声音与听觉系列知识 Part 3 — 噪声测量与听觉

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大家好，前两期分别为大家讲解了人耳的构造与听觉之间的关系，以及描述声音的基本术语(音高、响度、音色)。本期为大家简单介绍噪声测量相关的知识(下图所示知识谱系的绿色部分)，以及噪声测量与人耳听觉之间的关系。

相信关注本公众号的大多数同学都是对噪声测试不陌生的，但是如果要理解声音与听觉，测试部分又不得不讲。所以本期尽量多花一些篇幅去介绍我们平时容易忽略的概念——噪声测试与听觉的关系。实际上更多的时候，我们做测试是为了度量人耳对声音的感知。

1、基本概念与听阈的关系

大家知道，我们可以用传感器将声压转换为电信号，由于电信号与声压成正比，根据此原理度量声音信号。

在测量时我们会经常用到声强、声强级、声压、声压级、声功率、声功率级等概念，以及我们常用的计量单位dB(我们已经在前两期提过用dB来计量声音强度的原因与人耳的生理结构有关)。声强级、声压级、声功率级分别可以用下列三个公式来定义，其中I0、P0和W0分别是基准声强、基准声压和基准声功率。

大家可以发现，上面三个公式大致相同，只是对数前面的系数有10和20两种系数。

以1000Hz为例，人耳能听到的声强下限为10^(-12) W/m^2，相应的声压为2*10^(-5) N/m^2，使人感到疼痛的声强上限为1 W/m^2，相应的声压为20 N/m^2。也就是说，声强的变化范围是10^(12)倍，声压的变化是10^(6)倍。将10^(12)这个倍数关系做对数运算，等于12，声压级公式里没有10这个系数，声压级的变化范围会很小，所以，为了便于研究，乘以10，让声压级最大值变为120dB。而对于声压级，它的变化范围最大是10的6次方，这个倍数关系需要乘以2才能与声强级对等，所以声压级的计算公式的系数是20。希望这段解释，可以帮助大家记忆声压级、声强级的公式。

2、差别感觉域限

差别感觉阈限是指刚能引起差别感觉的刺激的最小差异量。也称为最小可觉差(justnoticeable difference)，简称JND。人耳的声强级JND=1dB。实际上，声强级计算公式里乘以10，也是为了跟JND去配合。

需要指出的是，1dB这个JND，只是现在通用的值，这个值的适用范围是中低频的声音，且音量在30-40dB上下。超出这个范围，JND有可能会降低到1/3到1/2dB。另外，这个说法还基于另外一个条件，那就是声音强度变化的时候，频率的变化不能超出临界频带(上一期我们介绍过临界频带和饱和效应，请大家自行参阅)，否则1dB的声强JND说法是不成立的。后面我们在介绍现代数字音频编码的时候会再提到这个假设条件的影响。

上图是学者实测的不同频率的声音，JND随声强级变化的曲线。可以看出声强越大JND越小，频率越高JND越小。这几条曲线是国外学者基于外国人做的统计结果，中国人是否适合用还不确定，每一个个体的实际响应也不一定与这组数据完全相同。

3、响度的单位

声强级这些与测量相关的概念只能用于表征物理量的大小，但是不能用于评估人耳感知到的声音的大小，所以才有响度概念存在的意义。

我们在第二期介绍了响度的概念，这里就不再赘述。

人们创造了两个概念作为响度的度量单位：方、宋。
方是衡量相对响度级的概念，将1000Hz选定为标准频率，其他频率的响度大小定义为与1000Hz频率的声音听起来一样大的分贝值。例如60方代表这个声音跟60dB的1000Hz纯音一样响。在测量复杂声音的响度时，都是与1000Hz的纯音作对比。这种测试方法可以用于科学研究，在实际测量时，一般都是采用不同的计权方式来近似人耳的听觉感知。方可以将响度等效到分贝上，但与响度大小不是成正比的，所以，人们根据经验法则创造了宋这个概念来更好的度量响度。假设管弦乐曲的响度范围是40到100方，将最小值40方定义为1宋，50方定义为2宋，60方就应该为4宋(参见第二期讲解响度概念时候提到的经验法则)，以此类推，得到下图所示方与宋的对应表。

4、响度与听觉感知

我们在第一期简单介绍了等响度曲线，这里再将一张带注释的等响度曲线图共享给大家。需要注意的是等响度曲线是用方来定义的。

从等响度曲线中摘取出来的三条特征明显的曲线，分别是：非常轻柔的声音对应的0方、中等音量的60方、非常大声对应的120方。如下图所示。

分析上图，我们看出以下几个现象：

人耳对不同响度的声音响应不一样：大音量响度曲线相对轻柔声音的响度曲线更平。
所有曲线在2000-5000Hz之间有一个对应于耳道共振频率的凹陷(这个凹陷代表很小的声强也能激励出较大的响度)。
对于轻柔的声音，人耳对低频成分的响应很小。
根据响度的定义，所有在1000Hz(图中垂直的红色直线)处，响度等于声音强度，即横纵坐标值相等。

