人耳的听觉特征课件

1、第三章 听觉特性l第一节 人耳的听觉特性l第二节 立体声的听觉机理l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l一、听觉生理系统l二、响 度l三、音 高l四、音 色l五、可闻声的频域特征l六、可闻声的时域特征l七、人耳听觉的非线性掩蔽效应l八、人耳听觉的延时效应与双耳效应一、听觉生理系统l1.人耳的结构l2.人耳结构示意图l3.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l1.概 述 l2.人耳的听觉范围l3.声级计1.概 述 l1）定 义l2）声压级l3）平面波声强级 l4）响度级1)定义：人耳对声音强弱主观感觉到的响亮程度l听觉范围 ： 相差1

2、00多万倍。l l振 幅： l 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:米米2141010PaPa201025xPlg2）声压级0lg20ppLrmsp 用对数来计算和划分声音强用对数来计算和划分声音强弱等级的一种表示方法。具体如弱等级的一种表示方法。具体如下：下：式中：式中：p0p0基准声压基准声压(=2(=2* *10-10-5Pa/1kHz)5Pa/1kHz) prms prms某点声压的有效值某点声压的有效值3)平面波声强级 l定义：l 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：l 式中: I某点声强l I0基准声强(=10-12W/m2)l平面波

3、声强级与声压级的关系)(lg100dBIILi平面波声强级与声压级的关系2020002200010lg10lg40010lg10l40010lgg20lgrmsIrmsrmspcILpIpppIIpc4）响度级l测试条件l测试方法l响度级测试条件声源在被测试者的上方声源在被测试者的上方声源为自由平面波声源为自由平面波测量声压级时测试者不在测量声压级时测试者不在场场用双耳听声音用双耳听声音年龄在年龄在18251825岁之间岁之间测试方法响度级0.031.2sLP 将某一频率的声音与将某一频率的声音与1KZ1KZ的声音进行比较，当感觉两者的声音进行比较，当感觉两者的响度一致时，的响度一致时，1KZ

4、1KZ声音的声声音的声压级就是该声音的响度。一般压级就是该声音的响度。一般用用S S表示（单位为宋）。或用响表示（单位为宋）。或用响度级度级P P表示（单位为方）二者的表示（单位为方）二者的关系如下：关系如下：该式适用与该式适用与20129PHON20129PHON也可用图表示也可用图表示2.人耳的听觉范围1 1）不同声压级时的频不同声压级时的频率响应率响应 2 2）人耳的听觉范围人耳的听觉范围3 3）等响曲线等响曲线1）不同声压级时的频率响应 3 3）等响曲线）等响曲线2)人耳的听觉范围b、记权的依据lA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

5、测55dB 以下的噪声。lB计权：模拟人耳对70方的纯音的响度指示 。用来测55dB-85dBlC计权：模拟人耳对100方的纯音的响度指示。用来测85dB-130dB lLin计权：不修正，用来测声压级Lp。lD计权：用来测量飞机噪声 5.声级计la.原理框图lb.记权的依据lc.记权曲线a.原理框图记权记权网络网络变变换换c.记权曲线三、音 高l1.定义l2.音高的规定 l3.音律l4.向度对音高的影响1.定 义l 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l人耳对音高的变化感觉如下：l通常用倍频程来描述音高的变化（一个倍频程对应纯八度）：flgk 音高）差一个倍

6、频程（则当octffff121223.音 律l定 义l音律的规定l音律与唱名 定 义l在音乐中反映音高的某种规定称作音律。l我国古代规定为：l 宫（1）商（2）角（3）徵（5）羽（6）l 唇音、舌音、齿音、牙音、喉音 音律的规定 12 12平均律：在一个倍频程内平均律：在一个倍频程内（8 8度）通常按对数刻度分成十度）通常按对数刻度分成十二等份划分音阶二等份划分音阶, ,两个相邻的音两个相邻的音为半音关系。两个半音组成一为半音关系。两个半音组成一个全音。如图示：个全音。如图示：3.音律与唱名l十二个音名字： C、 D、 E 、F 、G、 A 、B其余以#和b半音命名。l唱名：1、2、3、4、5

