人耳能聽(tīng)到的聲音頻率到底是多少.doc

振動(dòng)的物體能使鄰近的空氣分子振動(dòng)，這些分子又引起它們鄰近的空氣分子振動(dòng)，從而產(chǎn)生聲音(Sound)，聲音以聲波的形式傳遞，這種傳遞過(guò)程叫聲輻射(Sound Radiation)。由于分子振動(dòng)產(chǎn)生的聲波的方向與波傳遞的方向相同，所以是一種縱波(Iongitudinal wave)。聲波僅存在于聲源周?chē)拿劫|(zhì)中，沒(méi)有空氣的空間里不可能有聲波。聲音不僅可在空氣內(nèi)傳遞，也可在水、土、金屬等物體內(nèi)傳遞。聲音在空氣中的傳播速度為340m/s(15時(shí))。聲波在單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)稱為頻率(frequency)，單位赫(Hz)。人耳能夠聽(tīng)到的聲音的整個(gè)范圍是2020000Hz，一般把聲音頻率分為高頻、中頻和低頻三個(gè)頻帶。聽(tīng)覺(jué)好的成年人能聽(tīng)到的聲音頻率常在3016000Hz之間，老年人則常在5010000Hz之間。聲波在傳播過(guò)程中，空氣層的密部和疏部向前移動(dòng)，如圖11。由于空氣的固有彈性，上述那種疏密的壓力變化將依次向四外傳播，輻射出一系列有規(guī)則的波。聲波的波長(zhǎng)(wave length)就是這一段路程的長(zhǎng)，恰好排列波的一個(gè)密部和一個(gè)疏部。波長(zhǎng)與聲源的振動(dòng)頻率和聲音傳播的速度有關(guān)。知道了聲波的傳播速度和頻率，就可以算出波長(zhǎng)：C=lf(式中，C為聲波的傳播速度m/s；l為聲波的波長(zhǎng)m；f為聲波的頻率Hz，)振動(dòng)物體產(chǎn)生的聲波，也就是空氣里的壓縮波，傳到我們耳朵里就變成各種樂(lè)音、諧音或噪聲。在聲音世界里除基音外，大量存在的是復(fù)合音，而頻率與基音頻率成整數(shù)倍的所有分音稱為諧音(harmonic tone)，頻率比基音高的所有分音統(tǒng)稱泛音(over tone)，泛音的頻率不必與基音成整數(shù)倍關(guān)系。樂(lè)音內(nèi)的各個(gè)音在頻率上都有一定比例，例如，高8度的音的振動(dòng)頻率是基音的頻率的2倍。如果同時(shí)發(fā)出兩個(gè)或兩個(gè)以上的音，人耳可以聽(tīng)到悅耳的諧音(和聲)，也可能聽(tīng)到刺耳的噪聲。當(dāng)兩個(gè)音的振動(dòng)頻率之比為較小的整數(shù)比時(shí)，如1:2、4:4，會(huì)得到悅耳的諧音，當(dāng)頻率比為較大的整數(shù)比時(shí)，如8:9、8:15，聽(tīng)到的將是令人生厭的噪聲。樂(lè)器在發(fā)出基音的同時(shí)，總會(huì)伴隨著一系列泛音的出現(xiàn)，由于不同樂(lè)器的泛音并不相同，所以它們發(fā)出的同一個(gè)音也不相同，就是這些泛音決定了一個(gè)樂(lè)器所發(fā)聲音的音色。頻率相同的正弦波之間在時(shí)間上的相對(duì)位移，稱為相位(phase)，用度表示。聲波與其它波一樣，它整個(gè)一周為360的相位變化，同相聲波互相加強(qiáng)，異相聲波互相減弱，或傾向互相抵消。聲源的振幅越大，聲音越響，聲波的幅度能量按高于或低于正常大氣壓的壓力變化量度，這個(gè)變化部分的壓強(qiáng)就稱聲壓(sound pressure)，以帕斯卡 (Pa)計(jì)量。人耳聽(tīng)覺(jué)的聲壓范圍很大，約2´102´10Pa。為了方便計(jì)算，在實(shí)用上通常都以對(duì)數(shù)方式的聲壓級(jí) (sound pressure level)表示。0dB是基準(zhǔn)，它以人耳剛能聽(tīng)到的聲壓2´10Pa的1000Hz頻率的聲音為標(biāo)準(zhǔn)。聲壓級(jí)變化3dB，聲壓增加倍，大多數(shù)人要在聲壓級(jí)增加610dB時(shí)，響度才有加倍感覺(jué)。人耳能分辨的最小響度變化是1dB。離聲源距離每增大1倍，聲壓級(jí)降低6dB，兩個(gè)聲源并存，聲壓級(jí)增加3dB。聲波在傳播過(guò)程中，遇到障礙物時(shí)，只要障礙物的尺寸大于或接近聲波的波長(zhǎng)，就會(huì)產(chǎn)生反射(reflection)而改變其傳播方向。部分聲波則能繞過(guò)障礙物的邊緣傳播，而聲波在通過(guò)窄孔時(shí)，則將趨向均勻擴(kuò)散（diffusion)，這就是聲繞射(衍射，diffraction)。對(duì)頻率越高的聲音，聲繞射越不易產(chǎn)生，其傳播輻射的指向性越強(qiáng)。頻率越低的聲音，由于聲繞射作用，障礙物的遮蔽作用越弱。