（声学专业论文）时变信号双耳响度感知特性的研究.pdf

摘要 摘要 时变信号响度感知特性的研究日益受到人们的重视，而声压级连续变化的 单音信号的瞬时响度感知特性和复音信号的总体响度感知特性是获得时变信号 响度感知特征的基础。各国科研工作者从不同角度进行了研究，但这些研究一 方面缺乏系统性，另一方面所得到的结果也存在较大的差异。本文对时变单音 和复音信号的响度感知特征进行了系统的研究，以获得其变化特征和规律，为 时变信号响度特征的完整描述建立基础。 论文的工作得到以下结论和创新点： 对于声级连续变化的单音信号的响度感知特性，采用幅值估计法，对实验 数据进行了归一化处理。通过对声压级连续变化的三种频率( 5 0 0 h z 、l k h z 和 2 k h z ) 的单音信号的研究后发现，当声压级连续增大时，对信号的响度感知会 存在过重振现象；而当声压级连续减小时，对信号的响度感知会存在反重振现 象。两种现象出现的起始声级都与幅值估计时间间隔和声级变化斜率有关，其 中，反重振现象的起始声级随着幅值估计时间间隔的增加和声级斜率的增大而 降低，过重振现象则刚好相反。 通过对响度感知随幅值估计时间间隔变化规律的深入分析发现，无论是声 级连续降低还是连续增加的单音信号，当信号的连续两次幅值估计之间声级差 相同时，其响度的主观评价结果相同。由此得到了幅值估计声级差是时变响度 感知的关键影响参量的结论，并进一步提出了l k h z 时变单音信号响度感知变化 的数学模型。 论文分析比较了声级连续变化的单音信号与跳变信号及猝发声响度感知的 差异。结果表明，声级连续变化的单音信号的响度感知与具有相同声级差的跳 变信号的主观评价结果存在较大差异，跳变信号的主观评价结果与猝发声的评 价结果相同。 研究了声级变化信号响度感知的不对称性。结果表明，对于具有相同幅值 估计时间间隔、相同斜率的声级连续递增和声级连续递减的l k h z 和2 k h z 信号， 声级递减信号的响度变化要大于相应频率的声级递增信号的响度变化，而对于 频率为5 0 0 h z 的信号，声级递减信号的响度变化与声级递增信号的响度变化之 摘要 间的关系难以确定。研究结果表明了，时变信号响度感知存在明显的不对称性， 并且与频率的关系复杂，需要迸一步深入的研究。 采用响度匹配法对复音信号的响度感知特性进行了研究，结果显示，对于 几何中心频率为l k h z 的双音复音信号、载频为l k h z 的调频信号以及载频为 l k h z 的调幅信号，信号的响度感知随频率问隔或调制频率的变化特征都以临界 带宽为界。当双音的频率间隔或信号带宽小于临界带宽时，信号的响度感知都 与频率间隔或调制频率无关，而当频率间隔或信号带宽大于临界带宽时，信号 的响度感知都随频率问隔或调制频率的增大而增大。由此，修正了前人对双音 复音信号的研究结论，提出了双音复音信号响度感知变化曲线为折线的观点一 在临界带宽以下为与频率问隔无关的水平线，其后为随频率间隔线性增长线。 论文通过对渐变段的数据分析，提出了响度感知渐变段的数学函数描述。 对于调幅信号的研究结果还表明，信号的响度感知与调制深度有关，当调 制深度增大时，对信号所感知的响度也增大。 论文最后根据研究感想，从信号声级范围、频率、带宽等方面提出了需要 进一步深入研究的内容，这些也是本文的不足所在。 关键词：响度，时变，连续变化，过重振，反重振，复音 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r eh a sb e e ni n c r e a s i n ga t t e n t i o nt or e s e a r c ho nl o u d n e s sp e r c e p t i o no f t i m e v a r y i n gs i g n a l sr e c e n t l y l o u d n e s sc o n c e p t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft i m e - v a r y i n g s i g n a l s a r eb a s e do ni n s t a n t a n e o u sl o u d n e s sc o n c e p t i o n o f c o n t i n u o u s l y l e v e l c h a n g i n gp u r et o n e sa n do v e r a l ll o u d n e s sp e r c e p t i o n o fc o m p l e xs i g n a l s h o w e v e r , t h e r ea r em a n yd i f f e r e n c e sa m o n gt h o s ep u b l i s h e dp a p e r s ，e s p e c i a l l yi nt h e f i e l do fr e s e a r c ho nl o u d n e s sp e r c e p t i o no fc o n