第二讲_感知声音.pps

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二讲,感知声音,人与其它多数动物是通过耳朵感知声音的，那么耳朵感知声音的过程是怎样的？感知声音的主观评价量有哪些？客观测量声音用什么仪器？本讲主要就此做一简介,2.1,人耳的解剖学,2.2,声音的感知,2.3,声音的主观量,2.4,声级计,人耳的解剖学,人耳构造极其复杂，灵敏程度超过任何人造仪器它,分作三部分：外耳、中耳和内耳,外耳,包括耳壳、耳道和鼓膜,中耳,是约,2,毫升的空腔，有尤氏管通到鼻腔以维持其中的大气压力，这样，鼓膜两面的压力平衡，微小的声压就可以使它振动中耳内有三个听小骨：槌骨、砧骨和镫骨内耳,中有三个管身体平衡的半规管和听觉的最后接收器官,耳蜗,声音的感知,基底膜上的频率分布,人耳是频率分析器,听觉区域,听觉的欧姆定律,耳聋耳鸣,听觉住留,掩蔽,双耳定位,哈斯效应,声音从外耳、中耳传到内耳成为基底膜的振动，这一机械过程已很明确但是基底膜的振动如何通过神经系统传入大脑，还很有进一步研究的价值现在知道,内耳的功能,很象一个传声器,，基底膜的振动使内层毛细胞产生耳蜗电压，发出神经脉冲而产生声觉耳蜗电压的来源似乎是压电效应，最大可达到,l,mV,左右，声音再强则有饱和现象,研究内耳的功能，主要的方法是心理物理实验：人的主观判断加以物理参数的测量和分析，并不借助于人体的解剖,(,有时也不可能借助于人体解剖,),这实际是用物理学方法研究人的大脑，这个方法的威力是惊人的,基底膜上的频率分布,基底膜有些象,振簧式频率计,一排长度逐渐减小的簧片，当有一外力时，频率最相近的几个簧片振动最大，以此可测量电源或机器系统的频率基底膜在卵圆窗的一端最窄，在向蜗顶的方向，蜗管越来越细，但基底膜越来越宽，共振频率也越来越低，到蜗顶处，共振频率最低,分布情况如图,2-2a,所示，该图是一位,7l,岁老工人去世前的听力图图,2-2b,是这个老工人在噪声下工作几十年去世后的耳蜗解剖图，可看出所示毛细胞部分有,1/3,受到破坏，位置和听力损失所示完全符合，这可作为图,2-2a,标度的佐证,人耳是频率分析器,人耳能把复音中的简谐分音分开,事实也正是如此，有些音乐家可以在一复音中分辨出五、六个单音在这个意义上，人耳是一个灵敏的傅里叶分析器一个单音,(,或称纯音，只有一个频率的音,),在基底膜引起的共振是比较宽的,(,正如上述的频率计，频率相近的簧片也都振动,),，但人耳分析或分辨频率可以很细,(,有时频率相差千分之几就可以分辨,),，所以,人耳除了基底膜共振以外，神经系统和大脑对频率分辨也起作用,在这一点上，耳朵比眼睛灵敏，眼睛就分不出白光中的成分来,听觉的欧姆定律,欧姆在,1843,年研究发现，,人的听觉只和声音中各分音的频率和强度有关，和它们的相角无关，,这个定律就称为,听觉的欧姆定律,在声音的发生、传播、接收、放大、记录等过程的控制中从不考虑相角关系，就是根据这个定律,听觉区域,大致说，声压级在,0dB(20mPa),以上是可以听到的，到,120dB,以上人们听着就太响而耳朵感到不舒适了，可听频率则在,20,至,20000Hz,之间但人耳在各频率的灵敏度是不同的，在,3000,4000Hz,最灵敏，在低频听阈渐高，在高频时，灵敏度也下降，不过只是在,12500Hz,以上才降得较快,在频率上和声强上能比较安适听到的范围叫做,听觉范围,对于大部分人，主管听觉的区域在大脑左半球，特别是语言信号，有证明音乐信号以及噪声信号涉及的范围就广得多,耳聋耳鸣,人到,18,岁至,30,岁，听觉范围才发展完全,年纪大时，高频率的极限和灵敏度就都要下降，在强烈噪声下工作或生活时也使听力下降，这些现象称为,老年性耳聋或噪声性耳聋,近些年有人喜欢强音乐，这会引起,社会性耳聋,由于年老或噪声引起的耳聋则常由