聲學(xué)與聽覺特性

聲學(xué)與聽覺特性

聽覺器官的適宜刺激是聲音，而聲音包括兩種含義，在物理學(xué)上是指聲波，但在生理學(xué)上則是指聲波作用于聽覺器官所引起的一種主觀感覺。當(dāng)然這兩種含義是有內(nèi)在聯(lián)系的。在了解聽覺器官的生理前，我們首先需要了解聲音與聽覺聲波的性質(zhì)聲音是由物體振動所產(chǎn)生。在振動介質(zhì)(空氣、液體或固體)中某一質(zhì)點沿中間軸來回發(fā)生振動，并帶動周圍的質(zhì)點也發(fā)生振動，逐漸向各方向擴(kuò)展，這就是聲波。聲波的傳播不是介質(zhì)分子的直接位移，而是能量以波動形式的擴(kuò)展。聲波的能量隨擴(kuò)展的距離逐漸消耗，最后聲音消失。連續(xù)振動的音叉，使周圍的空氣分子形成疏密相間的連續(xù)波形。在空氣中傳播的聲波是縱波，在縱波中，介質(zhì)分子的振動方向和波前進(jìn)的方向平行。

根據(jù)物理學(xué)，聲波是一種振動的機(jī)械波，它的基本參數(shù)是頻率f(frequency)和振幅(amplitude)。頻率是某一質(zhì)點以中間軸為中心，1秒內(nèi)來回振動的次數(shù)(單位為赫茲Hz)，而質(zhì)點完成一次全振動經(jīng)過的時間為一個周期T，其單位為秒。顯然，f＝1/T。頻率與人耳主觀感覺聲音的音調(diào)有關(guān)。頻率越高，音調(diào)也越高。振幅是某一質(zhì)點振動時距中間軸的位移。對某一質(zhì)點而言，振幅隨時間周期性變化。距中間軸的最大位移為最大振幅。振幅與聲音的強(qiáng)度有關(guān)。聲波傳播時，介質(zhì)中每個質(zhì)點都是在自己的平衡位置做往返的簡諧運動，所謂簡諧運動就是質(zhì)點的位移幅度與時間變化的關(guān)系呈正弦函數(shù)關(guān)系。

人耳能感覺到的聲波頻率范圍在20～20000Hz，稱為音頻波。在這個頻率范圍以外的振動波，就其物理特性而言與聲波相似，但在人類不引起聲音感覺。

聲速亦稱音速，是聲波通過介質(zhì)傳播的速度，它和介質(zhì)的性質(zhì)與狀態(tài)(如溫度)等因素有關(guān)。在空氣中聲速為334.8m/s(22℃時)，水中聲速為1440m/s，在鋼鐵中聲速為5000m/s。聲音的種類-純音

現(xiàn)實世界中有各種各樣的聲音。從聽覺醫(yī)學(xué)角度來分類，我們常根據(jù)聲音的周期特性將其分為周期性聲音和非周期性聲音。周期性聲音包括純音和復(fù)合音，這是由于它們的波型都具有一定的重復(fù)性；而非周期性聲音則是由許多頻率、強(qiáng)度和相位不同的聲音無規(guī)律性地組合在一起形成。比如，日常生活的噪音就是一個例子，相比之下，非周期性聲音就不是那么受人歡迎了。

純音是含單一頻率，同時聲壓隨時間按正弦函數(shù)規(guī)律變化的聲波。在自然界和日常生活中很少遇到純音，純音可由音叉產(chǎn)生，也可用電子振蕩電路或音響合成器產(chǎn)生。

