声学基础(20131016)武汉课件

上海市儿童听力障碍诊治中心Email：临床听力学声学知识声音与听力5%ofspeechintelligibility5%ofspeechpower95%ofspeechpower95%ofspeechintelligibility听到听清听懂听觉的三个层次

听觉是声音作用于听觉系统引起的感觉。声音是一种振动，是由一定的能量作用于可振动的物体而产生并由介质传播的波，即从振动物体发出来的声音在真空中会怎么样？

陆生动物听到的主要是气播声，传播介质是空气，声波在空气中传播的速度约为340m/s

物体的振动有快有慢，因而声波的频率也有高有低。人耳能够听到的声音频率范围是大致从20～20000Hz。不能引起我们听觉的低于可听声的叫次声(次声频率高限大致为20Hz)，高于可听声的叫超声波(大致高于20000Hz)。而人的语言频率主要在500Hz～4000Hz范围内板球运动

(1)声波的反射与折射

声波在传播过程中，遇到两种介质的交界面时，一部分声波透过界面进入第二介质，另一部分返回第一介质。返回第一介质的声波称为反射波。透入第二介质的声波在一般情况下，改变了传播的方向，故而称为折射波(亦称透射)。而原来第一介质中的声波则称为入射波

(2)声波的衰减与吸收

声波在介质中传播时，声能将随着距离的增大而逐渐减少。一类是由于声音本身的扩散以及反射，散射等原因，使能量分散而降低声能，这种现象称声能的衰减。另一类是由于介质对声波的吸收作用，将声能转换成热能，使声能减少，这称做声能的吸收现象

(3)声波的干涉与绕射

当两个或几个相干声波(频率相同，振动方向在同一直线上，位相差恒定)在空间某一点相遇而迭加或抵消，于是该点就表现出声音的加强或减弱现象，这种现象即是声波的干涉

为什么单侧耳聋的病人喜欢用好耳朵对着讲话的人纯音听阈测试时我们常发现仅6kHz或8kHz频率点的听阈下降？电影院和会场及听力室的设计秋千与声共振

声波能绕过障碍物的边缘前进，此现象称为绕射，亦称衍射。但这种障碍物的尺度必须小于或不大于前进声波的波长，才能不发生声影而产生绕射。实验证明300Hz的声波无论从头的哪一方位来，都不会影响对侧耳的听力。但对于高频，特别是16000Hz的声波，头部可妨碍声音传到对侧耳而形成声影区

(4)混响

如果声音是在室内传播，则声音传至墙壁和天花板处将有一部分被吸收，而另一部分发生反射，反射声再次传至另一墙壁或天花板处均有一部分声能被吸收，因而经过一段时间的多次反射后声音强度将逐渐减弱，一直到声强降低到听阈之下。这种在声源停止之后，声音在室内并不立即消失，而是延续一个时刻的现象称为混响

(5)声共振

物体的振动需要外力策动，当振动的物体在周期性的外力作用下，且这个外力的作用频率与振动物体的固有频率相等，此时振动物体获得的能量最大，振幅也最大，这种现象称为共振。与物体固有频率相等的外力作用频率称为共振频率。在听觉生理中，外耳与中耳的传音作用，耳蜗对声音频率的分辨过程中也都要涉及到共振问题

(2)相位：指质点在周期性运动中某一瞬间与振动周期相应的时间位置

(3)频谱：傅立叶分析法表明任何周期性波均能用一系列频率确定的纯音表示。这些纯音构成一傅立叶级数，其中最低频率纯音是这一傅立叶级数的基频，其它纯音频率亦称谐波，为基频的整数倍

如果每一谐音的幅值用一个纵线图来表示，则这种表示方法简洁方便且可表达和时域图同样的信息，此图称为线性频谱或离散频谱

傅氏分析法目前最为普遍应用的为快速傅立叶变换（FFT） 在听力学和言语方面通常遇到的FFT分析法就是指将复合声波(如噪音、言语声等)分解为一系列正弦波进行分析后，将复合声中所含各个频率成份以振幅为纵坐标(表示声音的强度)，频率为横坐标，按频率从低向高依次排列而得到的频谱

