1、人耳的听觉特性 录音手册-第二章相关时间：2006-10-26 来源：疯狂音乐国第一节 人耳的构造及功能1人耳的构造 外耳：耳廓 外耳道 中耳:鼓膜 听小骨 内耳:半规管 耳蜗耳廓：也叫耳壳，耳廓起收集和向外耳道反射声音的作用。外耳道：直径约 0.5 厘米，长约 2.5 厘米的一端与鼓膜封闭的圆形轨道,他的作用是将声音传导道鼓膜,是声音进入骨室的通道。鼓膜：鼓膜的面积约为 0.8 平方厘米，厚度约为 0.1 毫米，是一个浅锥型的软膜。听小骨：它是由锤骨 砧骨 镫骨三块小骨组成。三块听小骨成杠杆式连接，最后一块镫骨与卵型窗相邻。半规管：保持人体平衡（人耳内唯一一个与听力无关的器官）耳蜗：耳蜗呈螺
2、旋型，形状象蜗牛，是一骨质腔体，内部充满淋巴液。耳蜗沿其长度分为两部分，分别称为前庭阶和鼓阶，在基底膜上分布有大量毛细胞，每根毛细胞上都连有末梢神经。2人耳的功能1.外耳道：外耳形状的不对称性有聚集声能的作用，并有一定的定向作用，外耳道的自然谐振频率约为 3400Hz，由于外耳道的共鸣，以及人头对声音产生的反射和衍射，使得人耳对 24kHz 的声音感觉约可提高1520dB。所以缺少耳廓的人，高频听力差。2.中耳：咽骨管有平衡中耳和外耳的气压作用，以保证鼓膜的正常震动。鼓膜将声能转换为机械能。鼓膜的面积比卵型窗的面积约大 2436 倍，大面积的力作用在小面积上，从耳加大了卵型窗的作用力，三块听小
3、骨的杠杆作用，也对声能转换为机械能起到一定的放大作用，另外听小骨具有一些非线性，使人们对一个频率的声音能产生出它的谐音感觉。当遇到瞬时超大的声压时，听小骨会自动脱位，切断声音的通道，从而达到保护内耳的作用。3.内耳：内耳最重要的部分是耳蜗，耳蜗其实就是一个“选频器”，高频声音激励靠近卵型窗的末梢；中频声音激励中部的神经末梢；末端的神经末梢则被低频声激励，而当声音激励卵型窗的某一部分时，相应的神经末梢就会发送信号到大脑。值得一提的是用人而辨别声音的音调，只需听到震动的几个周期就能分辨得一清二楚。在听觉范围内人耳能认定和区分大约 1500 种不同的音调。人耳听声的详细过程如下：声音通过耳廓和外耳道
4、到达鼓膜，使鼓膜产生相应的振动。鼓膜的振动经类似杠杆系统的三个听小骨放大后，传到耳蜗的卵型窗，并传递给耳蜗内的淋巴液，最后发送信号给大脑。耳壳效应：耳壳的凹凸不平，造成了直接声和反射声进入外耳道的时间差和相位差，大脑的听觉区可对此微小的差别做出方位上的判断，这就使耳壳效应。第二节 人耳的听觉特性1.听觉和分贝由于人的生理特点，人们对声音大小的感觉与音响系统的对声功率的大小感觉成对数关系，既人耳听觉的对数特性，人耳的听觉感觉与声功率的变化是一种比率，比率相同感觉才相同。功率比分贝数功率比分贝数功率比分贝数1.261 dB46 dB31.615 dB1.411.5 dB57 dB10020 dB1
5、.582 dB6.38 dB10330 dB23 dB7.99 dB10440 dB2.54 dB7.99 dB10550 dB3.165 dB1010 dB10660 dB1dB 是正常人能分辨的最小声压级当分贝数为 3 dB 时，人耳听觉感觉为原声音响度的 1 倍，到 10 dB 时为原声音响度的 2 倍，20 dB 时为原响度的 4 倍，30 dB 时为原响度的 8 倍，40 dB 时为原响度的 16 倍，50 dB 时为原响度的 32 倍，60 dB 时为原响度的 64 倍。2.声音的三要素声音是一种物理现象，人耳听到声音后对声音的感觉却是一种心理现象，首先应弄清楚人耳的主观感受与声音