音叉(tuningfork)是呈“Y”形的鋼質(zhì)或鋁合金發(fā)聲器，各種音叉可因其質(zhì)量和叉臂長短、粗細(xì)不同而在振動時發(fā)出不同頻率的純音。在臨床耳科中應(yīng)用廣泛而簡便的聽力檢查方法之一就是音叉試驗，這個試驗就是利用音叉發(fā)出的不同頻率的純音測試患者的聽力狀況。臨床聽力檢查多用C調(diào)倍頻程的一組音叉，即C=64Hz、c=128Hz、c1=256Hz、c2=512Hz、c3=1024Hz、c4=2048Hz、c5=4096Hz，其中以C1和C2最為常用。512Hz純音的正弦波曲線［點擊下列音叉聽聲音］聲音的種類-復(fù)合音在自然界和日常生活中很少遇到純音，絕大部分都是復(fù)合音。復(fù)合音是由頻率不同、振幅不同和相位不同的正弦波疊加形成的，它也是—種周期性的振動波。常用的科學(xué)波形分析方法是Fourier分析法，純音和復(fù)音可以互相之間合成和分解。

在復(fù)合音波中頻率最低的成分(分音)稱基音。頻率與基音成整倍數(shù)的分音稱諧音(諧波)，2倍或3倍基音的分音分別稱二次或三次諧音。復(fù)合波之振幅是由基音的振幅和各組諧音的振幅重疊而成。若振幅方向相同則可相加；若振幅方向相反則須要相減。

復(fù)合音是多個物理參數(shù)不同的正弦波規(guī)律性疊加形成的。任何復(fù)雜的周期性振動都可以分解為許多諧波，這稱為傅里葉定律。把復(fù)雜的振動分解成各種頻率成分的過程稱傅里葉分析，也稱頻譜分析。聲音通過頻譜分析儀后分解成許多振幅和頻率不同的信號，將這些振幅不同的成分按頻率順序排列所描繪的圖形稱頻譜圖。聲音的種類-噪音噪音又稱噪聲，一般是指不恰當(dāng)或者不舒服的聽覺刺激。噪音由許多頻率、強(qiáng)度和相位不同的聲音無規(guī)律性地組合在一起形成，其特點為非周期性的振動，它的音波波形不規(guī)則，聽起來感到刺耳。一般來說，凡是妨礙人們學(xué)習(xí)、工作和休息并使人產(chǎn)生不舒適感覺的聲音，都叫噪音，如流水聲、敲打聲、沙沙聲，機(jī)器轟鳴聲等。噪聲又分為白噪聲、粉紅噪聲和褐色噪聲等。它的測量單位是分貝。

白噪聲（whitenoise）是指一段聲音中的頻率分量的功率在整個可聽范圍（20Hz～20kHz）內(nèi)都是均勻的。由于人耳對高頻敏感一些，這種聲音聽上去是很躁耳的沙沙聲。白噪聲具有連續(xù)的噪聲譜，包含有各種頻率成分的噪聲。它的功率譜密度與頻率無關(guān)。白噪聲廣泛用于環(huán)境聲學(xué)測量。

粉紅噪聲（pinknoise）是自然界最常見的噪音，簡單說來，粉紅噪聲的頻率分量功率主要分布在中低頻段。粉紅噪聲在人耳中聽到的是平直的頻率響應(yīng)——“非常悅耳的一種噪聲”，最常用于聲學(xué)測試。從波形角度看，粉紅噪聲是分形的，在一定的范圍內(nèi)音頻數(shù)據(jù)具有相同或類似的能量。粉紅噪聲的電平從低頻向高頻不斷衰減，其幅度與頻率成反比(1／f)。其幅度每倍頻程(一個8度)下降3dB。利用粉紅噪音可以模擬出瀑布或者下雨的聲音。

