朗德科技2021年12月28日
引言
生活當(dāng)中有這樣的例子：一個(gè)是吵鬧的噪音，另一個(gè)是悅耳的音樂(lè)，聲壓級(jí)幾乎一致，但你聽(tīng)到的感受完全不一樣，這是為什么呢？
之前還聽(tīng)過(guò)一個(gè)有趣的說(shuō)法：如果森林中的一棵樹倒下（圖1），但沒(méi)人聽(tīng)到這棵樹倒下時(shí)的聲音，那么它到底發(fā)出聲音了嗎？或者說(shuō)：它發(fā)出聲音了，但你聽(tīng)到了嗎？
圖1 森林里的大樹倒下（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
其實(shí)這些很有意思的問(wèn)題都涉及到人耳的聽(tīng)覺(jué)機(jī)理。盡管每個(gè)人的耳朵形狀不一致，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本一致。
人的耳朵是由外耳、中耳和內(nèi)耳三部分組成的（圖2），每個(gè)結(jié)構(gòu)都有其不用的組成和生理功能。外耳由耳廓和外耳道構(gòu)成，主要功能就是收集聲波、聲源定位（通過(guò)雙耳實(shí)現(xiàn)）、傳遞聲音到中耳、對(duì)聲波增壓。中耳主要是鼓膜和聽(tīng)小骨組成，經(jīng)過(guò)鼓膜的振動(dòng)傳導(dǎo)聲波，聽(tīng)小骨也有擴(kuò)音的作用。內(nèi)耳主要由耳蝸和聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)組成，將聲音振動(dòng)轉(zhuǎn)化成生物能，傳遞給大腦。
圖2 人耳結(jié)構(gòu)
所以我們感知聲音的基本過(guò)程就是：外面?zhèn)鱽?lái)的聲音經(jīng)過(guò)外耳引起鼓膜振動(dòng)，經(jīng)過(guò)聽(tīng)小骨及其他組織傳遞給耳蝸，聽(tīng)神經(jīng)再把信號(hào)傳給大腦，這樣我們就聽(tīng)到了聲音。
因此有人把人耳比作麥克風(fēng)，但這其實(shí)只說(shuō)明了它的一部分功能。麥克風(fēng)是把環(huán)境當(dāng)中的聲音全部記錄收集起來(lái)，而人耳卻只能感受到其中的一部分。
圖3中顯示了人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍，能看出以下幾點(diǎn)：
a) 較低或較高的頻率需要更大的聲壓級(jí)才能被聽(tīng)到
b) 音樂(lè)能發(fā)出的頻率范圍約在50Hz~10kHz內(nèi)
c) 語(yǔ)音的頻率范圍約在200Hz~6000Hz內(nèi)
d) 當(dāng)環(huán)境音達(dá)到約110dB以上時(shí)會(huì)對(duì)人耳有損傷的風(fēng)險(xiǎn)
e) 聽(tīng)覺(jué)痛感閾值約在130dB以上
f) 不同人對(duì)高頻音的敏感度不同，
圖3 人耳聽(tīng)覺(jué)范圍
聽(tīng)覺(jué)對(duì)每個(gè)人來(lái)說(shuō)都是很重要的，但是你了解自己耳朵都有哪些特性嗎？
人耳有七大聽(tīng)覺(jué)效應(yīng)：掩蔽效應(yīng)、雙耳效應(yīng)、雞尾酒會(huì)效應(yīng)、顱骨效應(yīng)、多普勒效應(yīng)、回音壁效應(yīng)、哈斯效應(yīng)。
人耳的掩蔽效應(yīng)（Masking Effects）是一個(gè)聲音的聽(tīng)覺(jué)靈敏度因另外一個(gè)聲音的存在而降低。這種現(xiàn)象普遍存在于我們的生活當(dāng)中，比如在吵鬧的街道上，我們需要比平時(shí)更大聲的說(shuō)話才能被人聽(tīng)到。
雙耳效應(yīng)（Binaural Effect），其實(shí)就是依靠雙耳的時(shí)間、音量、相位、音色差等來(lái)“聽(tīng)聲辨位”。
雞尾酒會(huì)效應(yīng)（Cocktail Effect）也算是掩蔽效應(yīng)的一種，人耳的這種選擇性收聽(tīng)可以讓你在雞尾酒會(huì)上，嘈雜的人群當(dāng)中依然可以順利的交談。
。。。
這些效應(yīng)使得我們對(duì)人耳有更多的了解，同時(shí)也需要我們對(duì)人耳進(jìn)行更多的客觀研究。而心理聲學(xué)就是客觀量化這些人耳對(duì)聲音的感受，比如響度（Loudness）、尖銳度（Sharpness）等等。
響度的由來(lái)
響度（Londness）又稱音量，是人耳感受到的聲音大小，表達(dá)一種主觀感受量，是人耳能判別聲音由輕到響的概念，同時(shí)也是心理聲學(xué)當(dāng)中的重要參數(shù)。
響度的大小不僅取決于聲音的強(qiáng)度（如聲壓級(jí)SPL），還與它的頻率、波形有關(guān)系。就比如森林里的那顆大樹倒下時(shí)，聲波傳播的越遠(yuǎn)，響度越小，可能已經(jīng)遠(yuǎn)到你聽(tīng)不見(jiàn)它的聲音。