(a)声强（声波在单位时间内，作用在与其传递方向垂直的单位面积上的能量称为声强）一般用尔格/厘米2·秒或微瓦来表示(b)声压（有声波时介质中的压力与静压压力之差称声压）标准单位为帕［斯卡］Pa

正常耳能觉察的最小声压，是使鼓膜振动幅度相当于一个氢原子直径的压力变化，这相当于5×109分之一的标准大气压，一个标准大气压为1巴(bar)。法定计量单位用帕(Pa)作为计量压力的单位，1bar=105Pa。即正常人耳可听到的最小声压为20μPa，因人所听到的声音大小可相差一亿倍，因此用Pa来计量声音的大小就很不方便

同时按心理物理学研究结果，人耳对同一频率而不同强度的两个声音感觉的强弱，大致上是与这两个声音强度的对数成比例。因此，我们不用声强或声压的物理学单位来表示声音的强弱，而用两个不同强度声音能量或声压的比值的对数来表示

(c)声强级它是指某一声强I与参考声强I0的比值的对数(以10为底)。其单位为贝尔，即：声强级(贝尔)=10logI/I0一般人对强度相差1/10贝尔的两个声音便可区别出来，因此用贝尔的十分之一来作为声强的单位则更为方便，这个单位称为分贝(decibel)，简称分贝(dB)。即声强级(dB)=10logI/I0——I0为参考声强，在声学中一般用10-9尔格/cm2·秒为参考声强

(d)声压级(Soundpressurelevel,SPL)它是指某声压P与参考声压P0两者比值的常用对数(以10为底)。其单位亦为贝尔或分贝。故采用声压级表示声音强度时，则按以下公式计算声压级(dB)=10lgP2/P02=20lgP/P0在声学测量中，声压级的参考声压规定为2×10-5Pa(20μPa)。这样，20μPa为0dBSPL，痛阈(20Pa)为120dBSPL，普通说话声(0.02Pa)为60dBSPL，枪炮声(2000Pa)为160dBSPL105dBSPLSoundpressure111dBSPL105dBSoundenergy108dB

(5)声阻抗(Acousticimpedance)

声波传播过程中，振动能量引起介质分子位移时所遇到的抵抗称声阻抗。声阻抗的单位为声欧姆。声阻抗包括质量声抗即感抗、弹性声抗即容抗(又称劲度声抗)以及摩阻力（即声阻）等三种成分

(6)声音的时间特性

语言、音乐、动物鸣叫声以及自然界的许多声音都不是稳态声，是在时间上迅速变化的，声音中的大量信息正是以其瞬态调变的形式进行传送。声音的时间特性包括时程、间隔、相位、调变速度等许多方面的参量。对它们的描述和控制远比简单声音的频率、强度等参量复杂得多。但听觉系统对刺激时间特性的辨别却达到了极高的精度，为别的感觉系统所不能相比声音的物理量与听觉主观属性

声音包括两种涵义，它在物理学上是指声波，在生理学上则是指声波作用于听觉器官引起的一种主观感觉。尽管这两个涵义有所不同，但它们之间有一定的内在联系。人类对物理量的响应通常与主观所描述的物理单位大小不一致，因此，人们通常把物理量和听觉主观描述作如表1对应排列听觉频率辨差(2Hz@1kHz-->2ms)极高的灵敏度，氢原子直径(0.3nm)动态范围(>120dB,10-5~102Pa;20Hz~100kHz)SearsTower正常与听障的听觉效果声音物理量与听觉主观描述的对应关系物理量的描述听觉主观描述声压响度（loudness)频率音调（pitch)频谱音质（quality)音色（timbre)持续时间音长（length)（1）响度及响度级

当一定强度声波作用于人耳后引起的一种认识声音强弱的感觉称为响度，它是感觉声音强弱比例性的效果，值得注意的是：小信号的小变化和大信号的大变化一样重要。即感觉的变化依赖于原始刺激大小的刺激变化率的改变，它不是一种线性感觉。因此，响度是主观的，它不仅决定于声音的物理强度，而且与声音的频率有关

1000～4000Hz之间的频率，人耳听起来最响。响度和强度并不成线性比例。响度的主观计量单位是“宋”（sone），以1000Hz纯音40dBHL时的响度为1宋，比它响“1倍”即为2宋。纯音的响度与声强级的关系可以根据有关图表或计算方法得出。大体上说，声音增强10dB，其响度约增加1倍。在适当地调节声音的强度时，不同频率的纯音也可以得到相同的响度。强度固定的声音信号，其响度在一定范围内随时程的增长而增大

