课件：第三章人耳的听觉特性.ppt

第三章 听觉特性,第一节 人耳的听觉特性 第二节 立体声的听觉机理 第三节 听觉特性对电声技术的要求,第一节 人耳的听觉特性,一、听觉生理系统 二、响 度 三、音 高 四、音 色 五、可闻声的频域特征 六、可闻声的时域特征 七、人耳听觉的非线性掩蔽效应 八、人耳听觉的延时效应与双耳效应,一、听觉生理系统,1.人耳的结构 2.人耳结构示意图 3.人耳的结构的类比,1.人耳的结构,2.人耳结构示意图,3、人耳的结构的类比,二、响 度,1.概 述 2.人耳的听觉范围 3.声级计,1.概 述,1）定 义 2）声压级 3）平面波声强级 4）响度级,1)定义： 人耳对声音强弱主观感觉到的响亮程度,听觉范围 ： 相差100多万倍。 振 幅： 人耳灵敏度很高，听觉响度的感觉是非线性的.一般具有指数特性.即:,2）声压级,用对数来计算和划分声音强弱等级的一种表示方法。具体如下： 式中：p0基准声压(=2*10-5Pa/1kHz) prms某点声压的有效值,3)平面波声强级,定义： 某点声强值与零声级的参考声强值之比的对数值。如下式所示： 式中: I某点声强 I0基准声强(=10-12W/m2) 平面波声强级与声压级的关系,平面波声强级与声压级的关系,4）响度级,测试条件 测试方法 响度级,测试条件,声源在被测试者的上方 声源为自由平面波 测量声压级时测试者不在场 用双耳听声音 年龄在1825岁之间,测试方法,响度级,将某一频率的声音与1KZ的声音进行比较，当感觉两者的响度一致时，1KZ声音的声压级就是该声音的响度。一般用S表示（单位为宋）。或用响度级P表示（单位为方）二者的关系如下： 该式适用与20129PHON 也可用图表示,2.人耳的听觉范围,1）不同声压级时的频率响应 2）人耳的听觉范围 3）等响曲线,1）不同声压级时的频率响应,3）等响曲线,2)人耳的听觉范围,b、记权的依据,A计权：模拟人耳对40方纯音的响度指示。（低频衰减，3k-5k提升，高频也稍稍衰减。）用来测55dB 以下的噪声。 B计权：模拟人耳对70方的纯音的响度指示 。用来测55dB-85dB C计权：模拟人耳对100方的纯音的响度指示。用来测85dB-130dB Lin计权：不修正，用来测声压级Lp。 D计权：用来测量飞机噪声,5.声级计,a.原理框图 b.记权的依据 c.记权曲线,a.原理框图,c.记权曲线,三、音 高,1.定义 2.音高的规定 3.音律 4.向度对音高的影响,1.定 义,人耳对声音调子的高低的主观感觉称为音高或称音调（音准）。,2.音高的规定,人耳对音高的变化感觉如下： 通常用倍频程来描述音高的变化（一个倍频程对应纯八度）：,3.音 律,定 义 音律的规定 音律与唱名,定 义,在音乐中反映音高的某种规定称作音律。 我国古代规定为： 宫（1）商（2）角（3）徵（5）羽（6） 唇音、舌音、齿音、牙音、喉音,音律的规定,12平均律：在一个倍频程内（8度）通常按对数刻度分成十二等份划分音阶,两个相邻的音为半音关系。两个半音组成一个全音。如图示：,3.音律与唱名,十二个音名字： 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 相邻两个半音的频率比： 人对音高的区别：1000Hz,Lp=40dB时，一般人3Hz有觉察,调音师1Hz有觉察,4、响度对音高的影响,当声音的响度过大时，由于耳膜产生超常形变将会对音高的判别产生影响。（且和频率成反比）,四、音 色,1、定义 2、线状谱 3、连续谱,1、定义,人耳区别相同响度和音高的两类不同声音的主观听觉特性称音色。(如图示) 乐音除了基频f0外还有nf0的谐波，音高由fo 决定而各次谐波决定了音乐的音色(谐波即泛音) 例：弦的振动： 人耳对相位变化不敏感相聋,如图示,2.线状谱,线状谱 ：一种不连续排列分布的 频谱。 如图所示:,特点：频率分布是离散 的不同频率的振 幅不同,3.连续谱,连续谱：在频谱 轴上没有断续的频谱 分布称为连续谱。如 右图示：,五、可闻声的频域特征,1.共振峰 2.频谱分布,1.共振峰,线状谱的峰包 共振峰的高度、位置和数量决定着每种乐器的特色。,2.频谱分布,语 音 音 乐,语音,通过对人发出的声音的统计可得到它的谱级分布曲线。如图所示：,特点： 1、男声与女声在200Hz以下有较大差异70Hz达18dB 2、语音的能量分布主要集中在100Hz-5kHz左右。 