-4環(huán)繞聲原理第86頁/共113頁什么是環(huán)繞立體聲第87頁/共113頁NHK的錄音系統(tǒng)第88頁/共113頁編碼式四通道系統(tǒng)(4-2-4)解

第89頁/共113頁4.杜比環(huán)繞聲原理(CP―55)LT=L+0.7C+j0.7SRT=R+0.7C-j0.7S

環(huán)繞聲S通常還要延時(shí)20-50ms,并且通過一個(gè)低通濾器(7KHz),影院不同位置可有多個(gè)環(huán)繞聲道,家庭環(huán)繞聲有兩個(gè)或一個(gè)即可,如果廳小C′不要也行.第90頁/共113頁5.數(shù)字虛擬環(huán)繞立體聲技術(shù)

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(guó)休斯公司:SRS–3D技術(shù).

加拿大Qsound實(shí)驗(yàn)室:Qsound專利技術(shù).

美國(guó)音頻實(shí)驗(yàn)室:Spatializer空間均衡技術(shù).……第91頁/共113頁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92頁/共113頁第三節(jié)聽覺特性對(duì)電聲技術(shù)的要求一、對(duì)電聲設(shè)備的要求二、電聲設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)第93頁/共113頁一、對(duì)電聲設(shè)備的要求1.頻率域的要求2.時(shí)間域的要求3.非線性失真的要求第94頁/共113頁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第95頁/共113頁具有良好的幅頻特性

電路的幅頻特性不好時(shí)，會(huì)引起信號(hào)的非線性失真。不同聲源的頻率范圍不同頻率損失對(duì)聽覺的影響頻響要求第96頁/共113頁語言：150Hz~6kHz±3dB

音樂：80Hz~12kHz±2dB（一般）

20Hz~20kHz±1dB（高級(jí)）頻響第97頁/共113頁不同聲源的頻率范圍第98頁/共113頁不同頻率損失對(duì)聽覺的影響第99頁/共113頁具有良好的相頻特性聲像的位移電路的相頻特性不好會(huì)引起信號(hào)的線性失真第100頁/共113頁