响度级：采用声压级来描述声音特征，它不能完全反映人耳的听觉特性，即用声压级来判断它对人的听觉产生一个多响的感觉是不完善的。两个频率不同、声压级相同的声音听起来可能不一样响，而频率和声压级不同的两个声音听起来可能会一样响，根据听觉的这个特性，仿照声压级概念定义了声音响度级这个量，其单位是方（phon)

任何声音的响度级在数值上等于和此声音同样响的1kHz纯音的声压级。 例如某一声音（纯音或复合音）听起来和声压级为70dB的1kHz纯音同样响，那么该声音的响度级就是70方。不同频率响度级与声压级之间的关系曲线为等响曲线(如下图)。此曲线已为国际标准化组织（ISO）所推荐采用。图中每一条曲线上各点，不管它的频率和声压级是多少，听起来都一样响，即位于同一条曲线上的声音有相同的响度级

（2）音调

音调是频率的主观反映，频率的高低与音调的高低一致，但并不成简单的比例。频率不受声音强度的影响，音调可因强度不同而稍有差异。当声音在一般强度下，频率与音调的关系互相一致，但当强度增加时，低频率音调显得更低而高频率音调显得更高。心理声学在音调的主观计量时以“美”（mel）为单位，并规定1000Hz纯音（40dBSL时）的音调为1000美

（3a）音质

演奏相同音符的两种不同乐器所发出的连续声两者有区别（如：不相同的音调，响度和持续时间）。在音乐上的不同称为音色（timbre），但是在语言上称为音质。音质的不同依赖于频谱，各种乐器产生的声音是由若干频率和振幅不同的纯音组成。其中，频率最低而振幅最大的称基音，其他的频率成分称泛音，按频率由低到高的顺序称为第一泛音，第二泛音……

(3b)音色

泛音的频率与基音成整倍数关系。由于泛音数目不同造成的声音特性为音色。乐器的基音频率决定它的音调，而泛音的频率与强度决定它的音色(4)音长

人类对声音在时间上长短的感觉，以及对声音强度在时间上的变化的辨别具有很重要的意义，就音调而言音长的变化音调也有所变化。假如声刺激的持续时间比较短（约小于200ms），则与连续听到的相同声音相比，其响度降低了。持续时间愈短，声音的响度显得愈低。(测听1-2s)声音强度的测量和校准(1)声级计及仿真耳

声级计是用一定频率和时间计权来测量声压的便携式仪器。它可以用来测量和分析环境噪声及临床听力计校准等。声级计构成除了包括测试传声器及放大电路以外，还包括实现频率和时间计权特性的电路即所谓频率计权特性，就是通常所说的A、B、C、D计权网络，它们的曲线形状如图所示

声级计相应的时间计权特性与频率计权特性的采用，使测试结果在一定程度上反映人耳特性。所谓的时间计权特性实际上就是时间平均特性，对声级计而言，包括三种检波指示特性，即“快”（F）、“慢”（S）及“脉冲”（I）检波特性

听力学中常用的几种声信号

（1）纯音（puretone）

从物理意义上讲是指仅有一种振动频率的声音，是持续时间长，上升和下降时间缓慢的单一的正弦波，在频谱图上为相当于正弦波频率的一根垂直线，即为“线谱”（linespectrum）。在主观感觉判断上是指有明确的单音调感觉的声音（如音叉发出的声音）

临床纯音听阈测试采用的纯音为上升、下降时间不短20msec及持续时间不短于200msec的纯音 持续时间、上升、下降时间短的“短纯音”（toneburst）的能量会扩散到邻近频率，其频谱不再是“线谱”

（2）短纯音（toneburst）是指正弦波信号由一定的门控系统（gatingsystem）控制信号上升时间(rise-time)、下降时间(decay-time)及平台时程（duration）。短纯音的包络形态和声能扩散至邻近频率（其频谱有一定的边袢）的情况决定于它的持续时间，上升、下降时间和所用的门控系统