3、电话：主要集中在300Hz-3.4kHz左右。,音 乐 通过对各种乐器发出的声音节目进行长时间的统计可得到它的谱级分布曲线。如图所示：,西洋音乐：中低频平坦、高频按 轻音乐：3KHz尚有若干个峰值，较明亮,七、可闻声的时域特征,起振段 稳定段 衰减段 各点特性如下： 起振段：钢琴10ms 、风琴：100ms、语言：8050ms 稳定段:弦乐数秒、 打击乐几乎没有。 衰减段:高频音衰减时间短、低频音较长. 时域特征与频域特征（频谱）共同决定了声音的音色(音品)。,六、人耳听觉的非线性掩蔽效应,1.声音信号在人听觉系统中会被非线性加工 2.掩蔽效应,1.声音信号在人听觉系统中会被非线性加工,当信号非常强烈时，人耳产生保护性听觉反应 （听感不再增强） 不同乐音组合f1与f2，人感到还有 ， 有的组合引起人的悦感的音乐称为谐和音，反之 为不和谐音。 鸡尾酒会效应 ：人耳具有智能补缺功能。,谐和音与不和谐音,掩蔽效应,什么是掩蔽效应是 掩蔽效应的类型 掩蔽效应的一般特点 例 题,什么是掩蔽效应,当两个或两个以上的声音号同时存在时，其中一个声音在听觉是会掩盖另一个声音。（影响人对另一个声音的听觉能力）,掩蔽效应的类型,纯音的掩蔽效应 复音的掩蔽效应 噪声掩蔽 非同时掩蔽 中枢掩蔽,掩蔽效应的一般特点,低音容易掩蔽高音 频率相近的声音易产生掩蔽 声压级越大掩蔽效应越强 两个声音的时间越接近掩蔽效应越强,例题,例：200Hz的声音闻域Lp=23dB，现同时存 在着Lp=80dB 400Hz的干扰,200Hz的声音 Lp=23dB听不到了，必须将声压级提升到 34dB才能听到. 则:掩蔽量为34-23=11dB 如图3-12所示：,八、人耳听觉的延时效应与双耳效应,人耳对不同时间到达的声音的分辨能力称之为延时效应。下面是实验所得数字； 对声源方位角的定位能力叫做双耳效应。,第二节 立体声的听觉机理,一、立体声的特点 二、听觉定位机理 三、声象及声象定位 四、立体声拾声方式 五、立体声系统,一、立体声的特点,1.听歌 2.立体声的特点,1、听 歌,之一 之二,2、立体声的特点,具有声象感 具有临场感 具有较高的清晰度 具有较高的信噪比,2019/8/23,57,可编辑,二、听觉定位机理,一）双耳效应 二）耳壳效应,一）双耳效应,. 声级差 . 时间差 . 位相差 . 音色差,1.声级差 对于不同的声源由于头颅的遮蔽效应，双耳将产生声级差。如图示：,1kHz,10kHz,距离不太远时，听觉定位主要决定于声级差。,小于300Hz：双耳听到的声音无声级差,1kHz,10kHz,2.时间差由于双耳到声源的距离不同而产生。,设:d=20cm、s=、c0=340m/s、d=0.2sin 由图可计算出时间差为:,人耳可鉴别的最小角度为：,瞬态声（语言，打击乐等）判断 方位主要决定于时间差。,3.位相差 正比于时间差。一般用下式表示：,一般来说高频 易产生混乱相差，无法判断超前落后。所以低频声判断方位的主要依据是相位差。2k-3k声级差小又易产生混乱相差，所以声音定位反映较差。,4.音色差,由于人头的遮蔽效应，频率越高衰减的越多, 双耳接收的声音信号存在着音色差.,二）耳壳效应,竖直方向重复声： 水平方向重复声：,人耳如何根据这么小 的差别判断方位？原因至 今不明。,三、声象及声象定位立,1.哈斯效应 2.德波埃效应（DE.bye）,1.哈斯效应,哈斯效应：（延迟效应）人耳对相同声源的两个声波先后到达人耳时的声音的区分能力.,2.德波埃效应,a、实 验 b、几种情况 c、说 明,a、实验,界外声象,b、几种情况,A、 LI=0 t=0,B、 C、 D、,t=0 LI=0,正弦定理：,)当: )当: )当 :,声象向声级强的方向偏转,声象在中间,声象固定在强声级的扬声器的位置上.,声象向超前发声的扬声器的方向偏移 随 增加而增加，,时:声象固定在超前发声的扬声器上。,当:,此时声象由 Lf与 t 共同决定，可互相补偿也可互相校正。（当Lf15dBt13ms时)1ms的时间差相当于5dB的声级差。,当两个扬声器信号相位相反，又有声级差可 形成界外立体声。,上式为声象定位公式,它是立体声声象展宽的理论基础。,c.说 明,声象前后位置、深度层次决定于混响声与直达声的比例。需要说明以下几点： t与 Lp是两声源到人的距离所产生的差别不是双耳效应。 当听者偏离中轴线,正弦定理不成立,声象会模糊或者分裂。 t 与 Lp都能成声象,但t声象稍差,且兼容性不好,很少用,故大多数是强度型立体声。