t i n u o u s l yl e v e l - c h a n g i n gt o n e sa n d c o m p l e xs o u n d s t h u s ，t h i sp a p e rg i v e sd e e pd i s c u s s i o n so nt h et w oa s p e c t s o f r e s e a r c ho nt i m e - v a r y i n gs i g n a l sm e n t i o n e da b o v e a sf o rc o n t i n u o u s l yl e v e l c h a n g i n gs i g n a l s ( t h r e ef r e q u e n c i e s ：5 0 0 h z ，lk h za n d 2 k h z ) ，m a g n i t u d ee s t i m a t i o nm e t h o dh a sb e e na d o p t e d t h e d a t ao b t a i n e df r o m e x p e r i m e n th a sb e e nn o r m a l i z e d r e s u l t ss h o wt h a t ，w h e ns o u n dp r e s s u r e l e v e li s c o n t i n u o u s l yi n c r e a s i n g o rd e c r e a s i n g ，t h ep h e n o m e n o no f “u p c r u i t m e n t o r d e c r u i t m e n t w i l la p p e a rr e s p e c t i v e l y t h eb e g i n n i n gs o u n dp r e s s u r el e v e lo ft h e t w op h e n o m e n ah a sc l o s er e l a t i o n s h i p sw i t ht i m ei n t e r v a lb e t w e e nt w oe s t i m a t e s l a r g e n i n ga n ds l o p eo fs i g n a l si n c r e a s i n g 。 i t i sf o u n dt h a t ，w h e nt h es o u n dl e v e ld i f f e r e n c e sb e t w e e nt w os u c c e s s i v e l o u d n e s se s t i m a t e sa r ee q u a l ，l o u d n e s sp e r c e p t i o no f d i f f e r e n t c o n t i n u o u s l y l e v e l d e c r e a s i n gt o n e sw i l lb et h es a m e t h i sp r o v e st h a ts o u n dl e v e ld i f f e r e n c e s b e t w e e nt w os u c c e s s i v el o u d n e s se s t i m a t e si st h ek e yf a c t o ri nl o u d n e s sp e r c e p t i o no f c o n t i n u o u sl e v e l c h a n g i n gp u r et o n e s am a t h e m a t i c a lm o d e lo fl o u d n e s sp e r c e p t i o n o fl k h zh a sb e e nb u i l t t h e r ea r e c o m p a r i s o n sa m o n g l o u d n e s s p e r c e p t i o n o fc o n t i n u o u s l y l e v e l c h a n g i n gp u r et o n e s ，l o u d n e s sp e r c e p t i o n o fs t e e ps i g n a l sa n dl o u d n e s s p e r c e p t i o no fb u r s ts i g n a l s i t i sf o u n dt h a t ，l o u d n e s sp e r c e p t i o no fd i f f e r e n t c o n t i n u o u s l yl e v e l c h a n g i n gp u r et o n e si sd i f f e r e n tf r o mt h a to fs t e e pl e v e l 。