03 听觉特性_4872.doc

听觉特性北京联合大学张福贵一、听觉机构的接收者。计中，人耳是声波最终在噪声控制和厅堂音质设人耳结构图人耳的结构：外耳、中耳、内耳、骨传导、脑听觉神经系统声源外耳 外耳包括耳廓和外耳道。 耳廓： 耳朵的外部轮廓。 外耳道：稍微弯曲的道，起自外耳，止于鼓膜，全长约24毫米。外耳道听音的三个作用1.将声波聚焦传导至中耳。2.耳廓对声源进行定位。3.耳道对声波信号共鸣放大外耳 耳壳:使听道和声音之间 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 佳 听道:共振频率约为 3000Hz。 耳鼓:在声波激发下传播振动中耳 中耳包括鼓膜、鼓室及听小骨、咽鼓管（耳咽管）等。 鼓膜：位于外耳道 底部呈扁锥形，直径约9毫米，鼓膜的血管及神经丰富，痛觉灵敏。中耳的构造 鼓室：位于鼓膜与内耳外壁之间，是一含 气的空腔，内有听小骨。 听小骨：包括锤骨、镫骨、砧骨。 三者相连成听骨链。 咽骨管：从鼓室前壁向前、内、下方通向鼻侧壁。该管的咽口一般呈闭合状态，吞咽时关口顿开使空气进入鼓室，以保持鼓膜内外气压平衡。中耳的作用 中耳的作用就是通过听骨的运动把外耳的空气振 动和内耳中的液体运动有效地耦合起来。 听骨一方面起了传递、放大声能的作用，另一方 面又能限制传至卵形窗过大的运动，起一定的保 护作用。内耳内耳由前庭、半规管、耳蜗和连接耳蜗与大脑的 神经束四部分组成。耳蜗：因形似蜗牛壳而得名，为旋转两圈半的螺旋状骨管。 在电子显微镜检查中发现耳蜗的基底膜上每一毛细胞下面有两种神经末梢。分别与两种神经束衔接，一种称“传入神经束”，即把耳蜗中产生的声音信号传入脑干耳蜗核；另一种称“传出神经束”，其主要作用可能是对耳蜗功能起抑制性的影响。听能分析音高、音强、音色内耳的作用1.对声音信号进初级分析。2.将声音信号转换成生物电信号传导至大脑。 对耳蜗分析功能的研究直到19世纪才开始，最早的研究是探讨耳蜗对音高的识别，主持此项工作的是德国生物学家兼物理学家亥姆霍兹。4骨传导 声音除了从外耳和中耳这一途径传到内耳外， 还可以通过颅骨的振动使内耳液体运动，这 一传导途径叫骨传导。 听自己讲话时声音的传播渠道有两个，即： 音源人体颅骨大脑 音源空间人耳大脑 听自己讲话录音的传播渠道只有一个，即： 音源空间人耳大脑 听自己讲话的声音有两个传播渠道，所以频带 很宽，自己感觉音色比较好; 听自己的录音时，只有一个传播渠道，频带不 是很宽，声音也就不那么好听了。 所以有些人总是觉得自己的声音比别人的声音 好听得多，这种感觉正是由于颅骨效应的原因。头盔话筒 欧洲人在歌剧演出中使用了一种新型话筒 头盔式话筒。它把话筒极头置于头盔或头饰 上，话筒的极头是一个片状的拾音头，贴在人 的脑门上，导线通过头发、耳后、连接无线话 筒发射机（一个装在口带里的小盒子），人的 声音从声带振动通过人体组织和颅骨传入拾音 头中。这也是利用了颅骨传导作用。返回5.脑听觉神经组织 脑听觉神经组织听觉神经产生听觉感觉的地方。大脑的不同位置和相关功能大致可分为：额叶、顶 叶、颞叶、枕叶。二、声源的指向性 声源发声时，在声源四周各方向上，声能 的分布并不一定均匀。声源的声音强度在 各个方向上分布的不均匀性就称作声源的 指向性特性。 声源的指向性与声源的种类、尺寸及辐射声波的波长等有关。声源的指向性 声源发出的声音在各个方向上分布不均匀，具有指向 性。 声源尺寸比波长小得多时，可看作点声源，无指向性。 声源尺寸比波长差不多或更大时，声源不再是点声源， 出现指向性。人们使用喇叭，目的是为了增加指向性。三、人的主观听觉特性 声环境设计的目的是满足人们对声音 的主观要求，即想听的声音能听清并且音质优 美，而不需要的声音则应降低到最低的干扰程度。 