第四章-人耳的听觉特性

80Hz 20方
1000Hz 40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。
声学基础
③ 等响曲线
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。
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。
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第四章 人耳的听觉特性
声学基础
第四章 人耳的听觉特性
➢听觉生理系统
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。
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➢听觉生理系统
第四章 人耳的听觉特性
声学基础
第四章 人耳的听觉特性
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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。
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。
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➢音色与谐和感
第四章 人耳的听觉特性
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。
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第四章 人耳的听觉特性
② 响度、响度级
响度：单位为宋（sone）
适用范围是：20~120方
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
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第四章 人耳的听觉特性
③ 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
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第四章 人耳的听觉特性
① 感觉阈限与韦伯定律
韦伯定律通俗地讲就是：添加一个刺激所产生的心理效应 感受要受到已经存在的刺激的影响。
s k Q Q
其中 △s：感觉变化， △Q：刺激变化， Q：已存在的刺激
s klnQ=klogQ
感觉与刺激的对数成正比，而不是与刺激成正比。
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第四章 人耳的听觉特性
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。
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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
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➢人耳感知特性
• 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。
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第四章 人耳的听觉特性
① 掩蔽效应
时域掩蔽
•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。
超前掩蔽：5ms-20ms
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第四章 人耳的听觉特性
① 感觉阈限与韦伯定律
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
差别阈限(I) 标准刺激(I)
常数k<1
一般来说，这个定律只适用于中等强度的刺激
例：响度级为60方时
1000Hz 60dB
100Hz 67 dB
30Hz90 dB源自3000Hz~5000Hz 52 dB
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③ 等响曲线
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
① 掩蔽效应
a) 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。
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第四章 人耳的听觉特性
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第四章 人耳的听觉特性
① 掩蔽效应
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。
b) 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。
c) 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。
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第四章 人耳的听觉特性
② 响度、响度级
响度级：单位为方（phon），用符号LN表示
测试音
标准音 1000HZ
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。
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。
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。
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➢听觉生理系统
空气声感受器
空气声转换为 骨导声
（能量处理）
外耳
中耳
第四章 人耳的听觉特性
结构声能转换 为液体声，机 械振动转换为
神经脉冲
内耳
放大器
频率分析与信 号处理器
拾音器
耳朵的结构功能类比图
滞后掩蔽：50ms-200ms
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② 双耳定位
第四章 人耳的听觉特性
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：
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第四章 人耳的听觉特性
① 感觉阈限与韦伯定律
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。（difference limen ） 或 最小可察觉差异（just noticeable difference JND） 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。
① 感觉阈限与韦伯定律
将Weber定律用于对音高的感觉的判断
音高感觉= klog 纯音的频率 两个纯音 f1和 f 2 的音高感觉的差别为：
p p0 p1 k lg f2 k lg f1
k lg f2 f1
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第四章 人耳的听觉特性
② 响度、响度级
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。
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第四章 人耳的听觉特性
① 掩蔽效应
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。
几种典型的频域掩蔽
a)纯音对纯音的掩蔽 b)窄带噪声对纯音的掩蔽作用 c) 宽带噪声对纯音的掩蔽
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第四章 人耳的听觉特性
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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
➢响度感分析
第四章 人耳的听觉特性
① 感觉阈限与韦伯定律 ② 响度、响度级 ③ 等响曲线
声学基础
➢响度感分析
第四章 人耳的听觉特性
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
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。
① 掩蔽效应 ② 双耳定位 ③ 哈斯效应 ④ 空间感
第四章 人耳的听觉特性
声学基础
第四章 人耳的听觉特性
① 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
掩蔽阈
掩蔽量
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
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
➢听觉生理系统
第四章 人耳的听觉特性
声学基础
➢听觉生理系统
第四章 人耳的听觉特性
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。
了人耳对各频率的灵敏度。
测试音
标准音 1000HZ
声学基础
③ 等响曲线
第四章 人耳的听觉特性
等响曲线
声学基础
③ 等响曲线
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。
•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。
声学基础
➢音调感
第四章 人耳的听觉特性
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500 mel，以此类推，可建立起整个可听频率的音高标 准。
声学基础
➢ 音色与谐和感
第四章 人耳的听觉特性
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。
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
声学基础
➢响度感分析
第四章 人耳的听觉特性