音频技术教程-第3章-人耳听觉特性课件.ppt

1、南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-6第三章第三章 人耳听觉特性人耳听觉特性3.1声音与音质声音就是声波作用于人的耳脑系统所产生的一种主观感觉。图图3-1人耳的听觉机理人耳的听觉机理第第三三章章 人人耳耳听听觉觉特特性性南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.1 3.1 声音与音质声音与音质 音响技术研究的最终目的是获音响技术研究的最终目的是获得最佳的听音效果得最佳的听音效果。人耳对声波所产生的反应就是听觉。主要表现在响度、音调、音色和音型。分别与振幅、频率、频谱和波形包络有关。同时还与人的生理因素、心理因素及文化素质等客观因素有关。3.1

2、 声声音音与与音音质质南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.1.1 3.1.1 响度响度 响度响度是人耳对声波强弱程度的主观感觉。它主要决定于声压或声强，而且与声波的频率也有一定的关系。声学上常用响度级响度级来描述响度。响度级的定义是：将一个声音与1kHz的纯音作比较，当听起来两者一样响时，这时1kHz纯音的声压级数值就是这个声音的响度级。响度级的单位是方(phon)。响度的单位是宋(sone)。国际上规定，频率为1kHz、声压级为40dB时的响度为1宋。南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-6大量统计表明，一般人耳对声压级的变化感觉是，声

3、压级每增加10dB，响度增加1倍，所以响度与声压级有如下的关系1)-(3 2N40-L1.0p式中：N为响度，单位为“宋”；Lp为声压级，单位为“dB”。表表3-1 响度与声压级的对应数据关系响度与声压级的对应数据关系(1000 Hz)响度(宋)1248163264128 256声压级(dB)405060708090100 110 120响度级(方)405060708090100 110 1203.1.1 3.1.1 响度响度南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-6等响曲线等响曲线是反映人耳对声压的主观感受的曲线。图图3-2 等响曲线等响曲线3.1.1 3.1.1 响度

4、响度南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.1.2 3.1.2 音调音调 音调音调是人耳对声音调子高低的主观感觉。音调的高低主要取决于声音的频率。频率越高,音调越高；频率越低，音调越低。图图3-3 钢琴琴键对应的频率关系钢琴琴键对应的频率关系南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.1.3 3.1.3 音色音色音色音色是人在主观感觉上区别同样响度和音调的两个声音不同的特性。图图3-4钢琴和黑管基音为钢琴和黑管基音为100Hz的音乐频谱的音乐频谱南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.1.4 3.1.4 音型音型

5、声音的谐波组成和波形的包络，包括声音起始和结束的瞬态，确定了声音的特征（尤其是表达的内容）。波形的包络指声音中的每个周波巅峰间的连线。图图3-5 钢琴声音波形的包络钢琴声音波形的包络南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-6 在每个声音起始的建立过程和结束后的衰减过程中，波形包络的形状对声音内容起决定性影响。当声音进入稳态过程以后，则波形（由谐波成份组成和它们的振幅比例所确定）的音调、音色，主要是音强对声音起决定性影响。声音第一周或开始几周的波形很可能与达到正常值或稳态时的波形很不相同。例如敲击某打击乐器，该振动由静止位置到最大位移按其自由频率振动，这个1/4周期的部分出

6、现起始瞬态。而且，往往开始几周的瞬时频率和波形与稳态情况相差甚多，有时会包含完全新的频率成 份在内。这种叫做瞬态的瞬间效应并不会持久，它与振动的起始和停止联系在一起，或发生在声音突变的时候。它们转瞬即逝，但对声音的特征会带来明显影响。3.1.4 3.1.4 音型音型南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.1.5 3.1.5 音质音质响度响度、音调音调、音色音色和音型音型的品质，共同决定了声音的音质。南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.2 3.2 声与音声与音 声音有双重意义，一指弹性介质中传播的压力、应力、质点位移和质点速度的变化；二

7、指上述变化作用于人耳所引起的感觉。为了清楚起见，前者可称声波，后者则称为声音。声和音亦有区别的，不能混淆，音是有调的声。3.2 声声与与音音南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.3 3.3 可听声范围可听声范围 一般的来说，声压级在0dB（1kHz）以上的声音人们是可以听到的，超过120dB人们听起来就觉得太响，耳朵会有痛感。可听声的强度范围约为-5+130dB，能够听到的最轻声音在3kHz附近。高于130dB的则称为痛阈。图图3-6 人耳的可听声范围人耳的可听声范围3.3 可可听听声声范范围围南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.4

8、3.4 人耳的听觉效应人耳的听觉效应掩蔽效应掩蔽效应 当强度不同的两个声音同时出现时，强度大的声音会把强度弱的声音淹没掉，此时人耳只能听到强度大的声音而听不到强度弱的声音。要听到强度弱的声音，必然要提高弱声音的强度，这种一个声音的阈值因另一个声音的出现而提高的现象称为听觉的掩蔽效应。掩蔽效应与听觉的传导系统无关，它是神经系统判断的结果，是由听觉的非线形产生的。3.4 人人耳耳的的听听觉觉效效应应南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-6一个纯音引起的掩蔽基本上是由它的强度和频率决定的，低频声音能有效地掩蔽高频声音，而高频声音对低频声音的掩蔽作用不大。为了消除用纯音做掩蔽实