（3）短音（tonepip）

短纯音的特例，是指上升、平台、下降时间总时程比短纯音短，且平台（峰）不超过一个正弦波的声信号 短音常用于AEP测试和听觉电生理中测试动物的复合动作电位（CAP）

（4）短声（click）

指单个短声通常由短脉冲矩形波激励耳机（或扬声器）产生，其频谱较宽，一般在数百至数千Hz范围内相对声级都较接近，其能量分布范围还取决于耳机的频响特性，一般范围为0.3~5kHz。如图所示，为100us矩形波激励TDH-49型耳机所得短声（click）的时域波形图及频谱图

(5)噪声

噪声是一种不规则的，间歇的或者是随机的信号。白噪声是指在声频范围内各频率成分都有，并且各成分的强度（能量）大致均匀。白噪声通过特定滤波器只取较窄的频段，称为窄带噪声（以不同频率为中心的噪声带，临床听力计常用带宽约为1/3倍频程）

窄带噪声：在纯音听阈测试时作为掩蔽用的或声场测听用的噪声。它是白噪声通过恒定衰减的带通滤波器后产生的。特征参数有中心频率和带宽本底噪声：是指发生在检查、测量或记录系统中与有用信号无关的一切干扰言语噪声：在言语测试时作为掩蔽用噪声，250～1000Hz等能量，1～6kHz每倍频程衰减12dB

（6）调制声

调制声是声音中某一参量(振幅、频率、相位等)按一定时间特性发生调变，其他参量则是相对地恒定的。频率的调变称调频，强度的调变称调幅。调变的控制信号可以是矩形波、正弦波或其他波形。频率、强度均调变的称混合调制声，一般有较好的频率特性，常用作听觉稳态诱发电位的刺激声

啭音(warble)：啭音是指频率在某一平均值附近作周期性变化的声音，即对某一纯音（正弦波）作频率调制。在测量混响时间、声场测听和对幼儿及某些病人听阈测试等，常用它作为声源信号(7)言语声波

基频（男声80-210Hz女声100-300Hz和谐波（共振峰）成人男性 120Hz成人女性225Hz小儿 265HzCreakyvoice嘶哑声 20Hz辨别言语声所需最重要的能量取决于第二和第三共振峰/hi:d//hə:d//hɔ:d//bou//bɔi//bai//biə/

声音的多样性与声音的计量单位纯音脉冲声短时程音物理和主观的计量临床声刺激强度的标定

临床采用的声刺激其强度的量值可以通过如下几种方式予以标定

(1)声压级（dBSPL）基本标度单位 系指以最敏感的人耳听到的最小声强度（其绝对值约20μPa，micro-Pascal）为标度的相对声压均方根值

（2）峰等效声压级（dBpeSPL）为短时程音与纯音峰至峰相等振幅之纯音声压级，即在示波器上比较短音电脉冲峰幅和纯音信号的振幅关系而得出。为短时程音特有单位

(3)听力级（hearinglevel,HL）是根据一组听力正常的青年受试者对刺激声(纯音、短声、短音或短纯音)的主观反应阈求得的参考强度。例如一组听力正常的青年受试者其1kHz纯音平均主观反应阈是7.5dBSPL，以该数值作为0dBHL，那么，1kHz60dBSPL的纯音给予受试者(病人)，其声刺激强度可变换成(60-7.5＝52.5)dBHL，听力计所采用的单位为HL

纯音听力曲线图的由来（4）感觉级（Sensationlevel,SL）

系指个体单耳声刺激的主观反应阈值与刺激声的声压级的相关比较。例如刺激个体单耳其主观听阈30dBSPL，刺激声为90dBSPL，声刺激强度可转换成（90-30）dBSPL=60dBSL

（5）正常人听力级（dBnHL）

为听觉诱发电位(AEP)常用强度单位，以一组正常听力者(10～20名年轻人)对某一短时程音的平均行为听阈作为0dBnHL(短声的0dBnHL约为35dBpeSPL)—正常短声听阈为：36.4dBpSPL，39.9dBpeSPL，25.6dBSPL测量和校准中的几个概念(1)滤波通带及倍频程(2)计权网络

美国LarsonDavis824声级计

（3）声级

由声级计上通过计权网络读出的声压级数称为声级。由此可见，声压级与声级是不同的。前者是不加计权而后者则是加了计权（A、B、C、D中的一种）读出来