现代音响工程设计手册 第三章.doc

第三章 听觉生理学和心理声学

扩声系统的音质效果最终还得由耳朵鉴别。听觉感受与生理声学和心理声学直接相关。因此必须对它们有所了解，并根据人耳的听觉特征，采取相应技术措施，才能获得最佳的系统效果。
听觉生理学主要是研究声音响度与声压级关系的科学。
心理声学是研究耳朵和人脑结合对听觉激励的反应。心理声学在了解音乐家对环绕他们的声音世界的反应是重要的。
本章讨论的主题包括等响度曲线,声级计的计权曲线,声音的持续时间与响度的关系、响度计算、声音的掩蔽和哈斯效应以及音调和音色的主观感受等。
3.1听觉生理学
听觉生理学是研究耳朵听觉特性的科学。与专业音响直接有关的是声压级和声音的响度。

1、声压级
单位面积上接收到的声压大小，可用声级计测定。它与频率无关，是一种客观测量的结果。人耳听觉的听闻阀值（感觉有无声音存在的最低声压级）为2010-6N/m2（牛顿/平方米），并把它作为声压级的最小基准0dB。人耳听觉的最大声压级（痛阀）为20N/m2，等于120dB。因此人耳听觉的最大动态范围为120dB（106倍）。声压级的单位为dB，可用仪表测量。
2、响度级
人耳的响度感觉不仅与声压级有关，还与声音的频率有关。即相同声压级的声音在不同频率时的响度感觉不完全相同。1KHZ的听觉灵敏度最高，低频的听觉灵敏度越来越低；超过1KHZ的高音，听觉灵敏度也有所降低。于是为了符合实际听觉的需要，制定了一个新单位——响度级。
响度级的单位为phon（方），与频率有关。只在1KHZ时，响度级（方）与声压级（dB）相等。
3、响度

图3-1 响度级phon与响度Sone的对应关系
再进一步研究，人耳对响度的感觉与响度级并非成正比，如响度级增加10方，响度感觉才提高1倍。为符合人耳的响度感觉，又制定了一个响度单位Sone（宋）。40方等于1宋，2宋比1宋的响度提高一倍，依次类推。Sone和phon的对应关系如图3-1所示。并可用下式表示：
响度N= （宋） (3-1）
式中：N——响度，单位为宋；
LN——响度级，单位为方。
（3-1）式也可改写为：
logN=0.03LN-1.2 (3-2)
响度的定义为：频率为1KHZ、声压级为40dB（或响度级为40方）的一个纯音所产生的响度为1宋。声音的响度如果被判断为1宋纯音的n倍，则此声音的响度为n宋。
4、等响度曲线
大家都有以一般声压级收听立体声播放的经验。适当的全频段声音,减小音量时,即使频谱没有改变,会感到声音单薄,缺少低音。这个情况说明了耳朵在低频时的灵敏度低于较高频率的灵敏度。1933年Fletcher和Munson研究了这个现象并提出了著名的等响度问题。Robinson和Dadson在80年代初研制成图3-2所示的等响度曲线，它比前者更为正确可信。

