第4章-人耳的听觉特性

第四章

人耳的听觉特性声学基础第四章人耳的听觉特性主要内容听觉生理系统响度感分析音调感音色与谐和感人耳感知特性声学基础第四章人耳的听觉特性听觉生理系统声学基础第四章人耳的听觉特性声波通过人耳转化成听觉神经纤维中的神经脉冲信号，传到人脑中的听觉中枢，从而引起听觉。外耳由耳壳、耳道组成，到耳鼓为止。耳壳的作用是使耳道和空气之间阻抗匹配，从而让更多的声能进入耳道。这种匹配作用在800Hz左右最好，在高频段也比较有效，但在低于400Hz时这种阻抗匹配作用的性能变差。外耳道的作用是使声音从耳廓传到耳膜，并保护耳膜不受外界物体的机械损伤。耳道的长度大约为27mm，直径为5~7mm，其共振频率约为3000Hz，外耳道的共振效应是决定听力灵敏度的一个重要因素。听觉生理系统声学基础第四章人耳的听觉特性声学基础第四章人耳的听觉特性中耳连接外耳和内耳，耳膜因受力而振动，进而推动中耳室内的三块互相连接的听小骨运动。这三块听骨分别为锤骨、砧（zhēn）骨、镫（dèng）骨，起杠杆放大作用。中耳室内充满了空气，其体积约为2cm3。中耳通过欧氏管和鼻腔相连，平时欧氏管封闭，当它打开时可以形成一个沟通耳腔和口鼻腔的大气通道，用以宣泄耳腔内压强的剧增。中耳室内倾壁上有向内耳的两个开口：卵形窗和圆形窗。圆形窗由封闭膜封闭，卵形窗被镫骨的底板和联系韧带所封闭。两个窗口的内侧是充满液体的耳蜗。中耳的作用是通过听骨的运动把外耳的空气振动和内耳的液体运动有效地耦合起来。听觉生理系统声学基础第四章人耳的听觉特性听觉生理系统声学基础第四章人耳的听觉特性声学基础第四章人耳的听觉特性内耳的主要部分是耳蜗，耳蜗的外形有点像蜗牛壳，它围绕着骨质中轴盘旋了2.75转，长约35mm，中轴是中空的，是神经纤维的通道。耳蜗中间由骨质层和基底膜把它隔成两半，上部为前庭阶，下部为鼓阶。前庭阶和鼓阶内充满淋巴液。鼓膜振动经过听小骨的杠杆作用使镫骨的振动通过圆卵窗激发耳蜗内淋巴液波动，波动传到蜗顶时又通过小孔传入鼓阶内，最后被圆卵窗吸收。淋巴液中的波动使基底膜产生弯曲振动。附在基底膜上的柯氏螺旋器官，上面有大量的神经末稍元——毛细胞，它们在液体的运动作用下发生变形，形成神经脉冲信号，通过听觉传导神经传至大脑听觉中枢。这就是听觉产生的全过程。在强声级作用下，毛细胞基将会因拉伸应力而产生疲劳以致发生损害。需要注意的是，这种损害是不能恢复的。声学基础第四章人耳的听觉特性耳朵的结构功能类比图听觉生理系统声学基础第四章人耳的听觉特性声学基础第四章人耳的听觉特性一个声音信号可以用声强（或声压）的三个客观物理量幅度、频率和相位来描述。对于人们的主观感觉，声音则可以用响度、音调和音色来描述。声音的响度与声波振动的幅度有关；音调高低与声音的频率有关，复杂声音的频谱（其谐波成分和它们的相对关系）决定了声音的音色。主要内容听觉生理系统响度感分析音调感音色与谐和感人耳感知特性声学基础第四章人耳的听觉特性感觉阈限与韦伯定律响度、响度级等响曲线响度感分析声学基础第四章人耳的听觉特性响度感分析响度是判断声音强弱的一种属性。人耳感觉的响度主要取决于声音的强度，但它与声音的频率和波形也有关。听觉系统能否听到声音，取决于声音的频率和强度，正常的听觉频率范围为20Hz~20KHz，强度范围为-5dB~130dB。声学基础第四章人耳的听觉特性使声音听得到的最低声压称为听阈，它和声音的频率有关。听觉区域的上限有时取在不舒服阈，它的声压级大约为120dB，与频率无关。但更常用的是取140dB声压级的痛阈为极限。大于140dB的声音会使人感觉到疼痛，在150~160dB的声场内会使人耳发生急性损伤。响度感分析声学基础第四章人耳的听觉特性响度感分析声学基础第四章人耳的听觉特性人的感觉阈限实际上包括两个概念，一是绝对阈限，即人的某个感知器官对某种刺激的最小和最大感知限度；另一个是差别阈限，即人的感知系统对刺激变化的最小感知限度。人能区分出不同声音信号之间哪怕是非常小的差异，这种差别可以发生在声音的强度、频率或时间上。在心理声学上，我们把这种能力称为差阈（differencelimen）或最小可察觉差异（justnoticeabledifferenceJND）差阈是人能识别两个物理信号之间的最小差值，用物理量表示。感觉阈限与韦伯定律声学基础第四章人耳的听觉特性绝对阈限：刚刚能引起感觉的最小刺激强度差别阈限：刚刚能引起差别感觉的刺激之间的最小差别阈限是一个统计学上的概念，是经过多次测量实验得到的平均值。韦伯定律就是有关差别阈限的定律一般来说，这个定律只适用于中等强度的刺激感觉阈限与韦伯定律声学基础第四章人耳的听觉特性韦伯定律通俗地讲就是：添加一个刺激所产生的心理效应感觉要受到已经存在的刺激的影响。其中△s：感觉变化，△Q：刺激变化，Q：已存在的刺激感觉与刺激的对数成正比，而不是与刺激成正比。感觉阈限与韦伯定律声学基础第四章人耳的听觉特性将Weber定律用于对音高的感觉的判断音高感觉=两个纯音和