c h a n g i n g s i g n a l s ；l o u d n e s sp e r c e p t i o no fs t e e ps i g n a l si st h es a m ea sl o u d n e s sp e r c e p t i o no f b u r s ts i g n a l s i i i a b s t r a c t t h ea s y m m e t r yo fl o u d n e s sp e r c e p t i o nb e t w e e nc o n t i n u o u s l yl e v e l i n c r e a s i n g t o n e sa n dc o n t i n u o u s l yl e v e l d e c r e a s i n gt o n e sh a sa l s ob e e nd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei s e v i d e n t l ya s y m m e t r y i nl o u d n e s sp e r c e p t i o no f t i m e v a r ys i g n a l s f o rt h o s es i g n a l sw h o s ef r e q u e n c ya r el k h zo r2 k h z ，l o u d n e s s c h a n g eo fl e v e l i n c r e a s i n gt o n e sw i l lb eg r e a t e rt h a nt h a to fl e v e l d e c r e a s i n gt o n e s w h e nt i m ei n t e r v a l sb e t w e e nt o we s t i m a t e sa n ds l o p e so fs i g n a l sa r eb o t he q u a l t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nl o u d n e s s c h a n g e o fl e v e l i n c r e a s i n gt o n e sa n dt h a to f l e v e l d e c r e a s i n gt o n e si su n c l e a rw h e nt h ef r e q u e n c y o fs i g n a l si s5 0 0 h z l o u d n e s sm a t c h i n gh a sb e e na d o p t e da st h em e t h o dt oe v a l u a t et h el o u d n e s so f c o m p l e xs o u n d s r e s u l t ss h o wt h a t ，a s f o rt h et h r e ek i n d so fc o m p l e xs o u n d s ( t o w t o n es i g n a l s ，f r e q u e n c y - m o d u l a t e ds i g n a l sa n da m p l i t u d e - m o d u l a t e ds i g n a l s ) m e n t i o n e di nt h i sp a p e r , l o u d n e s sp e r c e p t i o np r o p e r t i e so fs i g n a l sv e r s u st i m ei n t e r v a l b e t w e e nt w os u c c e s s i v ee s t i m a t e so rm o d u l a t i n gf r e q u e n c i e sa r ed i f f e r e n tw i t ht h e b a n d w i d t ho fs i g n a l sc h a n g i n g l o u d n e s sp e r c e p t i o ni si r r e l e v a n tw i t ht i m ei n t e r v a l b e t w e e nt w os u c c e s s i v es i g n a l sa n dm o d u l a t i n gf r e q u e n c i e sw h e nt h eb a n d w i d t ho f s i g n a l si ss m a l l e rt h a nc r i t i c a lb a n d w i d t h w h e nt h eb a n d w i d t ho fs i g n