声波是在弹性媒质中传播的一种机械波，然而并 非所有声波都能被人耳所感知（听觉）时，即使 人耳能感知到声音，其感觉也各有不同，因为人 的听感是一个非常复杂的物理生理心理 过程。 这说明，声音虽然由振动产生而客观存在，但是 它给予人的主观感受却与客观实际上有一定差距， 甚至还可能会产生“错觉”，这就是本节所要讨 论的人的听觉特性。音质 人对声音的感知有响度、音调和音色三个主观 听感要素,三者共同决定了声音的音质。 人的主观听感要素与声波的客观物理量：声压、 频率和频谱成分之间既有着密不可分的联系， 又有一定的区别，体现了人类听感是个复杂的 生理与心理的运动过程。四、听觉范围与听觉特性1 最小与最大的可听极限听觉范围：n 最高最低频率可听极限青少年2020KHz中年3015KHz 老年10010KHz。n 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。2最小可辨阈(差阈) 纯音频率 fHz 白噪声声压级高于听阈的dB数35 70 200 1000 4000 7000 10000 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90100 11072443l272176422238154104075061067475344193124086068053045041041 303 235 146 100 072 053 011033029029029025248170097068049041029025025021021405283149090068061053049045041472334170110086075068061057180120047044042041041当频率约为1000Hz而声压级超过40dB时，人耳能觉察到的频率变化范围约为03；声压级相同，但频率少于1000Hz时，人耳能觉察到3Hz的变化表1-6 相对频率差阈 (ff ) 声压级高于 纯音频率 fHz听阈的dB数 60 125 250 500 1000 2000 4000 5 2.52 1.1 0.97 0.65 0.49 0.4 0.7710 1.4 0.6 0.53 0.35 0.27 0.22 0.4215 0.92 0.4 0.35 0.24 0.18 0.14 0.2820 0.37 0.32 0.28 0.19 0.14 0.12 0.2230 0.32 0.28 0.19 0.14 0.11 0.223听觉定位 人耳判断声源的远近比较差，但确定声源的方向比较准确。 在声源处于正前方垂直方位角为0时，一个正常听觉的人在 安静和无回声的环境中，靠双耳定位，通过对时间差和强度 差进行判断，可辨别水平方向1 3的方位变化v 在水平方位角0 60范围内，人耳有良好的方位辨别能力； 超过60则迅速变差。v 人耳的水平方向感要强于竖直方向感。 在竖直平面内人耳定向能力相对较差，但可以通过摆动头部 而大大改善。 频率高于1400Hz强度差起主要作用；低于1400Hz时，时间差 起主要作用。4 哈斯效应 定义: 若一个声场有两个声源（这两个声源发出的声音 是同一个音频信号），当这两个声音传入人耳的 时间差在50ms以内时，人耳不能明显辨别出两个 声源的方位。人耳听觉的感觉是：哪一个声源的 声音先传入人耳，那么人的听觉感觉就是全部声 音都是由这个方位传来的。人耳的这种先入为主 的聆听感觉特性，人们称之为“哈斯效应”。返回哈斯效应的第一种情况： 当声源A和B距离人耳的距离相同，A、B声源又 都是相同的音源信号，那么，人不能明显地辨 别出两个声源的准确方位，主观感觉是声音来 自两个声源之间，增加了空间感，人们称之为 假立体声。