【心理声学基础】等响线和响度级、采用A、B、C计权的声级测量以及响度单位：宋
更新内容： （一）等响线和响度级（Equal Loudness Contours and Loudness Level） （二）采用A、B、C计权的声级测量（Level Measurements with A-, B-, and C-Weightings） （三）响度单位：宋（Loudness in Sones） 【基本概念】 1 响度(Loudness) （电声词典）听觉判断声音强弱的属性，根据它可以把声音排成由轻到响的序列。人耳感觉的响度主要取决于声音的强度（但与声音的频率和波形也有关），其单位是宋。 2 响度级(Loudness level) （电声词典）和1000Hz纯音等响的声音的响度级，在数值上等于该1000Hz纯音的强度级。单位为方。响度和响度级的关系为S=20.1(p-40)。其中：S是响度（单位为宋），P是响度级（单位为方）。 3 方（phon） （电声词典）响度级的单位。一声音根据正常人耳判断与1000Hz纯音的1dB声压级等响的响度级为1方。其单位符号为phon。 4 等响线（equal-loudness contour） （电声词典）典型听者认为响度相同的纯音的声压级与频率关系的曲线。 5 A计权网络特性（A-weighting network characteristic） （电声词典）40方等响线的反曲线。经过A计权处理的特性符合人耳的实际，即与主观响应的相关性非常好，在声学、电学等测量噪声指标常用A计权的值，用A计权网络特性测得的声压级为A[计权]声级。其量的符号为LA，而单位符号用dB、dBA、或dB(A)表示。 6 B计权网络特性（B-weighting network characteristic） （电声词典）70方等响线的反曲线。其低频特性介于A、C计权特性之间，而高频与C计权特性保持一致，曾用于55dB~85dB的噪声测量。用B计权网络特性测得声压级为B[计权]声级。单位符号用dB、dBB、或dB(B)表示。目前很少使用。 7 C计权网络特性（C-weighting network characteristic） （电声词典）100方等响线的反曲线。在低频（50Hz~1000Hz）较平坦，曾用于大于85dB以上的噪声级的噪声测量，用C计权网络特性测得的声压级为C[计权]声级。单位符号用dB、dBC、或dB(C)表示。一般用于可听的频率范围，C声级是总声压级的很好近似；在现场测试中结合A声级值可做1000Hz以下倍频程声能分析用。 8 宋（sone） （电声词典）响度的单位。频率为1000Hz、声压级为听者听阈以上40dB的一个纯音所产生的响度为1宋。其单位符号为sone，任何一个声音的响度如果被听者判断为1sone的n倍，这个声音的响度就是n sone。 【正文】 与其它物理（或客观）量级不同，响度是听者的主观感知。如原文第3.3节所述，即使声级计显示相同SPL数值，带宽较大的声音也可能比带宽较小的声音听起来响亮得多。就算是纯音，虽然响度与声级存在一定关联，但其实际函数关系却因频率而出现大的差异。例如，40dB的纯音未必就比20dB的纯音响度高一倍。另外，不同听者对响度的感知也存在差异。比如，某些听者在特定临界频段的敏感度下降后，他们对该频段的信号强度的感觉会低于正常听者。虽然没有直接测量响度这类主观量的仪器，但是我们可通过心理物理标度法研究不同受试者的响度感知。具体实验可采用匹配任务（要求受试者调整信号强度直至匹配）或比较任务（要求受试者对比两个信号并估算响度等级）来进行。 （一）等响曲线和响度级（Equal Loudness Contours and Loudness Level） 通过在大量人群中使用纯音进行实验，贝尔实验室的弗莱彻和蒙森（Fletcher and Munson, 1933）推导出了等响曲线（equal loudness contours），也称为弗莱彻-蒙森曲线。
