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技术分享-听觉等响曲线!

日期:2018-05-10
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当用同样的力气讲话的时候,为什么我们总觉得女性的声音要比男性的响?而在我们听音乐的时候,为什么需要用均衡器去调节不同频率的能量分布,以获得不同场景下的最佳听音效果? 让我们聊聊人耳对不同频率声音的响应。

当外界声振动传入人耳内,人们在主观感觉上形成听觉上声音强弱的概念。人们习惯于地用“响”与“不响”来描述声波的强度,但这一描述与声波的强度又不完全等同。人耳对声波响度的感觉还与声波的频率有关,即使相同声压级但频率不同的声音,人耳听起来会不一样响。例如,同样是60dB的两种声音,但一个声音的频率为100Hz,而另一个声音为1000Hz,人耳听起来1000Hz的声音要比100Hz的声音响。要使频率为100Hz的声音听起来和频率为1000Hz、声压级为60dB的声音同样响,则其声压级要达到67dB。
为了定量地确定声音的轻或响的程度,通常采用响度级这一参量。当某一频率的纯音和1000Hz的纯音听起来同样响时,这时1000Hz纯音的声压级就定义为该待定声音的响度级。响度级的符号为
Ln,单位为方(phon)。例如,1000Hz的纯音的响度级等于其声压级,对于其他频率的声音,通过调节1000Hz的纯音的声压级,使它和待定纯音听起来一样响,这时,1000 Hz的纯音的声压级就等于该待定声音的响度级。对各个频率的声音作这样的听音比较,得出达到同样响度级时频率与声压级的关系曲线,这就是我们人耳的听觉等响曲线。

                                                   (图1  ISO226-2003中给出的等响曲线)
对于等响曲线的研究,最早可追溯到1927年Kingsbury[1]的工作,他首次完成了单耳听觉条件下的等响曲线的测量。首次双耳听音和相对自由场条件下的完整的等响曲线由Fletcher 和Munson[2]在1933年给出,而其中的40phon的曲线成为至今仍广泛使用的A声级计权曲线的基础
国际标准化组织(ISO)依据Robinson和Dadson[3]在1956年完成曲线指定了等响曲线的推荐标准ISO R226-1961,但该标准一直到1987年才成为ISO的正式标准。可就在ISO标准曲线正式颁布的当年,Fastl和Zwicker[4]发现了其中存在的问题,后来有更多的研究者证实了其存在的更多差异。在日本东北大学Suzuki教授的主导下,对等响曲线进行了进一步细致的测量研究,并修订了ISO 226标准[5],这就是我们前面给出的ISO 226-2003标准的等响曲线。
从等响曲线图中我们发现,人耳对高频的声音更加敏感,同样声压级下的高频声音响度级比低频的高。一般女性发声的高频成分较多,而男性发声的低频成分相对较多,这就是在同样力气讲话时(声压级相同),女性的声音听上去更加响的原因。

                                                                (图2新旧等响曲线的对比)
等响曲线在音频信号处理、电声器件设计以及心理声学和音乐声学等领域,乃至于主观声品质评价和声设计中有着重要价值和广泛应用。对于听音设备和环境,或者对听觉产生主观感受的设备,为了获得良好的听觉享受或者形成愉悦的听觉感知,需要考虑到人耳的听觉等响曲线和听觉主观反应特征进行声设计。
国内开展的针对中国人群的等响曲线的研究结果表明,中国人群的等响曲线和ISO 226公布的等响曲线存在一定的差异[6],主要表现在中国人群在低频以及高频端的敏感性要强于西方人的测试结果。这一结果提醒我们在针对国内用户进行产品设计的时候,需要充分考虑中国人群的听觉特征,以更好地满足对国内公众的听觉关怀!

                          (图3  中国人群等响曲线测试结果和国外的对比)
 

参考文献

1. B. A. Kingsbury. A Direct Comparison of the Loudness of Pure Tones. Phys. Rev. 29, 588 - 600 (1927)

2. H. Fletcher, W. A. Munson. Loudness, its definition, measurement and calculation. J. Acoust. Soc. Am. 5, 82-108 (1933).

3. D. W. Robinson, R. S. Dadson. A re-determination of the equal-loudness relations for pure tones. Br. J. Appl. Phys. 7, 166-181 (1956).

4. H. Fastl, and E. Zwicker. Lautstärkepegel bei 400 Hz; Psychoakustische Messung und Berechnung nach ISO532B. Fortschritte der Akustik, DAGA '87, 189-193 (1987).

5. Y. Suzuki, H. Takeshima. Equal-loudness-level contours for pure tones. J. Acoust. Soc. Am. 116(2), 918-933 (2004).

6.毛东兴,王勇. 中国人群纯音等响曲线的初步研究. 声学技术, 2007年第2期。

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