哈斯效应的第二种情况： 当人距A声源近，距B声源远时，会听到A、B两 个强弱不同的声音。但人们的心理感觉却只有 一个A的声音，而没有感到B声源的存在。即 50ms以内的两个声源的声音，人耳不能分辨出 是两个独立的声音，而只感觉是一个声音。哪 个声音强，人们就感觉全部声音都由这个方位 传来。这种听觉错觉现象就是哈斯效应。哈斯效应的第三种情况 当人距B声源近，距A声源远时，会感到全部声 音都是B声源发出的，而忽略了A的存在。若切 断B声源，人们才会发现A声源声音的存在，不 过其声音因距离人较远而显得小一些。若将A 声源切断，人们仍会感到声音由B声源发出， 只不过听到的声音由于切断了A声源而变小了 一些而已，其感觉的方位并没有改变。哈斯效应的第四种情况 当人们距A声源近时，会觉得全部声音都是A声 源发出的，而感不到B声源的存在。但若将A声 源经延时器处理，使其声音在B声源声音送入 人耳后才传到人耳，此时A声源虽然离人位置 近，但声音传入人耳晚，人们就会感到全部声 音都是由B声源传来的，这就是哈斯效应在各 种不同情况下的作用。哈斯效应在舞台、剧场中的情况 ： 在剧场演出时，主扬声器一般都装在舞台口两 侧，观众席的前排观众和后排观众听到舞台上 演员演唱的声音强度是不一样的。前区声音响 度大，后排声音响度小，所以产生了较大的声 场不均匀度。 为了减小声压级之间的差异，有些剧场增加 了顶部扬声器或中区侧部扬声器，使前区和 后区的观众都能听到很强的响度。但是，这 样就会出现新的情况：因为顶部扬声器和侧 部扬声器距离观众较近，根据哈斯效应现象， 后区观众会感觉全部声音都是从顶部扬声器 或侧面扬声器传来的，产生了演员在台上演 唱，而声音都是从顶部和侧面传来的，听、 视觉不统一的现象。 在剧场中为了弥补哈斯效应产生的听、视觉不 统一的现象，在高级剧场中，对顶部扬声器系 统和侧部扬声器扩音系统都通过扩音器作了延 时处理，使舞台两侧主扬声器的声音和顶部扬 声器与侧面扬声器声音同时传入人耳，使听、 视觉达到同一协调的目的。返回哈斯效应现象 实验证明，人的听觉有先入为主的特性。哈斯效应就是由哈斯发现的，人们不能分辨出来某些延 迟音的现象。当两个强度相等而其中一个经过延迟的声音一同 传到人耳时：l 延迟时间30ms ,听觉上感到声音只是来自未经延迟的声 源l 延迟时间为30ms50ms ,可以感到延迟声的存在，但仍感 到声音来自未延迟的声源l 延迟时间50ms，延迟声就不能被掩盖，听觉上会感觉 到延迟声是个清晰的回声人耳的这种特性也是产生听觉定位的重要因素哈斯(HASS)效应(时差效应)v 延时较长的根据哈斯 效应，延时长干扰大； 声压级差小干扰大。频 率接近干扰大；低频对 高频干扰大。人耳在多 声源发声内容相同的情 况下，判断声源位置主 要是根据“第一次到达” 的声音。因此，剧场演 出时，多扬声器的情况 下要考虑“声象定位” 的问题。哈斯效应应用 在听音时，达到声像统一 在拾音时，完成声像定位 在创作中，模拟虚拟空间5掩蔽效应 人耳对一个声音的听阈（听觉灵敏度）因另一声音 的存在而提高（降低）的现象，称为掩蔽效应 假设听清声音A的阈值为40dB，若同时又听见声音B， 这时由于B的影响使A的阈值提高到52dB，即比原来 高12dB。这个例子中，B称为掩蔽声，A称为被掩蔽 声。被掩蔽声听阈提高的分贝数称为掩蔽量，即 12dB为掩蔽量，52dB称为掩蔽阈掩蔽规律两个纯音同时发声时（1）被掩蔽声的频率越接近掩蔽声，掩蔽量越大，频率相近的纯音掩蔽效果显著。最大掩蔽出现在掩蔽频率附近。 （2）掩蔽声的声压级越高，掩蔽量越大，且掩蔽的频率范围越 宽。实验表明，掩蔽声增加10dB，掩蔽阈也增加10dB。两者呈线形关系，且这种关系不受频率影响，既适合于纯音，也适合复音。