率的音响和人耳的听觉特性

一、声波和听觉

(一)声波传播的特点

声音是以声波的形式进行传递和存在的。声波是一种机械波，具有纵波一般的波动特性，例如，反射、折射、绕射、干涉等。从声音的发出到衰减60分贝(至原来的百万分之一)所需要的时间称为混响时间。混响时间短，声音“干”，单薄枯燥，混响时间太长，声音“空”，含混不清，只有混响时间适当，才能使声音清晰明亮、丰满浑厚。正规的声学场所(例如，音乐厅)，大都采取一系列特殊措施来确保合适的混响时间。

(二)语言和音乐的声音特征

自然界里，几乎所有声源发出的声音都不是只有一种频率和强度的“纯音”，而是包含了许多频率不同、强度不等的声音分量组合成的复合音响，而且在发声过程中，其频率和强度不断地变化着。在音响中，频率最低的分量称为基音或基频，其他频率中，凡比基频高的分量统称为泛音。在很多情况下，泛音的频率呈基音频率的整数倍形式，所以泛音也称为高次谐波分量或谐音。

语言与音乐的一个重要分别是频率范围不同，语言的频率范围较窄，其基频在80－350Hz范围内，高次谐波也仅达8KHz。频率较高的声音分量对语言清晰度特别重要，放音系统应该能重发频率较高的声音分量。人们唱歌声的频率范围比语言宽，基频大约为80－1200Hz，高次谐波可超过10KHz。音乐的频率范围更宽，基频约为16 Hz－4KHz，实际频率范围的上限可扩展到15KHz－20KHz。依据这些条件，对教学用音响设备的频率响应指标上的要求，可视用途的不同而选择，语言学习机的频响范围有80Hz－10KHz就已足够，而要完美地播放和记录音乐节目，频响的下限应可以扩展到40－20Hz，上限应能够提升到16KHz－20KHz。

语言和音乐的另一个特征是音响的功率和动态范围。音响的功率代表所能发出声音的强度，动态范围表明它们的强度变化范围。语言的声功率约1微瓦，大声讲话可提高到1毫瓦。单个乐器的声功率在0.01～100毫瓦之间，大型交响乐队很容易产生100瓦的声功率。语言的动态范围大约是30分贝，乐器的动态范围大约是30分贝(木管乐器)到50分贝(弦乐器)。一般乐队的动态范围大约是40～60分贝，它决定用哪些乐器和用多少乐器来产生最强和最弱的声音。大型交响乐队的动态范围可达100分贝。动态范围这个特性也是人们选用音响设备的一个依据。

(三)耳的听觉特性(重点)

人的听觉是一个复杂的物理－生理－心理过程，常用响度、音调、音色三种量来描述，这三种量是人对声音的主观感觉要素。

正常人的听觉器官所能听到的声音频率是16～20，000Hz(听域)。但对不同频率声音的敏感度和所能忍受的最大强度并不一致。人耳对声音强弱的主观感觉也称为响度。响度主要决定于声波的振幅，振幅值越大，声音越响。响度感觉采取声压有效值(P)和声强值(I)的对数来表示声音的强弱，分别称为声压级(SPL=20lg P/P₀，P₀为零声级的参考声压值)和声强级(SIL=10lg I/I₀，I₀为零声级的参考声强值)，单位都是分贝(dB)。

人的听觉可感知的频率范围的声波称为可闻声。低于20Hz或高于20kHz的声波不能被人耳感受器官所感知，分别称为次声波和超声波。对不同频率的音响，人耳听觉响应也是不同的，频率越低或越高，响度感觉越差，而对中高频率(1kHz～5kHz)的声音相对比较灵敏。

响度特性对解决声响中的实际问题具有很大的意义，例如，在听音乐节目时，人们设计了响度控制器(Loudness)，以在音量减小时提升高、低频电平，从而获得高低音平衡、音质优美的效果。响度特性的规律是进行高、低频率电平提升，实现展宽频带、均衡人的听觉感受的音响效果的重要依据。

音调是人耳对声音调子高低的主观感受。人耳的音调感觉与声音的频率相对应。频率高，音调高，声音听起来“尖”；频率低，音调低，声音听起来“低沉”。在复合音中，音调决定于基频频率。但是，音调的高低感觉与声音频率之间不存在线性的对应关系，而是呈一种对数曲线的对应关系。同时，人耳对于音调的感觉还会受到声波振幅的影响，一般情况，响度增加时，会降低人耳对于音调的主观感受的灵敏度。

音色是人耳听觉的一种感受特性，代表人耳区别相同响度和音调的两类不同声音的主观感觉。人耳对音色的感觉决定于声音中泛音各分量的数量、相对强度关系和分布。当许多不同乐器同奏一曲时，尽管它们所发出声音的基频频率相同，人们还是能分辨出各种乐器的不同声音特色，这正是由于其他频率分量的多少和大小比例不同的缘故。音色与声音信号的频谱相对应。每一种声音都有一基本频率，称为基频或基音，同时还有与基频成倍数关系的许多不同倍频的频率，称为谐波或泛音。基本频率决定了声音的音调，而谐波成分则决定着声音的音色。

(四)听觉的方位感和立体声

立体声是指具有空间感的声音，立体声技术是利用听觉的方位感，在放音时重现各种声源的方向及相对位置的技术。

1.双耳效应

人们是用两只耳朵同时听声音的，当某一声源至两只耳朵的距离不同时，此时两只耳朵虽然听到的是同一声波，但却存在着时间差(相位差)和强度差(声级差)，它们成为听觉系统判断低频声源方向的重要客观依据。对于频率较高的声音，还要考虑声波的绕射性能。由于头部和耳壳对声波传播的遮盖阻挡影响，也会在两耳间产生声强差和音色差。总之，由于到达两耳处的声波状态的不同，造成了听觉的方位感和深度感。这就是常说的“双耳效应”。不同方向上的声源会使两耳处产生不同的(但是特定的)声波状态，从而使人能由此判断声源的方向位置。如果，人们设法特意地在两耳处制造出与实际声源所能够产生的相同的声波状态，就应该可以造成某个方向上有一个对应的声源幻象(声像)感觉，这正是立体声技术的生理基础。

2.立体声系统

双声道的立体声系统是最基本的能给人的双耳造成立体声像的系统。在双声道立体声系统中，为了正确重现真实声源的方位，录音时必须用两只配对的传声器，信号传输通道也需独立分开，而且每条信道的放大率、频响特性等都必须相同，任何差异都会明显改变声像的位置，影响立体声效果。

如果在连接放音设备中，把两个扬声器的相位接成了反相的关系(即相位差180度)，那么声像会跑到扬声器的外侧。这种现象称为“界外立体声”。正常放音时应该注意防止出现反相现象。不过，界外立体声现象也具有实用价值。在便携式立体声装置中，由于两扬声器距离较近，影响立体声效果，此时可利用界外立体声原理加入立体声展宽电路，将左、右两个声道的信号各取出一部分，通过一定的相移和延时后，再相互交叉地输入到另一声道，这样就获得了比两扬声器距离更为宽阔的声音感觉效果。录音机上立体声展扩开关(Stereo Wide)，就是供人们根据需要来控制展宽电路的开与关。

立体声系统除了双声道外，还有四声道的(在听者后方也放置两个扬声器)，此种立体声系统俗称环绕立体声。在立体声电影中还采用五声道，七声道。一般说来，声道数量越多，聆听时的亲临现场感越强。