听觉主观反应特征研究

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1、听觉主观反应特征研究 1听觉主观反应特征研究 毛东兴 （同济大学声学研究所，上海，200092） Study on Subjective Hearing Perception Mao Dongxing (Institute of Acoustics, Tongji University, Shanghai 200092, China) 1 引 言 人耳接受到来自外界的声信号，除了经过生理 物理处理外，还将通过听觉神经与脑认知相结合， 产生相应的心理反应，即产生听觉的主观反应。听 觉主观反应过程与人的心境、情绪、情感以及社会 认知背景等有关。在我们常见的声信号对听觉不产 生生理损伤的强度下，听觉

2、主观反应研究是声信号 对人的认知影响的主要研究内容，并且在音频技 术、声环境以及听觉与心理健康等领域有着广泛的 应用。随着生活环境的改善和品质的提高，声时间 的听觉主观感知（如电声器件的音质、工业产品的 声品质、社会声环境的烦恼度等）在人们生活受到 越来越强烈的关注。 本文以听觉主观反应中最基本参量响度的研 究进行为出发点，介绍了响度感知的研究进展，包 括等响曲线、双耳异响以及时变响度等方面的最新 研究结果。同时对听觉主观反应的两个重要应用领 域产品的声品质和环境噪声的烦恼度，分别以车 内噪声的声品质低沉度参量以及地铁振动激发建 筑物低频噪市的烦恼度为例，介绍了在这两个领域 应用中的最新研究结

3、果。 2 听觉响度感知特征 听觉响度感知特征长期以来一直是心理声学 的最基础的研究内容之一。作为心理声学的一个基 本参量，它是计算分析其它心理声学参量的基础。 响度特征的研究不仅在听觉心理、音质与噪声评 价、心理学及声品质方面有重要的应用，还广泛应 用于语音信号处理、声频工程、电声器件等众多领 域。 关于听觉响度感知特征的研究，如果追溯到基金项目 国家自 10374071, 106: : 然科学基金资助项目?74104? 作者简介 毛东兴士生导师, 研究方向为 心理声学、噪声的效应和控制、环境声学。 : : ?1966?, 男, 江苏人, 教授, 博通讯作者: : 毛东兴, Email: K

4、ingsbury1在 1927 年进行的等响曲线研究，至今 已有八十多年的历史，期间发表了大量的研究文 献，并建立了多个国际标准和一些国家的标准，使 得响度成为对人耳听觉特征了解最全面和最深入 的参量。同时，也正是由于响度是听觉感知特征中 犯的最基础的参量，各国研究人员对响度感知特征 的研究就一直未停止过，人类对响度感知特征的认 识也在不断深入中， 如等响曲线的修正、 双耳异响、 时变响度等方面。甚至在响度稳态响度的计算方 面， 在对稳态响度计算方法标准ISO532 的修订过程 中，人们发现，即使对纯音、宽带声信号以及实际 声信号的稳态响度计算等传统被认为最经典的结 论仍存在问题和争议。 而最

5、近Sottek2在对美国标准 ANSI3.4-2007 与德国标准DIN45631 的响度计算的 对比研究中发现，虽然两个标准在复合音的响度匹 配方面的结果类似，但在相对于复音信号的纯音响 度低估方面存在约 3dB的差异。 2.1 纯音等响曲线纯音等响曲线 继Kingsbury在 1927 年进行的单耳听音条件下 的等响曲线的测量后，Fletcher和Munson3于 1933年获得了自由场双耳听音条件下的完整等响曲线 簇，并构成了至今仍使用的A计权网络的基础。后 续进行的一系列研究中，Robinson和Dadson4的研 究成果成为 1961 年制定的国际标准(ISO/R 2665)的依据。

6、此后，国际标准化组织(ISO)于 1975 年针 对响度的计算方法制定了相应的标准(ISO 5326)。 就在 1987 年ISO/R 226 被作为正式标准 ISO/226-1987 颁布后不久，Fastl和Zwicker7 在研究中发现，他们所获得的等响曲线与Robinson和 Dadson在 1956 年获得的等响曲线在 400Hz附近处 存在显著差异。这种差异不仅被后来的很多研究结 果所证实8，而且研究数据数据进一步证明了等响曲线声级在 800Hz以下都要高于Robinson和Dadson 的等响曲线数据。2003 年，Suzuki和Takeshima8根据上述研究人员所获得的新数据对

7、标准等响曲线声学技术 Technical Acoustics 进行了重新修订。修订后的ISO 226-2003 中公布的 等响曲线与根据Robinson和Dadson4的研究结果制订的 1987 版标准相比， 两者出现了惊人的差异 (见 图 1)。在 1kHz以下的较宽频带范围内，出现了高 达 15dB的差异。 对于如此大的差异， 由美国、 德国、 丹麦、英国和日本等机构参与的这项研究提交给 ISO的技术报告中并没有对引起这种差异的原因做 出解释。 图 1 新旧版本 ISO226 中规定的等响曲线的对比 Fig.1 Comparison of equal loudness level cont

8、ours between ISO 2261987 and ISO2262003 对我国人群等响曲线的初步研究发现所获得 的数据与 1961 年制定的ISO标准存在较大差异9，即便是与 2003 年修订的ISO标准相比，仍然存在明 显的差异，只不过两者之间的差异有所缩小。实验 所获得的我国人群的等响曲线与日本人群的数据 比较接近，只是在一些频率上存在差异。从Suzuki 等的ISO226 标准的修订报告中可以看出，2003 年 标准中有 40%的实验数据来自对日本人群的测试 结果。因此，2003 年版ISO226 结果与中国人数据 更为接近的一个原因有可能是加入了东方人的数 据。换言之，不同区域