如果有兩個(gè)不同聲源發(fā)出同樣的聲音，在同一時(shí)間以同樣強(qiáng)度到達(dá)時(shí)，聲音呈現(xiàn)的方向大致在兩個(gè)聲源之間；如兩個(gè)同樣的聲源中的一個(gè)延時(shí)535ms，則感覺(jué)聲音似乎都來(lái)自未延時(shí)的聲源；如延遲時(shí)間在3550ms時(shí)，延時(shí)的聲源可被識(shí)別出來(lái)，但其方向仍在未經(jīng)延時(shí)的聲源方向；只有延遲時(shí)間超過(guò)50ms時(shí)，第二聲源才能象清晰的回聲般聽(tīng)到。這種現(xiàn)象就是哈斯效應(yīng)(Hass effect)。人類對(duì)聲源方向的判別，不僅取決于聲波傳播的物理過(guò)程，還與人的聽(tīng)覺(jué)生理和心理因素有關(guān)。用單只耳朵雖能決定聲音的響度、音調(diào)和音色等屬性，但不能具體確定聲源的方向和準(zhǔn)確位置，當(dāng)用兩只耳朵聽(tīng)聲音時(shí)，對(duì)聲音方向的定位能力就能提高，這就是雙耳效應(yīng)(binaural effect)。雙耳效應(yīng)的依據(jù)是聲源發(fā)出的聲音，在到達(dá)兩只耳朵時(shí)，由于距離不等，就存在時(shí)間差(Interaural Time Difference)和強(qiáng)度差(Interaural Intensity Difference)。鑒于人的頭部雙耳間的距離約為1618cm，是8001000Hz聲音的半波長(zhǎng)，所以對(duì)頻率在8001000Hz以上的聲音，由于頭部的遮蔽作用，兩耳聽(tīng)到的聲音就有強(qiáng)度差異，主要是這種強(qiáng)度差決定了聲音在水平面內(nèi)的定位。頻率在8001000Hz以下的聲音，由于聲音的繞射作用，雙耳的定位能力隨著頻率的降低而減弱。雙耳效應(yīng)只能解釋前方水平方向上的聲音定位，三維空間定位主要依賴于耳廓效應(yīng)。人類聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為聲源空間方位角的函數(shù)，也就是耳廓對(duì)來(lái)自各個(gè)不同方向的聲波頻譜進(jìn)行不同的修正后，才由耳道傳到鼓膜，大腦依據(jù)聲音的頻譜特性，就能辨別三維空間中的聲源方向。聲音從不同角度進(jìn)入人耳時(shí)，由于耳廓的結(jié)構(gòu)會(huì)影響聲源的定位，所以人類的耳廓對(duì)確定聲音的空間方向起主要作用，這是美國(guó)加州大學(xué)Irvine實(shí)驗(yàn)室自80年代起所作人類對(duì)聲源定位的生理和心理研究的結(jié)果。耳廓效應(yīng)主要對(duì)4kHz以上高頻段聲波產(chǎn)生梳狀濾波作用，而且耳廓效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型HRTF還與人體頭部、肩部及軀干對(duì)聲波的反射、散射及傳導(dǎo)等因素有關(guān)。雙耳效應(yīng)和耳廓效應(yīng)賦于人耳全方位辨別聲音方向的能力。1、響度(Loudness)響度是人耳對(duì)聲音強(qiáng)弱程度的感覺(jué)，響度變化大致同聲強(qiáng)變化的對(duì)數(shù)成比例。聲音的響度雖主要取決于其強(qiáng)度，但也與其頻率和波形有關(guān)，人耳對(duì)中頻的音量變化比之低頻和高頻更為敏感，所以聽(tīng)覺(jué)是非線性的。對(duì)聲音各頻率與1000Hz聲音在響度上相等的曲線，稱為等響曲線響度的計(jì)量單位是方(Phon)，人耳在10003000Hz頻率范圍內(nèi)聽(tīng)覺(jué)最靈敏，聲壓越低，聽(tīng)覺(jué)的頻率范圍越窄，聲壓越高，頻率范圍越寬，當(dāng)響度級(jí)達(dá)到80Phon以上時(shí)，聽(tīng)覺(jué)的頻率響應(yīng)趨于平坦。人耳能聽(tīng)到聲音的最微弱強(qiáng)度，稱為聽(tīng)覺(jué)閾，產(chǎn)生疼痛感的最高聲音強(qiáng)度，稱為痛覺(jué)閾。聲音的有用音量范圍，即最大值與最小值之比，稱為動(dòng)態(tài)范圍，如圖13。在一般家庭中重播音樂(lè)的聲壓級(jí)的平均值約需7585db，音量太低，不能正確鑒定聲音質(zhì)量的好壞。2、音調(diào)(tome)音調(diào)是聲音調(diào)子的高低，是人耳對(duì)聲音頻率的感受。音調(diào)高低與頻率高低有密切關(guān)系，但聲音強(qiáng)度及聲音長(zhǎng)短都會(huì)影響人耳對(duì)音調(diào)的感覺(jué)。聲音頻率每增加一倍，音調(diào)升高八度，也就是一個(gè)倍頻程(oct)。一個(gè)聲音的聽(tīng)覺(jué)閾會(huì)因另一個(gè)掩蔽聲音的存在而上升的現(xiàn)象，稱為掩蔽(masking)，通常是低頻率的聲音容易掩蔽較高頻率的聲音。3、音色(timber)音色是人耳對(duì)某種聲音獨(dú)特性質(zhì)的綜合感受。音色與多種因素有