7、、6、7、il相邻两个半音的频率比：l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10594611212/./4、响度对音高的影响l 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l1、定义l2、线状谱l3、连续谱1、定义l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)l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)l例：弦的振动：l人耳对相位变化不敏感相聋)tn(SinA)t(SinA)t(SinA)t(SinADnn 33221132

8、如图示2.线状谱l线状谱 ：一种不连续排列分布的 频谱。l 如图所示:特点：频率分特点：频率分布是离散布是离散 的不同频的不同频率的振率的振 幅不同幅不同3.连续谱l 连续谱：在频谱l轴上没有断续的频谱l分布称为连续谱。如l右图示：五、可闻声的频域特征l1.共振峰l2.频谱分布1.共振峰l 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l语 音l音 乐语音l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：特点：1 1、男声与女声在、男声与女声在200Hz200Hz以下有以下有较大差异较大差异70Hz70Hz达达18dB 18dB 2 2、语音的能量分布

9、主要集中在、语音的能量分布主要集中在100Hz-5kHz100Hz-5kHz左右。左右。3 3、电话：主要集中在、电话：主要集中在300Hz-300Hz-3.4kHz3.4kHz左右。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、西洋音乐：中低频平坦、高频按高频按轻音乐：轻音乐：3KHz3KHz尚有若干尚有若干个峰值，较明亮个峰值，较明亮平滑下降octdB6七、可闻声的时域特征l l 起振段 稳定段 衰减段l各点特性如下：l起振段：钢琴10ms 、风琴：100ms、语言：8050ms l稳定段:弦乐数秒、 打击乐几乎没有。l

10、衰减段:高频音衰减时间短、低频音较长. l时域特征与频域特征（频谱）共同决定了声音的音色(音品)。t六、人耳听觉的非线性掩蔽效应l1.声音信号在人听觉系统中会被非线性加工l2.掩蔽效应1.声音信号在人听觉系统中会被非线性加工l当信号非常强烈时，人耳产生保护性听觉反应l （听感不再增强）l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l 为不和谐音。l鸡尾酒会效应 ：人耳具有智能补缺功能。1212ffff谐和音与不和谐音121全大二度132全大三度半谐合： 不谐和音： 非常接近时产生差拍。和21ff （听觉：声音发颤）谐和音： 全增四度31715半全大七度34

11、1半小二度半全小七度24半全大六度14半全小三度11半全小六度23 1:1112ff度纯半全纯八度25121211ff半全纯五度13231251ff半全或纯四度12102134121ff掩蔽效应l什么是掩蔽效应是l掩蔽效应的类型l掩蔽效应的一般特点l例 题什么是掩蔽效应l 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l纯音的掩蔽效应l复音的掩蔽效应l噪声掩蔽l非同时掩蔽l中枢掩蔽掩蔽效应的一般特点低音容易掩蔽高音低音容易掩蔽高音频率相近的声音易产生掩蔽频率相近的声音易产生掩蔽声压级越大掩蔽效应越强声压级越大掩蔽效应越强

12、两个声音的时间越接近掩蔽效应越强两个声音的时间越接近掩蔽效应越强例题l例：200Hz的声音闻域Lp=23dB，现同时存l在着Lp=80dB 400Hz的干扰,200Hz的声音lLp=23dB听不到了，必须将声压级提升到l34dB才能听到. 则:掩蔽量为34-23=11dB l如图3-12所示： 八、人耳听觉的延时效应与双耳效应1717 3535 5050tmstmsmstmsmstms 人分不出是两个声音先后到达。为同方向来的声仍区分不开。为有感觉。才会听到两个先后到达声音类似回声的现象 人耳对不同时间到达的声人耳对不同时间到达的声音的分辨能力称之为延时效应音的分辨能力称之为延时效应。下面是实

13、验所得数字；。下面是实验所得数字； 对声源方位角的定位能力叫做对声源方位角的定位能力叫做双耳效应。双耳效应。第二节 立体声的听觉机理l一、立体声的特点l二、听觉定位机理l三、声象及声象定位 l四、立体声拾声方式l五、立体声系统一、立体声的特点l1.听歌l2.立体声的特点1、听 歌l之一l之二2、立体声的特点l具有声象感l具有临场感l具有较高的清晰度l具有较高的信噪比 二、听觉定位机理一）一）双耳效应双耳效应二）二）耳壳效应耳壳效应一）双耳效应l.声级差l.时间差l.位相差l.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 1kHz 10k10kHz H