褐色噪聲（brownnoise）的頻率分量功率主要集中在低頻段。其能量下降曲線為1／f2，其波形是非常自相似的?？傮w來說，褐色噪聲有點和工廠里面的“轟轟隆隆”的背景聲相似。聲音的強(qiáng)度在物理學(xué)中，聲波在單位時間內(nèi)作用在與其傳遞方向垂直的單位面積上的能量稱聲強(qiáng)。日常生活中能聽到的聲音其強(qiáng)度范圍很大，最大和最小之間可達(dá)1012倍。用聲強(qiáng)的物理學(xué)單位表示聲音強(qiáng)弱很不方便。當(dāng)人耳聽到兩個強(qiáng)度不同的聲音時，感覺的大小大致上與兩個聲強(qiáng)比值的對數(shù)成比例。因此，用對數(shù)尺度來表示聲音強(qiáng)度的等級，其單位為貝爾(B)或分貝(dB)。聲強(qiáng)級(dB)＝10log(I/I0)

在聲學(xué)中用1×10-12watt/m2作為參考聲強(qiáng)（I0)。點擊圖片可聽見512Hz純音4個級別的聲音強(qiáng)度（以次遞減10dB）

在聽覺醫(yī)學(xué)研究中多采用聲壓或聲壓級表示聲音的強(qiáng)度。聲壓是指聲波傳播時介質(zhì)中心的壓強(qiáng)與無聲波傳播時的壓強(qiáng)之差。

聲壓級(soundpressurelevel,SPL)是指某聲壓P與參考聲壓P0比值的對數(shù)(10為底)。其單位亦為B或dB。因聲強(qiáng)與聲壓的平方成正比，故:SPL(dB)＝10log(P2/P20)＝10log(P/P0)2＝20log(P/P0)

聲壓級的參考聲壓規(guī)定為2×10－5Pa（20μPa）。在1～4kHz內(nèi)，這個聲壓強(qiáng)度接近正常人的聽閾。

當(dāng)某聲壓為參考聲壓的10倍時，聲壓級為20dB；同樣如果某聲壓為參考聲壓的100、1000或10000倍時，相應(yīng)的聲壓級即為40、60、80dB。須指出的是0dB并不意味著沒有聲音,而表示該聲音的強(qiáng)度與參考聲音的強(qiáng)度相等；－20dB則表示該聲音的強(qiáng)度為參考聲強(qiáng)的1/10。當(dāng)某一環(huán)境內(nèi)有兩臺機(jī)器(聲源)單獨運轉(zhuǎn)時，每臺機(jī)器發(fā)出的噪聲聲壓強(qiáng)為100dB；同時運轉(zhuǎn)時聲音能量增大1倍，但聲壓強(qiáng)僅增加了3dB。因此，總聲壓強(qiáng)為103dB，而不是200dB。聲強(qiáng)與響度的關(guān)系聲音的強(qiáng)度是客觀的，決定于單位時間內(nèi)作用于單位面積上能量的大小，可以用物理儀器(如聲級計)來測量。一定強(qiáng)度的聲波作用于人聽覺器官所引起的一種辨別聲音強(qiáng)弱的感覺稱為響度。響度是主觀的，它不僅決定于聲音的物理強(qiáng)度，而且與聲音的頻率也有一定關(guān)系。在強(qiáng)度相等時，1000～4000Hz的聲音人耳聽起來最響。在此范圍之外，隨著頻率的降低或升高，響度愈來愈弱，當(dāng)降至20Hz以下或升至20kHz以上時，則很難聽到。響度的單位為宋（sone）。頻率1000Hz，強(qiáng)度為聽閾以上40dB(感覺級)的純音所產(chǎn)生的響度為1sone。大體上，聲音(1000Hz純音)增加10dB(聲壓級)，其響度約增加1倍。由此可見，人耳主觀響度的感覺并不與聲音所含的能量呈線性關(guān)系，聲音能量增加近4倍，主觀感覺響度增加1倍。聲音頻率與音調(diào)頻率是聲音的物理特性，而音調(diào)則是頻率的主觀反映。一般，音調(diào)的高低與頻率的高低一致。頻率不變，強(qiáng)度的變化對音調(diào)稍有影響。強(qiáng)度增大時，低頻率音調(diào)顯得更低，而高頻率音調(diào)顯得更高。例如8192Hz的聲音在100dB強(qiáng)度下所產(chǎn)生的音調(diào)要比80dB時高，而128Hz在100dB時所產(chǎn)生的音調(diào)要比70dB時低。8192Hz的純音，前1秒聲音比后1秒低20dB，聽起來前1秒聲音的音調(diào)低于后1秒聲音的音調(diào)128Hz的純音，前1秒聲音比后1秒高30dB，聽起來前1秒聲音的音調(diào)低于后1秒聲音的音調(diào)

