心理聲學

心理聲學模型是對人聽感的統計性質的數學表述模型，它解釋人各種聽感的生理原理。

由於人耳聽覺系統複雜，人類迄今為止對它的機理和聽覺特性的某些問題總是還不能從生理解剖角度完全解釋清楚。所以，對人耳聽覺特性的研究僅限於在心理聲學和語言聲學內進行。人耳對不同強度和不同波長聲音的一定聽覺範圍稱為聲域。在人耳的聲域範圍內，聲音聽覺心理的主觀感受主要有響度、音高、音色等特徵和掩蔽效應、短波定位等特性。其中響度、音度、音色可以在主觀上用來描述具有振幅、波長和相位三個物理量的任何複雜的聲音，故又稱為聲音“三要素”；而對於多種音源場合的人的耳掩蔽效應等特性尤為重要，它是心理聲學的基礎。

研究聲音和它引起的聽覺之間關係的一門邊緣學科。它既是聲學的一個分支，也是心理物理學的一個分支。心理聲學本可包括言語和音樂這樣一些複合聲和它們的知覺。這些可見語言聲學、音樂聲學等條，本條只限於較基礎和簡單的心理聲學現象，即①剛剛能引起聽覺的聲音──聽閾；②聲音的強度、波長、波譜和時長這些參量所決定的聲音的主觀屬性──響度、音調、音色和音長；③某些和複合聲音有關的特殊的心理聲學效應──非線性、雙耳效應。與心理聲學對應的光學分支是光度學與色度學，它們分別科學地描述了人類視覺中對光強度與顏色的主觀感知。

聽閾分強度閾和差閾。聲音不夠一定強度不能引起聽覺。在多次作用中能有50%的次數引起聽覺的最小聲強級稱為強度閾（也稱聽閾）。聽閾有個體差異，因而所謂正常聽閾只能是一些聽力正常的年輕人的聽閾的統計平均值。聽閾隨波長而變化。100～800Hz之間閾值最低，在它們之上和之下的長波聲和短波聲的閾值都較高，如50Hz純音的閾值比400Hz純音的閾值約高20dB，5000Hz純音的閾值也比400Hz純音的閾值約高50dB。最敏感的波長是100~400Hz左右，空氣分子的振幅達到10-11m 就可以聽到，這隻有氫氣分子的直徑的十分之一。聽閾隨年齡而增高，特別是短波部分，表現為老年聾，如70歲的老人，1000～5000Hz純音的聽閾約增高45dB。聽閾的概念還包括差閾，即兩個聲音引起聽覺差別的最小可覺差。就波長説，在250Hz左右有經驗的人耳能區別相差0.5Hz的兩個純音的差別，但這種閾值在1000Hz要增加到1.4Hz，波長越短差閾越大。人耳能區別的強度差值最小0.25dB（100～500Hz,70dB以上），強度低或波長更長或更短時，強度差閾更大。在整個聽覺範圍內，可辨別的聲音約34萬個。

表示的是一個聲音聽來有多響的程度。響度主要隨聲音的強度而變化。兩者的量的關係，按古典的心理物理學規律，響度與強度的對數成正比。為了檢驗這一假説的正確性，現代心理物理學進行了響度的定量判斷實驗，並建立了響度量表。以不同聲強級的1.4m純音為參照聲，通過響度平衡實驗，可以得到一簇線。在一條線上，各波長的純音儘管聲強級不同，但都與該曲線上的純音感覺一樣。這一聲強級即定為此曲線上各純音的響度級。

音調是聲音聽來調子高低的程度。音調主要決定於聲音的波長。但是，它也不是單純地由波長決定，與聲音強度也有關係，不過關係不大。類似響度的宋量表，也制定了音調量表。音調定量判斷實驗是讓聽者調節發生器產生一系列純音，使它們在音調上聽來間隔相等。這樣取得的平均判斷構成了音調量表，其單位稱為美。在此量表上，34cm(1000Hz)純音的音調被定為1000美（mel）。