人耳對(duì)不同強(qiáng)度的聲音的響應(yīng)是非線性的，這種非線性的響應(yīng)就是響度。
為了讓響度和聽(tīng)覺(jué)感知呈線性關(guān)系，心理學(xué)家斯坦利·史蒂文引入了一個(gè)響度單位“宋”（sone）：符號(hào)為N，定義1kHz、聲壓級(jí)為40dB純音的響度為1sone。
與之對(duì)應(yīng)的另一個(gè)物理量響度級(jí)（Loudness level），符號(hào)單位為方（phon）。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，響度級(jí)每增加10方，響度增加一倍。
二者關(guān)系為：
（此時(shí) phon）
從心理聲學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，在 40 phon 以上的區(qū)域，當(dāng)聲強(qiáng)提高十倍時(shí)，人類的聽(tīng)覺(jué)感知只會(huì)提升兩倍。這可能是因?yàn)樵谔嵘晱?qiáng)時(shí)，聽(tīng)覺(jué)細(xì)胞會(huì)出現(xiàn)飽和，使得給予大腦的信息不能按比例增加。
這樣的主觀量與客觀量之間的冪函數(shù)關(guān)系，在人對(duì)外界刺激的感知中是普遍存在的。
與聲強(qiáng)等不同，響度是受主觀感受影響的物理量。在同等聲音的強(qiáng)度下，不同頻率的聲音會(huì)造成不用的聽(tīng)覺(jué)感受，也就如文中開篇提到的兩個(gè)音頻造成的聽(tīng)覺(jué)感知不同。
因此對(duì)響度進(jìn)行度量時(shí)，要對(duì)不同頻率下的聲音做出修正。
通常使用等響度曲線來(lái)表示人耳的聽(tīng)覺(jué)特性。從國(guó)標(biāo)GB/T4963-2007定義的等響度曲線上（圖4）可以看出，要想人耳聽(tīng)到的響度相同，低頻和高頻區(qū)域所需要的聲壓級(jí)更大，中頻段所需的聲壓級(jí)較小。
圖4 GB/T4963-2007等響度曲線
等響度曲線的橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為聲壓級(jí)。在同一條曲線之上，所有頻率和聲壓的組合，都有著一樣的響度。
最下方的曲線表示人類能聽(tīng)到的最小的聲音響度，即最小聽(tīng)閾。等響曲線反映了響度聽(tīng)覺(jué)的許多特點(diǎn)：
聲壓級(jí)越高，響度級(jí)一般也越高。
響度跟頻率有關(guān)，相同聲壓級(jí)的純音，頻率不同，響度也不同。
對(duì)于不同頻率的純音，提高聲壓級(jí)帶來(lái)的響度增長(zhǎng)，也有所不同。
可以說(shuō)是等響曲線是將客觀聲音和人耳主觀感受搭起了橋梁。
眾所周知，聲學(xué)常用的A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)（圖5）就基于此等響度曲線中的40 phon曲線得到的：
圖5 A計(jì)權(quán)曲線
響度的ISO標(biāo)準(zhǔn)
響度作為以客觀量來(lái)描述人耳主觀聽(tīng)覺(jué)感受的重要參數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程也是由來(lái)已久的。
1933年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位物理學(xué)家哈維·弗萊徹（Harvey Fletcher）和威爾登A·蒙森（Wilden A. Munson）發(fā)表了一篇題為《響度及其定義、測(cè)量和計(jì)算》的論文，發(fā)現(xiàn)人耳的對(duì)聲音響應(yīng)并非線性的。他們以純音作實(shí)驗(yàn)，通過(guò)大量的聽(tīng)音實(shí)驗(yàn)得出不同頻率和聲壓的組合，使得聲音能造成相同的聽(tīng)覺(jué)感知。他們將結(jié)果畫成曲線，稱為弗萊徹－蒙森曲線（Fletcher–Munson curves）。
1956年，另一個(gè)版本：羅賓遜－達(dá)森曲線（Robinson–Dadson curves）出現(xiàn)了。
2003年，在更加國(guó)際化的廣泛調(diào)查研究基礎(chǔ)之上，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織發(fā)布了作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的ISO226:2003，稱為等響度曲線（Equal-loudness curves）：
圖6 ISO 226:2003等響度曲線