一个声音高于另一个声音10dB,掩蔽效应就很小。 （3）掩蔽声对比其频率低的纯音掩蔽作用小，而对比其频率高的纯音掩蔽作用大。即低频声容易掩蔽高频声，而高频声较难掩 蔽低频声。(4)一个纯音可以被另一个纯音掩蔽，也可以被一个窄带噪声掩 蔽。非同时掩蔽特点（1）掩蔽声在时间上越接近被掩蔽声，掩蔽 量越大，即掩蔽效应越强。（2）掩蔽声与被掩蔽声相距时间很近时，后 掩蔽作用大于前掩蔽作用，即后掩蔽在实 践中更重要。（3）掩蔽声强度增加时，掩蔽量并不按比例 增大。例如掩蔽声增加10dB，掩蔽量只提 高3dB，这与同时掩蔽效果不同。（4）单耳的掩蔽效应比双耳显著。 掩蔽声和被掩蔽声分别加于两耳，也能产生掩 蔽。这显然有较高级的听觉系统参与作用，所 以称为中枢掩蔽。中枢掩蔽的效果较小，比单 耳情况下的掩蔽约低5060dB，效用是对称的， 它受频率的制约，最大掩蔽效用发生在掩蔽声 和被掩蔽声频率附近。返回用作掩蔽声的要点n 适合的掩蔽背景声的特点n 无表达含义n 响度不大 n 连续n 无方位感 n 掩蔽背景声n 低响度的空调通风系统噪声往往是很好的掩蔽背景声n 轻微的音乐声 n 隐约的语言声6、多普勒效应 人耳听到声音的频率应和声源振动频率相一致， 但有时，人耳听到声音的频率不等于声源振动 的频率。此时，人耳听到的声音与声源发出的 声音音高不同，这是1843年多普勒发现的一种 声音传播现象。返回多普勒的发现 他发现音高在声源和观察者本身位置有变动时 产生表面变化现象：如果声源移近观察者或者 观察者移近声源，使二者距离相近，这时人听 到的声音比实际声源发出的声音频率升高；相 反，声源与观察者二者距离增大时，则表面音 高低于实际音源的音高。例如 当你乘火车时，从对面迎面开来另一 列火车，当两火车错车时，你会感到火车鸣笛 声由低逐渐变高；当火车远离时，你又会感到 火车鸣笛声由高变低。其实，火车鸣笛的声音 是固定不变的，人们之所以感到它的声音频率 在改变是因为人耳与音源之间的距离发生了变 化所造成的。多普勒效应的数学公式： f/f0=(vp)/v 其中： f表面频率（人耳听到的声音频率） f0实际声音频率 v声速340米/秒 p声源与观察者之间移动的速度 符号“”表示声源与观察者移近 符号“”表示声源与观察者远离返回wave 2013-9-27分析：声( 波) 源不动, 观察者相对于媒质以速度v0运动 uvoF 观测者S O 趋近波源波相对于观察者的速度:uvo波源静止，观测者接收到的波的波长：l观测者接收到的波的频率:u 观测者uvo远离波源S O观测者接收到的波的频率:53五、立体声的听觉机理 立体声的特点 听觉定位机理 声象及声象定位2013年9月27日9时47分双耳效应（方位感） 对一定声压级的纯音，双耳听起来比单耳听起 来响两倍 对强度和频率，双耳的辨别力都高于单耳 低频信号的定向是以双耳的时间差为依据，高 频信号的定向，决定于两耳间的声级差立体声的特点 具有声像的临场感 具有较高的清晰度和信噪比听觉定位机理 双耳效应 声级差 时间差 相位差 耳壳效应 声频率1.7KHz,波长约20cm与人头大小相当。 高频遮蔽区 遮蔽效应（不同于掩蔽效应） 基频、泛音（高次谐波） 时间差比声级差更多的方向性信息。瞬态声有 利于方向辨别。声像及声像定位 听音者听感中所展现的各声部空间位置，并由 此而形成的声画面，称为声像。 现今的立体声普遍采用声源为两声道系统。这 类双声道立体声除了双耳定位基理外，还有赖 于双声源的哈斯效应和德波埃效应。声像及声像定位 哈斯效应 两个同声源的声波若到达听音者的时间差 t在535ms以内，人无法区分两个声源，给人以方位听感的只是前导声，滞后声好似并不存在；若延迟时间 t在3550ms是，人耳开始感知滞后声源的存在，但听感所辨别的方位仍是前导声源；若时间差 t在50ms以上时，人耳便能分辨出前导声与滞后声源的方位。