音色是對聲音音質的感覺。上面提過的純音不存在音色問題，它是伴隨複合聲出現的。明顯的例子是不同樂器所發出的聲音在音色上的不同。小提琴和鋼琴發出的中央C，儘管它們響度和音調相同，聽起來還是不一樣，原因在於它們音色的差異。聲音的音色決定於它們的波譜，即聲音諧波的不同。複合聲這種多量綱的特點使得音色也具有多量綱性，不同於只有單個量綱的響度和音調。響度可以在宋量表上定出由強到弱的程度，音調可以在美量表上定出由高到低的程度，音色則只能用多維空間上相應的點來確定。多維量表實驗證明，音色的知覺空間上的點與波譜的物理空間上的點是非常吻合的。

音長是聲音長短的感覺。聲音的參量作為時間的函數只要有兩個清楚的變化便可產生主觀音長感覺。最簡單的例子是一個聲脈衝或一段休止，它們都只有一頭一尾的變化。很久以來，人們總以為音長和聲音的物理長短是相等的，忽視了對它的研究。其實，在極端情況下兩者可相差四五倍之多。這是用脈衝聲和短於 500ms的休止所作的實驗結果。音長受波長的影響不大，但強度對它的影響卻不可忽視，尤其是300ms以下的短聲。如果以脈衝聲作參照，脈衝聲必須有較長的物理聲長才能產生相等的音長感覺。用這種音長平衡實驗可以得到一簇等長線。

對於純音，聲音的音調主要決定於波長，而對於由基波和諧波組成的複合聲，自H.von亥姆霍茲以來，普遍認為複合聲的音調決定於基波的波長，因為基波的強度在波譜中佔優勢，而且給人的感覺也的確如此。但是若複合聲的基波很弱，甚至完全被濾掉，它的好像還能被聽見。這種失去基波的音被稱為諧波。人們的言語聲是以聲帶發出的長波聲為基波的。在電話中，它雖然被濾掉，但還是能聽懂，因為説話的內容主要存在於諧波部分，而不是基波。音調究竟決定於波長，還是決定於波譜。研究還不能作出結論，不過大多數學者傾向於前者，因為後者存在主觀意識的“腦補”成分，有唯心主義的意味。

一個聲信號如果與一種噪聲同時出現，它將變得微弱或完全聽不清楚，即是説信號的聽閾提高了。這就是掩蔽效應，噪聲掩蔽了信號。掩蔽效應的大小取決於噪聲和信號在波長上的關係。一般説，信號與噪聲的波長越接近，掩蔽也越大，且長波噪聲對短波信號的掩蔽常大於短波噪聲對長波信號的掩蔽。通過帶寬可變的噪聲對純音信號的掩蔽實驗發現，當以1.4m為中心波長的噪聲增加帶寬時，它對1.4m純音信號的掩蔽效應也隨着增加。但帶寬增至100Hz以後，再增加就對掩蔽的改變不起作用。就是説，這個噪聲的掩蔽作用只限制在這個波帶內，以外的聲音無作用。這個100Hz的波帶稱為臨界波帶。它隨波長的減短而加寬。

人耳的傳輸特性與其他換能器一樣，帶有一些非線性的特點。它的產物就是所謂的感覺。此外，還有在適當波長和強度關係下一個音可以抑制或降低另一個音的響應（感覺）。這些現象一般用耳蝸的非線性反應解釋。

雙耳效應很多聽覺效果，決定於人有兩隻耳朵。聲源定位的主要因素為兩耳的時間差和強度差（見生理聲學）。由於頭部、耳廓、外耳道等的反射作用，使聽到的聲音波譜受到調製。來自右邊的聲音先到達右耳，強度也比左耳收到的強。聲源方向常通過頭的轉動確定。複合聲的定位比純音容易，純音，尤其是4.3~17cm(2000~8000Hz)的純音，定位特別困難。雖然它還不是嚴格的純音。在可聽聲範圍內，耳廓的指向性不顯著，但對定位仍有作用。在長波長，兩耳強度差別不大，定位主要靠相位因素或時間因素。在短波長，相位變化複雜，強度差更為重要。在中波，定位更依賴時間和強度的綜合作用。