图3-2 自由声场中的等响度曲线
考察这些曲线,我们可以看到以方(phon)为单位的1KHZ纯音的响度级与声压级的dB数相等。也就是说决定等响度曲线的参考频率是1000HZ。
从等响度曲线中可以看到：人耳对不同频率纯音的响度感觉是不同的，并且还和声音的强度（声压级或响度级）有关。
人耳对响度的感觉与声压级或响度级不成正比。通常声压级增加10 dB（或响度级10方）可使响度加倍。例如70方的声音比60方的声音响一倍,40方的声音比30方的声音也响一倍。相差20方的声音响度相差4倍。（2*2倍）。90dB的声音比70 dB的声音也响4倍。
对于扬声器来说，输入电功率增加1倍时，人耳感受到的声压级只增加3dB。输入功率从10W增加到100W时，响度级大约增加10方，而响度仅增加一倍。
等响度曲线是由实验给定的标准值。对给定的声压级和不同频率的纯音（即正弦波）可直接从曲线上查出它的响度级。例如曲线上1000HZ、70dB声压级的声音与30HZ、95 dB声压级的声音或3.5KHZ、61dB声压级的声音都在70方的等响曲线上，它们具有相同的响度级。尽管30HZ与3.5K HZ两个频率的声压级相差34dB，但耳朵听到的响度感觉却是相同的这就是人耳对低频（超低频）的声音感到不够响的原因，但人体在80HZ以下的超低频有振动的感觉。在中频和高频段只需较小的声压级就能让人感觉到很响，几瓦的中、高音喇叭就可使几十或上百人听得很好。
在专业音响领域里，声压级、响度级、响度和等响度曲线是十分重要得声学概念，它对声音的声压级和频率分析有很大的实用价值。在扩声工程的设计和音响系统的调音中有很好的指导意义。
5、声级计的计权曲线
大量测试结果表明，人耳对2000～4000HZ的声音最敏感。低于1000 HZ时，人耳的听觉灵敏度随频率降低而降低；4000HZ以上时，人耳的听觉灵敏度也逐渐下降。这就是说，不同频率相同声压级的声音，人耳听起来是不一样响的。
为使声压级的测试结果更接近于人耳的响应曲线。声级计设有A，B，C三个计权网络（有的还有D计权），它们是以等响度曲线为参考制定出来的。A计权是参考40方等响曲线绘制出来的，对500 HZ以下的声音有较大的衰减。C计权接近线性，比较平直。B计权介于两者之间。40dB以下的声压级测量一般都用A计权刻度,测量结果记为dB(A)。70dB范围的测量可用B计权；100dB以上的测量一般都用C计权。这些测量结果将与我们主观判断的响度级大多是一致的。各种计权特性如图3-3所示。

图3-3 声级计的计权特性

图3-4 声级计及dB(A)声压级
人耳的可闻声压级从SPL 0dB到120dB，其范围达到一百万倍。超出120dB会使耳朵感到疼痛，130dB以上会引起内耳出血。长期从事摇滚乐扩声的人，一般都患有职业性耳聋。
暴露在极端高的噪声声压级中可招致永久性的听力损失。如果有足够长时间暴露在足够强烈的噪声声压级中，几乎每个人都会受到听力损伤。美国政府和健康管理部门（OSHA）规定了下列允许的最大声压级限制：
表3-1 声压级与收听时间的限制标准（美国OSHA标准）
声压级dB(A)
(慢响应)
90
92
95
97
100
102
105
110
115
持续时间 （小时）
8
6
4
3
2
1.5
1
0.5
0.25
按照美国OSHA机构的规定，超过表3-1限定的声压级及其相对应持续时间的将会导致听力损失。为防止永久性听力的损伤，在超过规定的环境中工作的人员，必须在耳道内插入防护耳塞。
耳朵对持续时间很短的声音（如音乐节目中非常短的瞬态信号）的灵敏度低于持续时间长的声音。图3-5表明1KHZ 纯音在60方响度级时的声压级与声音持续时间的关系。例如持续时间为100ms的声音比持续时间为2ms的声压级要大12dB。

图3-5 声音的持续时间与响度的关系
6、音调和音色
人耳对声波频率的感觉简称为音调。在乐声中它是指音阶的变化。乐队演出前都要对音,这个音使用的是440HZ 标准音,这是一种国际标准,如表3-2所示。表中的a是440HZ 标准音；低于a的A1和高于a的a1在音乐上称为低八度和高八度音，其对应的频率关系是倍频程的关系。
表3-2 音阶与频率的关系
音阶
A4
A3
A2
A1
a
a1
a2
a3
频率（HZ）
27.5
55
110
220
440
880
1760
3520
图3-6所示的是在不同音阶内个基音频率对应的倍频程关系。8个a分布在钢琴的88个键内，从低到高按倍频程的关系排列。

图3-6 音调与倍频程的关系
象响度一样，音调也是一种听觉的主观心理量。它是听觉判断声音高低的属性，主要依赖于声音的频率，但也和声压级及波形有关。
图3-7是声压级对音调主观感觉的改变。1KHZ 以上的频率，音调随声压级的增加而提高。1KHZ 以下的频率，音调随声压级的增加而降低。音调的单位为“美”（Mel）。响度40方，频率1000HZ 的纯音音调规定为1000“美”。如果某个频率的声音听起来比40方、1000HZ 纯音的音调高2倍，那么它的音调就是2000“美”。图3-8是音调与频率的关系。