声像及声像定位 德.波埃效应1、如果两声级相同，听者感到声音是从中间来的。 2、如果逐渐加大Y1的声级，听音者感到声象向Y1移动，声级差大于15dB时，听音者则感到声音完全 来自Y1处。 声级差15dB、时间差3ms产生的效果一样 现代调声技术中的声像移动器（P.P）（全景电位器）四、鸡尾酒会效应 人耳对不同声源有选择功能。如：在嘈杂的声音中, 你可以把听力集中在一个人的谈话上，而把其他的 声音都推到背景中。这是因为大脑会分辨出声音到 达两耳的时间差，及不同距离声源的音质和音量。 还能辨别声源方向。而用话筒录音就不同了，它把 在接收范围内的声音，包括反射声都接收进来，而 人耳却能单独选取一个声音，这就称“鸡尾酒会效 应”。 如果用话筒录音后再放音，就没有这种效果了。 人感觉声音都是从扬声器中发出的。从某个点 录入的谈话人的声音，方位就辨别不出来了。 人耳可以调整听觉神经选择不同方位的声源。 不同方位的声音传入人耳时，两耳的感觉是不 一样的，有距离上的差异、时间上的差异和频 率上的差异。 人耳通过两耳拾取的声音的三个不同差别就可 以辨别出不同方位的声音，就可以调解听觉神 经来选择不同方位的声源。这就是人耳的选择 功能。返回六、等响曲线、响度级、响度 人耳对声音强弱的主观感觉称为响度（单位 sone）。 它是与声波振幅这个物理量相对应的心理量。主观听音的特点 人耳对不同频率的声音敏感程度是不一 样的，对于低于1000Hz和高于4000Hz的 声音，灵敏度降低。 不同频率，相同声压级的声音，人听起 来的响度感觉不一样。 不同频率,不同声压级的声音,人听起来 的响度感觉有可能一样。响度级 根据人耳主观感觉的响度大小，不仅与声压级 有关而且还和频率有关，仿照声压级的概念， 同样可引出响度级，其单位是方。 所谓响度级，就是以1000Hz的纯音作标准，使 其和某个声音听起来时一样响，那么，1000Hz 纯音的声压级就定义为该声音的响度级，记做 P，单位为Phon（方）。 响度级是表示声音响度的主观量，它把声压级 和频率用一个单位统一起来了。响度与响度级之间的关系 根据国际标准化组织（ISO）的推荐标准，响 度与响度级之间的关系可用下式表示：LgS（宋） =0.03P（方）1.2(这一规律在20-120方内成立) 由式可知：40方为1宋（Sone），2宋比1宋响1 倍，3宋比1宋响2倍，依次类推。通常认为，对于1kHz纯音：0dB20dB为宁静声，30dB-40dB为微弱声，50dB70dB为正常声，80dB100dB为响音声，110dB130dB为极响声。 用与基准声音比较的方法，可以得到整个可听 范围内纯音的响度级。通过大量的生理学试验 可得响度曲线，也称等响曲线。 这是一簇响度级与声压级和频率关系的曲线， 每根曲线是相等响度的声音对应点的连线，它 相当于声压级不同，频率不同，但响度级却相 同的声音。响度40方等响20 87dB31.5 75dB63 58dB125 45dB250 43dB500 42dB1K 40dB2K 36dB4K 32dB8K 48dB等响曲线是反映人耳对声压的主观感觉的曲线。说明（1）响度级与声压级有关。（2）等响度曲线在声压级的值低时变化快， 斜率大，而在高声压级时就比较平坦，这 种情况在低频时尤为明显。同分析：随着声压级的提高，对频率的相对敏感度也不声压级高，相对变化感觉小；声压级低，相对变化感觉大。（3）不同的频率，响度级的增长率各不相同等响曲线在高保真中的作用 例如，一个乐队演奏时，若低频声和高频声都 以100dB的声压级录音，因为此时的等响曲线 差不多平直，所以低音和高音听起来有差不多 的响度。