9、验时受拍频的影响，改用窄带噪声代替纯音图图3-7 不同声级窄带噪声的掩蔽量不同声级窄带噪声的掩蔽量3.43.4 人耳的听觉效应人耳的听觉效应南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-6图图3-8 1.2kHz窄带噪声的掩蔽效应窄带噪声的掩蔽效应3.43.4 人耳的听觉效应人耳的听觉效应南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-6 上述掩蔽现象都发生在掩蔽声和被掩蔽声同时作用的情况下，故称为同时掩蔽。掩蔽效应也可以发生在两者不同时作用的条件下。被掩蔽声在前，掩蔽声作用在后的称为后掩蔽。被掩蔽声在后，掩蔽声作用在前的则称为前掩蔽。前掩蔽与听觉疲劳有些相似。在

10、实践中，后掩蔽更为重要，它的特点如下：1.被掩蔽声在时间上越接近掩蔽声，则阈值提高越大；2.掩蔽声和被掩蔽声相距很近时，后掩蔽作用大于前掩蔽作用；3.掩蔽声强度增加，并不产生掩蔽量的等量增加。例如，掩蔽声增加10dB，掩蔽阈只提高2dB，这和同时掩蔽的效果不同。3.43.4 人耳的听觉效应人耳的听觉效应南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.4.2 3.4.2 哈斯效应哈斯效应哈斯效应(Hass effect)，又称为延迟效应。(实验)南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.4.3 3.4.3 耳壳效应耳壳效应南华大学计算机学院汪凤麟南华

11、大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.4.4 3.4.4 双耳效应双耳效应由同一声源传来的声波，到达两耳时，总会产生不同程度的差别。这些差别主要有：声级差、时间差、相位差、音色差等。南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.4.5 3.4.5 人耳听觉的非线性人耳听觉的非线性人耳对音高变化的感受不是线形关系而是接近于对数关系。如I为人耳感受到的高度，R为音高的物理量，则 I=KlogR南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.4.63.4.6听觉疲劳和听力损失听觉疲劳和听力损失 人们在强声压环境里经过一段时间后会出现听阈提高的现象，即听力下

12、降。如果在安静的环境中停留一段时间，听力就能恢复，这种听阈暂时提高，事后可以恢复的现象称为听觉疲劳。如果听阈的提高即听力下降是永久性的、不可恢复的，则称为听力损失。图图3-12 人耳的听力损失人耳的听力损失南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.4.73.4.7强声暴露对听觉的危害强声暴露对听觉的危害强声暴露对听觉的危害有三种情况：第一种第一种是声创伤，指在一次或数次极强声波暴露中造成人耳器官组织的损害。声创伤总是要造成一定程度的永久性听力损失，严重时会导致耳聋。第二种第二种是暂时性听阈提高，即产生听觉疲劳。暂时性听阈提高值随声级增加和暴露时间增长而增大。第三种第三

13、种是永久性听阈提高。如果长年累月处在强噪声环境中，听觉疲劳难以消除且日趋严重，会造成永久性听阈提高即听力损失。南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.5 立体声原理立体声原理 时间差与相位差时间差与相位差 计算从一个声源发出的声波传达到聆听者两耳所产生的时间差时，可以近似地把人头当作一个球体处理，当声波沿聆听者的竖直对称平面偏离角的方向而传达到其两耳时所产生的时间差可以从图3-11得到2)-(3 sincht 3.5 立立体体声声原原理理南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.5.2 声级差与音色差声级差与音色差图图3-16 声级差与声级

14、差与之间的关系曲线之间的关系曲线南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-6图图3-17 男声声谱及其声压级与入射角男声声谱及其声压级与入射角的关系曲线的关系曲线3.5.2 声级差与音色差声级差与音色差南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.5.2 声级差与音色差声级差与音色差南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.5.2 声级差与音色差声级差与音色差南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.5.4 3.5.4 双扬声器实验双扬声器实验南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-

15、5-63.5.4 3.5.4 双扬声器实验双扬声器实验南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-6 实验还表明，声像方位角与两个声道的声压级有如下近似关系：9)-(3 sinsinRLRL式中：为声像的方位角；为扬声器的方位角；L、R分别为左、右声道的声压级。上式称为声像方位角的正弦定理。从实验结果可知:适当地改变两个扬声器之间的声音差可以获得所需的声像位置，这就提供了声音立体重发的另一种途径。近代双通路立体声的重发与模拟技术即以此为依据。3.5.4 3.5.4 双扬声器实验双扬声器实验南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.5.5 3.5.5 劳氏效应劳氏效应劳氏效应劳氏效应是一种仿真立体声范围的心理学效应。南华大学计算机学院汪凤麟南华大学计算机学院汪凤麟2023-5-63.5.6 3.5.6 鸡尾酒会效应鸡尾酒会效应 当有多个不同方向声源发声时，听音者只要集中注意去仔细聆听某个声源发出的声音，其他声源发出的声音就会被听音者所忽略，人们会将其他声源当成本底噪音。利用了人们听觉的鸡尾酒会效应，SIS系统将人声和音乐声放置在不同空间进行处理，使人声和音乐声产生一种油与水永不相亲的关系，听观众可以根据自己的需要选听人声或音乐声，人声和音乐声兼容放音的问题也就得到了很好地解决。鸡尾酒会效应鸡尾酒会效应(选听效应)