的音高感觉的差别为：感觉阈限与韦伯定律声学基础第四章人耳的听觉特性对声音响度的感觉首先决定于耳膜振动的振幅，而响度感的处理是通过两个通道达到的，一是机械处理，二是神经处理，完成将强度变化在十几个量级范围内的物理振动压缩到了主观感受上3个量级范围内的变化。而人耳基底膜上的毛细胞（神经末梢）的分布，对响度感及系统频率特性的形成有着重要的影响。在中频区毛细胞的密度较大，表明中频区的音响感灵敏度较大。人耳觉察到的声音的大小强弱与声音的强度有关，但不完全由强度决定。因为人耳的振动系统、传递系统、振动到神经信号的转换系统等都与频率有关，因而主观的强弱感觉也受到频率的影响。响度级正反映了这种关系。响度、响度级声学基础第四章人耳的听觉特性响度级：单位为方（phon），用符号LN表示以1000Hz的纯音为基准声音，将其它频率的纯音和1000Hz纯音相比较，调整前者的声压级，使得听者判断两个纯音一样响，则称该纯音的响度级（方值）在数值上与那个等响的1000Hz的纯音的声压级（dB值）相等。响度、响度级声学基础第四章人耳的听觉特性响度：单位为宋（sone）

40方为1宋，50为2宋，60为4宋，70方为8宋……

即响度级每改变10方，响度相应改变一倍适用范围是：20~120方响度、响度级声学基础第四章人耳的听觉特性等响曲线整个可听范围的纯音响度级，就是等响曲线。曲线表示了响度级，声压级与频率三者之间的关系，反映了人耳对各频率的灵敏度。声学基础第四章人耳的听觉特性等响曲线等响曲线声学基础第四章人耳的听觉特性人耳响度感的特点人耳对高频声，尤其是2000Hz~5000Hz声音敏感而对100Hz以下的低频声不敏感。对3000Hz的声音最敏感，这与人耳的机械共振特性有关。耳道长度为3cm左右，3000HZ声波的1/4波长为3.75cm，所以此频段的声波信号在耳道中容易发生共振。例：响度级为60方时1000Hz60dB100Hz67dB30Hz90dB3000Hz~5000Hz52dB等响曲线声学基础第四章人耳的听觉特性当声压级较小，频率较低时，对某一声音来说，声压级（分贝值）和响度级（方值）的差别很大。例：SPL=40dB时50Hz听不见，低于听阈80Hz20方1000Hz40方当声压级高于100dB时，等响曲线逐渐拉平。这说明当声音达到一定程度（>100dB），声音的响度决定于声压级，而与频率关系不太大。等响曲线声学基础第四章人耳的听觉特性最高最低频率可听极限

一般地，青少年20~20KHz,中年30~15KHz,老年100~10KHz。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135~140dB。下限频率与频率有关。最小可辩阈（差阈）