a l si sl a r g e r t h a nc r i t i c a lb a n d w i d t h t h ep e r c e p t i v el o u d n e s sw i l li n c r e a s ew i t ht h et i m ei n t e r v a l b e t w e e nt w os u c c e s s i v es i g n a l so rm o d u l a t i n gf r e q u e n c i e si n c r e a s i n g b a s e do nt h e r e s u l t sm e n t i o n e da b o v e ，l o u d n e s sp e r c e p t i o no ft w o t o n ec o m p l e xs i g n a l sc a nb e c o n s i d e r e da sab r o k e ni i n e ：w h e nf r e q u e n c yi n t e r v a li sw i t h i nc r i t i c a ib a n d w i d t h ， l o u d n e s sp e r c e p t i o no ft w o - t o n ec o m p l e xs i g n a l si si r r e l e v a n tw i t hf r e q u e n c yi n t e r v a l ， t h e n ，i tw i l ll i n e a r l yi n c r e a s ea sf r e q u e n c yi n t e r v a li n c r e a s e s am a t h e m a t i c a lf u n c t i o n h a sb e e ng i v e nt od e s c r i b el o u d n e s sp e r c e p t i o no ft w o - t o n ec o m p l e xs i g n a l s i ti sa l s of o u n dt h a tl o u d n e s sp e r c e p t i o no fa m p l i t u d em o d u l a t es i g n a l sh a sac l o s e r e l a t i o n s h i pw i t hm o d u l a t e dd e p t h p e r c e p t i v el o u d n e s s o fa m p l i t u d em o d u l a t e s i g n a l sw i l lb ei n c r e a s i n ga st h em o d u l a t i o nd e p t hi n c r e a s e s t h e r ea r ea l s os o m ea s p e c t sn e e dt ob ed e e p e ri n v e s t i g a t e d ，s u c ha sl e v e ls c a l eo f s i g n a l s ，f r e q u e n c y , b a n d w i d t he r e k e yw o r d s ：l o u d n e s s ，t i m e - v a r y i n g ，c o n t i n u o u s l yc h a n g i n g ，d e c r u i t m e n t , u p c r u i t m e n t ，c o m p l e xt o n e i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：诊呖 岬年；月垃日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签 名： 年月 e t年 月 e 1 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其它个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：治层 签名：品掺 年；月i 二日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究的背景和意义 一直以来，响度都是心理声学基础研究的一个重要方面，作为心理声学的 一个基本参量，它是分析计算很多其它心理声学参量的基础。近些年来，随着 居民生活水平的提高，人们对生活质量的要求越来越高，由此引出了人们对噪 声的主观感受的关注。各国的研究人员也发现，传统意义上的a 计权声级评价 标准已经不能满足现下对声信号特征的评价目的，人们越来越关注居住环境及 产品的声品质，而作为分析声品质的一个重要参量，响度自然也受到各国声学 工作者的关注。