高频,(,人耳最灵敏的,3000,4000Hz,及以上,),开始，逐渐发展到低频这些情况在开始时自己不感觉，等到发展到,2000,、,3000Hz,，,甚至,1000Hz,时就感觉谈话困难了有些工人说，开会听报告好像坐飞机，听到的声音不小，但听不清楚，就是由于失掉了高频率的缘故所以听力保护十分重要,有人因为强噪声，生病或药物还可能引起耳鸣，听力也下降由于突然使外耳或中耳受伤，因而引起耳聋，是,传导性耳聋,，一般是在各种频率的听力普遍下降,(,听阈上移,),人辨别频率或强度的能力都有极限，相差太小就不能分辨了在听觉范围内，频率可分辨，或强度可分辨，或频率、强度都可分辨的声音共有几十万个，耳聋就反映这个数目的降低,听觉住留,看电影时，每,40ms,映出一个画面，本是不连续的，但看来电影中的动作都是连续的，这是,视觉住留现象,听觉有没有住留现象？,几十年来一直有人研究，而直接测量都失败了，但有些现象反映,听觉有积累和衰变过程,，又,好象听觉有住留现象,例如，一个短促的脉冲声，如果强度不变，长度由,1ms,变为,2ms,，,人听起来不是长度变了而是更响了换句话说，,人听到一个脉冲不是和它的强度,I,有关，而是和强度,I,与时间,D,t,的乘积有关,直到,D,t,相当长了,(,几十毫秒或一百多毫秒以上,),才感觉声音还是那样响，只是延长了而已在国际上已根据这个现象规定了测量脉冲声的电表应具有,35ms,的时间常数,掩蔽,一个声音的听阈因另一声音的存在而提高的现象称为,声掩蔽,所提高的,dB,数则是掩蔽的多少,(,掩蔽级,),在纯音的情况，被掩蔽声和掩蔽声的频率相同时，掩蔽最大，,但是掩蔽声的影响较广，更高的频率和更低的频率也受掩蔽一般说来，,低频率的声音对高频率的声音掩蔽大，而高频率的声音对低频率的声音则不大能掩蔽,双耳定位,用双耳可以判断声源的方向和远近声源在正前方时，角度判断比较准确；声源在侧向时角度判断比较差而对垂直平面上的角度判断就很差了对距离的判断也不甚准确,双耳定位的根据是两个耳朵听到声音的强度、到达时间和相位的差,在,低频率,(800Hz,以下,),，相位差有限，主要因素是强度差,在,高频率,(2000Hz,以上,),，只靠相角差可能不准确，强度差也起作用,在,中频率,，可能是相位差起作用,许多人同时讲话时，我们可以把注意力集中到一个人身上，只想听他在说什么，双耳定位在这时也起作用,用纯音掩蔽纯音时，如频率相差很小，掩蔽级可能减小，因为这时可能产生拍音使两个声音容易辨别用窄带噪声掩蔽带内的纯音时，则不受频率影响有时也利用宽带噪声作掩蔽声以减少干扰掩蔽现象与传导系统无关，因为被掩蔽声和掩蔽声同样可以激发基底膜的振动这个现象是神经系统内产生的，是神经系统判断的结果,哈斯效应,两个同样的声音,(,例如在室内，声源发出的直达声和由墙壁来的反射声,),先后到达，如果时间相差不多,(50ms,以内,),，听起来就好象是先到的声音延长了的一个单个声音，有时甚至于后到的声音比先到的高,10dB,都是如此这个效应称为,哈斯效应,如果时间相差大于,70ms,，,听起来就象回声如果时间相差小于,10ms,，,听起来是一个声音，但位置似乎在两个声音之间，这就是,立体声系统所利用的原理,声音的主观量,音调,音色,响度级和响度,声音要靠人耳作最后评价，特别是对乐音和噪声的评价是音质和噪声环境评价的基础，是音质和噪声控制的根据,心理物理实验结果表明，音调和响度都可以定量表示，但音色还很难定量此外对于音质、噪声烦扰的评价还有不同考虑,声音的主观量,最基本的有音调、响度和音色,对应于,声音的物理量,有频率、强度和频谱，但,不是一一对应,音调,主要和频率有关，但也受强度的影响,响度,主要和强度有关，但也受频率影响,音色,和频谱有关，但也受基频和强度的影响,音调,音调,是听觉判断声音高低的属性，它主要由声波的频率决定，但是强