,四、立体声拾声方式,1.传声器的指向性 2.XY制 3.MS制(无间距式) 4.AB制(间距式) (古典式) 5.模拟人头制(间距式) 6.多传声器制,1.传声器的指向性,2.XY制,两个8字形的传声器正交放在一处拾音,放 声时用两个扬声器放音.,特点:t=0,Lp0 当s=450,y600 声源的方位角与声象的对应关系近似为线性. 优点:兼容性好. 缺点:声像的分布向中心靠拢.,3.MS制(无间距式),心形传声器与8字形传声器正交放在一处.由图有:,经和差运算有:,左声道信号 右声道信号,单声道放音UL+UR=2UM 优点:兼容性好,拾声范围宽. 缺点:会产生附加的时间差和强度差, 声像不如XY制,声像也向中间靠拢.,4.AB制(间距式)(古典式),两个完全相同的传声器(心型或全指向型)分别放置在左前方右前方,特点:t0Lp0 优点:方便,可靠. 缺点:成像不自然, 有 中央空洞现象、兼容性差、单声道放音有干涉现象、音质模糊.,中央空洞现象的克服,5.模拟人头制(间距式),把两微型传声器放置于仿真人的耳部进行录音;并用耳机重放的一种方式.如图示:,优点:临场感效果好、立 体声象分割清楚。 缺点:不方便,5.多传声器制,1)主传声器式.(录大型节目) 以一个立体声传声器拾取主信号(整体声),再加多支特写传声器. 优点:节目整体效果好,较融洽平衡. 缺点: 各声部细致性稍欠. 2)单传声器式(多声道式) 各声部都用单传声器中距或近距拾声(分别录音)再用调音台调节各声部的的方位,再加入适当的混响. 优点:各声部声音明晰,可方便调节声像位置层次. 缺点:整体性不足.,五、立体声系统,1.双声道立体声原理 2.3D立体声原理 3.环绕立体声原理 4.杜比环绕声原理(CP55) 5.数字虚拟环绕立体声技术 6.立体声系统特殊要求,1.双声道立体声原理,最佳听音区,单、双声道原理,2.3D立体声原理,3D立体声原理如图示：它能有效克服中空 效应,减少低频噪音,提高功放级的利用率.,3.环绕立体声原理,什么是环绕立体声 四方声系统(4-4-4分离四通道系统) NHK的录音系统 编码式四通道系统(4-2-4),四方声系统(4-4-4分离四通道系统),4-4-4环绕声原理,什么是环绕立体声,NHK的录音系统,编码式四通道系统(4-2-4),解,4.杜比环绕声原理(CP55),LT=L+0.7C+j0.7S,RT=R+0.7C-j0.7S,环绕声 S通常还要延时20-50ms,并且通过一个低通滤器(7KHz),影院不同位置可有多个环绕声道,家庭环绕声有两个或一个即可,如果厅小C不要也行.,5.数字虚拟环绕立体声技术,用两声道立体声获得三维环绕立体声效果的方法较多.比较有名的如： 美国休斯公司:SRS 3D技术. 加拿大Qsound实验室:Qsound专 利技术. 美国音频实验室:Spatializer空间均衡技术. ,6、立体声系统特殊要求,相移问题 串声问题(分离度问题) 演播室的要求,第三节 听觉特性对电声技术的要求,一、对电声设备的要求 二、电声设备的主要技术指标,一、对电声设备的要求,1.频率域的要求 2.时间域的要求 3.非线性失真的要求,1.频率域的要求,具有良好的幅频特性 具有良好的相频特性,具有良好的幅频特性,电路的幅频特性不好时，会引起信号的非线性失真。 不同声源的频率范围 不同频率损失对听觉的影响 频响要求,语言：150Hz6kHz 3dB 音乐： 80Hz12kHz 2dB（一般） 20Hz20kHz 1dB（高级）,频 响,不同声源的频率范围,不同频率损失对听觉的影响,具有良好的相频特性,声像的位移 电路的相频特性不好会引起信号的线性失真,2.时间域的要求,瞬态要好 稳态也要好 输入方波观察,3.非线性失真的要求,a、听觉的非线性 b、设备系统的非线性 c、动态范围（阈）,a.设备系统的非线性,由相频特性引起的线性畸变 由幅频特性引起的非线性畸变 由电路动态引起的非线性失真,由相频特性引起的线性畸变,线性畸变可由设备的相频特性失真所引起。原理如图示：,由幅频特性引起的非线性畸变,非线性畸变可由设备的幅频特性失真所引起。如图示：,波形失真情况,由电路动态引起的非线性失真,非线性失真一般由电路动态过小引起的。如图示： 通常用谐波失真系数和互调失真系数来描述：,谐波失真系数,互调失真系数,b.听觉的非线性,引起的原因有二： 人耳听觉的动态的非线性 人耳对不同频率声波