声学的一些基本知识（心理声学）

心理声学(psycho acoustics)是研究声音和它引起的听觉之间关系的一门学科。人耳对声音的感知是高度非线性了。由于人耳听觉系统复杂，人类迄今为止对它的机理和听觉特性的某些问题还不能从生理解剖角度完全解释清楚。所以，就出现了心里声学这一在心理声学和语言声学内对对人耳听觉特性进行研究的学科。

人耳对不同强度和不同频率声音的一定听觉范围称为声域。在人耳的声域范围内，声音听觉心理的主观感受主要有响度、音高、音色等特征和掩蔽效应、高频定位等特性。而对于多种音源场合的人的耳掩蔽效应等特性尤为重要，它是心理声学的基础。

一个健康的年轻人的对声音频率的感知范围大约是 20-20KHz。低于20Hz的声波称为次声波（infrasound），一般认为声强在120dB 以下时不会对人体造成伤害。高于20KHz 的声波称为超声波（ultrasound），声强在105dB 以下时不会对人体造成伤害。人耳最敏感（同时也是对人耳伤害最大）的频率范围是500Hz—2KHz。

听阈（Threshold of hearing）

听阈分强度阈和差阈。所谓强度阈指的是人耳能够分辨的最小的声音强度变化。这种感知主观性很大，实验时取被测试者能有50%的次数分辨出强度差异声强差为强度阈（也称听阈）。下表给出了在中等声音频率、中等声音强度下的一些实验结果。当声源声强差别3dB时人耳勉强能有所感知。当声源声强差别5dB时就可以清晰的感知到，声源声强差别10dB时，我们会觉得一个声音比另一个声音大一倍左右。声源声强差别20dB就会感觉一个声音明显比另一个大很多。

响度（Loudness）

当两个声音听起来感觉声音强度相同时我们就说这两个声音的响度相同。最早和普遍认可的响度单位是方（Phon）和宋（Sone）。

Phon 定义为某一个声音与之等响度的1KHz 单频声音的声强值。举例来说，某一个声音响度为 60 Phon，那么它与60dB 的1KHz 正弦波声音听起来强度相同。1kHz 单频声音 40dB 时为1 Sone，每增加10dB，响度增加一倍。 Sone 不太常用。

人耳对声音响度的感知是随频率和声强不同而变化的。下面给出实验得到的等响度曲线。最下面的虚线表示人耳能感知的最小声音响度，称为minimum audible field （MAF）。

音高（Pitch）

所谓音高与声音的频率有关，但又不完全取决于声音的频率。我们知道一个周期函数可以做傅立叶级数展开，分解为基频、2次谐波、3次谐波等。对于这样的声音，我们感知的音高就是基频分量。但是如果只是把这个声音的基频分量去掉，我们感知的音高还是不变的，人耳似乎能自动补上这个缺失的基频成分。但是如果我们再进一步，将3次谐波、5次谐波等奇次谐波全部去掉，我们感知的音高就高了一个8度。很奇妙，似乎高频分量对我们感知的音高有很大的作用。

音高也与声强有关，如果以60dB的某个声音作为基准音高，那么声强大于60dB时，500Hz以下频率声音我们会感觉音高变低，而500Hz以上频率声音我们会感觉音高变高了。

声掩蔽（Masking）

一个声信号如果与一种噪声同时出现，它将变得微弱或完全听不清楚，即是说信号的听阈提高了。这就是掩蔽效应，噪声掩蔽了信号。掩蔽效应的大小取决于噪声和信号在频率上的关系。一般说，信号与噪声的频率越接近，掩蔽也越大，且低频噪声对高频信号的掩蔽常大于高频噪声对低频信号的掩蔽。通过带宽可变的噪声对纯音信号的掩蔽实验发现，当以1000Hz为中心频率的噪声增加带宽时，它对 1000Hz纯音信号的掩蔽效应也随着增加。但带宽增至100Hz以后，再增加就对掩蔽的改变不起作用。就是说，这个噪声的掩蔽作用只限制在这个频带内，以外的声音无作用。这个100Hz的频带称为临界频带。它随频率的提高而加宽。