度、波形和长短也有影响,声音用高低来描述，并且把频率较高的声音描述为音调高，来源可能有两个：一个是从心理学上来说，人听到频率高的声音有高在天空的感觉,(,高唱入云,),；另一个可能是因为高音调和高频率有关，因为人们知道音调与频率有关,音调的定量,方法是先选一个标准，取强度在听阈上,40dB,、,1000Hz,纯音为标准，命它为,1000,美,(,美是音调的单位,),这个音两倍高的音调为,2000,美，三倍高的为,3000,美，等等在另一方面，音调只有这个音一半高的为,500,美如此等等，就可以定出一个以美为单位的音调标度，求出它与频率的关系，见图,2-3,这都是用很多人作多次判断才得到的,强度对音调的影响,强度对音调的影响更容易求取一个某频率的音，频率增加一点，改变强度直到人们判断音调未变为止，就可以得到音调与强度的关系曲线,结果,是这样，在,2000Hz,以下，为了保持音调不变，要求提高频率也增加强度而在,3000Hz,以上，提高频率必须降低强度才能保持音调不变根据这个结果可求出：,在,2000Hz,以下，频率不变增加强度要使音调降低；在,3000Hz,以上，频率不变，增加强度要使音调升高,这些都可求得定量关系,声音长短对音调的影响,音调的感知也和声音的长短有关可以比较一个猝发音,(,频率一定但延续时间很短的纯音,),和稳定音延续时间非常长短时，只觉得是咔拉一声，听不出音调延续时间加长，渐渐有了音调的感觉，但是比较低只有延续时间到达一定程度,(,几十毫秒以上,),，音调才稳定,人耳对频率的分辨能力受声强的影响,在,1000Hz,以上，声压级为,60dB(,对面讲话的强度,),时，人耳可分辨,3,的频率变化如声压级很低，频率改变,1%,才能分辨对低频率情况也相似，但分辨能力是越来越低的,(,在,100Hz,，,与上述相应的变化须达到,3%,和,10%),音色,在英文里，,音质,(Tone Quality),与,音色,(Timbre,或,Tone Color),一看便知其所指不是同一件事但中文里音质与音色经常被混用、误用,音色,是指声音的颜色,一个声音的音色，在物理上主要是由它的泛音来决定的，泛音的多少及各泛音的相对强度，决定着这个声音的特性,同样是,C,音，我们可以分辨出这是吉他的声音，那是小号的声音，而这是钢琴的声音等等,.,用,物理的角度,去解释,音色,，显得很冰冷、僵硬，如果从音乐的角度，那音色就会被赋予不同的意义和修辞，比如透明的、干净的、亮丽的、有穿透力的、尖锐的、沉闷的,.,，似乎音色就像是画家的颜料，经由音乐家的挥洒，音色也具有了个性,从,器乐的角度,，音色可分为乐器音色和演奏音色前者为乐器本身所具有的音色；后者为演奏乐器所获得的音色,乐器音色的优劣对演奏音色有一定的影响,：乐器音色优良，为演奏者弹奏出良好的演奏音色提供了好的先决条件；乐器音色差，不但不会有助于良好的演奏音色，反而会阻碍到演奏者弹奏出良好的演奏音色无疑，拥有一台具有良好乐器音色的乐器是每一个演奏者共同的愿望,演奏技巧是获得美的音色的手段,但是，有了好的乐器，如果演奏者不具备正确的演奏方法和美的心理音色，不仅奏不出美的演奏音色来，还会破坏乐器自身的好音色因此，,乐器音色只是一定的物质外部条件，关键还在于驾驭乐器的演奏者,演奏者可以在掌握正确的演奏方法的基础上，以美的心理音色为指导最大限度地弥补乐器音色的不足，从而获得悦耳的演奏音色,响度级和响度,响度是听觉判断声音强弱的属性它反映由于声音入射到鼓膜使听者获得的感觉量，主要依赖于引起听觉的声压,(,或声强,),，但是受频率的影响也很大,(,不同频率引起同样响度感觉的声强可能相差几十,dB),处理这种复杂关系的办法是：,第一步,，取,1000Hz,纯音或窄带噪声为标准，通过心理物理实验求出和,1000Hz,声音听起来一样响的声音,(,纯音或窄带噪声,),所具有的声压级