自從1933年Fletcher提出響度以來(lái)，響度一直是心理聲學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，此后多位科學(xué)家提出了多種響度計(jì)算模型。
直到Stevens響度計(jì)算模型和Zwicker響度計(jì)算模型出現(xiàn)，后來(lái)成為1975年的ISO標(biāo)準(zhǔn)模型。ISO532-A和B就是分別以這兩個(gè)模型為基礎(chǔ)。
下面為大家列出了常見(jiàn)的三種響度計(jì)算模型：
一、Stevens響度計(jì)算基于倍頻程，以倍頻帶聲壓級(jí)與倍頻帶等響度曲線對(duì)比，得到各倍頻程帶的響度，再利用公式計(jì)算得到總響度，ISO532-A既是如此；但這種方法早已廢除，它不常用，而且對(duì)于含有高音調(diào)成分的聲音計(jì)算不準(zhǔn)確。
二、Zwicker響度計(jì)算方法，是基于Bark頻帶理論。簡(jiǎn)單來(lái)講，就是把人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍分為24個(gè)Bark的聽(tīng)覺(jué)臨界帶（與人耳的非線性頻率特性類似），分別計(jì)算出響度，通過(guò)圖形計(jì)算法得到響度總和。而ISO532-B就是基于此模型得到的。
DIN45631也是基于此模型計(jì)算并一步一步改進(jìn)修訂的。
三、Moore響度計(jì)算方法，是基于ERB（Equivalent Rectangular Bandwidth），美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI S3.4-2007就是這個(gè)算法。它在Zwicker模型的基礎(chǔ)上，可對(duì)頻譜、聲壓級(jí)連續(xù)變化的信號(hào)進(jìn)行響度計(jì)算?？上У氖?，該模型僅對(duì)可參數(shù)化描述的典型信號(hào)進(jìn)行響度計(jì)算，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的非參數(shù)化描述聲音信號(hào)，必須先通過(guò)FFT算法等手段先提取其特征參數(shù)，再轉(zhuǎn)化為能被Moore模型識(shí)別計(jì)算的參數(shù)，從而得到響度。
終于在2017年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織于頒布了最新的響度標(biāo)準(zhǔn)ISO532-1:2017，文中提出了解決任意聲音的響度計(jì)算方法：
圖7 ISO 532-1:2017規(guī)定的響度圖形計(jì)算法
例如，下圖就是ATOM軟件的ISO532-1模塊計(jì)算某新能源電機(jī)加速的響度：
圖8 新能源電機(jī)加速時(shí)的響度
它同時(shí)考慮了穩(wěn)態(tài)響度和時(shí)變響度的計(jì)算，此外，一些復(fù)雜的人耳聽(tīng)力特性，如掩蔽效應(yīng)等也在其考慮范圍內(nèi)。此時(shí)的響度標(biāo)準(zhǔn)算得上是整合了之前響度模型的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合如今計(jì)算能力的提升，對(duì)響度計(jì)算變得更加便捷。
應(yīng)用舉例
有人統(tǒng)計(jì)過(guò)一輛汽車大概有100多個(gè)電機(jī)：轉(zhuǎn)向、座椅、雨刮、天窗、后視鏡、門鎖、泵等等，而且配置越高、電機(jī)數(shù)目更多。
因此汽車電機(jī)算得上是零部件中的“大戶”；那么它的噪音問(wèn)題自然而然也備受關(guān)注了。
下面兩個(gè)小電機(jī)是同一型號(hào)、不同批次的汽車座椅電機(jī)（圖9），聲壓級(jí)只相差0.7dB，（一般相差2dB以內(nèi)人耳幾乎聽(tīng)不出差別）；但利用響度分析（圖10）卻能看出較大的差別：雖然聲壓級(jí)差不多，但電機(jī)1比電機(jī)2大了接近1sone。
圖9 汽車座椅電機(jī)（圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）
圖10 電機(jī)的1/3倍頻程分析和響度分析比較
所以小編建議大家對(duì)電機(jī)進(jìn)行噪音分析時(shí)，可以適當(dāng)增加一些響度分析來(lái)完善產(chǎn)品的聲學(xué)性能指標(biāo)。
結(jié)尾
其實(shí)，響度的特性不僅僅和人耳聽(tīng)覺(jué)特性有關(guān)，還和心理特性相關(guān)；不同的人對(duì)響度的感受也不同，即使是相同的人在不同心情下對(duì)響度和聲音本身的感受也不同。
或許這也算是我們研究它的趣味和魅力所在吧。
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