关于人耳对低频声音的响应损失，我们再做一点深度的讲解。

如上图中红色区域，声音越小，红色区域的面积越大，人耳对低频的响应越迟钝。所以，当我们通过电声系统播放音乐的时候，如果渐渐降低播放的音量，我们会感觉到音乐中的重低音成分变得越来越不清晰。这就是为什么专业的功放都需要做等响度调试的原因。做过等响度调试的专业音响系统，会改善人耳对低频和��频声音成分的听觉损失。

假设距离很近的听音者同时听到80方的低频30Hz重低音和2000Hz的中频声音，二者的声强分别为103dB和76dB。根据反平方定律(关注我们，后续将在介绍声音传播的时候会介绍此定律)，经过200ft的声波传输，声强衰减20dB，分别变为83dB和56dB，人耳对这两种声音成分的响度感知分别变为50方和60方。看完这张图，是不是明白了为什么看现场演出的时候前排是VIP了？

我们再回到等响度曲线上去看一下30Hz和2000Hz两个频率的表现，如下图所示。

从图中可以看出，30Hz的声音衰减20dB(纵坐标)，其响度从80方降低到50方，有30方的衰减量；而2000Hz的声音的响度只降低了20方。观察还可发现，沿着纵坐标方向，低频的曲线分布比高频更密。衰减之后，2000Hz比30Hz的响度要大10方，根据响度的经验法则，我们感知到的高频声音比低频大一倍。

为了解决低频损失的问题，人们经常采用对房间进行声学处理的方式来解决和弥补，我们将在以后介绍厅堂声学的时候展开阐述。

5、计权

为了让测试结果更接近于人耳的听觉感知，人们制定了不同的计权方式。常用的是A/B/C计权。

A计权滤波曲线的设计滤除了人耳听不见的低频部分，是模拟人耳对55dB以下低强度噪声的频率特性。B计权是模拟55dB到85dB的中等强度噪声的频率特性。C计权是模拟高强度噪声的频率特性。三者的主要差别是对噪声低频成分的衰减程度，A衰减最多，B次之，C最少。由于A计权的特性曲线最接近人耳的听觉特性，因此是目前世界上噪声测量中应用最广泛的一种。B计权目前使用的很少。C计权可用于模拟声强非常大时人耳的听觉感知，例如非常接近轨道的高铁通过噪声。

A计权最常被使用，所以我们在噪声测试中会常常用到dBA这个单位。下面我们举例说明dBA的重要性。

假如你家楼上装修，工人使用电钻打孔，测得数据如上。假如不计权，电钻不工作时与背景噪声相差仅4dB(JND为1dB左右，4dB意味着声音的响度没有太大的变化)，而做过A计权之后，二者的差别却是24dBA(根据经验法则，24dBA的差别相当于声音的响度变化超过4倍)。显然，dBA更能准确的反映人对电钻声音的烦恼度。究其原因，是因为噪声中有相当一部分成分是我们人耳听不见的。

6、听阈偏移

大家都知道，长时间暴露在噪声污染中，可能会噪声听觉损失。那到底是什么样的噪声会引起这种生理反应呢？有学者做过研究，利用20个志愿者，分别暴露在110dB的不同频率的噪声中，声音开3分钟关1分钟，重复，如此持续60分钟，得到如下结果。

在声音频率为4000Hz时，20人中的2人听阈偏移大于40dB，9人的听阈偏移小于20dB。声音频率为1000Hz或8000Hz时，没有受试者有明显的听阈偏移。这个实验结果表明，只有当声音频率位于人耳最敏感频带范围内时，听阈偏移发生的可能性才会很大。虽然现在的研究还不能确定这种暂时性偏移会不会噪声永久听觉损伤，但是一旦二者有关联将会产生非常严重的后果，因为这个频带正好也是理解人说话的最重要的频带。

正因为学者研究发现了噪声污染的严重性，人们制定了如下标准，规定了暴露时间与声压级的对应规范，且冲击噪声最大不能超过140dBA。

7、纯音听力测试

在等响度曲线中，我们定义了一条听阈曲线，如下图所示。

首先需要明确的是这条曲线是平均测量结果，并不适用于每一个人。另外，我们规定刚好能听到1000Hz声音信号时的声音强度为0dB，但从图中可以发现听阈曲线与1000Hz的交点为4dB，这是因为我们想保证听阈曲线经过30Hz，60dB这个点，以便理解低频损失现象。

在测量听阈的时候，我们常用纯音来做实验，播放纯音，并逐渐提高该纯音的音量，记录人刚好听到的音量值。频率分布的选择方��有很多，最常用的是：频率从125Hz起，频率间隔为倍频程、1/2倍频程或1/3倍频程，截止频率为8000Hz。一般情况下，左右耳的听力测试要单独进行。

随着年龄的增长，人耳对高频声音的灵敏度下降的现象是非常普遍的，这种现象会让老年人听不清人说话的声音，医学上称之为老年性耳聋。如下图所示。

8、结束语

以上，就是本期为大家带来的基本知识，正如开篇所讲，我们没有讲噪声测试的常见概念，而更多的讲解了测量与听觉的关系。

下一期，我们为大家介绍声波的基本概念与多普勒效应，敬请关注。

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首次发布时间：2020-08-14