后来由罗宾逊和达德森（Robinson and Dadson）修正的等响曲线如图3-13所示，并已被认可为国际标准。在该图中，每条曲线上的点对应着给平均听者相同响度感觉的纯音。例如，一个50Hz、60dB的纯音与一个1 kHz、30dB的纯音位于同一条曲线上。这意味着对于受听者来说，这两个音具有相同的响度。显然，50 Hz纯音的声压级比1 kHz纯音高了30dB，这意味着我们对50 Hz的声音敏感度要低得多。基于等响曲线，我们引入了以方为单位的响度级，它总是以1 kHz的纯音为基准参考。对受听者而言，一个纯音（在任何频率）的响度级被定义为与该纯音响度相同的1 kHz纯音的声压级（dB SPL）。对于上面的例子，50Hz纯音的响度级是30方，这意味着它听起来和一个30dB的1kHz纯音一样响。图中标有“最小可听”的最低曲线就是听阈。尽管许多正常听者能在某些频率听到比此阈值更弱的声音，但就总体平均而言，它是估算最小可听极限的好方法。比120方曲线更响的声音就会引起疼痛和听力损伤。 等响线同样揭示了人类听觉的敏感特性：在4KHz附近最为灵敏（这也是高分贝的强声引发听力损伤的频段），对高频敏感度逐渐降低，而极低频段的敏感度则更低（这正是低音炮必须配备强劲功率才能产生强烈低频的原因——代价是中高频被掩盖并可能造成听力损伤）。通过研究这类曲线，我们得以理解为何在播放喜爱的录音时，当音量调低时，高音和低音部分会显得缺失或声级下降了。 人们可能会注意到，对于10 kHz以上的高频段，在低声级时曲线是非单调的（原因在于耳道的第二共振模式造成）。此外，在100 Hz以下的低频区域，曲线彼此非常接近，几个dB的变化就能带来超过1 kHz处10dB动态变化的感觉。而且曲线在高声级时平坦得多，这不幸地鼓励了许多听者以异常高的声级聆听回放音乐，再次导致听力损伤。实际上，即使有人想要获得平坦或线性的听感，以异常高的声级聆听也可能不明智，因为我们听觉系统的频率选择性会大幅降低，导致不同频率之间声音交互作用显著增强。当然，我们采用较低声级聆听的局限：如果某些频率成分低于听阈，那么就听不见了。这个问题对于已经在某个频率丧失部分听敏度（其听阈远高于正常水平）的听者来说尤其重要。因此，为了避免听者（尤其是已经听力严重受损的听者）的听力进一步受损和不必要的掩蔽效应，我建议大家以适中的声级聆听。 响度级考虑了我们听觉系统的频率响应，因此是比声压级更好的衡量响度的标度。然而，正如声压级不是响度的标度一样，响度级也不能直接代表响度。它只是将其他频率纯音的声压级参考到1 kHz纯音的声压级。此外，等响曲线是仅使用纯音实现的，没有考虑频率成分之间的相互作用——比如每个听觉滤波器内的压缩效应（放大微弱信号实现极高灵敏度，抑制高强度信号冲击等功能）。在处理宽带信号（如音乐）时，应意识到这一局限性。 （二）采用A、B、C计权的声级测量（Level Measurements with A-, B-, and C-Weightings） 虽然心理声学实验在响度测量方面效果更佳，但在实际应用中，声级测量更为便捷。由于高声级下的等响度曲线较为平坦，为了使声级测量结果更贴近人类的听觉感知，我们需要根据不同声级对频率进行差异化计权处理。
三种常用计权函数如图3-14所示：适用于低频段的A计权声级对应人耳在40dB时的感知水平。对于听力损失问题，它是一个可靠的指标，尽管听力损伤往往发生在高频段；B计权声级代表人耳在约70dB时的感知水平；而用于高频段C计权声级更趋平坦，对应人耳在100dB时的感知水平。 （三）响度单位：宋（Loudness in Sones） 人类对响度的感知本质上是一种压缩函数（对高分贝声音的敏感度较低），这种特性既让我们能够捕捉微弱声响，又为高声级提供了广阔的动态范围。然而，这与声压级中广泛使用的对数标度（dB）不同，实验证据表明，响度实际上是声强I的幂函数，其二者数学计算关系表达式如下：
响度的单位是宋（sone）。根据其定义，1宋是1kHz纯音在40方响度级上的响度，这也是“方”和“声压级（dB SPL）”唯一重合的点。如果另一个声音听起来比这个40方、1kHz的纯音响一倍，那么它就定义为2宋，以此类推。
以宋为单位的纯音响度和以dB为单位的声压级（SPL）对比如图3-15 所示：在40dB以上，该曲线是一条直线，对应于上式（3-3）中声强指数约为0.3、声压指数约为0.6的关系。对于低于40dB的声级和低于200Hz的频率，该指数要大得多（这一点可以通过图 3-13中200Hz以下的等响曲线非常密集来证实）。 需要注意的是，式（3-3）不仅适用于纯音，也适用于一个听觉滤波器（临界带宽）内的带通信号。指数0.3（其值＜1）表明了滤波器内的压缩效应。然而，对于一个宽于一个临界带宽的宽带信号，式（3-3）对每一个临界带都成立，而总响度简单地就是每个频带响度的总和（跨临界带没有压缩）。 【Reference】 Psychoacoustics by Peter Xinya Zhang 《电声词典》第二版 免责声明：文中引用的部分资料来源于书籍和网络，如涉及侵权，请及时联系我删除。 |
