1. 對(duì)聲音強(qiáng)弱的感知

聲音的強(qiáng)弱也叫做響度。在心理上，主觀感覺的聲音強(qiáng)弱使用響度級(jí)“方（phon）”或者“宋（sone）”來度量。在物理上，聲音的響度使用客觀測(cè)量單位來度量，即dyn/cm2（達(dá)因/平方厘米）（聲壓）或W/cm2（瓦特/平方厘米）（聲強(qiáng)）。這兩種感知聲音強(qiáng)弱的計(jì)量單位是完全不同的兩種概念，但是它們之間又有一定的聯(lián)系。

當(dāng)聲音弱到人的耳朵剛剛可以聽見時(shí)，我們稱此時(shí)的聲音強(qiáng)度為“聽閾”。例如，1kHz純音的聲強(qiáng)達(dá)到10-16W/cm2（定義成零dB聲強(qiáng)級(jí)）時(shí)，人耳剛能聽到，此時(shí)的主觀響度級(jí)定為零方。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，聽閾是隨頻率變化的。測(cè)出的“聽閾—頻率”曲線如圖5.14所示。圖中最靠下面的一根曲線是在安靜環(huán)境中，能被人耳聽到的純音的最小值，叫做“零方等響度級(jí)”曲線，也稱“絕對(duì)聽閾”曲線。

圖5.14 “聽閾—頻率”曲線

另一種極端的情況是聲音強(qiáng)到使人耳感到疼痛。有實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)頻率為1kHz的純音的聲強(qiáng)級(jí)達(dá)到120dB左右時(shí)，人的耳朵就感到疼痛，這個(gè)閾值稱為“痛閾”。對(duì)不同的頻率進(jìn)行測(cè)量，可以得到“痛閾—頻率”曲線，如圖5.14中最靠上面所示的一根曲線。這條曲線也就是120方等響度級(jí)曲線。

在“聽閾—頻率”曲線和“痛閾—頻率”曲線之間的區(qū)域就是人耳的聽覺范圍。這個(gè)范圍內(nèi)的等響度級(jí)曲線也是用同樣的方法測(cè)量出來的。由圖5.14可以看出，1kHz的10dB的聲音和200Hz的30dB的聲音，在人耳聽起來具有相同的響度。

圖5.14表明了人耳對(duì)不同頻率的敏感程度差別很大，其中對(duì)2～4kHz范圍的信號(hào)最為敏感，幅度很低的信號(hào)都能被人耳聽到。而在低頻區(qū)和高頻區(qū)，能被人耳聽到的信號(hào)幅度要高得多。

2. 音高的感知

客觀上用頻率來表示聲音的音高，其單位是Hz。而主觀感覺的音高單位則是“美（Mel）”,主觀音高與客觀音高的關(guān)系是

Mel ＝ 1000log2（1＋f）　（5.12）

式中：f的單位為Hz。這也是兩個(gè)既不相同又有聯(lián)系的單位。

圖5.15 “音高—頻率”曲線

人耳對(duì)響度的感覺有一個(gè)范圍，即從聽閾到痛閾。同樣，人耳對(duì)頻率的感覺也有一個(gè)范圍。人耳可以聽到的最低頻率約 20Hz，最高頻率約18000Hz。正如測(cè)量響度時(shí)是以1kHz純音為基準(zhǔn)一樣，在測(cè)量音高時(shí)則以40dB聲強(qiáng)為基準(zhǔn)，并且同樣由主觀感覺來確定。

測(cè)量主觀音高時(shí)，讓實(shí)驗(yàn)者聽兩個(gè)聲強(qiáng)級(jí)為40dB的純音，固定其中一個(gè)純音的頻率，調(diào)節(jié)另一個(gè)純音的頻率，直到他感到后者的音高為前者的兩倍，就標(biāo)定這兩個(gè)聲音的音高差為兩倍。實(shí)驗(yàn)表明，音高與頻率之間也不是線性關(guān)系。測(cè)出的“音高—頻率”曲線如圖5.15所示。

3. 掩蔽效應(yīng)

一種頻率的聲音阻礙聽覺系統(tǒng)感受另一種頻率的聲音的現(xiàn)象稱為掩蔽效應(yīng)。前者稱為掩蔽聲音（masking tone），后者稱為被掩蔽聲音（masked tone）。掩蔽可分成時(shí)域掩蔽和頻域掩蔽。掩蔽效應(yīng)十分重要，它是心理聲學(xué)模型的基礎(chǔ)。

（1）時(shí)域掩蔽。在時(shí)間上，相鄰的聲音之間存在著掩蔽現(xiàn)象，并且稱為時(shí)域掩蔽。時(shí)域掩蔽又分為超前掩蔽（pre-masking）和滯后掩蔽（post-masking），如圖5.16所示。產(chǎn)生時(shí)域掩蔽的主要原因是人的大腦處理信息需要花費(fèi)一定的時(shí)間。一般來說，超前掩蔽很短，只有5～20ms，而滯后掩蔽可以持續(xù)50～200ms。這個(gè)區(qū)別也是很容易理解的。

（2）頻域掩蔽。一個(gè)強(qiáng)純音會(huì)掩蔽在其附近同時(shí)發(fā)聲的弱純音，這種特性稱為頻域掩蔽，也稱同時(shí)掩蔽（simultaneous masking），如圖5.17所示。從圖5.17可以看到，聲音頻率在300Hz附近、聲強(qiáng)約為60dB的聲音掩蔽了聲音頻率在150Hz附近、聲強(qiáng)約為40dB的聲音。又如，一個(gè)聲強(qiáng)為60dB、頻率為1000Hz的純音，另外還有一個(gè)1100Hz的純音，前者比后者高18dB，這樣的話，我們的耳朵就只能聽到那個(gè)1000Hz的強(qiáng)音。如果有一個(gè)1000Hz的純音和一個(gè)聲強(qiáng)比它低18dB的2000Hz的純音，那么我們的耳朵將會(huì)同時(shí)聽到這兩個(gè)聲音。要想讓2000Hz的純音也聽不到，則需要把它降到比1000Hz的純音低45dB。一般來說，弱純音離強(qiáng)純音越近就越容易被掩蔽。

圖5.16 時(shí)域掩蔽

圖5.17 聲強(qiáng)為60dB、頻率為1000Hz純音的掩蔽效應(yīng)

在圖5.18中的一組曲線分別表示頻率為250Hz，1kHz和4kHz純音的掩蔽效應(yīng)，它們的聲強(qiáng)均為60dB。從圖5.25中可以看到：在250Hz、1kHz和4kHz純音附近，對(duì)其他純音的掩蔽效果最明顯；低頻純音可以有效地掩蔽高頻純音，但高頻純音對(duì)低頻純音的掩蔽作用則不明顯。

圖5.18 不同純音的掩蔽效應(yīng)曲線

由于聲音頻率與掩蔽曲線不是線性關(guān)系，為了達(dá)到從感知上統(tǒng)一二者的目的，引入了“臨界頻帶（critical band）”的概念。通常認(rèn)為，在20Hz～16kHz內(nèi)有24個(gè)臨界頻帶，如表5.5所示。臨界頻帶的單位叫Bark（巴克）。

1Bark ＝1個(gè)臨界頻帶的寬度，在f（頻率）〈 500Hz的情況下，1Bark≈f/100。

在f（頻率）〉500Hz的情況下，1Bark≈9 ＋ 4log（f/1000）。

表5.5 臨界頻帶