等響曲線

等響曲線

描述等響條件下聲壓級與聲波頻率的關係曲線稱為等響曲線,是重要的聽覺特徵之一。即在不同頻率下的純音需要達到何種聲壓級,才能獲得對聽者來說一致的聽覺響度。圖中每條曲線上對應於不同頻率的聲壓級是不相同的,但人耳感覺到的回響卻是一樣,每條曲線上注有一個數字,為響度單位,由等響曲線族可以得知,當音量較小時,人耳對高低音感覺不足而音量較大時,高低音感覺充分,人對1000Hz-4000Hz之間聲音最為敏感。A計權網路特性曲線對應於倒置的40方等響曲線,B計權網路曲線對應於倒置的70方等響曲線,C計權網路曲線對應於倒置的100方等響曲線。

定義

圖純音的標準等響曲線圖純音的標準等響曲線

如下圖所示。等響曲線是一個統計曲線,考慮了人群的聽覺特徵。圖純音的標準等響曲線。

在圖中,橫坐標是頻率,縱坐標是聲壓級。聲壓就是大氣壓受到擾動後產生的變化,即為大氣壓強的余壓,它相當於在大氣壓強上的疊加一個擾動引起的壓強變化。由於聲壓的測量比較容易實現,通過聲壓的測量也可以間接求得質點速度等其它物理量,所以聲學中常用這個物理量來描述聲波。聲壓級以符號SPL表示,其定義為將待測聲壓有效值p(e)與參考聲壓p(ref)的比值取常用對數,再乘以20。圖中每條曲線上對應於不同頻率的聲壓級是不相同的,但人耳感覺到的回響卻是一樣,每條曲線上注有一個數字,為響度單位,由等響曲線族可以得知,當音量較小時,人耳對高低音感覺不足而音量較大時,高低音感覺充分,人對1000Hz-4000Hz之間聲音最為敏感。

例如,1000Hz的聲音的聲強級是60dB,而另一個頻率的聲音聽起來與60dB的1000Hz聲音一樣響,則這個聲音的響度級就是60方;而60dB的100Hz純音和40dB的1000Hz純音等響,即兩者位於同一條40方等響曲線上。

上圖中,在圍繞1000Hz的中頻範圍內,等響度曲線相對比較低,說明人耳對中頻的回響敏感。在這個範圍之外的低頻和高頻兩邊,等響度曲線翹起,說明人耳對低頻和高頻聲音的敏感下降,以致當低於20Hz和高於20000Hz時,需要很大的聲強才有可能感覺聲音的存在。人耳能聽到聲音的最微弱強度,稱為聽覺閾(圖中虛線),產生疼痛感的最高聲音強度,稱為痛覺閾。聽覺閾和痛覺閾所構成的兩條等響度曲線,是等響度曲線的上下限。

響度主要決定於聲強,提高聲強,響度級也相應增加。但是聲音的響度不是唯一地決定於聲強。不同頻率的純音有不同的響度增長率。低頻純音的響度增長率比中頻純音要快。

概念形成過程

對於等響曲線的研究,最早可追溯到1927年Kingsbury的工作,由於他是對單耳聽覺條件下的等響曲線進行的測量,因此受到了一定限制。雖然等響曲線的測量可以在自由聲場、擴散聲場或耳機聽音情況下進行,但大多數發表的等響曲線都是在雙耳聽音或相對自由場條件下得到的。

首次雙耳聽音和相對自由場條件下的完整的等響曲線是由Fletcher和Munson於1933年獲得的,此後,陸續有學者都對等響曲線進行了研究。特別是Robinson和Dadson的研究成果更是被國際標準化組織所採納,並於1961年被制定成ISO/R266。此後,1975年針對響度的計算方法又形成了相應的標準ISO532。

自從制定ISO/R226後,等響曲線得到了廣泛的認可,直到1987年,Fastl和Zwicker發現了其中存在的問題。後來更多的研究者證實了其存在的更多差異。2003年,Suzuki和Takeshima根據新近的研究數據對標準等響曲線進行了重新修訂,公布了ISO226-2003版等響曲線。

性質

等響曲線與計權網路

用響度級來表示人們對聲音的主觀感覺過於複雜,於是為了簡單起見,在等響曲線中選了三條曲線,一條是40方的曲線,代表低聲壓級的響度感覺;一條是70方的曲線,代表中等強度的響度感覺;一條是100方的曲線,代表高聲強時的響度感覺。按照這三條曲線的形狀設計了A、B、C三條計權網路。A計權網路特性曲線對應於倒置的40方等響曲線,B計權網路曲線對應於倒置的70方等響曲線,C計權網路曲線對應於倒置的100方等響曲線。

在ISO 推薦的標準中,對噪聲測量方法作了以下規定:(1)當線性聲級未超過60dB時,採用A特性曲線的計權網路;(2)當60dB120dB時,則須採用C特性曲線的計權網路。

實踐證明,不論噪聲強度高還是低,A聲級都能很好的反映人對噪聲響度和吵鬧的感覺;而且,A聲級同人耳的聽力損傷程度也能夠對應的很好,即A聲級越高,損傷也越嚴重。

套用

20世紀70年代後,人們基本上都採用A聲級來作為評價標準,B聲級基本上不用了,C聲級只作為可聽聲範圍內的總聲級的讀數來使用。

聲音要素

聲音的強弱、音調的高低和音色的好壞,稱為聲音三要素。

聲音的強弱可用聲壓級、聲強級及響度級描述。

音調的高低取決於聲音的頻率,頻率越高,音調越高。相同的頻率變化對人耳總是產生相同的音調變化感覺。例如,把頻率提高一個倍頻程,從250Hz變到500Hz,或從2000Hz變到4000Hz,在音樂中均提高了“八度音”程。複音音調的高低,還與該複音的頻譜有關。

音色反映了複音的一種特性,它主要取決於複音的頻率成分及其強度,即由頻譜決定。樂音也是一種複音。在樂音中,頻率最低的聲音稱為基音,可據此來判斷音調。頻率是基音的整數倍的聲音稱為泛音。樂音的音色就是由聲源所發出的泛音的數目,泛音的頻率和強度所決定的。不同的樂器的基音和泛音不同,所以具有不同的音色。樂音的頻譜為線狀譜。

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