响度特征的研究不仅在噪声评价、心理学及声品质方面有重要 的应用，其还广泛应用于语音信号处理方面，例如很多助听器的信号处理部分 就应用了响度的相关理论。 对于响度的研究，国外起步较早。从1 9 2 7 - 年- k i n g s b u r y t l 】最早对等响曲线进 行研究至今，已有大量关于响度方面的文献发表出版，特别是近些年来，随着 声品质成为众多行业( 交通、汽车、电器等) 的关注焦点【2 ，3 】，心理声学已成为 国外热门的研究领域，很多高校都有专门研究心理声学的系科或实验室，这也 推动了响度研究的进一步发展。多年以来，国外对于响度的研究一直在不断地 深入，从最早的对单音等响曲线的研究到近些年来日益受关注的时变信号响度 特征和双耳异响的研究，国外研究者积累了丰富的经验，获得了大量的数据， 并取得了很多研究成果。从各国研究人员的研究结果可以看出，不同的语言环 境和人群背景下所获得关于响度的研究结果存在着一定的差异，如果将国外的 研究结果直接应用于我国人群，显然是不合适的，因此，有必要研究基于汉语 评价词汇体系下的中国人群的响度感知特性。 相比于国外在心理声学方面的大量研究，我国在心理声学相关领域的研究 还比较薄弱，也很少有这方面的文献报道。但是随着我国经济的发展和居民生 活水平的提高，各相关行业对心理声学研究的需求也在不断扩大，这就迫切需 要相关的机构与科研院所加大对心理声学的研究，并尽快地将研究成果应用于 相关行业以满足市场的需求，而作为心理声学基础参量的响度自然也成为研究 第l 章引言 的一个重要方面。 本论文的工作是在借鉴国外对时变信号响度特征感知研究成果的基础上， 研究我国人群对时变信号的双耳响度感知特性，实验中获得的数据将与中国人 群的标准等响曲线得到的数据以及其它方面的研究结果( 如我国人群的双耳传 递函数，双耳异响，听觉生理特征等) 一起，构成我国听觉感知心理的基础数 据库，为以后的研究者进行心理声学研究提供方便，同时也为时变信号响度感 知的i s o 标准的制定提供一定的基础。 1 2 论文结构 论文第二章首先介绍了响度的基本概念，然后介绍响度研究的几个方向， 并对相应方向的国内外研究进展进行了简单回顾。 论文第三章对声压级连续变化的单音信号的响度感知特性进行了研究，分 析了幅值估计法所采用的不同时间间隔对响度感知的影响，研究了声压级连续 变化的单音信号的响度感知与信号频率( 5 0 0 h z 、l k h z 和2 k h z ) 、声压级变化 斜率( 0 5 d b s 、i d b s 和2 d b s ) 的关系，同时比较了声级连续递增信号和声级 连续递减信号的响度感知特性的差异，得到了我国人群对声压级连续变化的单 音信号的双耳响度感知特性。 论文第四章研究了复音信号的响度感知特性，此处选用了三类复音信号： 两个幅值相同的单音信号简单叠加；单音信号进行幅度调制；单音信号进行频 率调制，通过对实验数据的处理分析，获得了中国人群对用这三种方法所获得 的复音信号的双耳响度感知特性。 论文第五章对本论文所做的一些工作进行了总结，并指出了本论文需要进 步探索的方向。 2 第2 章响度及其研究进展 2 1响度概念 第2 章响度及其研究进展 响度是反映人耳对声音强弱感知的物理量，由于人耳的响应涉及到主观感 觉，所以响度是个主观量。响度的大小主要依赖于声音的强度，人耳接收声振 动后，主观上产生的“响度感觉”近似与声音强度的对数成正比。响度还与声 音的频率有关，对于声压级相同而频谱不同的两个声音信号，入耳所感知的响 度也很可能不同。为了定量描述某一声音轻与响的程度，h e i n r i c hg e o r g b a r k h a u s e n ：j i 入了响度级【4 l 的概念，定义人的主观响度感觉上与该声音相同的 l k h z 纯音的声压级为该声音的响度级，单位为方( p h o n ) 。 2 2 响度研究进展 2 2 1等晌曲线 对于等响曲线的研究，最早可追溯到1 9 2 7 年k i n g s b u r y 1 j 的工作，由于他是 对单耳听觉条件下的等响曲线进行的测量，因此受到了一定限制。虽然等响曲 线的测量可以在自由声场、扩散声场或耳机听音情况下进行，但大多数发表的 等响曲线都是在双耳听音或相对自由场条件下得到的。 首次双耳听音和相对自由场条件下的完整的等响曲线是由f l e t c h e r 和 m u n s o n 5 】于1 9 3 3 年获得的，此后，c h u r c h e f f t 毛i k i n g t 6 1 、z w i c k e r ；b j f e l d t k l l e r 7 】及 r o b i n s o n 和d a d s o n 8 j 都对等响曲线进行了研究。特别是r o b i n s o n 和d a d s o n 的研究 成果更是被国际标准化组织( 1 s o ) 所采纳，并于1 9 6 1 年被制定成国际标准 ( i s o r 2 6 6 9 】) ，此后，国际标准化组织( i s o ) 于1 9 7 5 年针对响度的计算方法 制定了相应的标准( i s 0 5 3 2 m ) 。 