第四章-人耳的听觉特性.ppt

第四章第四章人耳的听觉人耳的听觉(tngju)特性特性 声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第一页，共四十五页。主要(zhyo)内容听觉生理系统听觉生理系统响度感分析音调(yndio)感音色与谐和感人耳感知特性声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第二页，共四十五页。听觉生理(shngl)系统声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第三页，共四十五页。外耳外耳由耳壳、耳道组成，到耳鼓为止。耳壳耳壳的作用是使耳道和空气之间阻抗匹配，从而让更多的声能进入耳道。这种匹配作用在800Hz左右最好，在高频段也比较有效，但在低于400Hz时这种阻抗匹配作用的性能变差。外耳道外耳道的作用是使声音从耳廓传到耳膜，并保护耳膜不受外界物体的机械损伤。耳道的长度大约为27mm，直径(zhjng)为57mm，其共振频率约为3000Hz，外耳道的共振效应是决定听力灵敏度的一个重要因素。听觉(tngju)生理系统声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第四页，共四十五页。声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第五页，共四十五页。中耳中耳连接外耳和内耳，耳膜因受力而振动，进而推动中耳室内的三块互相(h xing)连接的听小骨运动。这三块听骨分别为锤骨、砧（zhn）骨、镫（dng）骨，起杠杆放大作用。中耳室内充满了空气，其体积约为2cm3。中耳通过欧氏管和鼻腔相连，平时欧氏管封闭，当它打开时可以形成一个沟通耳腔和口鼻腔的大气通道，用以宣泄耳腔内压强的剧增。中耳室内倾壁上有向内耳的两个开口：卵形窗和圆形窗。圆形窗由封闭膜封闭，卵形窗被镫骨的底板和联系韧带所封闭。两个窗口的内侧是充满液体的耳蜗。中耳的作用是通过听骨的运动把外耳的空气振动和内耳的液体运动有效地耦合起来。听觉(tngju)生理系统声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉(tngju)特性第六页，共四十五页。听觉(tngju)生理系统声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第七页，共四十五页。声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉(tngju)特性第八页，共四十五页。内耳内耳的主要部分是耳蜗，耳蜗的外形有点像蜗牛壳，它围绕着骨质中轴盘旋了2.75转，长约35mm，中轴是中空的，是神经纤维的通道。耳蜗中间由骨质层和基底膜把它隔成两半，上部为前庭阶，下部为鼓阶。前庭阶和鼓阶内充满淋巴液。鼓膜振动经过听小骨的杠杆作用使镫骨的振动通过圆卵窗激发耳蜗内淋巴液波动，波动传到蜗顶时又通过小孔传入鼓阶内，最后被圆卵窗吸收。淋巴液中的波动使基底膜产生弯曲振动。附在基底膜上的柯氏螺旋器官，上面有大量的神经末稍元毛细胞，它们在液体的运动作用下发生(fshng)变形，形成神经脉冲信号，通过听觉传导神经传至大脑听觉中枢。这就是听觉产生的全过程。在强声级作用下，毛细胞基将会因拉伸应力而产生疲劳以致发生损害。需要注意的是，这种损害是不能恢复的。声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第九页，共四十五页。耳朵的结构功能(gngnng)类比图听觉生理(shngl)系统声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉(tngju)特性第十页，共四十五页。主要(zhyo)内容听觉(tngju)生理系统响度感分析响度感分析音调感音色与谐和感人耳感知特性声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉(tngju)特性第十一页，共四十五页。感觉阈限与韦伯定律响度(xin d)、响度(xin d)级等响曲线响度(xin d)感分析声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第十二页，共四十五页。响度(xin d)感分析响度是判断声音强弱的一种属性。人耳感觉的响度主要取决于声音的强度，但它与声音的频率和波形也有关使声音听得到的最低声压称为听阈，它和声音的频率有关听觉区域的上限有时取在不舒服阈，它的声压级大约为120dB，与频率无关。但更常用的是取140dB声压级的痛阈为极限(jxin)。