声压级变化的察觉：

一般是1dB

3dB以上有明显感觉

频率变化的察觉：

一般是3%，低频时3Hz。

等响曲线声学基础第四章人耳的听觉特性音调感音高的心理评价单位为美尔

mel取40方的1000Hz纯音的音高作为标准，定为1000mel，若一纯音听起来调子高一倍的为2000mel，调子低一倍的称为500mel，以此类推，可建立起整个可听频率的音高标准。人耳对声音高低的感觉主要与频率有关。频率高，感到音细、高；频率低，感到音粗、低。音高与频率有正相关的关系，但没有严格的比例关系，且因人而异。声学基础第四章人耳的听觉特性一般的声音都是由发音体发出的一系列频率、振幅各不相同的振动复合而成的。这些振动中有一个频率最低的振动，由它发出的音就是基音（fundamentaltone），其余为泛音。发音体整体振动产生的音（振动长度越大，频率越小），叫做基音，决定音高；发音体部分振动产生的音，叫做泛音（谐音），决定音色；基音和泛音结合一起而形成的音，叫做复合音（复音），日常我们所听到的声音多为复合音。音色与谐和感音色与谐和感乐音一般来讲是一个复音，是一系列频率独立并呈简单整数比的纯音的叠加，描述这样一个复音有三组数据一个乐音的音色主要决定于它的频谱，在某些情况下它的时值和衰减特性也有助于音色的判断。声学基础第四章人耳的听觉特性音色与谐和感在音色的鉴别中，涉及到的只是最初的0~7个谐音，再往上更高阶次的谐音对音色的贡献并不显著。根据听觉的位置理论，复音中各阶谐音在基底膜上所对应的共振区域呈对数分布，因此越高阶的谐音对应的共振区域越彼此聚集，甚至彼此覆盖，到第6阶以后的谐音，相邻的两个谐音的在基底膜的两个对应区域之相互混迭，并覆盖在一个临界带以内，很难在感觉上将它们彼此分开。频谱成分不同，音色的主观感觉也就不同，例如，音色呆板、干涩则说明缺乏足够的高阶谐音；音色明亮、高亢表明高阶谐音丰腴；而当偶次谐波不存在时，声音则显得低沉，不够明亮。声学基础第四章人耳的听觉特性主要内容听觉生理系统响度感分析音调感音色与谐和感人耳感知特性声学基础第四章人耳的听觉特性人耳感知特性掩蔽效应双耳定位鸡尾酒效应哈斯效应空间感声学基础第四章人耳的听觉特性

掩蔽效应人耳对一个声音的听觉灵敏度因另外一个声音的存在而降低的现象叫掩蔽效应。[掩蔽量]听阈提高的分贝数[掩蔽阈]提高后的听阈一个声音能被听到的条件是这个声音的声压级不仅要超过听者的听阈，而且要超过它所在背景的噪音环境中的掩蔽阈。声学基础第四章人耳的听觉特性分清掩蔽声和被掩蔽声几种典型的频域掩蔽纯音对纯音的掩蔽窄带噪声对纯音的掩蔽作用

宽带噪声对纯音的掩蔽频域掩蔽频域掩蔽是指掩蔽声与被掩蔽声同时作用时发生掩蔽效应，又称同时掩蔽。掩蔽声在掩蔽效应发生期间一直起作用，是一种较强的掩蔽效应。

掩蔽效应声学基础第四章人耳的听觉特性纯音对纯音的掩蔽（1）掩蔽音强度提高，掩蔽效果随之增加，而且掩蔽音愈强，它的影响范围也愈大，即能掩蔽更多种频率的声音。（2）掩蔽音对于频率相近声音的影响最大。（3）低频对高频的掩蔽效果大于高频对低频的掩蔽。

掩蔽效应声学基础第四章人耳的听觉特性窄带噪声对纯音的掩蔽窄带噪声的掩蔽作用要大于与窄带噪声中心频率相等且强度相同的纯音的掩蔽作用。声压较低时，窄带噪声的掩蔽区域仅限于中心频率附近较窄的范围内声级越高，掩蔽区域越宽，且对高于中心频率的声音掩蔽作用较大。宽带噪声对纯音的掩蔽一个宽带噪声可以在很宽的频率范围内对纯音产生掩蔽作用。和纯音掩蔽相似，低频声对高频声的掩蔽作用较强；而高频声对低频声掩蔽作用相对要弱一些，并且掩蔽声级越高，掩蔽量越大。

掩蔽效应声学基础第四章人耳的听觉特性时域掩蔽超前掩蔽：5ms-20ms滞后掩蔽：50ms-200ms在时间上相邻的声音之间的掩蔽现象，称为时域掩蔽。产生时域掩蔽的主要原因是人的大脑处理信息需要花费一定的时间。

掩蔽效应声学基础第四章人耳的听觉特性双耳定位双耳定位是指利用听觉器官判断发声体的空间方位。

对声源方向的判断，主要有三种双耳线索：

强度差IID

时间差ITD

相位差IPD声学基础第四章人耳的听觉特性主要依据是声音达到两耳的时间差。双耳定位来判断声源方向的准确度很高，但判断远近的准确度较差。人耳判断声源的方位主要靠双耳定位，对时间差和强度差进行判断。人耳的水平方向感要强于垂直方向感。通常，频率高于1500Hz强度差起主要作用；低于1500Hz时，时间差起主要作用。双耳定位声学基础第四章人耳的听觉特性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。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”。③鸡尾酒效应声学基础第四章人耳的听觉特性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。③鸡尾酒效应声学基础第四章人耳的听觉特性哈斯效应证明：

在两个发声强度相同的声源同时发声时，根据一个声源与另外一个声源的延时量不同时，双耳听声的感受是不同的。

具体可分为四种情况。④哈斯效应声学基础第四章人耳的听觉特性①两个声源中彼此没有延时，而同时到达听声者，感觉到声音从两个声源中间发出。④哈斯效应声学基础第四章人耳的听觉特性②两个声源