6、的物理量之间的关系，通常将人耳对声音的三种主观感受既响度 音调和音色称为声音的三要素。可以认为，响度主要与声音的振动幅度有关；音调主要与声音的振动频率有关；音色主要与声音的振动频率有关。响度/b：人耳对声音强弱的感觉称为响度。响度的单位是“宋” ，记做“sone”，以 1kHz 的纯音，声压级为 40dB 时的响度为 1 度。 1kHz 的声音以分贝表示的声压级，定义为响度级，单位是“方” ，记做“phon”。即响度级 40 方对应的响度为 1 宋。2 宋=48 方 0.5 宋=32 方人耳对声音响度的感觉与声压级和频率有关，将人耳在听到不同频率纯音（正旋波）时，对所有具有相同音量感的声压用一
7、条曲线表示后所得到的曲线图，称为等响曲线。图中每条曲线上所代表的与声压级，频率相对应的声音，人耳听来都时同样响的，也可理解为对于不同频率的声音，人耳听到同样响度时所需的声压级不同。例如 1kHz ，9dB 的声音为基准，人耳听到与它等响的 100Hz 声音所需声压级为 47dB。0 方以下的声音，人耳是听不见的，所以 0 方曲线可称为听阈；120 方以上的声音会使人感到疼痛，所以 120 方曲线可称为痛阈分析等响曲线可得出以下结论1.人耳对不同频率声音的灵敏度不同，在 1 kHz 到 5 kHz 频率范围内，人耳的听觉灵敏度最高，最敏感的是 3 kHz 左右（这是由外耳道的共鸣引起的）。2.在
8、 1 kHz 以下 5 kHz 以上，人耳听觉灵敏度下降很多，尤其在低频端，想要使其达到等响程度，必须在两端（高频和低频），尤其是在低频端加大声功率。3.响度越高，曲线越趋于平滑，即响度越小受频率影响越大，在 80 方时基本平直。根基上述分析可知，当改变重放音量时，各个频率的声音的响度级也将改变，所以人们会感到声音的音色由变化。即使是一个高级的放音装置，在低声级放音时，也会感到放音频带变窄，声音单薄；相反，即使时一个低级的放音装置，在提高放音音量时，也会感到放音音量展宽，声音较丰满。为了减小等响曲线的影响，可以在放置放大器部分安装响度控制器，使在低声级放音时，能根据等响曲线自动地将低声频段和高
9、声频段声音的声级进行反校正，将它们相应提高。音色/b：音色是听觉上区别具有同样响度和音调的两个声音的主观感觉，也称为音品。音色主要是由声音的频谱结构决定，即由声音的基频和谐波的数目以及它们的相互关系来决定。由于各种发生体的材料和形状结构不同，发声机理也不尽相同，即使它们发出相同的音调相同的响度的声音，在基频相同的情况下，谐波的成分和幅度也会由所区别，人耳听到的主观感受便是音色不同。另外，音色还与发声体振动的起振，稳定和衰减的时间过程有关。起振阶段（也称为建立阶段）指在激发弦或空气柱使振动开始的瞬间，即开始振动而振幅还不大，并且还不稳定的那段时间。例如铜管乐器激发的时间一般为 40ms 左右，强
10、激发时最长为 80 ms，但在弱激发时最长可达 180 ms。稳态阶段是乐音过了起振阶段以后，振幅增至最大并保持恒定不变的阶段。例如弦乐器中的提琴，二胡，管乐器的长笛，小号等有稳态阶段，而板鼓，梆子等打击乐器则基本上没有稳态阶段。衰减阶段是振幅开始减小直到完全停止振动的阶段。有的乐器衰减阶段很短，有的却很长。例如扬琴，竖琴的衰减时间就很长，可达 12s 以上。一般乐器的衰减时间，高音较短，底音较长。下图为风琴和钢琴的时间过程图风琴的时间过程是：起振较缓慢，在短时间保持一定的稳态声级，然后较缓地衰减。钢琴的时间过程是：起振较快，然后逐步衰减。音调/b：人耳对声音高低的感觉称为音调。音调主要与声音