14、z 030060090dBLp7dB.Lp58dBLp12dBLp10dBLp25dBLp28KHzf3 距离不太远时距离不太远时，听觉定位主要决，听觉定位主要决定于声级差。定于声级差。小于小于300Hz300Hz：双耳听到：双耳听到的声音无声级差的声音无声级差 1kHz 1kHz 10k10kHz Hz 2.时间差由于双耳到声源的距离不同而产生。 设设:d=20cm:d=20cm、s=s=、c0=340m/sc0=340m/s、d=0.2sind=0.2sin由图可计算出时间差为由图可计算出时间差为: : 人耳可鉴别的最小人耳可鉴别的最小角度为：角度为：mst2max01033 瞬态声（语言

15、，打击乐等）判断瞬态声（语言，打击乐等）判断方位主要决定于时间差。方位主要决定于时间差。)ms(sin.Csin.Cdt620203.位相差 正比于时间差。一般用下式表示：tft2 一般来说高频一般来说高频 易易产生混乱相差，无法判断超前落产生混乱相差，无法判断超前落后。所以低频声判断方位的主要后。所以低频声判断方位的主要依据是相位差。依据是相位差。2k-3k2k-3k声级差小声级差小又易产生混乱相差，所以声音定又易产生混乱相差，所以声音定位反映较差。位反映较差。n24.音色差l 由于人头的遮蔽效应，频率越高衰减的越多,l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：竖直方向重复

16、声：水平方向重复声：水平方向重复声： s4520s202 人耳如何根人耳如何根据这么小据这么小的差别判断方位的差别判断方位？原因至？原因至今不明。今不明。三、声象及声象定位立l1.哈斯效应l2.德波埃效应（DE.bye）1.哈斯效应l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.似的干扰声。人耳才能听到“回声”当人耳有感觉。为当仍均无法区分他们。两声音方向如何，人耳为当们。何，人耳均无法区分他无论两个声音的方向如当mstmsmstmsmstmst5050353517 172.德波埃效应a a、实实 验验b b、几种情况几种情况c c、说说 明明a、实验界界外外声

17、声象象b、几种情况A A、 LI=0 LI=0 t=0t=0B B、C C、D D、0IL0IL0t0t0t0ILt=0 LI=0417001700.kHzfkHzfsinLLLLksinRLRLIIII正弦定理：正弦定理：0IL0) )当当: :) )当当: :) )当当 : :0IL 声象向声级强的声象向声级强的方向偏转方向偏转dBLI15声象在中间声象在中间声象固定在强声级的声象固定在强声级的扬声器的位置上扬声器的位置上. .0IL0t 声象向超前发声的扬声器声象向超前发声的扬声器的方向偏移的方向偏移 随随 增加而增加，增加而增加，mst3时时: :声象固定在超前发声象固定在超前发声的扬

18、声器上。声的扬声器上。当当: :t0IL0t 此时声象由此时声象由 LfLf与与 t t 共同决定，可互共同决定，可互相补偿也可互相校正。相补偿也可互相校正。（当（当Lf15dBt13msLf15dBt13ms时时)1ms)1ms的时间差相当的时间差相当于于5dB5dB的声级差。的声级差。 当两个扬声器信号相位相当两个扬声器信号相位相反，又有声级差可反，又有声级差可形成界外立体声。形成界外立体声。0t0ILsinsinsinLLLLsin)L(L)L(LsinRLRLRLRLIIIIIIII 上式为声象定位公式上式为声象定位公式, ,它是它是立体声声象展宽的理论基础。立体声声象展宽的理论基础。

19、 c.说 明l 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：lt与 Lp是两声源到人的距离所产生的差别不是双耳效应。l当听者偏离中轴线,正弦定理不成立,声象会模糊或者分裂。lt 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l1.传声器的指向性l2.XY制l3.MS制(无间距式)l4.AB制(间距式) (古典式) l5.模拟人头制(间距式)l6.多传声器制1.传声器的指向性2.XY制 两个两个8 8字形的传声器正交放在一处拾音字形的传声器正交放在一处拾音, ,放放声时用两个扬声器放音声时用两个扬声器放音. .特点特点:

20、t=0,Lp0:t=0,Lp0当当s=450,y60s=450,y600 0声源的方位角与声声源的方位角与声象的对应关系近象的对应关系近似为线性似为线性. .优点优点: :兼容性好兼容性好. .缺点缺点: :声像的分布声像的分布向中心靠拢向中心靠拢. .3.MS制(无间距式) 心形传声器与心形传声器与8 8字形传声器正交放在一处字形传声器正交放在一处. .由图有由图有: :)cos(EUsMM1sssinURcLMUUUURLUUUs经和差经和差运算有运算有: : LCLSMUUUUU2RCRSMUUUUU2左声左声道信道信号号右声右声道信道信号号单声道放音单声道放音UL+UR=2UMUL+U

21、R=2UM优点优点: :兼容性好兼容性好, ,拾声拾声范围宽范围宽. .缺点缺点: :会产生附加的时会产生附加的时间差和强度差间差和强度差, ,声像不如声像不如XYXY制制, ,声像声像也向中间靠拢也向中间靠拢. .4.AB制(间距式)(古典式) l 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特点:t0Lp:t0Lp00优点优点: :方便方便, ,可可靠靠. .缺点缺点: :成像不成像不自然自然, , 有有 中央空洞现中央空洞现象象、兼容性、兼容性差、单声道差、单声道放音有干涉放音有干涉现象、音质现象、音质模糊模糊. .中央空洞现象的克服5.模拟人头制(间距式) 把两微型

22、传声器放置于把两微型传声器放置于仿真人的耳部进行录音仿真人的耳部进行录音; ;并用并用耳机重放的一种方式耳机重放的一种方式. .如图示如图示: :优点优点: :临场感效临场感效果好、立果好、立 体声象分割清体声象分割清楚。楚。缺点缺点: :不方便不方便5.多传声器制l1)主传声器式.(录大型节目)l 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.l 优点:节目整体效果好,较融洽平衡.l 缺点: 各声部细致性稍欠.l2)单传声器式(多声道式)l 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.l 优点:各声部声音明晰,可方便调节声像位置层

23、次.l 缺点:整体性不足.五、立体声系统l1.双声道立体声原理l2.3D立体声原理l3.环绕立体声原理l4.杜比环绕声原理(CP55)l5.数字虚拟环绕立体声技术l6.立体声系统特殊要求1.双声道立体声原理最佳听音区最佳听音区单、双声道原理单、双声道原理2.3D立体声原理 3D 3D立体声原理如图示：它能有效克服中空立体声原理如图示：它能有效克服中空效应效应, ,减少低频噪音减少低频噪音, ,提高功放级的利用率提高功放级的利用率. .3.环绕立体声原理l什么是环绕立体声l四方声系统(4-4-4分离四通道系统)lNHK的录音系统l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

24、)4-4-44-4-4环绕声原理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)解解 4.杜比环绕声原理(CP55)LT=L+0.7C+j0.7SLT=L+0.7C+j0.7SRT=R+0.7C-j0.7SRT=R+0.7C-j0.7S 环绕声环绕声 S S通常还要延时通常还要延时20-20-50ms,50ms,并且通过一个低通滤器并且通过一个低通滤器(7KHz),(7KHz),影院不同位置可有多个影院不同位置可有多个环绕声道环绕声道, ,家庭环绕声有两个或一家庭环绕声有两个或一个即可个即可, ,如果厅小如果厅小C C 不要也行不要也行. .5.数字虚拟环绕立体声技术l

25、 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：l 美国休斯公司:SRS 3D技术.l 加拿大Qsound实验室:Qsound专 利技术.l 美国音频实验室:Spatializer空间均衡技术.l 6、立体声系统特殊要求l相移问题l串声问题(分离度问题)l演播室的要求第三节 听觉特性对电声技术的要求l一、对电声设备的要求l二、电声设备的主要技术指标一、对电声设备的要求l1.频率域的要求l2.时间域的要求l3.非线性失真的要求1.频率域的要求l具有良好的幅频特性l具有良好的相频特性具有良好的幅频特性l 电路的幅频特性不好时，会引起信号的非线性失真。l不同声源的频率范围l不同频率损失对听觉的影响l频响要求l语言：150Hz6kHz 3d