大于140dB的声音会使人感觉到疼痛，在150160dB的声场内会使人耳发生急性损伤声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第十三页，共四十五页。响度(xin d)感分析声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第十四页，共四十五页。人的感觉阈限实际上包括两个概念(ginin)，一是绝对阈限绝对阈限，即人的某个感知器官对某种刺激的最小和最大感知限度；另一个是差别阈限差别阈限，即人的感知系统对刺激变化的最小感知限度。人能区分出不同声音信号之间哪怕是非常小的差异，这种差别可以发生在声音的强度、频率或时间上。在心理声学上，我们把这种能力称为差阈。（difference limen）或最小可察觉差异（just noticeable difference JND）差阈是人能识别两个物理信号之间的最小差值，用物理量表示。感觉(gnju)阈限与韦伯定律声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉(tngju)特性第十五页，共四十五页。绝对阈限：绝对阈限：刚刚能引起感觉的最小刺激强度差别阈限：差别阈限：刚刚能引起差别感觉的刺激之间的最小差别阈限是一个统计学上的概念(ginin)，是经过多次测量实验得到的平均值。韦伯定律就是有关差别阈限的定律一般来说，这个(zh ge)定律只适用于中等强度的刺激感觉(gnju)阈限与韦伯定律声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉特性第十六页，共四十五页。韦伯定律通俗地讲就是：添加一个刺激所产生的心理(xnl)效应感受要受到已经存在的刺激的影响。其中 s：感觉(gnju)变化，Q：刺激变化，Q：已存在的刺激感觉与刺激(cj)的对数成正比，而不是与刺激(cj)成正比。感觉阈限与韦伯定律声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉特性第十七页，共四十五页。将Weber定律(dngl)用于对音高的感觉的判断音高(yngo)感觉=两个(lin)纯音和 的音高感觉的差别为：感觉阈限与韦伯定律声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉特性第十八页，共四十五页。对声音响度的感觉首先决定于耳膜振动的振幅，而响度感的处理是通过两个通道达到的，一是机械处理，二是神经处理，完成将强度变化在十几个量级范围内的物理(wl)振动压缩到了主观感受上3个量级范围内的变化。而人耳基底膜上的毛细胞（神经末梢）的分布，对响度感及系统频率特性的形成有着重要的影响。在中频区毛细胞的密度较大，表明中频区的音响感灵敏度较大。人耳觉察到的声音的大小强弱与声音的强度声音的强度有关，但不完全由强度决定。因为人耳的振动系统、传递系统、振动到神经信号的转换系统等都与频率频率有关，因而主观的强弱感觉也受到频率的影响。响度响度级正反映了这种关系。响度(xin d)、响度(xin d)级声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第十九页，共四十五页。响度级：单位为方方（phon），用符号(fho)LN表示以1000Hz的纯音为基准声音，将其它频率的纯音和1000Hz纯音相比较，调整前者的声压级，使得听者判断两个纯音一样响，则称该纯音的响度级（方值）在数值上与那个(n ge)等响的1000Hz的纯音的声压级（dB值）相等。响度(xin d)、响度(xin d)级声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉特性第二十页，共四十五页。响度(xin d)：单位为宋宋（sone）40方为1宋，50为2宋，60为4宋，70方为8宋 即响度级每改变10方，响度相应改变一倍适用范围是：20120方响度(xin d)、响度(xin d)级声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第二十一页，共四十五页。等响曲线(qxin)整个可听范围的纯音响度级，就是等响曲线(qxin)。曲线表示了响度级，声压级与频率三者之间的关系，反映了人耳对各频率的灵敏度。声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉(tngju)特性第二十二页，共四十五页。等响曲线(qxin)等响曲线(qxin)声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉(tngju)特性第二十三页，共四十五页。人耳响度感的特点人耳对高频声，尤其是2000Hz5000Hz声音敏感而对100Hz以下的低频声不敏感。对3000Hz的声音最敏感，这与人耳的机械共振特性有关。