听觉掩蔽：使用Ansys Sound让声音尽在掌控
本文原刊登于Ansys Blog：《Auditory Masking: Using Sound to Control Sound》
作者：Milan Redon | Ansys高级产品专家
编辑整理：李彦昊 | Ansys高级应用工程师
大量的喧嚣噪声充斥在我们周围，似乎在竞相获得人们的感知。但幸运的是，我们能够感知到的声音，并非我们真正听到的声音。在现代世界中，许多常见的机械、环境和社会噪声都被其它噪声所掩盖，这种现象被称为听觉掩蔽。声音的交叠（即一种声音阻挡另一种声音），既可以自然发生（比如连绵大雨中的雷声），也可以通过设计产生（比如牙医办公室中的环境噪声）。
什么是听觉掩蔽？
听觉掩蔽，是指听觉系统对一种声音的感知，会因为另一种声音的存在而受到削弱影响。例如，在需要高度隐私的医疗或法律办公室，声音掩蔽可以创建一些白噪声，以防止人们无意识听到机密对话。在电动汽车（EV）中，主动声音的添加可以覆盖电机的高频音或底盘发出的巨大隆隆声。声音掩蔽有助于工程师将不需要的声音（信号）隐藏在其它声音（掩蔽音）下，从而确保减少人们对被掩蔽音的感知。
EV（电动汽车）内部噪声——可以听到原始电机噪声
EV（电动汽车）内部噪声——添加ICE（内燃机）声音来覆盖电机噪声
在难以减少或不希望减少噪声的情况下，听觉掩蔽特别有益。如果通过改变设计来消除声音，这可能会增加重量或影响系统的工作方式，从而导致其速度变慢或效率降低。通过掩蔽声音而非消除声音，工程师则不必在功能理想但仍有噪声的设计上进行权衡。
掩蔽类型
有两种可以影响声音感知的听觉掩蔽：同时掩蔽和时域掩蔽。
同时掩蔽
当信号与掩蔽音同时发生时，不同频率之间会发生同时掩蔽（也称为频谱掩蔽或频率掩蔽）。
图1：同时掩蔽
由于生理原因，人类对某些频率的感知可能会阻碍对其它频率的感知。我们来看一个简单的例子：当400Hz的纯音与200至600Hz的粉红噪声混合时，纯音将不再被感知。
400Hz的纯音
200至600Hz的粉红噪声
音调和噪声
纯音：由单一频率组成的声音
粉红噪声：每倍频带包含相同能量的频率的声音
同时掩蔽与耳蜗基底膜的动态行为有关。当一种声音产生的膜振荡（通常在安静的环境中可以被检测到）被另一种声音产生的振荡“覆盖”时，就会发生这种情况，前提是掩蔽音足够大，而且其频率足够接近第一种声音。
图2：即使频率内容不重叠，信号也可以被掩蔽音掩蔽
图3显示了没有掩蔽音时纯音的听觉阈值（绿色曲线），与在20、40、60和100dB SPL等不同级别添加1100-1300Hz宽带噪声时的听觉阈值（蓝色和红色曲线）的对比。
例如，对于在没有掩蔽噪声时强度为3dB SPL就可被感知到的1000Hz纯音，在存在60dB SPL宽带掩蔽噪声时，其强度达到43dB SPL才会被感知到。掩蔽音的声音越大，掩蔽效果就越好，覆盖的频率范围就越广。此外，低频率更容易掩蔽更高的频率，而不是相反的情况。
图3：无掩蔽音（黄色曲线）和有掩蔽音（灰色和金色曲线）时纯音的听觉阈值
时域掩蔽
时域掩蔽，也被称为时间分辨率，发生在连续的声音之间。在这里，掩蔽音要么先于信号声音（前向掩蔽），要么紧随其后（后向掩蔽）。
前向掩蔽是指在信号之前听到掩蔽音。在两种声音之间的时间间隔值高达200毫秒时，可能会发生这种现象。前向掩蔽利用了人类神经活动的持续性，通过这种原理削弱人体对信号的检测。
图4：前向掩蔽
后向掩蔽是指在信号之后听到掩蔽音。仅当时间间隔值小于20毫秒时才会发生这种现象。因此，后向掩蔽的效率低于前向掩蔽。后向掩蔽的作用原理可能是，掩蔽音启动时会干扰人体对原信号的感知。
图5：后向掩蔽
时域掩蔽会影响我们对声音的感知，因为当声音出现时，我们的听觉系统可能已经在处理其它声音了。这会导致声音之间的重叠感知，尽管它们实际上并非同时出现。
图6：声刺 激的神经活动表征
在评估声音感知指标时，同时掩蔽和时域掩蔽均需纳入考虑范围。大多数平稳信号的音调度指标和响度模型可用以考量同时掩蔽，而非平稳声音和脉冲声音的响度模型、以及波动强度的评估可用以考量时域掩蔽。
听觉掩蔽应用
分散注意力或令人厌烦的噪声会对声音感知造成负面影响，因此听觉掩蔽对于任何领域都至关重要。了解和量化这种现象有助于提高沟通效率、生产力和安全性。
隐私：在需要保障保密性和谨慎性的空间中，利用听觉掩蔽可以降低语音清晰度，这样私人对话就不会被人们听到。
语音增强：对于助听器等通信系统，掩蔽可以通过选择性地放大或抑制频率分量来提高言语的接收度。
音频压缩：为了节省存储空间，MP3和ATRAC（自适应转换声学编码）忽略了掩蔽声音，从而在几乎不明显更改声音品质的情况下压缩文件大小。
Ansys Sound等工程软件使各行业和各种应用的工程师都能够聆听、分析和设计声源，同时考虑感知到的掩蔽效应。
更多的噪声
虽然这看似违反直觉，但事实确实如此：为了消除不必要的噪声，最佳解决方案可能是，添加更多的噪声。通过在正确的频率和时间，有策略地将声音叠加在其它声音之上，听觉掩蔽可以完全改变我们感知声音的方式，从而让一些声音消失不见，而其它声音则变得更加清晰和平衡。
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