自从i s o r 2 2 6 于1 9 6 1 年制定后，其得到了广泛的认可，直到1 9 8 7 年，f a s t l 和z w i c k e r 1 l 】发现，他们所获得的等响曲线与r o b i n s o n 和d a d s o n 在1 9 5 6 年获得的 等响曲线在4 0 0 h z 附近处存在显着差异。f a s t l 和z w i c k e r ) 箩i ：发现的差异被后来的 3 第2 章响度及其研究进展 很多科研人员所证型1 2 五，特别是这些研究者所获得的新数据都显示，他们所 获得的等响曲线声级在8 0 0 h z 以下都要高于r o b i n s o n 和d a d s o n 的等响曲线。考虑 到新数据与r o b i n s o n 和d a d s o n 获得的数据的差异性，有些研究人员尝试着制定新 的等响曲线。2 0 0 3 年，s u z u k i 和t a k e s h i m a 2 2 】根据上述研究人员所获得的新数据 对标准等响曲线进行了重新修订，通过比较新修订的i s 0 2 2 6 - - 2 0 0 3 【2 3 】中公布的 等响曲线与之前标准所采用的等响曲线( i s o r 2 2 6 p j ，i s 0 2 2 6 1 9 8 7 2 4 】) n - - i 以发现， 二者之间存在很大的差异，而对引起差异的原因，目前尚无解释。 在国内，王勇和毛东兴【2 5 】对我国人群等响曲线进行了初步研究，并发现所 获得的数据与1 9 6 1 年制定的i s o 标准存在较大差异，即便是与最新修订的i s o 标 准相比，仍然存在明显的差异，只不过二者之间的差异有所缩小。不过，实验 所获得的我国人群的等响曲线与日本人群的比较接近，只是在一些频率上存在 差异。之后，许晶晶和吕小柳【2 6 ，2 7 】在耳机测试条件下对中国人群双耳听觉感知 的3 0 l o o p h o n 等响瞳线以及单耳听觉下的5 0 7 0 p h o n 等响曲线进行了测量，进 一步证实了我国人群等响曲线与i s 0 2 2 6 标准曲线之间存在差异，并发现中国人 群在多数频段内较西方人更为敏感。许晶晶等人【2 8 ，2 9 】还对自由场条件下中国人 群的双耳等响曲线进行了研究，并发现实验结果与标准等响曲线( i s o r 2 2 6 【9 】， i s 0 2 2 6 1 9 8 7 2 4 1 ，i s 0 2 2 6 2 0 0 3 2 3 】) 存在很大的差异，特别是在4 0 0 h z 和8 0 0 h z 处，实验所获得的中国人群的等响曲线都出现了峰值，而在高频段内，实验所 获得的中国人群等响曲线明显低于国外研究者所给出的等响曲线，并且随着频 率的增加，二者之间的差值越大。这些研究结果都说明，人耳的晌度感知特征， 尤其是中国人群的响度感知特征，尚需要进一步的深入研究。 2 2 2 双耳异晌 迄今为止，多数关于响度感知方面的研究都是建立在双耳所感知的响度是 相等的假设基础上的，即双耳等响条件。而要想在声源正面入射的自由场条件 下满足这样的条件，必须保证人的头部和声场完全对称才行。然而在现实生活 中，人们经常会处在双耳响度不同的听觉条件下，即双耳异响条件，如当入射 声源与头中心之间存在夹角时，双耳间就存在着声压级差。 k e e n 3 0 1 、l e v e l te ta 1 【3 1 l , g 己g i g e r e n z e re ta 1 【3 2 1 针对耳间声级差对响度感知的影 响进行了研究，他们的研究结果显示，当耳间声级差在某一范围内时，双耳所 4 第2 章响度及其研究进展 感知的响度值的和等于一个恒定值。对于耳间频率差与纯音信号的响度叠加的 关系，p o r s o l t 和i r w i n 3 3 1 、s h c a r f i 3 4 1 、a l g o me ta 1 f 3 5 】及m a r k se ta 1 m 都进行了研究， 研究结果显示，当两个不同频率的纯音信号分别施加于两个耳朵上时，双耳所 感知的总体响度与频率间隔没有关系。对于双耳所感知的纯音信号存在耳问相 位差的情况，很多研究结果显示，当纯音声级超过听阈一定值后，双耳所感知 的响度与耳间相位差没有关系。z w i c k e re ta 1 【37 】还对激励信号为噪声情况下的双 耳异响进行了研究，他们并没有发现双耳总体响度感知与耳间声级差的关系。 a l g o m t 3 8 】的研究显示，在双耳异响的情况下，线性叠加规律仅对较低的响度 级成立，而在较高的响度级下则会出现超叠加现象。同时，双耳响度差的存在 会造成普遍的声源侧向定位现象。m a r k s 3 9 】使用最大似然估计法对双耳噪声掩蔽 效应进行了研究，实验结果显示，当在双耳所听到的音调上加上同等响度的噪 声时，实际感知的响度要比安静时高出2 0 4 0 ；当仅有一耳混有噪声时，实 际感知的响度要比安静时高出6 0 。c h o u a r d l 4 0 】运用汽车车厢实际产生的噪声对 双耳异响的听觉感知进行了研究，通过成对比较法进行主观评价测试后得出的 结论为：在双耳异响条件下人耳听觉的总体响度感知等于左右耳响度的算术平 均值。