音調(diào)的單位為美（Mel）。頻率1000Hz聽閾以上40dB（感覺級）的純音所產(chǎn)生的音調(diào)為1000Mel，音調(diào)比它高1倍為2000Mel（大致相當(dāng)于3000Hz純音的音調(diào)）。當(dāng)頻率增加1倍時稱1個倍頻程（octave），相當(dāng)于音樂中音調(diào)增高一個八度音階。音色

人們在日常生活中所接觸到的聲音為復(fù)合音，其中的基音與諧音成分是聲音的客觀特性。人耳對復(fù)合音中各種諧音成分總和起來的主觀印象即為音色?；魹?00Hz的鋼琴聲與基音100Hz的黑管聲音的基音頻率相同，經(jīng)分析，鋼琴聲除100Hz振幅最大的基音外，還有15個振幅不同的諧音。同樣，黑管聲有9個諧音。因此人們可以區(qū)別同一頻率鋼琴聲與黑管聲。樂器的基音頻率決定音調(diào)，而諧音的頻率與振幅決定音色。聽閾與聽力大家都知道，我們把聽覺器官感受聲音的能力稱為聽力，而臨床上評價聽力好壞要找到一個可以用數(shù)字來規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，這個就是“聽閾”的作用了。

聽閾（hearingthreshold）就是聽到聲音的門檻。要引起人耳的聽覺，不是任何大小的聲音都可以，必須在聲音的強(qiáng)度達(dá)到一定的量值才行。在人耳聽覺可以感受到的20～20000Hz聲音頻率范圍內(nèi)，能引起人耳聽覺的最小聲音強(qiáng)度叫做聽閾。聽閾直接反映了聽覺感受器的靈敏程度，聽閾越低，表示很小的聲音就能聽到，說明聽力好，反之，聽閾高，表示很大的聲音才能聽到，說明聽力不好。

在臨床廣泛應(yīng)用的主觀聽力檢查中，通常用純音測聽的方法來了解一個人的聽閾高低。測試中通過給予只具有單一頻率成分的聲音即純音，當(dāng)能夠覺察到一半以上次數(shù)時的最小聲壓級即為該頻率的聽閾值，從而反映出聽力損失程度。臨床上測定聽力時，一般是把20歲左右的聽力正常人各頻率聽閾的平均值作為0dB，測定患者的聽力損失的分貝數(shù)。若該患者的聽力損失達(dá)30dB以上，即對該頻率的聽閾提高了30dB，可診斷為耳聾。上圖的每段頻率的下限標(biāo)線代表的就是聽閾值聽覺辨別閾人耳不光具有感受聲音刺激的功能，更重要的是還能根據(jù)聲音頻率和強(qiáng)度將不同的聲音區(qū)別開來。辨別閾是指聽覺系統(tǒng)能分辨兩個不同聲音在某種特性上最小差異的能力。能辨別的兩個聲音的最小頻率差稱頻率辨別閾，在人又稱音調(diào)辨別閾，它隨聲音的頻率而異。當(dāng)聲音強(qiáng)度為閾上60dB時，在250～4000Hz的范圍內(nèi)，頻率辨別閾為0.1％～0.45％。并且隨聲音頻率的增加而辨別閾值下降。隨著聲音刺激強(qiáng)度的增加，人耳辨別頻率的能力也下降，頻率辨別閾提高。［點擊下列圖片，可分別聽見每段聲音分別由前0.7秒和后0.7秒的兩片段純音組成，試判斷前后兩片段聲音是否為同一頻率