耳道长度为3cm左右，3000HZ声波的1/4波长为3.75cm，所以此频段的声波信号(xnho)在耳道中容易发生共振。例：例：响度级为60方时1000Hz 60dB100Hz 67 dB30Hz 90 dB3000Hz5000Hz 52 dB等响曲线(qxin)声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第二十四页，共四十五页。当声压级较小，频率较低时，对某一声音来说，声压级（分贝值）和响度级（方值）的差别很大。例：例：SPL=40dB时50Hz 听不见，低于听阈(tngy)80Hz 20方1000Hz 40方当声压级高于100dB时，等响曲线逐渐拉平。这说明当声音达到一定程度（100dB），声音的响度决定于声压级，而与频率关系不太大。等响曲线(qxin)声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第二十五页，共四十五页。最高最低频率可听极限一般地，青少年2020KHz,中年3015KHz,老年10010KHz。最小最大可听极限人耳有一定的适应性，常人上限为120dB,经常噪声暴露的人有可能达到135140dB。下限频率与频率有关。最小可辩阈（差阈）声压级变化的察觉：一般是1dB 3dB以上有明显(mngxin)感觉 频率变化的察觉：一般是3%，低频时3Hz。等响曲线(qxin)声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉(tngju)特性第二十六页，共四十五页。音调(yndio)感音高的心理评价(pngji)单位为 美尔 mel取40方的1000Hz纯音的音高作为标准，定为1000mel，若一纯音听起来调子高一倍的为2000mel，调子低一倍的称为500 mel，以此类推，可建立起整个可听频率的音高标准。人耳对声音高低的感觉主要与频率有关。频率高，感到音细、高；频率低，感到音粗、低。音高与频率有正相关的关系，但没有严格的比例关系，且因人而异。声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第二十七页，共四十五页。音色(yns)与谐和感乐音一般来讲是一个复音，是一系列频率独立并呈简单整数比的纯音的叠加，描述这样一个复音有三组数据一个乐音的音色主要决定于它的频谱，在某些情况下它的时值和衰减特性(txng)也有助于音色的判断。声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第二十八页，共四十五页。音色(yns)与谐和感在音色的鉴别中，涉及到的只是最初的07个谐音，再往上更高阶次的谐音对音色的贡献并不显著。根据听觉的位置理论，复音中各阶谐音在基底膜上所对应的共振区域呈对数分布，因此越高阶的谐音对应的共振区域越彼此聚集，甚至彼此覆盖，到第6阶以后的谐音，相邻的两个谐音的在基底膜的两个对应区域之相互混迭，并覆盖在一个临界带以内，很难在感觉上将它们彼此分开(fn ki)。频谱成分不同，音色的主观感觉也就不同，例如，音色呆板、干涩则说明缺乏足够的高阶谐音；音色明亮、高亢表明高阶谐音丰腴；而当偶次谐波不存在时，声音则显得低沉，不够明亮。声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第二十九页，共四十五页。主要(zhyo)内容听觉生理系统(xtng)响度感分析音调感音色与谐和感人耳感知特性人耳感知特性声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第三十页，共四十五页。人耳感知(gnzh)特性掩蔽(ynb)效应双耳定位哈斯效应空间感声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉(tngju)特性第三十一页，共四十五页。掩蔽掩蔽(ynb)(ynb)效应效应v人耳对一个声音的听觉(tngju)灵敏度因另外一个声音的存在而降低的现象叫掩蔽效应。v掩蔽量 听阈提高的分贝数v掩蔽阈 提高后的听阈一个声音能被听到的条件是这个声音的声压级不仅要超过(chogu)听者的听阈，而且要超过(chogu)它所在背景的噪音环境中的掩蔽阈。声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉特性第三十二页，共四十五页。几种典型的频域掩蔽a)纯音对纯音的掩蔽b)窄带噪声对纯音的掩蔽作用(zuyng)c)宽带噪声对纯音的掩蔽频域掩蔽频域掩蔽(ynb)(ynb)频域掩蔽是指掩蔽声与被掩蔽声同时作用(zuyng)时发生掩蔽效应，又称同时掩蔽。掩蔽声在掩蔽效应发生期间一直起作用，是一种较强的掩蔽效应。掩蔽效应掩蔽效应声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉特性第三十三页，共四十五页。