詳解人耳聽覺等響曲線!

2021-02-12 聲振之家

來源：朗德科技公眾號（ID：landtop-tech）

當用同樣的力氣講話的時候，為什麼我們總覺得女性的聲音要比男性的響？而在我們聽音樂的時候，為什麼需要用均衡器去調節不同頻率的能量分布，以獲得不同場景下的最佳聽音效果？接下來跟大家聊聊我們人耳對不同頻率聲音的響應。

當外界聲振動傳入人耳內，人們在主觀感覺上形成聽覺上聲音強弱的概念。人們習慣於地用「響」與「不響」來描述聲波的強度，但這一描述與聲波的強度又不完全等同。人耳對聲波響度的感覺還與聲波的頻率有關，即使相同聲壓級但頻率不同的聲音，人耳聽起來會不一樣響。例如，同樣是60dB的兩種聲音，但一個聲音的頻率為100Hz，而另一個聲音為1000Hz，人耳聽起來1000Hz的聲音要比100Hz的聲音響。要使頻率為100Hz的聲音聽起來和頻率為1000Hz、聲壓級為60dB的聲音同樣響，則其聲壓級要達到67dB。

為了定量地確定聲音的輕或響的程度，通常採用響度級這一參量。當某一頻率的純音和1000Hz的純音聽起來同樣響時，這時1000Hz純音的聲壓級就定義為該待定聲音的響度級。響度級的符號為Ln，單位為方 (phon)。例如，1000Hz的純音的響度級等於其聲壓級，對於其他頻率的聲音，通過調節1000Hz的純音的聲壓級，使它和待定純音聽起來一樣響，這時，1000Hz的純音的聲壓級就等於該待定聲音的響度級。對各個頻率的聲音作這樣的聽音比較，得出達到同樣響度級時頻率與聲壓級的關係曲線，這就是我們人耳的聽覺等響曲線。

圖1 ISO226-2003中給出的等響曲線

對於等響曲線的研究，最早可追溯到1927年Kingsbury[1]的工作，他首次完成了單耳聽覺條件下的等響曲線的測量。首次雙耳聽音和相對自由場條件下的完整的等響曲線由Fletcher 和Munson[2]在1933年給出，而其中的40phon的曲線成為至今仍廣泛使用的A聲級計權曲線的基礎。

國際標準化組織 (ISO) 依據Robinson和Dadson[3]在1956年完成曲線指定了等響曲線的推薦標準ISO R226-1961，但該標準一直到1987年才成為ISO的正式標準。可就在ISO標準曲線正式頒布的當年，Fastl和Zwicker[4]發現了其中存在的問題，後來有更多的研究者證實了其存在的更多差異。在日本東北大學Suzuki教授的主導下，對等響曲線進行了進一步細緻的測量研究，並修訂了ISO  226標準[5]，這就是我們前面給出的ISO 226-2003標準的等響曲線。

從等響曲線圖中我們發現，人耳對高頻的聲音更加敏感，同樣聲壓級下的高頻聲音響度級比低頻的高。一般女性發聲的高頻成分較多，而男性發聲的低頻成分相對較多，這就是在同樣力氣講話時（聲壓級相同），女性的聲音聽上去更加響的原因。

圖2 新舊等響曲線的對比

等響曲線在音頻信號處理、電聲器件設計以及心理聲學和音樂聲學等領域，乃至於主觀聲品質評價和聲設計中有著重要價值和廣泛應用。對於聽音設備和環境或者對聽覺產生主觀感受的設備，為了獲得良好的聽覺享受或者形成愉悅的聽覺感知，需要考慮到人耳的聽覺等響曲線和聽覺主觀反應特徵進行聲設計。

國內開展的針對中國人群的等響曲線的研究結果表明，中國人群的等響曲線和ISO 226公布的等響曲線存在一定的差異[6]，主要表現在中國人群在低頻以及高頻端的敏感性要強於西方人的測試結果。

圖3 中國人群等響曲線測試結果和國外的對比

參考文獻：

[1] B. A. Kingsbury. A Direct Comparison of the Loudness of Pure Tones. Phys. Rev. 29, 588 - 600 (1927)

[2] H. Fletcher, W. A. Munson. Loudness, its definition, measurement and calculation. J. Acoust. Soc. Am. 5, 82-108 (1933).

[3] D. W. Robinson, R. S. Dadson. A re-determination of the equal-loudness relations for pure tones. Br. J. Appl. Phys. 7, 166-181 (1956).

[4] H. Fastl, and E. Zwicker. Lautstärkepegel bei 400 Hz; Psychoakustische Messung und Berechnung nach ISO532B. Fortschritte der Akustik, DAGA '87, 189-193 (1987).

[5] Y. Suzuki, H. Takeshima. Equal-loudness-level contours for pure tones. J. Acoust. Soc. Am. 116(2), 918-933 (2004).

[6] 毛東興，王勇. 中國人群純音等響曲線的初步研究. 聲學技術， 2007年第2期。


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