但是，i h 4 1 1 却得出了完全不同的结论：双耳异响条件下的总体响度感知与 左右耳之间的响度差异有关，听觉的总体响度感知与双耳响度的算术平均值的 差值随着双耳间响度差异的增大而增大。s i v o n e n t 4 2 4 3 1 在消声室中使用放置在不 同水平面和不同角度上的扬声器对人耳对方向性入射的声音感知进行了实验， 实验结果显示，在声源非正向入射的情况下，人耳对声音响度的感知受声源声 压级的影响很小，两个声压级下的感知特征曲线呈现明显的相似性，但是声源 入射角度则对响度的感知影响较大，人耳对声音响度的感知在9 0 0 的方向上出现 最大值，而在1 3 5 0 方向上出现了最小值。 在国内，张洁和毛东兴4 5 】对双耳间存在固定响度级差的异响条件进行了 研究。结果发现，在双耳异响条件下，对于固定的双耳间响度级差，总体响度 感知在l k h z 以下的频率范围内受频率影响非常小，而在l k h z 以上，总体响度感 知曲线随频率的升高出现了无规律性的波动，受频率的影响较大。且对不同频 率而言，总体响度感受都随i l d 的变化呈指数变化趋势。 上文所述的这些现象都反映了双耳异响的听觉感知存在其独有的特征，还 有待更深入的研究。 5 第2 章响度及其研究进展 2 2 2时变晌度 时变信号是指信号幅度随时间变化或信号频谱随时问变化的信号，例如语音 信号就是一个时变信号。迄今为止，多数关于响度的计算模型都是基于稳态信 号建立起来的，很少能够适用于时变信号。s t e v e n 4 6 】用幅值估计法( m a g n i t u d e e s t i m a t i o n ) 发现，对于纯音信号，其响度是声强的幂函数( l = k 0 3 ) ，但是 c a n 6 v e t 47 】及c a n 6 v e te ta 1 【4 8 j 对声压级连续变化的l k h z 纯音信号研究后发现，对 于声压级连续升高的l k h z 纯音信号，入耳所感知的响度变化要比同样声级处单 独放音( 两次放音之间间隔一段时间) 的响度变化略大，c a n 6 v e t 称这种现象为 过重振( u p c r u i t m e n t ) ；而对于声压级连续降低的l k h z 纯音信号，人耳所感知的 响度变化要比在同样声级处单独放音( 两次放音之间间隔一段时间) 的响度变 化大得多，c a n 6 v e t 称这种现象为反重振( d e c r u i t m e n t ) 。这些结论与其它研究人 员关于简单适应( s i m p l ea d a p t a t i o n ) 的研究 4 9 - 5 2 1 相一致，而s c h l a u c h 5 3 1 和 t e g h t s o o n i a ne ta 1 【5 4 ，5 5 】的研究也证实t c a n g v e t 的发现。 不同于c a n 6 v e t 的发现，n e u h o f f 5 6 l 研究发现，对于合成的元音和l k h z 信号， 声压级渐增的信号的响度变化要大于声压级渐降的信号的响度变化，但是对于 宽带噪声信号，二者之间则没有显著差异。n e u h o 仟认为对强度渐增的和声的快 速响应有利于生物为与声源进行联系或为自身的安全做好准备。 c a n 6 v e t 与n e u h o f r 研究结果的矛盾之处很可能部分是由于所采用的方法不 同导致的。n e u h o f f 5 7 1 也指出得出不同听觉现象的两项研究所采用的进程是不一 样的。为了研究之前一些研究所采用的方法对实验结果的影响，c a n 6 v e t 等人设 计了一个实验，此实验条件能够与其之前研究的实验条件进行比较，实验结果 显示，对于声压级渐增和渐降的扫描信号，在多数情况下，二者之间的响度变 化( 定义为扫描信号起始处与结束处估计的响度值的比值) 没有显着差异，而 对于存在差异的情况，声压级渐降的扫描信号的响度变化要大于声压级渐增的 扫描信号的响度变化。t e g h t s o o n i a ne ta 1 【5 5 】设计了一个类似于n e u h o 妇时折采用的实 验方案，不过他们所采用的是幅值估计法。实验数据显示，对于中等的或较高 的声级范围，如6 0 - - 7 5 d b 或7 5 - - 9 0 d b ，声级渐增信号的响度变化要大于声级渐 降信号的响度变化，这与n e u h o f f l 均实验结果相一致。t e g h t s o o n i a n 等人认为，直 接判断扫描信号的变化范围( 扫描信号起始处与结束处估计的响度的变化) 会 受到扫描信号结束处的信号强度的严重影响，n e u h o f f 考黾出的对信号强度渐增的 6 第2 章响度及其研究进展 偏好只会出现在对扫描信号尾部信号较敏感的方法中，其它研究人员的研究结 果【5 8 】也证实了这种看法。s u s i n ie ta 1 【5 8 】的研究还发现，幅值连续变化的纯音信号 的总体响度感知与声压级变化的速率、持续时间以及信号结束时的声压级有关， 对于末端声压级较高的信号，其总体响度感知也较高，对于声压级连续增加的 信号，其总体响度要高于声压级连续减小的信号的响度。 