若声音以低于原始声（录音时）的声 压级重放，则需要通过均衡器等来提升低音和 高音以保证原有的音色平衡。声压级与响度感觉声压级的变化 响度感觉1 dB 几乎觉察不出来3 dB 刚可觉察5 dB 明显改变10 dB 响度加倍（或轻一半）七、感受性的体现1、高、中、低各频段量感的分布与控制2、密度与重量感3、透明感 4、层次感 5、定位感6、速度与暂态反应7、想象力与形体感8、对比性 9、空间感返回1、高、中、低各频段量感的分布与控制 量感指量的多少，即表示高音或低音的多少等。 各频段量感的多少并不代表器材真正的好坏， 器材之间量感多少的相互搭配才是最重要的。 高、中、低各频段量感的分布也可以说是频率 响应曲线的一方面。 控制指对低频段的控制能力。返回整体平衡线不是指频率响应曲线的平直，最主 要讲高、中、低频段的适当量感分配。低频基 础要好，在整个音乐里造成稳固、稳定状态。 大部分 的音乐迷都希望音乐是很厚实、丰润， 不希望高频多过中频、低频，而造成头重脚轻 的情况。合理的高、中、低频段量感就是整体 平衡。整体平衡性好的器材也会耐听，也就是 人们所说的音乐性。2、密度与重量感 声音的密度，对于同一种物质的概念是相同的，只 是效果不同，声音密度大，听起来会感到厚实而饱 满。 声音的密度与重量感让乐器与人声听起来更有真实 感。 较好的声音密度与重量感与供电的充足及中频段的 饱满有关。打击乐器敲起来都会有空气振动的感觉。所有的乐器与人声都具有重量感，很多音响爱好者都希望得到很好的声音密度与重量感。返回3、透明感 是一种比较直观的观察形式，最好的透明感是 很耐听，但又不会刺耳。比较差的透明感虽然 也透明，但是不耐听。 每一对人耳于耐听与不耐听的感觉程度都不尽 相同，因此对于透明感的好坏也就又不同的标 准。返回4、层次感 指的是音场中由前往后一排排乐器的清晰程度， 以及乐器与乐器之间的间隔够不够清楚。返回5、定位感 就是人声或乐器发生点之间由确定的音响感觉。 如果说音响发飘，就表示定位感不好。 靠音场中两侧的乐器定位通常会较好，而靠音 场中央的乐器定位会较差，这也是环绕音效果 加中间声道的原因之一。 在这种情况下，如果加个中间声道对定位感也 会有很大改善。返回6、速度与暂态反应 速度感是暂态反应的结果，也是器材上升时间 与回转率的具体表现。这两个名词都是指器材 各项反应的快慢。 由速度感引伸出来的活性感属于强弱对比的另 一面，它让人们感到很活泼，不沉闷。这是音 乐是否好听的一个重要因素，就好象一个卓越 的指挥家能把音乐指挥得充满生气。返回7、想象力与形体感 想象力是将虚无缥缈的音像凝结成实体的能力， 也就是让人声或乐器的形体展现的能力。 想象力好的音响器材会让音像更浮突，更具立 体感，音像轮廓的阴影跟清楚。返回8、对比性 音效在很多方面是以对比产生效果的。强弱对 比即为动态对比，是大声与小声之间的对比。 一般而言，强弱很接近的细微对比称为动态对比。 常说古典音乐的动态很大就是指它的最大声与最小声的对比很大；而摇滚乐虽然声大，但它大小声起伏并不大，所以说它的动态对比并不大。强弱 很接近的细微对比称为动态对比。 强弱对比用最浅显的说法应该是极大的强弱对 比是拍打岩岸的海浪；极小的强弱对比就是清 风吹拂下的湖水波动。 乐器与人声的大小比例指各种乐器的相关大小不能 离谱。正确的音场是近乎现场大小，正确的比例是 各种乐器相互之间的合理比例，而不是以现场按比 例去缩小。 例如低音大提琴不能占据整个音场，大鼓不能把整个乐队淹没。返回9、空间感 与空间相关的因素很多，如细节的再生、堂音 的清楚与否、音场的大小等，其中特别是注意 音场空间大小的描绘能力。假如能听出空间有 多大，这个器材的空间感就很好。要能够