11、的基音频率有关，基音频率高则音调高，基音频率低则音调低，但不成正比，而是一种对数关系。十二平均律等程音阶是将一个倍频程的频带按照频率的对数关系划分成十二个等份而构成的，相隔一个倍频称的两个音成为八度。例如钢琴调音时，低音区要向下调，高音区要上调，最大会差几音分之多。这样，听起来才有正确的音阶感。要不然，如果完全按八度同音音程定弦，钢琴的低音键听起来就偏高，高音键听起来就偏低。音调的单位是“美” （Mel）。频率为 1000Hz 的纯音音高在听阈上 40dB 为 1000 美。另外影响音调的因素还有声音的声压级和声音的持续时间等。例如，即使是物理上相同频率的声音，如果改变音量，音调的高低感觉也会
12、有微小的变化。这种音量变化对音调感觉的影响，纯音比由许多纯音合成后的复音更为显著。特别是当低频声减小音量时，会感到音调升高；增大音量时，会感到音调变低。高频声正相反，减小音量时，会感到音调降低；增大音量时，会感到音调变高。因此，在小音量情况下，必须将低频声的音调调低一些，而将高频声的音调调高一些才能得到应有的音调。倍频程/b：音阶中频率比为 2 ：1 的频率间隔的声程，在电声学中被称为倍频程，通常用 “oct”表示，而在音乐学中被称为 8 度。3.人耳听觉的几个效应掩蔽效应：/b在寂静的环境里，人耳能分辨出轻微的声音，但在嘈杂的环境中，轻微的声音完全被淹没掉了。要想听到原来轻微的声音，就必须使
13、它增强才行。这种由于第一个声音的存在而使第二个声音提高听阈的现象，称为掩蔽效应。当声级较低时，窄带噪声的掩蔽只限于中心频率附近较窄的范围，声级越高掩蔽区也越宽，并且高与中心频率的声音掩蔽作用大。从频率角度来看低频声容易掩蔽高频声。当掩蔽声作用在被掩蔽声之前时，称为前掩蔽；掩蔽声作用在被掩蔽声之后时，称为后掩蔽。总称为非同时掩蔽。（1）.掩蔽声在时间上越接近掩蔽声，掩蔽效应越大。掩蔽现象常发生在掩蔽声声级在 40dB 以上时。（2）.掩蔽声与被掩蔽声在时间上距离很近时，后掩蔽作用大于前掩蔽作用。（3）.掩蔽声强度增加时，掩蔽量并不成正比例增大。例如，掩蔽声增加 10dB，掩蔽量只增加 3dB，这
14、点与同时掩蔽不同。鸡尾酒会效应：/b掩蔽效应时一种生理现象，相对来说鸡尾酒会效应则时心理引起的一种现象。人们具有从许多声音中选择听到自己要听声音的能力。在许多人聚会的鸡尾酒会中，可以对特定人的讲话听的最清楚，这种效应称为鸡尾酒会效应。可以认为这种效应是根据讲话内容，声源的指向性和音色等要素，从嘈杂环境中听到自己需要的声音的一种能力。但传声器拾音时，不具备人的这种心理选择，而只能客观地拾取由其指向性，灵敏度，拾音方式。因此在实际录音时，不应被声源的内容所吸引，而应注意客观存在的物理声音，这样才能更好地把握具体的拾音方式。多普勒效应：/b当波源与波的接收者之间以一定速度作相对运动时，接收者所接收到
15、的频率（或波长）就会改变，这就是多普勒效应。当波源与接收者之间做相向运动即相互靠近时，接收者接收到的频率就会升高；当波源与接收者之间做反向运动即相互远离时，接收者接收到的频率就会变低。例如，听疾驶而来的火车鸣笛声，先是升高，然而当火车掠身而过再向后驶去时，笛声又突然降低。夏天，树上有蝉鸣，你把扇子面对着蝉摇动，并把耳朵贴在旁边，则在耳畔可以听到随着你摇扇的节律出现音调高低的变化。这也是多普勒效应。双耳效应：/b用两只耳朵听声在效果方面有许多不同，这种不同称为双耳效应。例如用双耳可听到比用单耳听到的更小的声音。根据测量，可知双耳听到比单耳时低 3dB 的声音，随着声音声压级的增大，到达 35dB 以上时，这一差值可达 6dB。但对噪声来说，上述关系不成立。当噪声较大时，上述差值会减小，噪声声压级大到一定程度时，双耳的听阈反而会上升，单耳的灵敏度反倒较好，这种现象称为耳间的抑制效应。双耳效应中最明显的是对声音的定位，也就是双耳可正确的确定声源的方位，这是由于到达两耳的声音存在声级差，时间差和相位差所致。