a)纯音对纯音的掩蔽（1）掩蔽音强度(qingd)提高，掩蔽效果随之增加，而且掩蔽音愈强，它的影响范围也愈大，即能掩蔽更多种频率的声音。（2）掩蔽音对于频率相近声音的影响最大。（3）低频对高频的掩蔽效果大于高频对低频的掩蔽。掩蔽掩蔽(ynb)(ynb)效应效应声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第三十四页，共四十五页。声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第三十五页，共四十五页。b)窄带噪声对纯音的掩蔽窄带噪声的掩蔽作用要大于与窄带噪声中心频率相等且强度相同的纯音的掩蔽作用。声压较低时，窄带噪声的掩蔽区域仅限于中心频率附近较窄的范围内声级越高，掩蔽区域越宽，且对高于中心频率的声音掩蔽作用较大(jio d)。c)宽带噪声对纯音的掩蔽一个宽带噪声可以在很宽的频率范围内对纯音产生掩蔽作用。和纯音掩蔽相似，低频声对高频声的掩蔽作用较强；而高频声对低频声掩蔽作用相对要弱一些，并且掩蔽声级越高，掩蔽量越大。掩蔽掩蔽(ynb)(ynb)效应效应声学基础声学基础(jch)(jch)第四章 人耳的听觉特性第三十六页，共四十五页。时域掩蔽时域掩蔽(ynb)(ynb)超前掩蔽超前掩蔽(ynb)(ynb)：5ms-20ms滞后掩蔽滞后掩蔽：50ms-200ms在时间上相邻的声音之间的掩蔽现象，称为(chn wi)时域掩蔽。产生时域掩蔽的主要原因是人的大脑处理信息需要花费一定的时间。掩蔽效应掩蔽效应声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉特性第三十七页，共四十五页。双耳定位(dngwi)双耳定位(dngwi)是指利用听觉器官判断发声体的空间方位。对声源方向的判断，主要有三种双耳线索：强度差 IID 时间差 ITD 相位差 IPD声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第三十八页，共四十五页。声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉(tngju)特性第三十九页，共四十五页。双耳能够定位的主要原因是到达双耳的声音存在(cnzi)强度差、时间差、音色差。对于中高频声音对于中高频声音(shngyn)，强度差起主要作用；对于低频声音，强度差起主要作用；对于低频声音(shngyn)，时间差起主要作用。，时间差起主要作用。双耳定位(dngwi)声学基础声学基础 第四章 人耳的听觉特性第四十页，共四十五页。人耳判断声源的方位主要靠双耳定位，对时间差和强度差进行判断。人耳的水平方向感要强于垂直方向感。通常，频率(pnl)高于1500Hz强度差起主要作用；低于1500Hz时，时间差起主要作用。双耳定位(dngwi)声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第四十一页，共四十五页。问题：单耳条件下的声源定位?两耳对称平面上的声源定位?前后声源的分辨?除去ITD和ILD等双耳因素外，头、肩和耳廓在内的外耳对声的衍射所引起的滤波作用，对高频声定位，特别是前后方向(fngxing)和中垂面上的声定位起了重要作用双耳定位(dngwi)声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第四十二页，共四十五页。哈斯效应哈斯效应也叫优先效应。两个声源没有延时，声像定位在两个声源中间两个声源，延迟声迟于先导声的时间小于30ms，人们不会感到延迟声的存在。声像由未延迟声源决定。当延迟时间超过30ms而未达到(d do)50ms时，则听觉上可以识别出已延迟的声源存在，但仍感到声音来自未经延迟的声源。当延迟声迟于先导声的时间大于50ms时，能感受到回声的存在。应用：早期反射声的设计、延时器声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第四十三页，共四十五页。空间感空间感的建立(jinl)通过：直达声：决定声源位置和真实音色早期反射声（30ms)决定于房间的大小混响声 决定于房间的吸声系数 决定于声源离听音人的距离 声学声学(shngxu)(shngxu)基础基础 第四章 人耳的听觉特性第四十四页，共四十五页。内容(nirng)总结第四章人耳的听觉特性。人耳感觉的响度主要取决于声音的强度，但它与声音的频率和波形也有关。使声音听得到的最低声压称为听阈，它和声音的频率有关。人能区分出不同声音信号之间哪怕是非常小的差异(chy)，这种差别可以发生在声音的强度、频率或时间上。人耳觉察到的声音的大小强弱与声音的强度有关，但不完全由强度决定。人耳对一个声音的听觉灵敏度因另外一个声音的存在而降低的现象叫掩蔽效应第四十五页，共四十五页。