9、人群的等响曲线可能存在较 为明显的差异。 根据对中国人群的完整的等响曲线的研究发 现10，中国人群的等响曲线与ISO 226 标准等响曲线存在明显的差异，特别是在 400Hz和 800Hz处， 实验所获得的中国人群的等响曲线都出现了峰值。 这是继Suzuki在 1.6kHz处发现等响曲线峰值后，对 等响曲线的进一步细化。并且非常有趣的是这 3 个 新出现的峰值符合谐波规律。关于这一特征的生理 和物理机理有进一步深入研究的价值。在高频段 内，实验所获得的中国人群等响曲线明显低于国外 研究者所给出的等响曲线(见图 2)， 并且随着频率的增加，两者之间的差值越大。这些研究结果证实了 对不同区域人群等

10、响曲线进行深入对比研究的必 要。 图 2 由场以及耳机测量条件下的 50phon 等响曲 曲线的对比 Fig.2 Comparison of equal loudness level contour at 50phon between ISO and Chinese people measured in free field and headphone condition respectively 中国人群自线与 ISO2.2 双耳异响条件下的总体响度感知双耳异响条件下的总体响度感知 迄今为止的多数关于响度感知方面的研究是 建立在双耳所感知的响度是相等的假设基础上的， 即双耳等响条件(diot

11、ic hearing)。但实际听音情况 下，双耳接收到的声信号存在频率差和双耳声级差 (ILD)，即人耳常处于双耳异响(dichotic hearing)的 听觉环境中。由于声源的非正向入射、声场分布的 不均匀以及人头部几何形状非严格左右对称等，都 会造成双耳所接收到的声信号存在差异。 关于双耳异响条件下总体响度感知的多数早 期研究结论认为ILD对总体响度感知没有影响，左 右耳响度的算术平均值可作为总体响度感知的估 计值11-13。其后的一些实验结果发现，在一些频率范围内或者双耳响度差的范围内，总体响度感知高 于双耳响度的算术平均值14-16。Chouard17针对车内实际噪声对双耳异响的听觉

12、响度感知研究结果得 出了总体响度等于双耳响度算术平均值的结论，而 Sivonen18在对方向性入射声源响度感知的研究中又肯定了双耳声级差对总体响度感知存在的影响。 张洁等采用参考语义细分法对存在双耳声级 差的异响条件下的实验研究发现19，在双耳异响条件下， 对于固定的双耳声级差， 总体响度感知在1kHz 以下的频率范围内受频率影响非常小，而在 1kHz 以上，总体响度感知曲线随频率的升高出现了无规 律性的波动。对不同的信号频率，总体响度感受都 随ILD的变化呈指数变化趋势，其变化关系可用以 下修正模型描述19： 2听觉主观反应特征研究 3) 1(04. 04+=ILDMEQeNN (sone)

13、 (1) 式中为总体响度级感知值，为双耳响度级的算术平均值，ILD 为双耳间声压级差。 EQNMN图3以500Hz为例给出了实验结果及修正模型 的计算结果，其中圆圈（o）表示实验值，实线表 示修正模型计算值。 图 3 总体响度感知随 ILD 变化关系实验及修正模型结果?500Hz? Fig.3 Measured and calculated relation between perceived loudness and the ILD ?500Hz?. 进一步的研究表明，响度感知与信号的带宽有 关20， 随着信号带宽的增加， 总体响度感受都随ILD 的指数变化趋势渐趋缓慢，图 4 中给出纯音，

14、1/3 倍频程以及倍频程三种带宽信号下的响度随ILD变 化的差异。关于这种变化趋势的特征，有必要结合 响度的频率叠加模型进行深入研究，建立响度随 ILD以及频率（带宽）变化的更为细致的数学关系 模型，以获得对响度感知特征的全面系统的了解。 58596061626324681012ILD/dBLN /phon1/3oct 1/1oct纯音图 4 知与信号带宽之间的关系 Fig.4 Relationship between perceived loudness and signal bandwidth. 总体响度感2.3 时变信号响度时变信号响度 现有的关于响度的计算模型都是基于稳态信 号，而实际

15、听音信号绝大多数为时变信号。关于时变信号响度特征的研究是近十年来的研究关注的 重点。 德国国家标准 DIN45631 在 2007 年将时变信 号响度的计算纳入标准的修订版中，ISO 在 2008 年对 ISO532 进行修订时也计划将 DIN45631/A1 关 于时变信号的内容纳入 ISO532 的第 2 部分中。但 目前国际上对时变信号响度特征的评价方法及特 征等仍存在很大争议。 Canvet等21,22对声压级连续变化的 1kHz纯音信号研究后发现， 对声压级连续升高的 1kHz纯音信 号，人耳所感知的响度变化要比同样声级处单独放 音(两次放音之间间隔一段时间)的响度变化略大， Can

16、vet称这种现象为过重振(Up-cruitment)； 而对于 声压级连续降低的 1kHz纯音信号， 人耳所感知的响 度变化要比在同样声级处单独放音(两次放音之间 间隔一段时间)的响度变化大得多， Canvet称这种现 象为反重振(Decruitment)。Neuhoff23,24研究发现，对于合成的元音和 1kHz信号， 声压级渐增信号的响 度变化要大于声压级渐降信号的响度变化，但是对 于宽带噪声信号，两者之间则没有显著差异。 Susini等25的研究还发现，幅值连续变化的纯音信号的总体响度感知与声压级变化的速率、持续 时间以及信号结束时的声压级有关，对于末端声压 级较高的信号，其总体响度感知也较高，对于声压 级连续增加的信号，其总体响度要高于声压级连续 减小的信号的响度。 针对中国人群的声压级连续变化的纯音信号 的研究后发