图3-7 声压级与主观音调变化的关系

图3-8 音调与频率的关系
音调概念对调音师和音质主观评价特别有用。
音色是听觉上区别两个具有同样响度和音调声音的属性。各种乐器的定音频率都是440HZ ，但是发出来的声音为什么还有差别，还能分辨出提琴、木管、铜管和钢琴呢？主要是每件乐器奏出的声音除了基频之外，还包含了各种频率的泛音（在电子学上称之为谐波）。不同数量和不同强度的谐波结构以及频谱分布决定了不同的音色。
音色难以定量表示，通常以谐波结构的数目、强度、分布和它们之间的相位关系来描述。
3.2心理声学——声音的掩蔽和哈斯效应
声音的掩蔽是心理声学中很重要的效应。在很多方面都可产生掩蔽现象。大的声音掩蔽柔和的声音；频率较低的声音掩蔽频率较高的声音，但不能颠倒过来。宽频带音乐中的高声压级的高频失真容易被低频掩蔽等等。人们在背景音乐的环境中谈话时，如果背景音乐的声压级超过谈话声压级6 dB时，那么两个人的谈话内容就不易被附近的旁人听到。这也是声音掩蔽作用的一种应用。
被掩蔽的声音听阀值因为掩蔽声的出现而必须提高的听阀值称为掩蔽量。掩蔽量随被掩蔽声的声压级提高而增加，并且还与频率有关。最大的掩蔽出现在掩蔽声频率的附近。
如果两个声压级相同的声音不同时到达耳朵，那么先到达的声音可掩蔽后到达的声音。这个现象由德国科学家哈斯（Hass）首先发现，后来被人们简称为哈斯效应（Hass EFX）。我国有句成语叫做“先入为主”恰好用来形容哈斯效应。所以哈斯效应也称“领先效应”。
哈斯效应的听觉效果不仅与两个声源的声压级差有关，还与两个声源到达听众的时间差有关。图3-9（a）是两个声源声压级的不平衡与延迟时间的关系。（b）是两个声源到达听众处的声压级相同,时间差为零(同时到达),听众的感觉(声像位置)是声源在中间。（c）是在一个声源（右边）中插入一个可调延时器，延迟时间T=5ms，此时听众的感觉声源已偏到左边去了。（d）是在左声源中插入一个-10dB的固定衰减器，此时左声源的声压级比右声源小10dB，右声源中插入的延迟时间不变，仍为5ms，听众的感觉是声源又回到了中间位置。（e）是把延迟时间增加到25-30ms，甚至更大，听众开始会听到失真的两个声音，延迟时间越长，两个声音之间的间隔也越长。

图3-9 哈斯效应
(a)两个声源之间不平衡的声压级与延迟时间的关系 (b)两个声源的声压级相等，时间差为0
(c)两个声源的声压级相等，右声源比左声源晚到5ms (d)左声源比右声源的声压级低10dB，右声源晚到5ms
(e)左声源比右声源的声压级低10dB，增加延时
在剧场扩声工程中，通常利用哈斯效应来解决声像一致的问题。例如剧场中为均匀全场观众区的声压级，都将主扬声器安装在舞台台口正上方较高的“音桥中。这种布局会使舞台前面几排座位的观众听到的声音像似从头顶上下来的，声像严重不一致。为此在舞台台口两侧再安排两组声压级较小的辅助扬声器，使前几排座位的观众先听到辅助扬声器的声音（因为比主扬声器的声音先到达）。这样使观众就会感到声音是从舞台方向来的了。

图3-10 优先效应在扩声系统中的应用
图3-10是优先效应在扩声系统中的一种应用。听众位于离讲话者某个距离，不用扩声系统时，由于声压级太低听不清讲话的内容。如果使用一个小扬声器提高声压级，并且在扩声系统中按照听众离讲话者的距离适当增加8～16ms的延时，此时不但提高了声音的清晰度，而且扬声器如同不存在那样，声音仍然是从讲话者位置发出的感觉。
扩声系统中哈斯效应使用最多的是校正声源之间的时间差和声级差，以减少声源间的干扰，提高声音清晰度。图3-11是Doak和Bolt给出的声源延迟干扰的数据曲线。例如：延迟差200ms的两个声源，如果它们之间的干扰要求不大于10%，那么它们的声级差必须低于22dB。500ms延时差的两个声源，如果要求它们之间的干扰不大于10%，那么它们的声级差必须低于35dB。否则需要在系统中使用延时器加以校正。这个概念在校正分散布置扬声器的大型体育场的扩声系统中特别有用。

图3-11 Doak和Bolt的延时干扰图