在复音信号方面，z w i c k e r 和f a s t l 4 】指出，两纯音信号简单叠加时，如果二 者的频率差不超过临界带宽，响度感知为二者的能量叠加；如果二者的频率差 超过临界带宽，则响度感知表现为响度叠加。 b a u c h 5 9 】对单音调幅信号进行过研究，不过由于其最终数据仅采用了一个人 的数据，且所用的数据是经过挑选的，这就导致其结论的可靠性值得怀疑。 z w i c k e r 6 0 】也曾在前人工作的基础上，针对各种声音信号，提出了计算其响度的 方法。但考虑到当时很多研究还不够深入，z w i c k e r 所提出的方法还存在一定的 局限性。 m o o r ee ta 1 【6 ，z h a n g 和z e n g 6 2 】对纯音调制信号进行了研究，都发现对于中 等程度的调制，当纯音信号与调制信号响度相等时，纯音信号的声压级有效值 略高于调制信号，而当调制率较低时，他们的研究结果则不相同。m o o r ee ta 1 发现当调制频率低于4 h z ，两信号的响度相等时，调制信号的声压级有效值略高 于纯音信号，其峰值远高于纯音信号；z h a n g 和z e n g 的研究结果则表明，对于较 低的调制频率( 低于l o i - i z ) ，纯音信号的声压级有效值仍略高于调制信号。而 m o o r ee ta 1 研究则发现，当载波为4 k h z 的纯音信号，两信号的响度相等时，调 制信号的声压级有效值略高于纯音信号且与调制率无关；而当载波为语音形状 的噪声或白噪声，两信号的响度相等时，调制信号的声压级与纯音信号的声压 级有效值相等且与调制率无关( 调制过深的话，调制信号的声压级有效值略小) 。 需要说明的是m o o r ee ta 1 采用的载波为4 k h z ，而z h a n g 和z e n g 采用的则是l k h z 。 g r i m me ta 1 【6 3 】对时域波动较大的噪声信号进行过研究，实验结果显示，对 于未经调制的宽带噪声信号和经过正弦信号调制的拥有相同频谱的噪声信号， 当二者听起来一样响时，如果调制频率在4 h z - - 3 2 h z 之间，则调制的噪声信号 的有效声压级始终要比未经调制的宽带噪声信号低( 约l d b ) ；而对窄带信号， 则得到相反的结论，即调制的噪声信号的有效声压级要比未经调制的窄带噪声 信号高，同时还发现，当窄带噪声信号和经过调制的窄带信号等响时，调制信 号的有效声压级随噪声信号峰值因子的增大而减小。而目前还没有关于响度计 7 第2 章响度及其研究进展 算的模型能够对这些实验结果进行解释。 通过上文的介绍可以看出，关于时变信号响度感知方面的研究，各国科研 工作者所获得的结论还存在较大的分歧，凶此有必要对时变信号响度感知特征 进行更深入的研究。考虑到声压级连续变化的单音信号的瞬时响度感知特性和 复音信号的总体响度感知特性是获得时变信号响度感知特征的基础，本文的工 作主要集中在这两个方面，至于窄带和宽带噪声信号双耳响度感知特性的研究， 则不在本文考虑的范围之内。 8 第3 章声级连续变化的单音信号双耳响度感知特性 第3 章声级连续变化的单音信号双耳响度感知特性 3 1 实验 3 1 1实验方法 关于声压级连续变化的单音信号双耳响度感知特性的研究所采用的方法主 要有幅值估计法( m a g n i t u d ee s t i m a t i o n ) 和响度匹配法( l o u d n e s sm a t c h i n g ) 两 种方法，其中幅值估计法又分直接幅值估计法和间接幅值估计法两种。直接幅 值估计法是指对某一时刻的信号直接估计其响度值，而间接幅值估计法则是在 某一数值范围内( 如o 1 0 0 ) 给出某一时刻信号响度的相对值。响度匹配法是 指试听人员调节测试音的强度直到测试音与比较音的响度相等，这种方法在等 响曲线的研究中得到广泛使用。 幅值估计法主要用于瞬时响度感知特性的研究，而响度匹配法主要应用于 总体响度感知特性的研究。本实验主要关注于声级连续变化的单音信号双耳瞬 时响度的感知特性，故采用了幅值估计法。考虑到间接幅值估计法要求受试者 给出信号响度的相对值，这就需要受试者判断某一特定时刻的信号响度相对满 刻度值的位置。受试者脑中所进行的这种换算必将占据一定的时间，这将对瞬 时响度的判断产生较大的影响，例如，当要求受试者对信号5 s 处的瞬时响度估 计时，由于受试者要进行响度相对数值的换算，其可能会在7 s 或8 s 时给出5 s 瞬时响度的相对值，但其所给出的瞬时响度的相对值极可能是5 s 之后某一时刻 信号的瞬时响度相对值，实验数据的准确性将受到极大影响。而直接幅值估计 法只要求受试者给出信号的瞬时值，受试者的反应时间将大为缩减，从而保证 了实验数据的可靠性。综上所述，本实验最终采用的是直接幅值估计法。 3 1 2 激励信号 本实验所采用的激励信号的频率有三种：5 0 0 h z 、l k h z 和2 k h z ，激励信号 的声级变化范围为：3 0 d b - 8 0 d b ，三种频率的激励信号的声级变化方式均是相 同的。对于声级连续增大的激励信号，其起始声级为3 0 d b 并持续5 s ，之后以