和频率的关系这些声音的响度经判断都是一样的,第二步,，再求出响度级与响度的关系，以建立响度的定量标度,在声压级对频率的坐标纸上画出等响线，线与,1000Hz,坐标线交点上的声压级,dB,数就是这个线的,响度级,，单位为,方,响度级,图,2-4,所示一组等响线是根据大量听力正常的青年,(18,30,岁,),测听结果制定的实验在,消声室,(,基本没有反射声的实验室,),内进行,响度,响度的单位为,宋,一般定义,40dB,的,1000Hz,纯音,(,即,40,方的声音,),的响度为,1,宋用另一个声音和它作比较，也用多数人平均，听起来如果有它两倍响，则这个声音的响度就是,2,宋听起来如果有它五倍响，则这个声音的响度就是,5,宋这样就可以建立起响度的标度,响度级每增加,10,方时，响度加倍,图,2-5,就是响度和响度级的关系,声级计,设计声级计的初衷,声级计的工作原理,声级计的应用,设计声级计的初衷,人们从本世纪二十年代起，就努力设计能反映对声音主观感觉的仪器求得等响曲线后，就开始模拟这些曲线制作测量仪器这种仪器称为,声级计,声级计的工作原理,声音由传声器变为电压，经过前置放大器和可变放大器进入,A,、,B,、,C,、,D,网络或滤波器，再经过第二可变放大器，整流器，由电表显示或用数字显示如图,3-6,所示 其中“,DC Log,输出”、“,DC,输出”和“,AC,输出”是为了将声级计和其它信号处理设备相联接，对测量信号作进一步处理而设置的,模拟所有等响曲线是不现实的，最后采取的标准是用三种计权特性,A,、,B,和,C,为满足航空噪声测量需要，有些声计及还设有,D,计权特性声级计的方框图如图,2-6,所示,声级计相当于一套小型声学实验室的测试系统，在环境声学和其它声学工作中成为最有力的工具,A,、,B,和,C,计权,(,计权的意思是说对各种频率的灵敏度不同，而是按照某一频率曲线变化,),曲线分别接近,40,方、,70,方和,100,方等响曲线的反曲线,(,输入,40,方的任何频率信号，经过,A,计权网络后，数值就和频率无关了，如此类推,),，如图,2-7,用声级计读得的值称为,声级,，以,(dB),计对应于选择不同的计权特性，应分别计为,dB(A),、,dB(B),、,dB(C),、,dB(D),声级计的应用,声级计的本来目的是测量响度级，准备测,55dB,以下的噪声时用,A,计权，测,55,到,85dB,的噪声时用,B,计权，测,85dB,以上的噪声时用,C,计权测得结果似乎可以接近主观感觉但由于实际困难以及研究工作和技术发展的成就，使噪声测量达到新的境地，发展出声级、,A,声级的概念，成为噪声评价的基础但是用客观仪表测量响度级的目的至今仍未达到,七十年代以来公认用,A,声级,(,用,A,计权读出的声级,),表示噪声最合适，它与人的感觉,(,不仅响度，也包含烦扰程度，听力损伤程度等,),更符合,所以近来许多声级计上只有,A,计权，读数称为,A,声级，,B,都取消了，,C,和线性差不多，有的另有不加计权,(,线性,),的档声级计的,A,计权在低频时灵敏度很低，比较,A,、,C,声级可以得到噪声中低频成分的估计,一般声级计可以插入滤波器以替代计权网络常用滤波器有倍频程和,1/3,倍频程两种,用八个或十个倍频程滤波器可以很快地测得噪声的频谱，很方便用,1/3,倍频程滤波器就需要三十一个，但可以测得较细,在噪声测量中一般没有必要测得比,1/3,倍频程更细，因为人耳对带宽大约为,1/3,倍频程频带内的噪声所产生的主观感觉只和带内的总强度有关，频带内的分布影响很小，所以不必做更精细的分析,对振动的分析就不是如此,声级计也可以用作振动测量这时，传声器要换成加速度计,(,输出电压和瞬时加速度成正比,),或其它拾振器如需要分析则应用窄带滤波器带宽由几,Hz,到几十,Hz,，,这样可以找出重要的离散频率成分加以控制,